KR20160079099A

KR20160079099A - 고강도 강판의 마찰 교반 접합 방법

Info

Publication number: KR20160079099A
Application number: KR1020167014729A
Authority: KR
Inventors: 무네오 마츠시타; 린세이 이케다
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2016-07-05
Also published as: WO2015068386A1; CA2929359C; KR101910875B1; WO2015068386A8; JPWO2015068386A1; EP3067148A1; JP5939356B2; CA2929359A1; EP3067148A4; EP3067148B1; RU2637546C1; CN105705288B; US20160263697A1; CN105705288A

Abstract

마찰 교반 접합 방법에 있어서, 강판으로서, 성분 조성이 소정의 범위로 조정됨과 함께, 다음 식 (1)로 계산되는 Pcm값이 0.18≤Pcm≤0.30을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 고강도 용접 구조용 강을 이용함과 함께, 마찰 교반에 있어서의 접합 조건이, 툴 회전수: 100∼1000rpm, 툴 회전 토크: 50∼500N·m 및 접합 속도: 10∼1000㎜/min의 범위이고, 또한, 다음 식 (2)로 정의되는 HI에 대해서, 1.5∼20의 범위 내이고, 또한 Pcm과의 관계로 다음 식 (3)의 범위를 만족시킨다.
Pcm(％)=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B … (1)
HI(kJ/㎜)=(6.28×RT×RS)/TS/1000 … (2)
1.5×10⁹×(Pcm)^13.8≤HI≤2.1×10⁸×(Pcm)^10.6 … (3)

Description

고강도 강판의 마찰 교반 접합 방법{FRICTION STIR WELDING METHOD FOR HIGH-STRENGTH STEEL SHEETS OR PLATES}

본 발명은, 회전 툴을 피(被)가공재의 접합부에 삽입하여 회전시키면서 이동시켜, 이 회전 툴과의 마찰열에 의한 피가공재의 연화와, 그 연화부를 회전 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동(plastic flow)을 이용하여, 용가재(filler material)를 첨가하는 일 없이 접합을 행하는 마찰 교반 접합 방법에 관한 것이다.

특히 이 마찰 교반 접합 방법을 고강도 구조용 강(high-strength structural steel)의 접합에 적용한 경우에 염려되는, 교반부 내부의 가열 상태, 소성 유동 상태의 불균일성을 유리하게 해소하여, 충분한 강도와 함께, 기계적 특성 특히 인성(toughness)의 균일화를 도모하고자 하는 것이다.

마찰 용접법으로서, 특허문헌 1에는, 한 쌍의 금속 재료의 양쪽 또는 한쪽을 회전함으로써, 금속 재료에 마찰열을 발생시켜 연화시키면서, 그 연화된 부위를 교반하여 소성 유동을 일으킴으로써, 금속 재료를 접합하는 기술이 개시되고 있다.

그러나, 이 기술은, 접합 대상으로 하는 금속 재료를 회전시키는 것이기 때문에, 접합하는 금속 재료의 형상이나 치수에 한계가 있다.

한편, 특허문헌 2에는, 피가공재보다도 실질적으로 단단한 재질로 이루어지는 툴을 피가공재의 접합부에 삽입하고, 이 툴을 회전시키면서 이동시킴으로써, 툴과 피가공재의 사이에 발생하는 열과 소성 유동에 의해, 피가공재를 길이 방향으로 연속적으로 접합하는 방법이 제안되고 있다.

특허문헌 2에 기재된 접합법은 마찰 용접법, 마찰 접합법, 마찰 교반 용접법, 마찰 교반 접합법 등으로 호칭되지만, 이하 이들을 총칭하여 마찰 교반 접합법이라고 부른다.

특허문헌 1에 기재된 마찰 용접법은, 피가공재끼리를 회전시키고, 피가공재끼리의 마찰열에 의해 용접하는 방법이다. 한편, 특허문헌 2에 개시된 마찰 교반 접합법은, 접합 부재를 고정한 상태에서, 툴을 회전시키면서 이동함으로써 접합할 수 있다. 이 때문에, 용접 방향에 대하여 실질적으로 무한하게 긴 부재에도 그 길이 방향으로 연속적으로 고상 접합(solid state bonding)할 수 있다는 이점이 있다. 또한, 회전 툴과 접합 부재의 마찰열에 의한 금속의 소성 유동을 이용한 고상 접합 때문에, 접합부를 용융하는 일 없이 접합할 수 있다. 또한, 가열 온도가 낮기 때문에 접합 후의 변형이 적고, 또한 접합부는 용융되지 않기 때문에 결함이 적고, 추가로 용가재를 필요로 하지 않는 등 많은 이점이 있다.

마찰 교반 접합법은, 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금으로 대표되는 저(低)융점 금속 재료의 접합법으로서 항공기, 선박, 철도 차량 및 자동차 등의 분야에서 이용이 확대되고 있다. 이러한 이유로서는, 이들의 저융점 금속 재료는, 종래의 아크 용접법에서는 접합부의 만족스러운 특성을 얻는 것이 어렵고, 마찰 교반 접합법을 적용함으로써 생산성이 향상됨과 함께, 품질이 높은 접합부를 얻을 수 있기 때문이다.

한편, 건축물이나 선박, 중기, 파이프라인, 자동차와 같은 구조물의 소재로서 주로 적용되고 있는 저합금 용접(low-alloy) 구조용 강에 대한 마찰 교반 접합법의 적용은, 시공성과 조인트(joint) 특성에 과제가 있기 때문에 저융점 금속 재료와 비교하여 보급이 진행되어 있지 않다.

저합금 용접 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서는, 특허문헌 3, 특허문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이, 회전 툴로서 다결정 붕소 질화물(PCBN)이나 질화 규소(SiN₄) 등의 고 내마모성 재료(high abrasion resistance materials)를 이용하고 있는 것이 실상이다.

그러나, 이들의 세라믹은 무르기 때문에, 회전 툴의 파손을 방지하기 위해, 접합하는 강판의 판 두께나 그 시공 조건이 현저하게 제한된다.

접합에 있어서는, 상기한 접합 가능 판 두께나 접합 조건 등의 제약이 적을수록, 또한 시공성 즉 실용으로의 제공 용이함이 높을수록 실용성이 풍부하다고 말할 수 있다.

그러나, 마찰 교반 접합법의 철강에 대한 시공성은, 철강의 접합에 널리 이용되고 있는 아크 용접 등의 용접과 비교하면, 만족할 수 있는 것은 아니었다.

이것을 극복하기 위해, 특허문헌 5에서는 C, Mn, P, S와 같은 저합금강을 구성하는 기본 원소에 추가하여 페라이트 안정화 원소인 Si, Al, Ti의 함유량을 한정하고, 700℃ 이상의 평형 상태(equilibrium state)에 있어서 페라이트 단상(single phase)이 되는 온도역 폭과 오스테나이트상(phase)과 페라이트상(phase)의 2상(two phase)인 온도역 폭의 총합을 200℃ 이상으로 하는 저합금 용접 구조용 강을 제안하고 있다. 이에 따라, 마찰 교반 접합시에 있어서의 변형 저항을 저감시켜, 저합금 용접 구조용 강의 마찰 교반 접합법의 시공성을 향상시키고 있다.

한편, 조인트 특성의 과제에 관해서는, 비특허문헌 1에도 기재되어 있는 바와 같이, 마찰 교반 접합법에서는, 교반부 내부에서의 소성 유동 상태가 균일하지 않고, 가열 상태, 소성 가공 상태가 국소적으로 변화된다. 이것이 저합금 구조용 강의 접합인 경우에는 교반부 내부의 기계적 특성에 크게 영향을 미치고, 특히 인성이 불균질해지는 것이 알려져 있다.

이것에 관해서는 특허문헌 6에서는, 저합금 용접 구조용 강의 마찰 교반 접합의 교반부 내부에 있어서의, 가열 상태, 소성 가공 상태의 국소적인 변화에 기인한 인성의 불균질성을 해소하는 것을 목적으로 한다. 거기서는, 고온에서도 안정적인 미세한 석출물을 분산시키는 강 성분을, 조인트부의 열 이력을 지배하는 접합 조건에 의해 한정한 마찰 교반 접합 방법이 개시되고 있다.

그러나, 인장 강도가 800㎫ 이상인 고강도 구조용 강을 마찰 교반 접합하는 경우에, 교반부에 있어서 충분한 강도를 갖고, 또한 교반부 내부에서의 인성의 불균질성을 해소할 수 있는 만족스러운 해결 방법은, 아직 발견되어 있지 않은 것이 실상이다.

일본공개특허공보 소62-183979호 일본공표특허공보 평7-505090호 일본공표특허공보 2003-532542호 일본공표특허공보 2003-532543호 일본공개특허공보 2008-031494호 일본특허출원 2012-086924호 명세서

용접 학회 전국 대회 강연 개요 제87집(2010) 331

본 발명은, 상기의 현상을 감안하여 개발된 것이다. 여기에서는, 인장 강도가 800㎫ 이상인 고강도 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 교반부에 있어서 충분한 강도를 확보하고, 또한 가열 상태, 소성 가공 상태의 국소적인 변화에 기인하는 인성의 불균질성을 해소하는 것을 목적으로 한다. 그리고, 강 성분과 마찰 교반 접합 조건을 엄밀하게 관리한 마찰 교반 접합 방법을 제공한다.

그래서, 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 거듭한 결과, 이하에 기술하는 인식을 얻었다.

a) 마찰 교반 접합법에서는, 툴 회전수, 툴 회전 토크, 접합 속도 및 피접합재의 판 두께 등으로부터, 조인트에 투입되는 열량을 툴 회전의 작업량에 의해 환산할 수 있다. 즉, 툴 회전수와 툴 회전 토크의 곱에 의해 시간당의 작업량이 얻어지고, 이것을 접합 속도로 나눔으로써, 접합 방향의 단위 길이당의 작업량을 얻을 수 있다. 이것이 접합 입열(heat input)에 상당한다고 생각된다. 본 발명에서는, 이 접합 입열을 HI라고 표기하고, 다음 식 (2)와 같이 나타낸다.

HI(kJ/㎜)=(6.28×RT×RS)/TS/1000 … (2)

단, RT는 툴 회전 토크(N·m)

RS는 툴 회전수(rpm)

TS는 접합 속도(㎜/min)

그리고, 이 접합 입열(HI)을 관리함으로써, 마찰 교반 접합부의 열 이력을 제어할 수 있다.

b) 강재의 강도, 인성 등의 기계적 성질은, 마이크로 조직이 크게 영향을 준다. 인장 강도가 800㎫ 이상인 고강도 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 충분한 접합 조인트의 강도와, 교반부에 있어서의 인성의 불균질성을 해소하여 균질한 고인성(high toughness)을 달성하기 위해서는, 교반부를 주로 미세 베이나이트 조직으로 이루어지는 마이크로 조직으로 할 필요가 있다.

c) 강재의 마찰 교반 접합에 있어서, 교반부는 오스테나이트-페라이트 변태 온도 이상으로 가열된다. 그 후의 냉각 과정에 있어서의 오스테나이트-페라이트 변태에 의해 상온 시의 마이크로 조직이 형성되지만, 그 양상은, 800℃에서 500℃까지의 냉각 시간에 크게 영향을 받는다. 냉각 시간이 길면, 페라이트-펄라이트 조직이 되고, 냉각 시간이 짧아짐에 따라, 조대(coarse) 베이나이트, 미세 베이나이트, 마르텐사이트의 순서로, 보다 저온에서 생성하고, 고강도인 조직으로 이행한다.

상기와 같이 접합 입열(HI)을 관리함으로써, 마찰 교반 접합부의 열 이력을 제어할 수 있고, 800℃에서 500℃까지의 냉각 시간을 미세 베이나이트가 얻어지는 범위로 하면 좋다.

d) 그러나, 냉각 시간과 오스테나이트-페라이트 변태의 관계는, 강 성분에 영향을 받는다.

그래서, 발명자들은, 교반부에서 미세 베이나이트가 얻어지는 접합 입열(HI)의 범위를, 합금 원소의 함유량을 파라미터로 하는 켄칭(quenching)성 지표(Pcm)와의 관계로 규정함으로써, 고강도 구조용 강의 마찰 교반 접합에 있어서, 교반부에 있어서의 충분한 강도를 달성하고, 또한 가열 상태, 소성 가공 상태의 국소적인 변화에 기인하는 인성의 불균질성을 해소하여 균질한 고인성을 달성한 것이다.

본 발명은, 상기의 인식에 입각하는 것이다.

즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.

1. 숄더부(shoulder) 및 당해 숄더부에 배치되어 당해 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부(pin)를 포함하고, 적어도 당해 숄더부와 당해 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 당해 강판의 접합부에 삽입하여 회전시키면서 이동시키고, 당해 회전 툴과 당해 강판의 마찰열에 의해 당해 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 당해 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 당해 강판을 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서,

당해 강판으로서, 성분 조성이 질량％로,

C: 0.03∼0.12％,

Si: 0.6％ 이하,

Mn: 1.5∼3.0％,

P: 0.015％ 이하,

S: 0.002％ 이하,

Al: 0.1％ 이하,

Ti: 0.005∼0.030％,

Nb: 0.01∼0.10％,

N: 0.001∼0.008％ 및

O: 0.03％ 이하

를 함유하고, 하기 식 (1)로 계산되는 Pcm값이 0.18≤Pcm≤0.30을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 고강도 용접 구조용 강을 이용하고,

마찰 교반에 있어서의 접합 조건이,

툴 회전수: 100∼1000(rpm),

툴 회전 토크: 50∼500(N·m) 및

접합 속도: 10∼1000(㎜/min)

의 범위이고, 또한, 하기 식 (2)로 정의되는 용접 입열(HI)이, 1.5∼20의 범위이고, 또한 Pcm과의 관계로 하기 식 (3)의 범위를 만족하는 마찰 교반 접합 방법.

기

Pcm(％)=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B … (1)

HI(kJ/㎜)=(6.28×RT×RS)/TS/1000 … (2)

단, RT는 툴 회전 토크(N·m)

RS는 툴 회전수(rpm)

TS는 접합 속도(㎜/min)

1.5×10⁹×(Pcm)^13.8≤HI≤2.1×10⁸×(Pcm)^10.6 … (3)

2. 상기 1에 있어서, 상기 고강도 용접 구조용 강이, 추가로 질량％로,

Cu: 1.0％ 이하,

Ni: 1.5％ 이하,

Mo: 1.0％ 이하,

Cr: 1.0％ 이하,

V: 0.10％ 이하,

W: 0.2∼1.2％ 및

B: 0.0001∼0.005％

중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 마찰 교반 접합 방법.

3. 상기 1 또는 2에 있어서, 상기 고강도 용접 구조용 강이, 추가로 질량％로,

Ca: 0.01％ 이하,

REM: 0.02％ 이하,

Mg: 0.01％ 이하 및

Zr: 0.0005∼0.03％

본 발명에 의하면, 인장 강도가 800㎫ 이상인 고강도 구조용 강의 마찰 교반 접합시에 있어서, 교반부에 있어서 충분한 강도를 확보할 수 있다. 뿐만 아니라, 가열 상태, 소성 가공 상태의 국소적인 변화에 기인하여 발생하는 인성의 불균질성을 해소하여, 균일하고 양호한 인성을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마찰 교반 접합 요령을 나타낸 도면이다.
도 2는 판 두께 6㎜의 강판에 대하여 사용한 회전 툴의 형상·치수를 나타낸 도면이다.
도 3은 판 두께 12㎜의 강판에 대하여 사용한 회전 툴의 형상·치수를 나타낸 도면이다.
도 4는 마찰 교반 접합 조인트로부터의 인장 시험편의 채취 요령과 시험편의 형상·치수를 나타낸 도면이다.
도 5는 마찰 교반 접합 조인트로부터의 샤르피(Charpy) 충격 시험편의 채취 요령을 나타낸 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

우선, 본 발명에서 접합 대상으로 하는 고강도 용접 구조용 강의 성분 조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대해서 설명한다. 또한, 특별히 지정하지 않는 한, 질량％를 단순히 ％로 나타낸다.

C: 0.03∼0.12％

C는, 강도를 향상시키는 원소로서, 본 발명에서 소망하는 강도(800㎫ 이상)를 확보하기 위해서는 0.03％ 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.12％를 초과하여 함유하면 모재 인성 및 용접성이 열화된다. 이 때문에, C량은 0.03∼0.12％의 범위로 했다. 바람직하게는 0.05∼0.09％의 범위이다.

Si: 0.6％ 이하

Si는, 고용(solid solution) 강화에 의해, 모재 및 용접 열 영향부(HAZ)의 강도를 상승시키는데 유효한 원소이다. 그러나, 0.6％를 초과하여 첨가하면 인성이 현저하게 저하되기 때문에, Si량의 상한은 0.6％로 했다. 바람직하게는 0.5％ 이하의 범위이다. 또한, Si량의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, Si는 강도를 향상시키는 원소인 점에서, 충분한 강도를 얻기 위해서는 Si량의 하한은 0.05％로 하는 것이 바람직하다.

Mn: 1.5∼3.0％

Mn은, 강도 증가에 유효한 원소로서, 소망하는 강도 확보의 관점에서 1.5％ 이상 함유시키는 것이 필요하다. 한편, Mn량이 3.0％를 초과하면, 압연 후 공랭(air cooling)한 경우에 조직이 조대한 베이나이트가 되고, 모재 인성이 저하된다. 이 때문에, Mn량은 1.5∼3.0％의 범위로 한정했다. 바람직하게는 1.8∼2.8％의 범위이다.

P: 0.015％ 이하, S: 0.002％ 이하

P, S는 모두, 강 중에 불가피적 불순물로서 존재한다. 특히 P, S는, 중심 편석부에서의 편석이 현저한 원소이기 때문에, 모재의 편석부에 기인한 인성의 저하를 억제하기 위해, 각각 상한을 0.015％, 0.002％로 했다. 바람직하게는 P: 0.010％ 이하, S: 0.0018％ 이하이다. 단, 과도한 P 및 S의 저감은 비용의 증가를 초래하기 때문에, P 및 S의 하한은 각각 0.001％, 0.0005％ 정도로 하는 것이 바람직하다.

Al: 0.1％ 이하

Al은, 탈산 원소로서 작용한다. 그러나, Al이 0.1％를 초과하여 첨가되면 강 중의 청정도가 저하되고, 인성 열화의 원인이 되기 때문에, 0.1％ 이하로 했다. 바람직하게는 0.06％ 이하이다. 또한, Al량의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 탈산 효과를 충분하게 얻기 위해서는, Al량의 하한은 0.005％로 하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.005∼0.030％

Ti는, 질화물을 형성하고, 강 중의 고용(N)량을 저감하는데 유효하다. 또한, 석출된 TiN이 피닝(pinning) 효과로 오스테나이트 입자의 조대화를 억제 방지를 함으로써, 모재 및 HAZ의 인성 향상에 기여한다. 필요한 피닝 효과를 얻기 위해서는 Ti: 0.005％ 이상의 첨가가 필요하지만, 0.030％를 초과하여 첨가하면 탄화물을 형성하고, 그 석출 경화에 의해 인성이 현저하게 열화되기 때문에, 상한을 0.030％로 했다. 바람직하게는 0.010∼0.025％의 범위이다.

Nb: 0.01∼0.10％

Nb는, 탄화물을 형성함으로써, 특히 2회 이상의 열 사이클을 받는 용접 열 영향부(HAZ)에 있어서의 템퍼링 연화를 방지하여, 필요한 HAZ 강도를 얻기 위해 필요한 원소이다. 또한, 열간 압연시의 오스테나이트 미(未)재결정 영역을 확대하는 효과도 있고, 특히 950℃까지를 미재결정 영역으로 하기 위해서는 0.01％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 0.10％를 초과하여 첨가하면 HAZ의 인성을 현저하게 손상시키는 점에서, 상한을 0.10％로 했다. 바람직하게는 0.02∼0.08％의 범위이다.

N: 0.001∼0.008％

N은, 통상, 불가피적 불순물로서 강 중에 존재한다. 그러나, 전술한 바와 같이 Ti 첨가를 행함으로써, 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하는 TiN을 형성한다. 필요로 하는 피닝 효과를 얻기 위해서는, N은 0.001％ 이상 강 중에 존재하는 것이 필요하다. 한편 0.008％를 초과하면, 용접부, 특히 용융선 근방에서 1450℃ 이상으로 가열된 영역에서 TiN이 분해된 경우, 고용(N)의 악영향이 현저해진다. 이 때문에, 상한을 0.008％로 했다. 바람직하게는 0.002∼0.006％의 범위이다.

O: 0.03％ 이하

O는, 비금속 개재물을 생성하여, 강의 청정도, 인성을 열화시키기 때문에, 0.03％ 이하로 했다. 바람직하게는 0.02％ 이하이다. 단, 과도한 O의 저감은 비용의 증가를 초래하기 때문에, O의 하한은 0.0003％ 정도로 하는 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 기본 성분에 대해서 설명했지만, 본 발명에서는, 더욱 특성을 향상시키기 위해, Cu, Ni, Mo, Cr, V, W 및 B 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다.

Cu: 1.0％ 이하

Cu는, 켄칭성 향상 원소로서 작용하고, 다량의 Mn 첨가의 대체로 할 수 있다. 그러나, 1.0％를 초과하여 첨가하면, 균열의 원인이 되기 때문에, 상한을 1.0％로 했다. 또한, Cu의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, Cu량의 하한은 0.05％로 하는 것이 바람직하다.

Ni: 1.5％ 이하

Ni도 또한, 켄칭성 향상 원소로서 작용하는 것 외에, 첨가해도 인성의 열화를 일으키지 않는 유용 원소이다. 그러나, Ni는 고가의 원소이기 때문에, 1.5％ 초과의 첨가는 제조 비용의 상승을 초래하기 때문에, 상한을 1.5％로 했다. 또한, Ni의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, Ni량의 하한은 0.05％로 하는 것이 바람직하다.

Mo: 1.0％ 이하

Mo는, 켄칭성 향상 원소로서 작용하고, 다량의 Mn 첨가의 대체로 할 수 있다. 그러나, 고가의 원소이고, 또한 1.0％를 초과하여 첨가해도 강도 상승은 포화되기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 1.0％로 했다. 또한, Mo의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, Mo량의 하한은 0.02％로 하는 것이 바람직하다.

Cr: 1.0％ 이하

Cr도 또한, 켄칭성 향상 원소로서 작용하고, 다량의 Mn 첨가의 대체로 할 수 있다. 그러나, 1.0％를 초과하여 첨가하면 HAZ 인성이 현저하게 열화되기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 1.0％로 했다. 또한, Cr의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, Cr량의 하한은 0.05％로 하는 것이 바람직하다.

V: 0.10％ 이하

V는, Nb와의 복합 첨가에 의해, 다중 용접 열 사이클시에 석출 경화하여, HAZ의 연화 방지에 유효하게 기여한다. 그러나, 0.10％를 초과하여 첨가하면 석출 경화가 현저하고 HAZ 인성의 열화로 이어지기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 0.10％로 했다. 또한, V의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, V량의 하한은 0.003％로 하는 것이 바람직하다.

W: 0.2∼1.2％

W는, 강의 켄칭성을 향상시키고, 베이나이트 주체의 조직을 얻는데 유효한 원소이다. 또한, W의 첨가는, B 첨가에 의한 강의 켄칭성 향상 효과를 더욱 높이는 효과가 있다. 또한, W를 Nb와 함께 첨가하면, 제어 압연시에 오스테나이트의 재결정을 억제하여, 오스테나이트 조직을 미세화하는 효과가 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, W는 적어도 0.2％ 첨가할 필요가 있다. 그러나, 과잉한 W 첨가는 HAZ 인성, 현지 용접성을 열화시키고, 또한 B의 켄칭성 향상 효과를 손상시키는 경우가 있기 때문에, 그 상한을 1.2％로 했다.

B: 0.0001∼0.005％

B는, 오스테나이트 입계(grain boundary)에 편석하고, 페라이트 변태를 억제함으로써, 특히 HAZ의 강도 저하 방지에 기여한다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.0001％ 이상의 첨가를 필요로 하지만, 0.005％를 초과하여 첨가해도 그 효과는 포화되기 때문에, 첨가하는 경우는 상한을 0.005％로 했다.

또한, 본 발명에서는, 상기한 원소에 더하여, 추가로 Ca, REM, Mg 및 Zr 중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 첨가하는 것이 가능하다.

Ca: 0.01％ 이하

Ca는, 강 중의 황화물의 형태 제어에 유효한 원소로서, 첨가함으로써 인성에 유해한 MnS의 생성을 억제한다. 그러나, 0.01％를 초과하여 첨가하면, CaO-CaS의 클러스터를 형성하고, 오히려 인성을 열화시키기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 0.01％로 했다. 또한, Ca의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, Ca량의 하한은 0.001％로 하는 것이 바람직하다.

REM: 0.02％ 이하

REM도 또한, 강 중의 황화물의 형태 제어에 유효한 원소로서, 첨가함으로써 인성에 유해한 MnS의 생성을 억제한다. 그러나, 고가의 원소이고, 또한 0.02％를 초과하여 첨가해도 효과가 포화되기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 0.02％로 했다. 또한, REM의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, REM량의 하한은 0.001％로 하는 것이 바람직하다.

Mg: 0.01％ 이하

Mg는, 제강 과정에서 강 중에 미세한 산화물로서 생성하고, 특히 HAZ에 있어서 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하는 피닝 효과를 가져온다. 그러나, 0.01％를 초과하여 첨가하면, 강 중의 청정도가 저하되고, 오히려 인성을 저하시키기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 0.01％로 했다. 또한, Mg의 첨가 효과를 유리하게 발현시키는 관점에서, Mg량의 하한은 0.001％로 하는 것이 바람직하다.

Zr: 0.0005∼0.03％

Zr은, 강 중에서 탄질화물을 형성하고, 특히 용접 열 영향부에 있어서 오스테나이트 입자의 조대화를 억제하는 피닝 효과를 가져온다. 충분한 피닝 효과를 얻기 위해서는, 0.0005％ 이상의 첨가가 필요하지만, 0.03％를 초과하여 첨가하면, 강 중의 청정도가 현저하게 저하되고, 오히려 인성의 저하로 이어지기 때문에, 첨가하는 경우는, 상한을 0.03％로 했다.

Pcm: 0.18∼0.30

본 발명에 있어서 Pcm은, 용접 균열 감수성을 나타내는 지수로서, 다음 식 (1)로 나타난다.

Pcm(％)=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B … (1)

본 발명에서는, 조인트 강도≥800㎫을 달성하기 위해, 이 Pcm값의 하한을 0.18로 한다. 한편, Pcm값이 0.30을 초과하면 모재 인성 및 용접성이 열화되기 때문에, 상한을 0.30으로 했다. 바람직하게는 0.190∼0.260의 범위이다.

다음으로, 마찰 교반 접합법의 접합 조건의 한정 이유에 대해서 설명하면 다음과 같다.

툴 회전수: 100∼1000rpm

회전 툴과 가공물의 접합부의 사이에서 마찰열을 발생시키고, 그 열에 의해 연화된 접합부를 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 발생시키기 위해서는, 적정한 툴 회전수로 제어할 필요가 있다. 이 툴 회전수가 100rpm 미만에서는, 발열과 소성 유동이 부족하여 접합부에 미접합부가 생기거나, 회전 툴에 과대한 하중이 가해져 파손되는 문제가 발생할 우려가 있다. 한편, 툴 회전수가 1000rpm을 초과하면, 발열과 소성 유동이 과대해져 연화된 금속이 접합부로부터 버(burr)로서 결손되기 때문에 접합부의 충분한 두께가 얻어지지 않았거나, 회전 툴이 과도하게 가열되어 파손되는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 툴 회전수는 100∼1000rpm의 범위로 했다. 바람직하게는 120∼750rpm의 범위이다.

툴 회전 토크: 50∼500 N·m

회전 툴과 가공물의 접합부의 사이에서 마찰열을 발생시키고, 그 열에 의해 연화된 접합부를 툴이 교반함으로써 발생하는 소성 유동을 발생시키기 위해서는, 툴 회전 토크를 적정 범위로 설정할 필요가 있다. 이 툴 회전 토크가 50N·m 미만에서는, 발열과 소성 유동이 부족하여 접합부에 미접합부가 생기거나, 회전 툴에 과대한 하중이 가해져 파손되는 문제가 발생할 우려가 있다. 한편, 툴 회전 토크가 500N·m를 초과하면, 발열과 소성 유동이 과대해져 연화된 금속이 접합부로부터 버로서 결손되기 때문에 접합부의 충분한 두께가 얻어지지 않았거나, 회전 툴이 과도하게 가열되어 파손되는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 툴 회전 토크는 50∼500N·m의 범위로 했다. 바람직하게는 100∼400N·m의 범위이다.

접합 속도: 10∼1000㎜/min

접합 속도는, 클수록 시공성의 관점에서는 바람직하다. 그러나, 건전한 조인트를 얻는데에 있어서는 적정한 범위가 존재한다. 즉, 10㎜/min 미만에서는, 발열이 과대해져 접합부의 인성을 크게 열화시킨다. 한편, 1000㎜/min 초과에서는, 발열과 소성 유동이 부족하여 접합부에 미접합부가 생기거나, 회전 툴에 과대한 하중이 가해져 파손되는 문제가 발생할 우려가 있다. 따라서, 접합 속도는 10∼1000㎜/min의 범위로 했다. 바람직하게는 100∼900㎜/min의 범위이다.

용접 입열(HI): 1.5∼20, 또한 1.5×10⁹×(Pcm)^13.8∼2.1×10⁸×(Pcm)^10.6

본 발명에서는, 다음 식 (2)로 정의되는 용접 입열(HI)을 1.5∼20을 만족시킴과 함께, Pcm과의 관계로 다음 식 (3)의 범위를 만족시킬 필요가 있다.

HI(kJ/㎜)=(6.28×RT×RS)/TS/1000 … (2)

단, RT는 툴 회전 토크(N·m)

RS는 툴 회전수(rpm)

TS는 접합 속도(㎜/min)

1.5×10⁹×(Pcm)^13.8≤HI≤2.1×10⁸×(Pcm)^10.6 … (3)

툴 회전 토크(RT)와 툴 회전수(RS)의 곱의 접합 속도(TS)에 의한 몫은, 접합 방향의 단위 길이당의 열량이고, 이것을 접합 입열(HI)이라고 정의한다. 이 HI가 1.5를 하회하면, 발열과 소성 유동이 부족하여 접합부에 미접합부가 생기거나, 회전 툴에 과대한 하중이 가해져 파손되는 문제가 발생할 우려가 있다. 한편, 20을 상회하면, 발열이 과대해져 연화된 재료가 회전 툴의 주위에 흩어져 없어지기 때문에, 접합부에 공공(holes)으로서 결함을 발생시킨다.

또한, HI를 1.5×10⁹×(Pcm)^13.8∼2.1×10⁸×(Pcm)^10.6의 범위로 한정함으로써, 교반부를 주로 미세 베이나이트 조직으로 구성되는 마이크로 조직으로 할 수 있다. 이에 따라, 교반부에 있어서의 충분한 강도를 획득하고, 또한 가열 상태, 소성 가공 상태의 국소적인 변화에 의해 출현하는 인성의 불균질성을 해소하여, 고인성을 균질하게 달성할 수 있다.

여기서, 「주로 미세 베이나이트 조직으로 구성된다」란, 베이나이트의 평균 입경이 5㎛ 이하이고, 또한 조직 전체에서 차지하는 베이나이트의 면적률이 80％ 이상이 되는 것을 의미한다. 또한, 조직 전체에서 차지하는 베이나이트의 면적률은 100％라도 좋다. 또한, 베이나이트의 평균 입경의 하한은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 통상, 2㎛ 정도이다.

실시예

표 1에 나타내는 성분 조성의 고강도 구조용 강판(판 두께: 6㎜, 12㎜)을 이용하여, 마찰 교반 접합을 실시했다. 도 1에, 마찰 교반 접합의 개략도를 나타낸다. 도면 중, 부호 1이 회전 툴, 2는 그 숄더부, 3은 핀부, 4는 회전축, 5는 강판, 6은 접합부이고, α로 전진 각도를 나타낸다.

조인트 맞댐면은 각도를 더하지 않은(non-angled) 이른바 I형 개선(groove)으로 하고, 프레이즈 가공 정도의 표면 상태에서 편면 1패스로 접합을 행하였다. 또한, 회전 툴로서는, 다결정 붕소 질화물(PCBN)을 소재로서 제작한 것을 이용하고, 또한 접합시에는 아르곤 가스로 실드(shield)하여 접합부의 산화를 방지했다.

판 두께: 6㎜의 강판에 대해서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 숄더부(2)가 볼록 형상이고 또한 스파이럴(spiral)을 가지며, 핀부(3)에도 스파이럴을 갖는 형상·치수의 회전 툴을 이용하고, 툴 전진 각도(α)를 0°로 하여 접합을 행하였다.

한편, 판 두께: 12㎜의 강판에 대해서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 숄더부(2)가 오목 형상이고 또한 스파이럴을 갖지 않으며, 핀부(3)에는 스파이럴을 갖는 형상·치수의 회전 툴을 이용하고, 툴 전진 각도(α)를 3.5°로 하여 접합을 행하였다.

표 2에, 공시(供試) 강과 접합 조건의 조합을 나타낸다.

표 2 중, No. 1∼7, 16∼22, 26은, 본 발명의 요건을 만족시키는 발명예이고, 한편 No. 8∼15, 23∼25는 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 비교예이다.

또한, 표 2에서 얻어진 마찰 교반 접합 조인트로부터, 시료를 잘라내어 연마하고, 판 두께 단면에 대해서 3％ 나이탈 용액으로 조직을 현출시키며, 판 두께 1/4 위치에서 주사 전자 현미경(SEM)을 이용하여 3000배로 3시야 촬영하고, 화상 처리로 각 상(phase)의 면적률을 구하여, 교반부의 마이크로 조직의 동정(identification)을 행하였다.

또한, 교반부의 마이크로 조직의 동정에 이용한 3000배의 SEM 사진에서, 판 두께 방향에 대하여 45°의 기울기를 갖는 길이: 80㎜의 직선을 직교하도록 2개 긋고, 당해 직선이 베이나이트상(phase)의 각 입자와 교차하는 선분의 길이를 각각 측정하여, 얻어진 선분의 길이의 평균값을 구하고, 이 평균값을 베이나이트의 평균 입경으로 했다.

평가 결과를 표 3에 나타낸다.

또한, 표 3에 있어서의 미세 베이나이트란, 주로 미세 베이나이트 조직으로 구성되는(즉, 베이나이트의 평균 입경이 5㎛ 이하이고, 또한 조직 전체에서 차지하는 베이나이트의 면적률이 80％ 이상이 됨) 마이크로 조직을 의미한다.

또한, 조대 베이나이트란, 베이나이트의 평균 입경이 15㎛ 초과이고, 또한 조직 전체에서 차지하는 베이나이트의 면적률이 60％ 이상이 되는 마이크로 조직을 의미한다.

또한, 미세 베이나이트+마르텐사이트란, 조직 전체에서 차지하는 베이나이트 및 마르텐사이트의 면적률이 합계로 90％ 이상이고 또한, 마르텐사이트의 면적률이 5％ 이상이며, 또한 베이나이트의 평균 입경이 5㎛ 이하인 마이크로 조직을 의미한다.

덧붙여, 미세 베이나이트+조대 베이나이트란, 조직 전체에서 차지하는 평균 입경 15㎛ 초과의 베이나이트의 면적률이 20％보다 많고 또한 60％보다 적으며, 잔부가 평균 입경 5㎛ 이하인 베이나이트로 이루어지는 마이크로 조직을 의미한다.

또한, 표 2에서 얻어진 마찰 교반 접합 조인트로부터, 도 4에 나타내는 채취 위치, 치수로 인장 시험편을 채취하고, 교반부의 인장 시험을 행하였다.

또한, JIS Z 2202(1998)에 기재된 폭 5㎜ 서브 사이즈 3호 시험편을 채취하여 JIS Z 2242에 규정된 요령으로 교반부의 샤르피 충격 시험을 행하였다. 시험편의 채취는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 조인트의 판 두께 중앙선이 시험편 폭 중앙선과 겹치도록, 조인트의 상면과 하면(下面)을 절삭 가공하여 채취했다. 이 시험편에 대하여, 용접선 중앙을 원점, 리트리팅(retreating)·사이드(도 5 중의 R) 방향을 부(negative), 어드밴싱(advancing)·사이드(도 5 중의 A) 방향을 정(positive)으로 하여, -3㎜, -1㎜, 1㎜, 3㎜의 4개의 상이한 위치에 노치 가공을 행하였다.

상기의 인장 시험 및 시험 온도: -40℃에 있어서의 샤르피 충격 시험에 의해 얻어진 인장 강도 및 -40℃에서의 흡수 에너지를 표 3에 나타낸다.

또한, 표 3에 기재된 흡수 에너지의 값은, 폭 10㎜ 풀 사이즈에 의한 값 상당으로 환산하기 때문에, 폭 5㎜ 서브 사이즈에 의한 흡수 에너지값을 1.5배한 값으로 하고 있다.

표 3에 나타낸 바와 같이, No. 1∼7, 16∼22, 26의 발명예는 모두, 인장 강도가 800㎫ 이상 또한 시험 온도: -40℃에 있어서의 -3, -1, 1, 3㎜의 4개의 상이한 노치 위치에서의 샤르피 흡수 에너지가 모두 100J 이상이었다.

이것에 대하여, No. 8∼15, 23∼25의 비교예는, 인장 강도를 800㎫ 만족시키지 않고, 또는 시험 온도: -40℃에 있어서의 -3, -1, 1, 3㎜의 4개의 상이한 노치 위치에서의 샤르피 흡수 에너지가 1개소 혹은 2개소 이상에서 100J를 만족시키지 않거나, 혹은 상기를 양쪽 모두 만족시키지 않는 결과가 되었다.

1 : 회전 툴
2 : 숄더부
3 : 핀부
4 : 회전축
5 : 강판
6 : 접합부

Claims

숄더부 및 당해 숄더부에 배치되어 당해 숄더부와 회전축을 공유하는 핀부를 포함하고, 적어도 당해 숄더부와 당해 핀부는 피가공재인 강판보다 단단한 재질로 이루어지는 회전 툴을, 당해 강판의 접합부에 삽입하여 회전시키면서 이동시키고, 당해 회전 툴과 당해 강판의 마찰열에 의해 당해 강판을 연화시키면서, 그 연화된 부위를 당해 회전 툴로 교반함으로써 소성 유동을 발생시켜, 당해 강판을 접합하는 마찰 교반 접합 방법에 있어서,
당해 강판으로서, 성분 조성이 질량％로,
C: 0.03∼0.12％,
Si: 0.6％ 이하,
Mn: 1.5∼3.0％,
P: 0.015％ 이하,
S: 0.002％ 이하,
Al: 0.1％ 이하,
Ti: 0.005∼0.030％,
Nb: 0.01∼0.10％,
N: 0.001∼0.008％ 및
O: 0.03％ 이하
를 함유하고, 하기 식 (1)로 계산되는 Pcm값이 0.18≤Pcm≤0.30을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 고강도 용접 구조용 강을 이용하고, 마찰 교반에 있어서의 접합 조건이,
툴 회전수: 100∼1000(rpm),
툴 회전 토크: 50∼500(N·m) 및
접합 속도: 10∼1000(㎜/min)
의 범위이고, 또한, 하기 식 (2)로 정의되는 용접 입열(HI)이, 1.5∼20의 범위이고, 또한 Pcm과의 관계로 하기 식 (3)의 범위를 만족하는 마찰 교반 접합 방법.
기
Pcm(％)=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B … (1)
HI(kJ/㎜)=(6.28×RT×RS)/TS/1000 … (2)
단, RT는 툴 회전 토크(N·m)
RS는 툴 회전수(rpm)
TS는 접합 속도(㎜/min)
1.5×10⁹×(Pcm)^13.8≤HI≤2.1×10⁸×(Pcm)^10.6 … (3)
제1항에 있어서,
상기 고강도 용접 구조용 강이, 추가로 질량％로,
Cu: 1.0％ 이하,
Ni: 1.5％ 이하,
Mo: 1.0％ 이하,
Cr: 1.0％ 이하,
V: 0.10％ 이하,
W: 0.2∼1.2％ 및
B: 0.0001∼0.005％
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 마찰 교반 접합 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 고강도 용접 구조용 강이, 추가로 질량％로,
Ca: 0.01％ 이하,
REM: 0.02％ 이하,
Mg: 0.01％ 이하 및
Zr: 0.0005∼0.03％
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 마찰 교반 접합 방법.