KR20190076764A - 연속압연을 위한 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

연속압연을 위한 레이저 용접방법이 제공된다.
본 발명의 레이저 용접방법은, 연속압연의 대상이 되는 강판을 상호 맞댄 후, 이를 예열하는 공정; 상기 예열된 맞댄 부분을 레이저로 용접하여 용접부를 형성하는 공정; 상기 형성된 용접부를 Ac3 보다 높은 온도까지 가열한 후, Ms 온도 직상까지 냉각하는 후열처리하는 공정; 및 상기 후열처리된 용접부를 Ac3~Ac1의 온도범위로 재가열하는 공정;을 포함한다.

Description

연속압연을 위한 레이저 용접방법{LSER WELDING METHOD FOR ENDLESS HOT ROLLING}

본 발명은 연속 압연을 위한 레이저 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 레이저 용접시 공냉으로 쉽게 경질조직으로 변하는 고 Ceq강과 같은 난 용접성 강재에 대하여 효과적으로 연속압연을 위한 레이저 용접할 수 있는 레이저 용접방법에 관한 것이다.

금속판재를 생산하는 기술분야에서 압연을 연속화 함으로서 생산성과 품질의 향상 그리고 제품 제조가능 사이즈의 확대에 대한 요구가 강하게 일어나고 있다.

열연코일로부터 얻어지는 냉연코일은 산세와 연속압연 (Tandem cold rolling mill)을 각각 시행하는 방법과 산세와 연속 압연이 연결되어 동시 진행하는 PCM(Pickling & Tandem cold rolling mill)공정으로 제조될 수 있다. PCM공정은 산세와 TCM을 각각 시행하는 공정에 비하여 생산성이 크게 향상시킬 수 있기 때문에 최근 들어 많이 적용되고 있다.

이와 같은 연속압연분야에서 중요한 점은 선행하는 압연판재의 후단과 후행하는 압연판재를 상호 접합하는 압연판재의 접합기술에 있다. 연속압연을 위해 압연판재를 접합하는 기술로는 고상접합방법과 용접에 의한 접합방법이 있다.

용접에 의한 접합방법은 연속압연라인의 입구측에서 선행하는 압연판재의 후단과 후행하는 압연판재를 상호 용접하여 용접부를 형성한 다음 계속해서 후속 압연라인을 통과하게 된다.

특히, 레이저용접은 에너지밀도가 높고, 입열량이 적어 기존의 플래시 버트 용접에 비하여 우수한 품질특성을 얻을 수 있는 것으로 알려지고 있다. 그러나, 레이저 용접으로 고탄소강을 용접하여 연속압연을 할 경우 용접금속부의 기공과 핀홀이 발생하고 용접금속과 용접열영향부에 균열이 발생하는 문제점이 있다.

근래에 들어 자동차 내외판 및 구조부재로 그 생산량이 늘고 있는 고장력 및 초고장력강의 경우 원하는 두께로 압연이 종료된 풀 하드(Full Hard)재로서 연신율이 매우 떨어진 상태로 연속라인 입측에서 용접되며, 복합조직강(Dual-Phase Steel) 및 변태유기소성강(TRIP Steel) 등의 생산을 목적으로 C, Mn, Si 등의 합금원소첨가량이 종래의 일반강에 비해 과도하게 첨가된 관계로 용접부 경화도와 비례하는 탄소당량치가 0.4이상으로 높은 경우가 많으므로 용접부의 균열 저항을 떨어뜨리는 용접부 경화가 현저하다는 측면에서 문제가 있다.

도 1은 종래의 강판의 연속압연 용접에 따른 레이저 용접부의 열싸이클을 나타내는 그래프이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 종래에는, 강판의 연속압연을 위한 레이저 용접을 실시하기 전에 먼저 강판을 Ac1 ~ Ac3온도 범위에 예열하였다. 이후, 예열된 강판을 레이저 용접한 후, 공냉하고, 후속하여 용접금속을 후열처리하는 공정을 수행하였다. 종래기술에서 후열처리공정은 레이저 용접후, 용접금속이 급냉되어 경질상인 마르텐사이트 조직이 형성되는 것을 억제하기 위해 도입되었다.그러나 고Ceq강판이나 고탄소강은 레이저 용접후 용접금속부에 대하여 후열처리를 행하는 경우에도 도 1과 같이, 여전히 결질상인 마르텐사이트 조직이 형성될 수 밖에 없는 문제가 있었다.

따라서 탄소 함유량이 0.5% 이상이 되는 고탄소강이나 고 Ceq강, 예를 들면 자동차용 고강도강과 같이 레이저 용접을 수행하고 난 다음 냉각 중에 경화조직인 마르텐사이트 조직이 발생하는 강종에 대해서도 연속압연 수행하는데 적합할 정도의 용접이음부에 대한 품질특성을 확보하기 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다.

따라서 본 발명으 상술한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 연속압연을 위한 레이저 용접에서 용접금속을 1차 후열처리후, 2차 재가열 처리함으로써 경질직인 마르텐사이트 조직이 발생하지 않은 연속압연에 적합할 정도의 용접이음부를 제공할 수 있는 연속압연을 위한 레이저 용접방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

연속압연의 대상이 되는 강판을 상호 맞댄 후, 이를 예열하는 공정;

상기 예열된 맞댄 부분을 레이저로 용접하여 용접부를 형성하는 공정;

상기 형성된 용접부를 Ac3 보다 높은 온도까지 가열한 후, Ms 온도 직상까지 냉각하는 후열처리하는 공정; 및

상기 후열처리된 용접부를 Ac3~Ac1의 온도범위로 재가열하는 공정;을 포함하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법에 관한 것이다.

상기 레이저 용접 이전에 상기 압연강판의 맞댄 부분을 600℃ 내지 800℃의 범위에서 예열처리하는 것이 바람직하다.

상기 레이저 용접 이후, 상기 용접부를 700℃ 내지 1100℃의 범위로 가열하여 후열처리함이 바람직하다.

상기 강판은, 중량%로　C: 0.08~0.16%, Si: 0.5~1.0%,　Mn: 　4~8%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 레이저 용접후 후열처리와 재가열처리를 연속하여 실시함으로써 취성이 강한 마르텐사이트(Martensite)조직의 출현을 억제하고 우수한 강도와 인성을 갖는 페라이트와 펄라이트 혼합조직을 포함하는 용접이음부를 제공하여 연속압연 중에도 용접부의 파단이 일어나지 않는 연속압연을 수행하게 할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 종래의 강판의 연속압연 용접에 따른 레이저 용접부의 열싸이클을 나타내는 그래프이다.
도 2는 강판의 용접용이성 정도를 탄소함량과 Ceq의 관계에서 나타내는 그림이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강판의 연속압연 용접에 따른 레이저 용접부의 열싸이클을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

자동차 경량화를 위해 자동차社(사)에서는 점차 박물의 고강도강을 요구하고 있으며, 고강도의 재질확보를 위해 탄소, 망간, 크롬 등 특수원수가 증가되고 있다. 이에 따라, 특수원소 증가에 따른 탄소당량(Ceq) 증가로 소재 용접에 어려움이 생기고 있다. 이는 특히, PCM(Pickling Cold Mill) 및 CAL(Continuous Anealing Line)와 같은 연속작업을 위해 소재와 소재간 레이저를 이용하는 조업에 있어서 그 중요성이 증대되고 있다.

도 2는 강판의 용접용이성 정도를 탄소함량과 탄소당량(Ceq)의 관계에서 나타내는 그림이다.

전술한 바와 같이, 강재의 탄소함량 증가에 따라 후열처리(용접이후 Induction Heating)을 통해 급냉에 따른 마르텐사이트 조직의 생성을 방지하는 기술을 사용하였으나, 망간 및 크롬의 증가는 후열처리만으로는 조직의 마르텐사이트 생성을 억제하는데 어려움이 따를 수 밖에 없다. 도 2는 탄소 및 탄소당량의 증가에 따른 용접의 어려움을 나타내고 있으며, 탄소 당량(Ceq)이 1.411인 1180XF는 후열처리를 함에도 불구하고 마르텐사이트 생성 억제는 어렵다.

본 발명은 고 Ceq강종의 레이저 용접 이후 발생하는 마르텐사이트 발생을 억제하는 기술을 담고 있다. 구체적으로, 본 발명자는 강 소재 중 탄소와 망간의 함량이 많을수록 상술한 후열처리를 하더라도 페라이트 조직이 발생하기가 어려워지며 레이저 용접 이후 급냉에 따라 용접부는 경한 마르텐사이트 조직이 형성됨을 확인하였다. 따라서 상기 후열처리된 용접부를 Ms 직상의 온도까지 냉각한 후 다시 재가열의 어닐링을 하게 된다면 용접부의 조직이 연질의 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직으로 얻어져 용접부의 경도가 낮아지는 효과를 얻을 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

즉, 본 발명은, 연속압연의 대상이 되는 강판을 상호 맞댄 후, 이를 예열하는 공정; 상기 예열된 맞댄 부분을 레이저로 용접하여 용접부를 형성하는 공정; 상기 형성된 용접부를 Ac3 보다 높은 온도까지 가열한 후 Ms온도 직상까지 냉각하는 후열처리하는 공정; 및 상기 후열처리된 용접부를 Ac3~Ac1의 온도범위로 재가열하는 공정;을 포함한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강판의 연속압연 용접에 따른 레이저 용접부의 열싸이클을 나타내는 그래프이다.

먼저, 본 발명에서는 연속압연의 대상이 되는 강판을 상호 맞댄 후, 이를 예열한다.

본 발명에서 "연속압연"이라는 용어는, 열간압연이나 냉간압연라에서 연속적으로 압연재를 압연하는 공정을 의미하는 것일 뿐만이 아니라, 압연재를 상호 접합하여 2개 이상의 코일이 연결된 상태로 연마공정 또는 용융아연도금공정 또는 소둔공정 등과 같이 연속적으로 통판하는 모든 연속라인을 포함하는 의미로 사용된다.

또한 발명에서 후술하는 "용접부"라 함은, 연속압연을 위하여 선행하는 압연판재의 후단과 후행하는 압연판재를 상호 레이저 용접기로 용접하여 형성되는 접합부로서, 레이저에 의하여 용융된 다음 응고하는 용융금속부와 용융되지는 않지만 레이저의열원에 의하여 열영향을 받는 용접열영향부 (HAZ: Heat Affected Zone)를 포함하는 것을 의미한다.

본 발명에서 연속압연의 대상이 되는 강판은 난용접성의 강판으로서, 고 Ceq강, 중 Mn계 강 또는 고탄소강이 해당될 수 있으며, 본 발명은 이러한 강의 구체적인 조성성분에 제한되지 않는다.

예컨데, 본 발명의 레이저 용접방법은, 중량%로　C: 0.08~0.16%, Si: 0.5~1.0%,　Mn: 　4~8%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 강판에 적용될 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같이 연속압연의 대상이 되는 강판을 상호 맞댄 후, 이를 예열한다. 예컨대 탄소 함유량이 0.85%인 고탄소강이나 고 Ceq강에 대하여 레이저용접을 실시하고 접합된 용접부에 대하여 후술하는 후열처리등 만을 실시할 경우, 용접 이후의 용접부는 후열처리를 하기 이전에 급냉각 되어 용접부에 균열이 발생할 수 있다. 따라서 탄소 함유량등이 높은 강판에 대하여 레이저 용접으로 인한 급냉각 열싸이클을 완화 시켜주기 위해서 용접전에 예열처리를 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 이러한 예열처리 온도는 600℃ 내지 800℃의 범위로 함이 바람직하다. 예열처리 온도가 600℃ 미만이면 이동하는 압연재에 대하여 예열을 위한 충분한 시간을 확보할 수 없어서 용접부에 충분한 품질특성을 확보할 수 없으며, 예열온도가 800℃를 초과하면 과다한 입열에 의하여 용접부에 변형이 발생하여 안전한 용접부를 확보할 수 없기 때문이다.

이어, 본 발명에서는 상기 예열된 맞댄 부분을 레이저로 용접하여 용접부를 형성한다.

이후, 본 발명에서는 상기 형성된 용접부를 Ac3 보다 높은 온도까지 가열한 후, Ms 온도 직상까지 냉각한다.

이때, 본 발명에서는 상기 레이저 용접 이후, 상기 용접부를 700℃ 내지 1100℃의 범위로 가열하여 후열처리함이 바람직하다. 만일 700℃ 미만으로 가열할 경우, 입열량이 부족하여 냉각 후 용접부의 조직에 마르텐사이트 조직이 형성될 위험이 있으며, 후열처리의 온도가 1100℃를 초과할 경우에는 입열량이 과다하여 용접부의 조직이 조대화될 수 있기 때문이다.

이러한 후열처리를 통해서는 저 Ceq강과 같은 강종에서는 용접부에 경도가 낮은 페라이트와 펄라이트를 생성하게 되지만, 망간 및 크롬의 특수성분이 참가될 경우 후열처리를 함에도 불구하고 전량 경질의 마르텐사이트 조직이 발생한다.

따라서 본 발명에서는 이점을 고려하여, 고Ceq강이나 고탄소강의 레이저 용접 후 후열처리를 함에 있어서 용접부를 Ms온도 직상의 온도까지 냉각하여 용접부에 경질의 마르텐사이트 조직이 형성되는 것을 억제한다.

마지막으로, 본 발명에서는 상기 후열처리된 용접부를 Ac3~Ac1의 온도범위로 재가열한다.

도 3에 나타난 바와 같이, 이러한 재가열을 통하여 용접부의 미세조직은 경질의 마르텐사이트 조직 형성이 배제되고, 연질의 페라이트와 펄라이트의 혼합상으로 이루어지는 용접부를 얻을 수 있다.

이때, 본 발명의 상기 재가열온도를 Ac1 ~ Ac3 범위로 유지함이 바람직하다. 만일 재가열온도가 Ac1 미만이면, 연질의 페라이트와 펄라이트 조직생성이 작아 재가열의 효과를 얻지 못하는 결과를 초래할 수 있으며, Ac3를 초과하면 Postheater 과열로 Strip 형상 틀어짐 및 Postheater 설비 장애를 일으킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 고Ceq이면서 중Mn계 강판의 경우 연속압연을 위한 레이저 용접 후, 종래기술과 같이 후열처리를 하여도 용접부가 완전 마르텐사이트화되는 문제가 있었다. 그런데 본원 발명에서는 레이저 용접 후, 냉각시간을 길게 하는 후열처리를 행하는 종래 기술과는 달리, 레이저 용접 후 Ms 온도 직상까지 냉각한 후, 다시 재가열하는 기술구성을 채용함으로써 용접부의 조직을 연질의 페라이트와 펄라이트의 혼합조직으로 할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

Mn을 4~8%중량% 포함하는 중망간계 연속압연재를 각각 마련하였다. 이어, 이러한 압연재를 상호 맞댄 후, 이를 통상의 조건으로 예열하였다. 그리고 예열된 압연재를 레이저 용접을 실시한 후, 그 용접부를 Ac3 온도 보다 높은 온도로 가열하였으며, 후속하여, 40~60s 공냉하여 Ms 온도 직상까지 냉각하는 후열처리를 행하였다. 한편 이때의 용접조건은 Lawer Power 6~7kW, Welder Speed 5~7mpm, Welding Gap 0.04mm, 전열 2.5kW, 후열 12.5kW를 사용하여 용접을 실시하였다.

상기와 같이, 용접처리된 용접부를 Postheater 12.5kW 적용하여 강 Strip 온도 약 650~700℃로 재가열하였으며, 이를 통해 얻어진 용접부의 에릭승 평가시　5~9mm 수준으로 기존 대비 양해한 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 종래의 재가열을 행하지 않은 기술에서는 동일한 용접조건에서 에릭슨 평가시 2~3mm 수준으로 본 발명의 결과 보다 좋지 않았다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 연속압연의 대상이 되는 강판을 상호 맞댄 후, 이를 예열하는 공정;
   상기 예열된 맞댄 부분을 레이저로 용접하여 용접부를 형성하는 공정;
   상기 형성된 용접부를 Ac3 보다 높은 온도까지 가열한 후, Ms 온도 직상까지 냉각하는 후열처리하는 공정; 및
   상기 후열처리된 용접부를 Ac3~Ac1의 온도범위로 재가열하는 공정;을 포함하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 용접 이전에 상기 압연강판의 맞댄 부분을 600℃ 내지 800℃의 범위에서 예열 처리하는 것을 특징으로 하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 용접 이후, 상기 용접부를 700℃ 내지 1100℃의 범위로 가열하는 후열처리를 행함을 특징으로 하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 강판은, 중량%로　C: 0.08~0.16%, Si: 0.5~1.0%,　Mn: 　4~8%, 잔여 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성됨을 특징으로 하는 연속압연을 위한 레이저 용접방법.
   

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