KR20200040725A - 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법 - Google Patents

피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 복수의 강재를 일부 중첩한 뒤, 이 중첩된 영역을 용접하여 형성되는 용접비드; 및 상기 용접비드 끝단부로부터 전방으로 2.0mm 이내의 영역 및 상기 용접비드 하부 일부에 형성되는 모재 용융부를 포함하고, 상기 모재 용융부의 최소 경도는 370Hv 이상이며, 최대 경도는 420Hv 이상이며, 상기 용접비드의 평균 경도는 350Hv 이상인 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인장강도 1GPa 이상 및 두께 6mm 이하의 초고강도 열연강재의 용접부 피로특성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 자동차의 샤시 부품 등에 바람직하게 적용시킬 수 있다.

Description

피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법{WELD JOINT OF ULTRA HIGH STRENGTH HOT ROLLED STEEL SHEET HAVING EXCELLENT FATIGUE PROPERTY AND METHOD OF THE SAME}
본 발명은 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 분야에서는 지구 온난화 문제 등 환경보호에 따른 연비규제 정책으로 인해 차체 및 부품류의 경량화 기술 연구가 큰 이슈로 부상하고 있다. 이러한 기조에 따라 자동차 주행 성능에 중요한 샤시 부품류 또한 경량화를 위한 고강도 강재의 적용이 필요한 실정이다. 부품 경량화 달성을 위해서는 소재의 고강도화가 필수적이며, 반복적인 피로하중이 가해지는 환경에서 고강도 강재로 제작된 부품의 내구성능 보증이 중요한 요소라 할 수 있다. 자동차 샤시 부품 조립시 강도 확보를 위해 주로 이용되는 아크 용접의 경우, 용접와이어의 용착에 의해 부품간 겹침이음 용접이 이루어지므로 기하학적인 형상을 갖는 용접비드가 형성된다. 그러나, 이러한 기하학적 형상의 용접비드는 반복 피로응력 집중부(노치효과)로 작용하여 파단기점이 되어 결과적으로 부품의 내구성능 저하를 초래하므로 고강도 강재 적용의 이점이 상실되는 한계를 지닌다. 용접부의 피로특성 향상을 위해서는 주로 응력집중부인 용접 비드 끝단부(용접 토우부)의 각도(토우각)을 저감하는 것이 무엇보다 중요하며, 이와 더불어 토우부의 재질 및 응력을 제어하는 것이 중요한 요소라 할 수 있다.
특허문헌 1은 판두께 5mm 이하 및 인장강도 780MPa 이상 강재 아크용접부의 피로특성 향상을 위해 용접 비드 토우부의 재질 제어 측면에서 표면 0.1mm 깊이의 최소 경도의 위치가 토우부로부터 0.3mm 이상 떨어져 있어야 함을 제시하였다. 특허문헌 2는 용접비드 끝단부를 치퍼(타격핀)로 연속적으로 타격하여 소성변형 영역을 형성함으로써 압축응력 부여를 통해 피로특성 향상이 가능함을 제시하였다. 그러나, 상기 제안된 치퍼 타격 방법과 종래 기술인 공압을 이용한 숏 볼(shot ball)(볼 직경 0.2~0.4mm) 피닝의 경우, 피닝 후 대상재의 변형이 발생할 수 있어, 자동차용 박판 강재에 적용시 활용이 제약적이며, 용접비드 끝단부와 같이 국소부위에 적용시 상대적으로 취성이 높은 용접비드에 미세균열 등의 결함이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
또한, 특허문헌 3은 780MPa급 열연강판 겹침이음 아크용접부의 비드 끝단부를 중심으로 모재와 용접 비드 양쪽 모두를 플라즈마 열원을 통해 재용융함으로써 피로강도 250MPa 이상 확보 가능함을 제시하였다. 그러나, 상기 방법은 플라즈마 열원 장치가 고가인 점을 감안하였을 때, 현실적인 적용에 제한이 있다고 할 수 있다.
한편, 인장강도 1GPa급 이상의 초고강도 열연강판 아크용접부의 피로특성 향상을 위한 방법은 특별히 제시된 바가 없다.
일본 공개특허공보 특개2013-220431호 일본 공개특허공보 특개2014-014831호 일본 공개특허공보 특개2014-004609호
본 발명의 일측면은 텅스텐 불활성 가스 아크 열원을 이용한 용접금속부의 국부 재용융을 통해 피로강도 및 수명 저하의 요인이 되는 겹침이음 용접 토우부의 표면개질 및 비드형상을 개선시킴으로써 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 복수의 강재를 일부 중첩한 뒤, 이 중첩된 영역을 용접하여 형성되는 용접비드; 및 상기 용접비드 끝단부로부터 전방으로 2.0mm 이내의 영역 및 상기 용접비드 하부 일부에 형성되는 모재 용융부를 포함하고, 상기 모재 용융부의 최소 경도는 370Hv 이상이며, 최대 경도는 420Hv 이상이고, 상기 용접비드의 평균 경도는 350Hv 이상인 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부를 제공한다.
본 발명의 다른 실시 형태는 복수의 강재를 일부 중첩한 뒤, 이 중첩된 영역을 용접하여 용접비드가 형성되도록 하는 1차 용접 단계; 및 상기 용접비드 끝단부로부터 전방으로 0.5~1.5mm 떨어진 위치에 아크 토치를 통해 TIG 아크 열원을 제공하여 상기 용접비드 및 모재의 일부를 용융시킨 뒤 냉각하여 용접하는 2차 용접 단계를 포함하며, 아크 토치의 이송 속도는 0.4~0.6m/min이고, 아크 열원의 조사각은 25~30°인 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 인장강도 1GPa 이상 및 두께 6mm 이하의 초고강도 열연강재의 용접부 피로특성을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 자동차의 샤시 부품 등에 바람직하게 적용시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접이음부를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접이음부와 이를 제조하기 위한 아크 토치를 함께 나타낸 단면도이다.
본 발명자들은 용접비드 미세균열 등의 결함 발생 및 대상재의 변형 없이 인장강도가 1GPa이고, 두께가 6mm 이하인 초고강도 강재의 용접부 피로특성을 효과적으로 향상시키고자 연구를 행하던 중, 강재의 겹침 용접 후 형성되는 용접비드의 끝단부(이하, '용접 토우부'라고도 함) 근방에 텅스텐 불활성 가스 (TIG) 아크 열원을 제공하여 용접비드 및 모재를 국부 재용융시킴으로써 표면개질 및 비드 형상 개선을 달성할 수 있고, 이를 통해 궁극적으로 피로특성을 우수한 수준으로 향상시킬 수 있다는 식견하에 본 발명을 제안하게 되었다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접이음부를 나타내는 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접이음부는 복수의 강재, 즉, 하나의 강재(1)는 하측에 또 다른 하나의 강재(2)는 상측에 위치시킨 뒤, 상기 강재들(1, 2)의 일부가 중첩되도록 하고, 이 중첩된 영역을 용접함으로써 형성되는 용접비드(10)를 포함한다. 이 때, 상기 용접비드(10)는 상기 강재들(1, 2)이 중첩되는 영역(한쪽 강재의 에지부와 다른 한쪽 강재의 평면부가 만나는 영역) 중 하나에만 형성될 수도 있고, 또 다른 중첩되는 영역에도 형성될 수 있으며, 본 발명에서는 이 두 가지의 경우 모두를 포함한다.
본 발명의 용접이음부는 상기 용접비드 끝단부(용접 토우부)(11)로부터 전방(도 1에서 화살표 방향)으로 2.0mm 이내의 영역 및 상기 용접비드 하부 일부에 형성되는 모재 용융부(20)를 포함한다. 상기와 같이 모재 용융부(20)를 형성함으로써 피로시 응력 집중부인 용접 토우부의 열영향부 개질을 통해 반복 피로응력 작용에 따른 균열 개시 및 전파에 대한 저항성을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 상기 모재 용융부(20)의 영역이 상기 용접비드 끝단부(용접 토우부)로부터 전방으로부터 2.0mm 이내인 영역에서 기 형성된 용접금속과 모재 간의 적정 재용융 및 성분 희석을 통해, 응력집중부인 용접 토우부의 재질 강화 효과와 더불어 용접비드 형상, 즉 용접비드의 곡률반경 확대를 통한 응력집중 완화 효과를 얻을 수 있다. 한편, 상기 모재 용융부(20)의 영역이 상기 용접비드 끝단부(용접 토우부)로부터 전방으로부터 2.0mm를 초과하는 경우에는 용접금속부와 모재간 적정 용융 및 희석에 따른 재용융부의 경화능 확보가 불가능할 뿐만 아니라, 용접금속부의 재용융량이 부족하여 응력집중 완화를 위한 용접비드 형상 및 곡률 확보가 곤란할 수 있다.
상기 모재 용융부(20)는 TIG 아크 열원에 의해 용융된 뒤 냉각됨으로써 형성된 영역을 의미한다. TIG 아크 열원은 일반적으로 아크의 정극성 특성으로 인해 별도의 용가재 첨가 없이 모재의 용융이 용이하며 타 용접 대비 설비의 저원가로 인해 생산현장에 쉽게 도입될 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 모재 용융부(20)는 평균 깊이가 0.5~2.0mm인 것이 바람직하다. 용융부의 깊이는 용접 열영향에 따른 재질 연화부의 경화를 통한 강도 확보를 위해 적절히 설정되어야 하며, 만일 용융부의 깊이가 0.5mm 미만인 경우에는 연화부의 충분한 재용융 및 경화가 불가능하며, 반대로 2.0mm를 초과할 경우에는 재용융 입열량이 과도하여 용융부의 경화능 저하 및 2차 재질 연화로 인해 재용융 효과가 떨어지게 된다.
이 때, 상기 모재 용융부의 최소 경도는 370Hv 이상이며, 최대 경도는 420Hv 이상이고, 상기 용접비드의 평균 경도는 350Hv 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이, 높은 수준의 경도를 확보함으로써 인장강도 및 항복강도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 궁극적으로 270MPa 이상의 피로강도를 확보하여 용접부의 피로특성을 향상시킬 수 있다. 이는 모재의 인장강도가 1GPa 이상이기 때문에 용접비드의 평균경도는 모재수준 이상을 확보해야 할 뿐만 아니라 용접금속과 모재의 재용융시 용접 토우부의 충분한 경화 효과를 얻기 위해 용접 입열량 최적화를 통해 350Hv 이상을 확보해야 한다. 또한 상기 모재 용융부의 경도 범위는 용접 토우부의 응력집중에 따른 피로강도 저하를 극복할 수 있는 수준이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 용접이음부와 이를 제조하기 위한 아크 토치를 함께 나타낸 단면도이다. 이하, 도 2를 참조하여 본 발명 용접이음부의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 복수의 강재, 즉, 하나의 강재(1)는 하측에 또 다른 하나의 강재(2)는 상측에 위치시킨 뒤, 상기 강재들(1, 2)의 일부가 중첩되도록 한 뒤, 이 중첩된 영역을 용접하여 용접비드(10)가 형성되도록 하는 1차 용접을 수행한다. 본 발명에서는 상기 1차 용접 단계에 대해서는 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 이용되는 통상의 겹치기 용접 프로세스가 적용될 수 있다. 다만, 상기 1차 용접에는 FCAW 또는 MIG 용접이 적용되는 것이 바람직하다. 1차 용접은 1GPa급 강재에 준하는 용접금속의 충분한 강도 확보를 위해 탄소가 증량된 FCA 용접재료를 적용하여 MIG 용접, 즉 순Ar 용접을 통해 탄소의 산화에 따른 용접 결함을 억제하면서 안정된 용접비드를 확보할 수 있다.
이후, 상기 용접비드 끝단부(11)로부터 전방으로 0.5~1.5mm 떨어진 위치(TIG 아크 열원 조사 위치(20'))에 아크 토치(100)를 통해 TIG 아크 열원을 제공하여 상기 용접비드(10) 및 모재의 일부를 용융시킨 뒤 냉각하는 2차 용접을 수행한다. 만일, 1.5mm를 초과하는 경우에는 용접비드 끝단부의 용융이 불충분하여 비드 형상 개선이 어려울 뿐만 아니라 재용융 및 냉각에 따른 용접부 재질 경화 효과를 얻기가 곤란할 수 있다. 반면, 0.5mm 미만인 경우에는 겹침 이음부 하측판의 용융이 부족하여, 용접 열영향부의 강화 효과를 얻기가 어려울 수 있다. 상기 영역 범위는 0.5~1.0mm인 것이 보다 바람직하다.
상기 아크 토치(100)의 이송 속도는 0.4~0.6m/min인 것이 바람직하다. 상기 아크 토치의 이송 속도가 0.4m/min 미만일 경우에는 용접 비드 끝단부의 재질 경화 효과가가 떨어지며, 반면, 0.6m/min를 초과하는 경우에는 용융량이 부족하여 효과적인 비드 형상 개선이 어렵다는 단점이 있다.
상기 아크 열원의 조사각(θ)은 25~30°인 것이 바람직하다. 상기 아크 열원의 조사각이 25°미만일 경우에는 용접 비드 끝단부의 용융이 불충분하여 비드 형상 개선이 어렵고, 30°를 초과하는 경우에는 겹침 이음부 하판측 용융이 부족하여, 재질 경화 효과를 얻기가 어렵다는 단점이 있다. 상기 아크 열원의 조사각은 25~27°인 것이 보다 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.
(실시예)
2.9mm 두께의 1050MPa급 DP(Dual Phase)강재를 일부 중첩한 뒤, 이 중첩된 영역을 1차 용접하였다. 이 때, 강도 80kg급의 플럭스 코어드 와이어(FCW)와 100%Ar 보호가스를 이용하여 용접전류 270A, 용접전압 26V, 용접속도 1.0m/min 조건에서 Pulsed MIG 용접을 수행하였다. 이후, 하기 표 1과 같은 조건으로 TIG 아크 용접(2차 용접)을 수행한 뒤, 냉각하여 용접이음부를 제조하였다. 이와 같이 제조된 용접이음부에 대하여 기계적 물성 등을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 TIG 아크 열원 조사 위치(용접비드 끝단부로부터의 거리(mm)) 아크 토치 이송 속도(m/min) 아크 열원 조사각(°)
발명예1 1.0 0.4 25
발명예2 0.5 0.5 27
발명예3 1.5 0.6 26
발명예4 1.3 0.4 27
발명예5 1.2 0.4 28
비교예1 2.1 0.5 20
비교예2 2.2 0.5 25
비교예3 2.0 0.4 35
비교예4 0 0.4 25
비교예5 1.0 0.3 25
비교예6 1.0 0.7 26
비교예7 1.5 0.4 24
구분 모재 용융부 영역(용접비드 끝단부로부터의 거리(mm)) 모재 용융부의 최소 경도(Hv) 모재 용융부의 최대 경도(Hv) 모재 용융부의 평균 깊이(mm) 용접비드의 평균 경도(Hv) 용접이음부피로강도(MPa)
발명예1 1.9 372 421 1.8 358 273
발명예2 1.8 375 423 1.6 362 271
발명예3 2.0 371 422 1.7 355 270
발명예4 2.0 373 424 1.9 359 272
발명예5 2.0 373 422 1.6 359 271
비교예1 2.8 362 423 2.2 345 239
비교예2 2.6 357 413 2.1 343 241
비교예3 2.5 358 418 1.9 351 237
비교예4 2.1 368 424 2.3 347 248
비교예5 2.7 347 407 2.5 327 212
비교예6 2.2 382 427 1.2 367 223
비교예7 2.3 370 421 1.8 354 268
상기 표 1 및 2를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 TIG 아크 열원 조사 위치, 아크 토치 이송 속도 및 아크 열원 조사각에 부합되도록 용접된 발명예 1 내지 5의 경우에는 본 발명이 목적으로 하는 모재 용융부 영역을 얻었을 뿐만 아니라, 모재 용융부의 최소 경도는 370Hv 이상이며, 최대 경도는 420Hv 이상이고, 용접비드의 평균 경도는 350Hv 이상이며, 모재 용융부는 평균 깊이가 0.5~2mm로서, 270MPa 이상의 우수한 피로강도를 확보하고 있음을 알 수 있다.
그러나, 비교예 1 내지 7의 경우에는 본 발명이 제안하는 TIG 아크 열원 조사 위치, 아크 토치 이송 속도 및 아크 열원 조사각 중 하나 이상을 부합하지 않아 본 발명이 목표로 하는 모재 용융부의 경도, 평균 깊이 또는 용접비드의 경도를 확보하지 못함으로써 용접이음부의 피로강도가 낮은 수준임을 알 수 있다.
1, 2: 강재
10: 용접 비드
11: 용접 비드 끝단부
20: 모재 용융부
20': TIG 아크 열원 조사 위치
100: 아크 토치

Claims (4)

  1. 인장강도가 1GPa 이상인 복수의 강재를 일부 중첩한 뒤, 이 중첩된 영역을 용접하여 형성되는 용접비드; 및
    상기 용접비드 끝단부로부터 전방으로 2.0mm 이내의 영역 및 상기 용접비드 하부 일부에 형성되는 모재 용융부를 포함하고,
    상기 모재 용융부는 TIG 용접에 의해 형성되며,
    상기 모재 용융부의 경도는 370Hv 이상이고,
    상기 용접비드의 평균 경도는 350Hv 이상이며,
    상기 용접이음부는 피로강도가 270MPa 이상인 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 모재 용융부는 평균 깊이가 0.5~2mm인 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부.
  3. 인장강도가 1GPa 이상인 복수의 강재를 일부 중첩한 뒤, 이 중첩된 영역을 용접하여 용접비드가 형성되도록 하는 1차 용접 단계; 및
    상기 용접비드 끝단부로부터 전방으로 0.5~1.5mm 떨어진 위치에 아크 토치를 통해 TIG 아크 열원을 제공하여 상기 용접비드 및 모재의 일부를 용융시킨 뒤 냉각하여 용접하는 2차 용접 단계를 포함하며,
    아크 토치의 이송 속도는 0.4~0.6m/min이고,
    아크 열원의 조사각은 25~30°인 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 1차 용접 단계는 FCAW 또는 MIG 용접을 이용하는 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부의 제조방법.
KR1020200043093A 2020-04-09 2020-04-09 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법 KR20200040725A (ko)

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KR1020200043093A KR20200040725A (ko) 2020-04-09 2020-04-09 피로특성이 우수한 초고강도 열연강재의 용접이음부 및 그 제조방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2013220431A (ja) 2012-04-13 2013-10-28 Kobe Steel Ltd 疲労強度に優れた溶接継手、熱延鋼板のｍａｇ溶接方法、熱延鋼板のｍｉｇ溶接方法およびフラックス入りワイヤ
JP2014004609A (ja) 2012-06-25 2014-01-16 Jfe Steel Corp 溶接継手およびその形成方法
JP2014014831A (ja) 2012-07-09 2014-01-30 Jfe Steel Corp 溶接部の疲労強度向上方法および溶接継手

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