KR20230021319A - 테일러 웰디드 블랭크, 열간성형부재 및 이들의 제조방법 - Google Patents

테일러 웰디드 블랭크, 열간성형부재 및 이들의 제조방법 Download PDF

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KR20230021319A
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김청하
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 열간 성형 후의 물성 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 용접부를 가지는 테일러 웰디드 블랭크 및 열간성형부재, 이들의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

테일러 웰디드 블랭크, 열간성형부재 및 이들의 제조방법 {Tailor welded blanks, hot press formed part and manufacturing method for thereof}
본 발명은 테일러 웰디드 블랭크, 열간성형부재 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차의 경량화를 통한 연비 향상 및 승객의 안전성 확보를 위해 초고강도 열간성형부재를 자동차의 구조부재로 활용하고자 하는 시도가 있으며, 관련 분야에서 다양한 연구들이 진행되고 있다.
특허문헌 1은 이러한 열간성형 기술에 대해 개시한다. 특허문헌 1은 Al-Si 도금강판을 Ac1 이상의 온도범위로 가열한 후 프레스에 의한 열간성형 및 급냉에 의해 모재의 조직이 마르텐사이트로 이루어지도록 하여 1500MPa 이상의 인장강도를 확보할 수 있다.
한편, Al-Si 도금강판을 이용하여 테일러 웰디드 블랭크를 제조하는 경우 레이저 용접 시 용융된 도금층의 성분이 용융영역으로 혼입되는 현상이 발생할 수 있다. 특히, Al은 페라이트의 형성을 조장하는 성분으로, 용융역역으로 혼입된 Al에 의해 열간성형 후의 용접이음부는 목적하는 수준의 마르텐사이트화가 이루어지지 못하며, 최종 부품에 외력이 전달되는 경우 용접이음부 또는 용접이음부에 인접한 열영향부에서의 파단을 유발할 수 있다. 특허문헌 2는 이와 같이 용접이음부에 도금층 성분이 유입되는 현상을 방지하기 위하여 도금층을 합금화 처리한 후 레이저 용접을 실시하는 기술을 개시하지만, 도금층의 합금화 처리에 의하더라도 도금층의 Al 성분이 용접이음부로 유입되는 현상을 완전히 방지할 수는 없다는 한계점이 존재한다.
특허문헌 3은 용접이음부로 Al성분이 혼입되는 것을 방지하기 위하여 레이저 용접 전에 용접부 인근의 도금층을 일부 제거하는 기술을 개시한다. 이와 같이 용접부 인근의 도금층을 일부 제거하는 경우, 도금층의 Al 성분이 용접이음부로 유입되는 현상을 일부 완화할 수는 있지만, 도금층을 제거하기 위한 추가설비의 도입이 필수적이며, 용접부 인근의 도금층이 일부 제거됨에 따라 용접부 인근의 영역에서의 내식성 저하가 수반될 수 있다.
따라서, 도금층의 일부 또는 전부 삭마(ablation)를 생략하고 용접을 실시하더라도, Al 성분이 용접이음부에 유입됨에 따라 용접이음부 또는 용접이음부에 인접한 열영향부의 물성이 저하되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있는 기술에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.
유럽 특허번호 EP 0971044 A1 유럽 특허번호 EP 3805421 A1 한국 공개특허공보 제10-2009-0005004 호
본 발명의 일 측면에 따르면, 열간 성형 후의 물성 저하를 효과적으로 방지할 수 있는 용접부를 가지는 테일러 웰디드 블랭크 및 열간성형부재, 이들의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는, 제1 소지강판 및 상기 제1 소지강판의 적어도 일면에 제1 Al계 도금층을 포함하는 제1 도금강판; 제2 소지강판 및 상기 제2 소지강판의 적어도 일면에 제2 Al계 도금층을 포함하는 제2 도금강판; 및 상기 제1 도금강판 및 제2 도금강판의 사이에 위치하여 상기 제1 도금강판 및 제2 도금강판을 연결하며, 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 용접이음부를 포함하고, 상기 용접이음부는, 상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 이상인 경우 하기의 [관계식 3]을 만족하고, 상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 미만인 경우 하기의 [관계식 4]를 만족할 수 있다.
[관계식 1]
4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
[관계식 2]
1.0 < [Cr] < 8.0
[관계식 3]
0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
[관계식 4]
0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 용접이음부는 하기의 [관계식 5] 및 [관계식 6] 중 어느 하나 이상을 만족할 수 있다.
[관계식 5]
[Mn] ≤ 4.5
[관계식 6]
[Ni] ≤ 9.0
상기 [관계식 5] 및 [관계식 6]에서 [Mn] 및 [Ni]은 용접이음부에 포함되는 Mn 및 Ni의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 제1 Al계 도금층은 Al-Si계 도금층 또는 Al-Fe계 합금화 도금층 중에서 선택된 어느 하나이고, 상기 제2 Al계 도금층은 Al-Si계 도금층 또는 Al-Fe계 합금화 도금층 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 소지강판 또는 제2 소지강판은, 중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나, 중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나, 중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 불랭크의 제조방법은, 제1 Al계 도금층 및 제2 Al계 도금층이 각각 제1 소지강판 및 제2 소지강판의 적어도 일면에 형성된 제1 도금강판 및 제2 도금강판을 제공하는 단계; 및 상기 제1 도금강판과 상기 제2 도금강판이 인접하도록 위치시키고, 필러와이어의 공급과 함께 레이저빔을 조사하여 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하도록 용접이음부를 형성하는 맞대기 용접 단계를 포함하고, 상기 필러와이어가 NiCr계 필러와이어인 경우 상기 용접이음부가 하기의 [관계식 3]을 만족하도록 맞대기 용접을 실시하고, 상기 필러와이어가 CrMn계 필러와이어인 경우 상기 용접이음부가 하기의 [관계식 4]를 만족하도록 맞대기 용접을 실시할 수 있다.
[관계식 1]
4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
[관계식 2]
1.0 < [Cr] < 8.0
[관계식 3]
0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
[관계식 4]
0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 맞대기 용접 단계는, 상기 용접이음부가 하기의 [관계식 5] 및 [관계식 6] 중 어느 하나 이상을 만족하도록 맞대기 용접을 실시할 수 있다.
[관계식 5]
[Mn] ≤ 4.5
[관계식 6]
[Ni] ≤ 9.0
상기 [관계식 5] 및 [관계식 6]에서 [Mn] 및 [Ni]은 용접이음부에 포함되는 Mn 및 Ni의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 NiCr계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.15~0.40%, Ni: 40.0~50.0%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 4.5% 이하(0% 포함), Mo: 8% 이하(0% 포함), Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 필러와이어이고, 상기 CrMn계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.1~0.25%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 8.0~20.0%, Ni: 5.0~15.0%, Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 필러와이어일 수 있다.
상기 레이저빔에 의해 형성된 용융풀에 제공되는 상기 필러와이어의 희석율은 5~20면적%일 수 있다.
상기 레이저의 빔의 출력은 2~10kW이며, 상기 레이저 빔의 용접속도는 1~6m/min일 수 있다.
상기 제1 Al계 도금층 또는 상기 제2 Al계 도금층은, Al-Si계 도금욕에 상기 제1 소지강판 또는 상기 제2 소지강판을 침지하여 형성된 Al-Si계 도금층이거나, 상기 Al-Si계 도금층을 합금화 처리하여 형성된 Al-Fe계 합금화 도금층일 수 있다.
상기 용접이음부와 인접한 제1 도금층 또는 제2 도금층에 대해 일부 또는 전부 삭마(ablation)를 생략하고 맞대기 용접을 실시할 수 있다.
상기 제1 소지강판 또는 제2 소지강판은, 중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나, 중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나, 중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재는, 제1 소지강판 및 상기 제1 소지강판의 적어도 일면에 제1 Al계 도금층을 포함하는 제1 도금강판; 제2 소지강판 및 상기 제2 소지강판의 적어도 일면에 제2 Al계 도금층을 포함하는 제2 도금강판; 및 상기 제1 도금강판 및 제2 도금강판의 사이에 위치하며 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 용접이음부를 포함하고, 상기 제1 소지강판 및 상기 제2 소지강판은 각각 90면적% 이상의 마르텐사이트를 미세조직으로 포함하며, 상기 용접이음부는, 상기 용접이음부에에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 이상인 경우 하기의 [관계식 3]을 만족하고, 상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 미만인 경우 하기의 [관계식 4]를 만족할 수 있다.
[관계식 1]
4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
[관계식 2]
1.0 < [Cr] < 8.0
[관계식 3]
0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
[관계식 4]
0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 용접이음부는 하기의 [관계식 5] 및 [관계식 6] 중 어느 하나 이상을 만족할 수 있다.
[관계식 5]
[Mn] ≤ 4.5
[관계식 6]
[Ni] ≤ 9.0
상기 [관계식 5] 및 [관계식 6]에서 [Mn] 및 [Ni]은 용접이음부에 포함되는 Mn 및 Ni의 함량(중량%)을 의미한다.
상기 제1 Al계 도금층 및 상기 제2 Al계 도금층은 Al-Fe계 합금화 도금층일 수 있다.
상기 제1 소지강판 또는 제2 소지강판은, 중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나, 중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나, 중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함할 수 있다.
상기 제1 소지강판과 상기 제2 소지강판이 동종의 강판인 경우, 상기 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였을 때, 상기 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)과 상기 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmax)의 절대값 및 상기 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)과 상기 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmin)의 절대값은 70Hv 이하일 수 있다.
상기 제1 소지강판과 상기 제2 소지강판이 이종의 강판인 경우, 상기 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였을 때, 상기 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)은 상기 제1 및 제2 소지강판 중 '상대적으로 경질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean1)+50Hv' 이하의 경도값을 가지며, 상기 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)은 상기 제1 및 제2 소지강판 중 '상대적으로 연질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean2)-50Hv' 이상의 경도값을 가질 수 있다.
상기 용접이음부에서의 파단율은 3% 미만(0% 포함)일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재의 제조방법은, 전술한 테일러 웰디드 불랭크의 제조방법에 의해 제공된 테일러 웰디드 블랭크를 오스테나이트화 온도 이상의 온도범위까지 가열하는 가열 단계; 및 상기 가열된 테일러 웰디브 블랭크를 수냉 가능한 다이에서 열간 성형한 후 마르텐사이트 변태 개시 이하의 온도범위로 즉시 냉각하는 열간 성형 단계를 포함할 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 구현예 및 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 도금층의 일부 또는 전부 삭마(ablation)를 실시하지 않고 용접을 실시하더라도 열간성형 이후의 인장시험에 있어서 용접이음부 또는 용접이음부에 인접한 열영향부에서의 파단이 발생하지 않는 테일러 웰디드 블랭크를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고강도 특성을 가질 뿐만 아니라 충돌 안전성이 우수하여 자동차의 함몰방지(anti-intrusion) 부품, 에너지 흡수 부품 등으로 적합한 열간성형부재를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 사항에 국한되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 본 명세서에 기재된 사항으로부터 합리적으로 유추 가능한 사항을 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1 및 도 2는 각각 시편 6 및 시편 10의 비커스 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 테일러 웰디드 블랭크, 열간성형부재 및 이들의 제조방법에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하기 위하여 제공되는 것이다.
이하 본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는 제1 도금강판 및 제2 도금강판과 제1 도금강판 및 제2 도금강판의 사이에서 제1 도금강판 및 제2 도금강판을 연결하도록 구비되는 용접이음부를 포함할 수 있다. 이하에서는 2개의 도금강판이 용접이음부를 통해 연결되는 구조의 테일러 웰디드 블랭크를 예시적으로 설명하지만, 본 발명은 3개 이상의 도금강판이 용접이음부를 통해 연결되는 구조의 테일러 웰디드 블랭크를 포함하는 개념으로 해석될 수 있다.
제1 도금강판은 제1 소지강판과 제1 소지강판의 적어도 일면에 형성된 제1 도금층을 포함할 수 있으며, 제2 도금강판은 제2 소지강판과 제2 소지강판의 적어도 일면에 형성된 제2 도금층을 포함할 수 있다.
제1 도금층 및 제2 도금층은 Al계 도금층일 수 있으며, Al-Si계 도금층 Al-Fe계 도금층 중 어느 하나일 수 있다. 제1 도금층 및 제2 도금층은 동종 또는 이종의 도금층으로 제공될 수 있다.
비제한적인 예로서, Al계 도금층은, 중량%로, 3~15%의 Si, 나머지 Al 및 기타 불가피하게 유입되는 불순물을 포함할 수 있다. Al계 도금층에 불가피하게 유입되는 불순물은 소지철로부터 유입되는 성분을 포함하는 개념으로 해석될 수 있다.
제1 도금층 및 제2 도금층의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니며, 제1 도금층 및 제2 도금층은 통상의 테일러 웰디드 블랭크의 제조에 이용되는 도금강판과 대응하는 두께로 구비될 수 있다.
본 발명에 제공되는 제1 소지강판 및 제2 소지강판은 열간성형에 의해 경화 가능한 강판이라면 특별히 제한되지 않는다.
비제한적인 예로서, 제1 소지강판 및 제2 소지강판은 아래의 강판 1 내지 3 중에서 선택된 어느 하나의 성분으로 구비되는 강판일 수 있으며, 제1 소지강판 및 제2 소지강판은 동종 또는 이종의 성분으로 구비될 수 있다.
강판 1: 중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함
강판 2: 중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함
강판 3: 중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함
예시적으로, 강판 1은 열간성형 후 약 500 내지 1000MPa 내외의 인장강도를 가질 수 있고, 강판 2는 열간성형 후 약 1500MPa 내외의 인장강도를 가질 수 있으며, 강판 3은 열간성형 후 약 1800MPa 내지 2000MPa 내외의 인장강도를 가질 수 있다.
제1 소지강판 및 제2 소지강판은 동일 또는 상이한 두께로 구비될 수 있으며, 제1 소지강판 및 제2 소지강판은 통상의 테일러 웰디드 블랭크의 제조에 이용되는 도금강판과 대응하는 소지강판 두께를 가질 수 있다. 예시적으로, 제1 도금강판 및 제2 도금강판은 0.8 내지 2.8mm의 두께를 만족할 수 있다.
본 발명의 발명자는 도금층의 Al 성분이 용접이음부에 일부 유입되더라도 열간성형 후의 인장시험에 있어서 용접이음부 또는 용접이음부에 인접한 열영향부에서의 파단이 발생하지 않는 조건에 대해 심도 있는 연구를 수행하였으며, 용접이음부에 포함되는 특정 합금 성분의 함량을 일정 범위를 제어함으로써 열간성형부재의 총돌 안전성을 확보할 수 있다는 점을 인지하고 본 발명을 도출하게 되었다.
이하 본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크에 포함되는 용접이음부에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는 아래의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 모두 만족할 수 있다.
[관계식 1]
4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
[관계식 2]
1.0 < [Cr] < 8.0
상기 [관계식 1] 및 [관계식 2]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 발명자는 열간성형을 위한 가열 시 안정적인 용접이음부의 오스테나이트화가 용접이음부의 파단율 억제에 주요한 요소임을 인지하고 [관계식 1]을 도출하게 되었다. 페라이트 형성 원소인 Al이 용접이음부에 유입되더라도, 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 상대적인 함량 범위를 [관계식 1]과 같이 제어함으로써, 열간성형 과정에서 용접이음부를 안정적으로 오스테나이트화 할 수 있으며, 용접이음부에 균질한 마르텐사이트를 형성할 수 있다. 즉, 본 발명은 용접이음부의 합금 성분을 [관계식 1]과 같이 제어하므로, 열간성형 후의 인장시험 시 용접이음부의 파단율을 3% 미만의 수준으로 제한할 수 있다. 바람직한 용접이음부의 파단율은 1% 이하일 수 있으며, 더욱 바람직한 용접이음부의 파단율은 0%일 수 있다. 한편, 본 발명은 [관계식 1]의 상한을 특별히 제한하지는 않으나, 경제성 확보 측면에서 [관계식 1]의 상한을 5.0으로 제한할 수도 있다.
본 발명의 발명자는 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 상대적인 함량뿐만 아니라, 용접이음부에 포함되는 Cr의 개별 함량 범위 역시 용접이음부의 파단율에 주요한 영향을 미치는 요소임을 확인하고 [관계식 2]를 도출하게 되었다. Cr은 용접이음부의 강도 확보에 유리한 성분이므로, [관계식 2]와 같이 1.0중량% 이상의 수준으로 용접이음부에 포함될 수 있다. 바람직한 Cr 함량은 2.0중량% 이상일 수 있으며, 보다 바람직한 Cr 함량은 2.5중량%일 수 있다. 반면, Cr은 페라이트의 형성을 촉진하는 성분이기도 하므로, 용접이음부에 포함되는 Cr의 함량을 8.0wt% 이하로 제한할 수 있다. 바람직한 Cr 함량은 7중량% 이하일 수 있으며, 보다 바람직한 Cr 함량은 5중량% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는 용접이음부에 포함되는 Ni 함량에 따라 아래의 [관계식 3] 또는 [관계식 4] 중 어느 하나를 추가적으로 더 만족할 수 있다. 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 이상인 경우 하기의 [관계식 3]을 만족하고, 상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 미만인 경우 하기의 [관계식 4]를 만족할 수 있다.
[관계식 3]
0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
[관계식 4]
0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
상기 [관계식 3] 및 [관계식 4]에서 [Mn], [Ni] 및 [Cr]은 각각 용접이음부에 포함되는 Mn, Ni 및 Cr의 함량(중량%)을 의미한다.
본 발명의 발명자는 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 이상인 경우에 있어서 용접이음부에 포함되는 Ni 및 Cr의 상대적인 함량이 용접이음부의 물성 확보에 주요한 요소인 것을 확인하고 [관계식 3]을 도출하였다.
용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 이상인 경우에 있어서, 용접이음부에 포함되는 Cr 함량 대비 Ni 함량의 비율이 과도하게 낮은 경우 용접이음부의 오스테나이트 형성능이 저하되고 상온에서 연질의 페라이트가 잔존하여 용접이음부의 물성이 열위하게 구현될 수 있다. 따라서, 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 이상인 경우, 용접이음부의 물성 확보를 위해 [관계식 3]과 같이 Cr 함량에 대한 Ni 함량의 비([Ni]/[Cr])를 0.8 이상의 수준으로 제한할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.85 이상의 수준일 수 있다. 반면, 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 이상인 경우에 있어서, 용접이음부에 포함되는 Cr 함량 대비 Ni 함량의 비율이 과도하게 높은 경우 용접이음부의 오스테나이트 안정성이 과도하여 상온에서도 오스테나이트가 잔존할 수 있으며, 그에 따라 열위한 용접이음부 물성이 구현될 수 있다. 따라서, 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 이상인 경우, 용접이음부의 물성 확보를 위해 [관계식 3]과 같이 Cr 함량에 대한 Ni 함량의 비([Ni]/[Cr])를 1.2 이하의 수준으로 제한할 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.1 이하의 수준일 수 있다.
용접이음부에 포한되는 Ni의 함량이 2.2중량% 미만인 경우에 있어서, 용접이음부에 포함되는 Cr 함량 대비 Mn 함량의 비율이 과도하게 낮은 경우 용접이음부의 오스테나이트 형성능이 저하되고 상온에서 연질의 페라이트가 잔존하여 용접이음부의 물성이 열위하게 구현될 수 있다. 따라서, 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 미만인 경우, 용접이음부의 물성 확보를 위해 [관계식 4]와 같이 Cr 함량에 대한 Mn 함량의 비([Mn]/[Cr])를 0.3 이상의 수준으로 제한할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.4 이상의 수준일 수 있다. 반면, 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 미만인 경우에 있어서, 용접이음부에 포함되는 Cr 함량 대비 Mn 함량의 비율이 과도하게 높은 경우 용접이음부의 오스테나이트 안정성이 과도하여 상온에서도 오스테나이트가 잔존할 수 있으며, 그에 따라 열위한 용접이음부 물성이 구현될 수 있다. 따라서, 용접이음부에 포함되는 Ni의 함량이 2.2중량% 미만인 경우, 용접이음부의 물성 확보를 위해 [관계식 4]과 같이 Cr 함량에 대한 Mn 함량의 비([Mn]/[Cr])를 1.1 이하의 수준으로 제한할 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.0 이하의 수준일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는 아래의 [관계식 5] 및 [관계식 6] 중 어느 하나 이상을 만족할 수 있다.
[관계식 5]
[Mn] ≤ 4.5
[관계식 6]
[Ni] ≤ 9.0
상기 [관계식 5] 및 [관계식 6]에서 [Mn] 및 [Ni]은 용접이음부에 포함되는 Mn 및 Ni의 함량(중량%)을 의미한다.
Ni 및 Mn은 대표적인 오스테나이트 안정화 원소로서, 열간성형을 위한 가열 시 용접이음부의 균일한 오스테나이트화에 효과적으로 기여하는 원소이다. 다만, Ni 및 Mn의 함량이 일정 범위를 초과하는 경우, 과도한 오스테나이트 안정성에 의해 상온에서도 오스테나이트가 용접이음부에 존재할 수 있으며, 그에 따라 용접이음부의 물정 저하를 유발할 수 있다. 따라서, [관계식 5] 및 [관계식 6]과 같이 용접이음부에 포함되는 Mn 및 Ni 함량을 각각 4.5중량% 이하 및 9.0중량% 이하로 제한할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는 상술한 바와 같이 용접이음부의 합금 성분을 제어하므로, 도금층의 일부 또는 전부 삭마(ablation)를 실시하지 않고 도금강판의 용접을 실시하더라도, 용접이음부에 도금층의 Al 성분이 유입되어 발생하는 물성 저하를 효과적으로 억제할 수 있으며, 열간성형 이후의 인장시험에 있어서 열간성형 이후의 인장시험에 있어서 용접이음부 또는 용접이음부에 인접한 열영향부에서의 파단을 효과적으로 방지할 수 있다.
이하 본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크의 제조방법은, 도금강판을 제공하는 단계 및 맞대기 용접을 실시하는 단계를 포함할 수 있다.
도금강판을 제공하는 단계에서는 제1 Al계 도금층이 제1 소지강판의 적어도 일면에 형성된 제1 도금강판 및 제2 Al계 도금층이 제2 소지강판의 적어도 일면에 형성된 제2 도금강판을 제공할 수 있다.
제1 Al계 도금층 및 제2 Al계 도금층은 Al-Si계 도금욕에 소지강판을 침지하여 형성된 Al-Si계 도금층일 수 있으며, Al-Si계 도금층 형성 후 합금화 처리를 실시하여 제공되는 Al-Fe계 합금화 도금층일 수 있다. Al-Si계 도금욕은 3~15중량%의 Si, 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 소지강판, 제1 도금층 및 제2 도금층에 대한 구체적인 사항은 전술한 도금강판에 대응하므로, 테일러 웰디드 블랭크의 제조에 제공되는 도금강판에 대한 설명은 전술한 도금강판에 대한 설명으로 대신한다.
맞대기 용접 단계에서는 제1 도금강판의 단부와 제2 도금강판의 단부가 서로 인접하도록 위치시키고, 필러와이어의 공급과 함께 레이저빔을 조사하여 용접이음부를 형성할 수 있다. 이 때, 서롤 인접하는 영역의 제1 도금층 또는 제2 도금층의 일부 또는 전부에 대해 삭마(ablation)를 실시한 후 맞대기 용접을 실시할 수 있으나, 일부 또는 전부 삭마(ablation)을 생략하고 맞대기 용접을 실시해도 무방하다.
본 발명의 맞대기 용접에 이용되는 필러와이어는 NiCr계 필러와이어 또는 CrMn계 필러와이어일 수 있다. NiCr계 필러와이어는 Ni 및 Cr을 주요 성분으로 포함하는 필러와이어를 의미할 수 있다. 비제한적인 예로서, NiCr계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.15~0.40%, Ni: 40.0~50.0%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 4.5% 이하(0% 포함), Mo: 8% 이하(0% 포함), Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. CrMn계 필러와이어는 Cr 및 Mn을 주요 성분으로 포함하는 필러와이어를 의미할 수 있다. 비제한적인 예로서, CrMn계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.1~0.25%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 8.0~20.0%, Ni: 5.0~15.0%, Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
맞대기 용접 단계에서는 맞대기 용접에 의해 형성되는 용접이음부가 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하도록 레이저 용접을 실시할 수 있으며, NiCr계 필러와이어를 이용하여 맞대기 용접을 실시하는 경우 하기의 [관계식 3]을 만족하도록 레이저 용접을 실시하고, CrMn계 필러와이어를 이용하여 맞대기 용접을 실시하는 경우 하기의 [관계식 4]를 만족하도록 레이저 용접을 실시할 수 있다.
[관계식 1]
4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
[관계식 2]
1.0 < [Cr] < 8.0
[관계식 3]
0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
[관계식 4]
0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
[관계식 1] 내지 [관계식 4]의 제한 이유는 전술한 테일러 웰디드 블랭크의 관계식 제한 이유와 대응하므로, [관계식 1] 내지 [관계식 4]에 대한 구체적인 설명은 전술한 설명으로 대신한다.
맞대기 용접 단계에서는, 용접이음부가 하기의 [관계식 5] 및 [관계식 6] 중 어느 하나 이상을 만족하도록 레이저 용접을 실시할 수 있다.
[관계식 5]
[Mn] ≤ 4.5
[관계식 6]
[Ni] ≤ 9.0
상기 [관계식 5] 및 [관계식 6]에서 [Mn] 및 [Ni]은 용접이음부에 포함되는 Mn 및 Ni의 함량(중량%)을 의미한다.
[관계식 5] 및 [관계식 6]의 제한 이유는 전술한 테일러 웰디드 블랭크의 관계식 제한 이유와 대응하므로, [관계식 5] 및 [관계식 6]에 대한 구체적인 설명은 전술한 설명으로 대신한다.
용접이음부의 합금성분은 소지강판의 합금성분 및 도금층의 합금성분으로부터 일부 영향을 받지만, 레이저 용접조건에 의해 보다 큰 영향을 받을 수 있다. 즉, 용접이음부의 합금성분은 레이저 용접에 이용되는 필러와이어의 합금성분, 필러와이어가 용융풀에 희석되는 비율, 레이저 빔의 출력 및 레이저 빔의 용접속도 등에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블래크의 제조방법은 맞대기 용접에 의해 형성되는 용접이음부가 전술한 [관계식 1] 내지 [관계식 6]을 만족하도록 레이저 용접에 이용되는 필러와이어를 NiCr계 필러와이어 또는 CrMn계 필러와이어로 제한하며, 레이저빔에 의해 형성되는 용융풀에 필러와이어가 희석되는 비율을 5~20면적%의 범위로 제한할 수 있다. 이 때, 레이저 빔의 출력은 2~10kW의 범위를 만족할 수 있으며, 레이저 빔의 용접속도는 1~6m/min의 범위를 만족할 수 있다. 맞대기 용접시 용융금속의 산화 방지 및 퓸(fume) 제거 등의 목적을 달성하기 위해 He 및 Ar 등의 불활성 가스를 보호가스로 사용할 수 있으나, 반드시 이게 국한되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재 및 그 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재는, 전술한 테일러 웰디드 블랭크를 열간성형하여 제공될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재는 전술한 테일러 웰디드 블랭크를 오스테나이트화 온도 이상의 온도범위까지 가열하는 가열 단계 및 수냉 가능한 다이에서 가열된 테일러 웰디드 블랭크를 열간 성형한 후 마르텐사이트 변태 개시 이하의 온도범위로 즉시 냉각하는 열간 성형 단계를 거쳐 제조될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재는 제1 도금강판, 제2 도금강판 및 제1 도금강판과 제2 도금강판을 연결하는 용접이음부를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 열간성형부재는 전술한 테일러 웰디드 블랭크를 열간성형하여 제공되므로, 전술한 테일러 웰디드 블랭크 대비 형상, 도금층 성분 및 소지강판의 미세조직에 있어서 차이점이 발생할 수 있다. 열간성형 과정에서 도금층의 합금화가 이루어질 수 있으며, 소지강판의 일부 성분이 도금층으로 유입될 수 있다. 열간성형 과정에서의 가열 및 급냉 과정을 거치면서 소지강판의 마르텐사이트화가 이루어질 수 있으며, 성형부재에 구비되는 소지강판은 약 90면적% 이상(100% 포함)의 마르텐사이트를 포함할 수 있다.
열간성형 공정을 거침에 따라 용접이음부 역시 마르텐사이트화가 이루어지지만, 열간성형 공정 전후로 용접이음부의 합금성분에는 큰 변화가 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 성형부재에 구비되는 용접이음부 역시 전술한 [관계식 1] 내지 [관계식 6]을 만족할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 성형부재는 소지강판과 용접이음부의 국지적인 물성 편차를 완화하므로, 성형부재에 대한 인장시험 시 용접이음부에서의 파단율을 3% 미만(0% 포함)으로 제어할 수 있다.
성형부재에 구비되는 제1 소지강판과 제2 소지강판이 동종의 강판인 경우, 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였을 때, 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)과 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmax)의 절대값 및 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)과 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmin)의 절대값은 각각 70Hv 이하일 수 있다.
한편, 성형부재에 구비되는 제1 소지강판과 제2 소지강판이 이종의 강판인 경우, 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였을 때, 상기 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)은 제1 및 제2 소지강판 중 '상대적으로 경질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean1)+50Hv' 이하의 경도값을 가지며, 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)은 상기 제1 및 제2 소지강판 중 '상대적으로 연질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean2)-50Hv' 이상의 경도값을 가질 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 성형부재는, 고강도 특성을 가질 뿐만 아니라 충돌 안전성이 우수하여 자동차의 함몰방지(anti-intrusion) 부품, 에너지 흡수 부품 등으로 적합한 물성을 구비할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 테일러 웰디드 블랭크, 열간성형부재 및 이들의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 특정하기 위한 것이 아님을 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정될 수 있다.
(실시예)
표 1에 기재된 용접 조건을 적용하여 테일러 웰디드 블랭크 시편을 제작하였다.
표 1의 소지강판 A는, 중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하는 소지강판으로, 열간성형 후 약 1000MPa의 인장강도를 확보 가능한 강판을 의미한다. 소지강판 B는, 중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하는 소지강판으로, 열간성형 후 약 1500Mpa의 인장강도를 확보 가능한 강판을 의미한다. 소지강판 C는, 중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하는 소지강판으로, 열간성형 후 약 1800MPa의 인장강도를 확보 가능한 강판을 의미한다. 소지강판 A 내지 C는 각각 표 1에 기재된 두께를 만족하도록 제작되었다.
4~15%중량의 Si을함유하는 알루미늄 도금욕에 각각의 소지강판을 침지하여 편면기준 10~40g/m2의 도금량으로 도금을 실시하였으며, 일부에 대해서는 합금화 처리를 추가적으로 실시하였다. 사전합금화와 관련하여, "○"표시는 레이저 용접 전에 도금층의 합금화 처리를 실시한 경우를 의미하며, "X" 표시는 레이저 용접 전에 도금층의 합금화 처리를 실시하지 않은 경우를 의미한다.
레이저 용접 전에 일부의 시편에 대해서는 도금강판 단부측의 도금층을 제거하는 삭마(ablation) 처리를 실시하였다. 삭마 처리와 관련하여 "○" 표시는 삭마(ablation) 처리를 실시한 경우를 의미하며, "X" 표시는 삭마(ablation) 처리를 실시하지 않은 경우를 의미한다.
출력이 3~5kW의 범위로 조절된 레이저 빔을 이용하여 1~3m/min의 용접속도로 맞대기 용접을 실시하였으며, 표 1에 기재된 희석율로 레이저 빔에 의해 형성된 용융풀에 필러와이어를 송급하였다. 표 1에 기재된 필러와이어 중 NiCr계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.15~0.40%, Ni: 40.0~50.0%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 4.5% 이하(0% 포함), Mo: 8% 이하(0% 포함), Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 필어와이어를 의미하고, CrMn계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.1~0.25%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 8.0~20.0%, Ni: 5.0~15.0%, Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 필러와이어를 의미한다.
구분 제1 도금강판 제2 도금강판 삭마
적용
여부		 필러와이어 필러와이어
희석율
(면적%)
소지
강판		 사전
합금화		 강판
두께
(mm)		 소지
강판		 사전
합금화		 강판
두께
(mm)
1 B ○ 1.8 B ○ 1.8 X NiCr계 12
2 B ○ 1.8 B ○ 1.8 X NiCr계 17
3 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 13
4 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 17
5 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X NiCr계 7
6 B ○ 1.4 A ○ 1.4 X NiCr계 9
7 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X NiCr계 11
8 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 12
9 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X NiCr계 15
10 B X 1.6 C X 1.0 X NiCr계 10
11 B X 1.6 B X 1.0 X NiCr계 12
12 B X 1.6 B X 1.0 ○ NiCr계 5
13 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 8
14 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 20
15 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 3
16 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X NiCr계 3
17 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X NiCr계 30
18 B ○ 1.6 B ○ 1.0 X CrMn계 6
표 1의 각 시편에 대해, 870 내지 950℃의 온도범위까지 각 시편을 가열한 후 5분간 유지하였으며, 내부에서 수냉이 가능한 금형을 이용한 프레스 ??칭(press quenching)으로 열간성형을 모사하였다. 각 시편을 절단하여 용접 진행방향과 수직인 단면을 형성하였으며, EPMA 및 SEM의 EDS 정량분석을 이용하여 각 시편 단면에서의 용접이음부 합금 성분을 분석하였다. 각 시편의 단면에서 용접 열영향부를 제외한 용접부를 8 내지 12개의 영역으로 분할하여 각 영역에 대해 면분석을 실시하였으며, 각 영역에서 측정된 성분 함량의 평균값을 표 2에 기재하였다. 또한, 이들 성분 함량을 관계식 1, 관계식 3 및 관계식 4의 대입 결과를 표 2에 함께 기재하였다. 각각의 시편에서 복수의 인장시편(ISO 6892-1 Type 1, 용접부가 평행부의 중앙에서 인장하중에 수직항 방향으로 위치함)을 채취하여 인장시험을 실시하였으며, 인장시험의 횟수 대비 용접부에서의 파단이 발생한 인장시편의 개수 비율(용접부 파단 인장시편수/전체 인장시편수)을 산출하여 표 2에 기재된 바와 같이 각 시편의 용접부 파단율을 측정하였다. 비커스 경도계를 이용하여 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였으며, 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)과 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmax) 및 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)과 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmin)를 산술하여 표 2에 함께 기재하였다. 한편, 도 1 및 도 2는 각각 시편 6 및 시편 10의 비커스 경도 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 시편 6은 제1 도금강판의 모재부가 약 490Hv의 평균경도를, 제2 도금강판의 모재부가 약 390Hv의 평균경도를 나타내며, 용접이음부는 446 내지 474Hv의 경도를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 시편 10은 제1 도금강판의 모재부가 약 488Hv의 평균경도를, 제2 도금강판의 모재부가 약 563Hv의 평균경도를 나타내며, 용접이음부는 525 내지 551Hv의 경도를 나타내는 것을 확인할 수 있다, 즉, 시편 6 및 시편 10은 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)이 '상대적으로 경질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean1)+50Hv' 이하의 범위를 만족하며, 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)이 '상대적으로 연질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean2)-50Hv' 이상의 범위를 만족하므로, 3% 이하의 수준인 것을 확인할 수 있다.
구분 합금성분(wt%) 관계식
1		 관계식
3		 관계식
4		 용접부경도 용접부
파단율
(%)
C Mn Ni Cr Al Si Mo △Hmin △Hmax
1 0.22 1.36 4.36 4.47 0.97 0.55 0 1.96 0.98 0.30 30.6 42.6 0
2 0.22 1.72 2.46 2.53 0.8 0.34 0 1.02 0.97 0.68 -26.3 34.7 0
3 0.22 2.97 0.76 2.99 0.99 0.46 0 0.48 0.25 0.99 -8.9 12.1 0
4 0.21 3.03 1.07 4.84 1.17 0.41 0 0.71 0.22 0.63 17.7 62.7 0
5 0.22 2.01 3.2 2.93 1.05 0.41 0 1.30 1.09 0.69 2.6 49.6 0
6 0.15 2.04 3.91 3.55 1.05 0.46 0 1.45 1.10 0.57 - - 0
7 0.22 1.96 3.42 4.02 2.28 1.04 0 0.33 0.85 0.49 -25.0 28.3 0
8 0.22 2.21 1.32 3.22 1.04 0.53 0 0.48 0.41 0.69 55.0 65.0 0
9 0.22 1.93 6.83 6.6 1.23 0.46 0.59 3.47 1.03 0.29 -27.0 29.0 0
10 0.26 1.8 4.75 3.87 1.19 0.47 0 2.19 1.23 0.47 - - 0
11 0.22 1.99 4.86 4.82 2.33 0.42 0 1.13 1.01 0.41 -5.7 14.3 0
12 0.22 1.92 2.59 2.57 0.51 0.39 0 1.45 1.01 0.75 10.0 24.0 0
13 0.21 2.13 0 2.87 1.31 0.39 0 -0.58 0.00 0.74 -20.0 37.6 100
14 0.19 4.93 1.44 8.07 1.15 1.15 0 1.98 0.18 0.61 -5.0 23.0 100
15 0.22 1.45 0 0.33 1.73 1.73 0 -1.58 0.00 4.39 -92.0 39.0 33.3
16 0.22 1.38 1.36 1.25 1.12 0.55 0 -0.17 1.09 0.10 -123.2 -28 70
17 0.21 2.07 12.82 11.44 1.1 1.1 0 7.35 1.12 0.18 -196.4 -68.4 100
18 0.21 2.22 0 2.01 1.18 1.18 0 -0.55 0.00 1.10 -10.7 20.3 66.6
표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 시편들은 용접부 파단율이 3면적% 미만인 반면, 본 발명의 조건을 만족하지 않는 시편들은 용접부 파단율이 3면적%를 현저히 초과하는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 테일러 웰디드 블랭크는 도금층의 일부 또는 전부 삭마(ablation)를 실시하지 않고 용접을 실시하더라도 열간성형 이후의 인장시험에 있어서 용접이음부 또는 용접이음부에 인접한 열영향부에서의 파단이 발생하지 않는 열간성형부재를 제공할 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.

Claims (17)

  1. 제1 소지강판 및 상기 제1 소지강판의 적어도 일면에 제1 Al계 도금층을 포함하는 제1 도금강판;
    제2 소지강판 및 상기 제2 소지강판의 적어도 일면에 제2 Al계 도금층을 포함하는 제2 도금강판; 및
    상기 제1 도금강판 및 제2 도금강판의 사이에 위치하여 상기 제1 도금강판 및 제2 도금강판을 연결하며, 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 용접이음부를 포함하고,
    상기 용접이음부는,
    상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 이상인 경우 하기의 [관계식 3]을 만족하고, 상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 미만인 경우 하기의 [관계식 4]를 만족하는, 테일러 웰디드 블랭크.
    [관계식 1]
    4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
    [관계식 2]
    1.0 < [Cr] < 8.0
    [관계식 3]
    0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
    [관계식 4]
    0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
    상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 Al계 도금층은 Al-Si계 도금층 또는 Al-Fe계 합금화 도금층 중에서 선택된 어느 하나이고,
    상기 제2 Al계 도금층은 Al-Si계 도금층 또는 Al-Fe계 합금화 도금층 중에서 선택된 어느 하나인, 테일러 웰디드 블랭크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 소지강판 또는 제2 소지강판은,
    중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나,
    중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나,
    중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하는, 테일러 웰디드 블랭크.
  4. 제1 Al계 도금층 및 제2 Al계 도금층이 각각 제1 소지강판 및 제2 소지강판의 적어도 일면에 형성된 제1 도금강판 및 제2 도금강판을 제공하는 단계; 및
    상기 제1 도금강판과 상기 제2 도금강판이 인접하도록 위치시키고, 필러와이어의 공급과 함께 레이저빔을 조사하여 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하도록 용접이음부를 형성하는 맞대기 용접 단계를 포함하고,
    상기 필러와이어가 NiCr계 필러와이어인 경우 상기 용접이음부가 하기의 [관계식 3]을 만족하도록 맞대기 용접을 실시하고, 상기 필러와이어가 CrMn계 필러와이어인 경우 상기 용접이음부가 하기의 [관계식 4]를 만족하도록 맞대기 용접을 실시하는, 테일러 웰디드 불랭크의 제조방법.
    [관계식 1]
    4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
    [관계식 2]
    1.0 < [Cr] < 8.0
    [관계식 3]
    0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
    [관계식 4]
    0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
    상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 NiCr계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.15~0.40%, Ni: 40.0~50.0%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 4.5% 이하(0% 포함), Mo: 8% 이하(0% 포함), Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 필어와이어이고,
    상기 CrMn계 필러와이어는, 중량%로, C: 0.1~0.25%, Cr: 30.0~40.0%, Mn: 8.0~20.0%, Ni: 5.0~15.0%, Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 필러와이어인, 테일러 웰디드 불랭크의 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 레이저빔에 의해 형성된 용융풀에 제공되는 상기 필러와이어의 희석율은 5~20면적%인, 테일러 웰디드 블랭크의 제조방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 레이저의 빔의 출력은 2~10kW이며,
    상기 레이저 빔의 용접속도는 1~6m/min인, 테일러 웰디드 블랭크의 제조방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제1 Al계 도금층 또는 상기 제2 Al계 도금층은,
    Al-Si계 도금욕에 상기 제1 소지강판 또는 상기 제2 소지강판을 침지하여 형성된 Al-Si계 도금층이거나,
    상기 Al-Si계 도금층을 합금화 처리하여 형성된 Al-Fe계 합금화 도금층인, 테일러 웰디드 불랭크의 제조방법
  9. 제4항에 있어서,
    상기 용접이음부와 인접한 제1 도금층 또는 제2 도금층에 대해 일부 또는 전부 삭마(ablation)를 생략하고 맞대기 용접을 실시하는, 테일러 웰디드 블랭크의 제조방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제1 소지강판 또는 제2 소지강판은,
    중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나,
    중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나,
    중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하는, 테일러 웰디드 블랭크의 제조방법.
  11. 제1 소지강판 및 상기 제1 소지강판의 적어도 일면에 제1 Al계 도금층을 포함하는 제1 도금강판;
    제2 소지강판 및 상기 제2 소지강판의 적어도 일면에 제2 Al계 도금층을 포함하는 제2 도금강판; 및
    상기 제1 도금강판 및 제2 도금강판의 사이에 위치하며 하기의 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 용접이음부를 포함하고,
    상기 제1 소지강판 및 상기 제2 소지강판은 각각 90면적% 이상의 마르텐사이트를 미세조직으로 포함하며,
    상기 용접이음부는,
    상기 용접이음부에에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 이상인 경우 하기의 [관계식 3]을 만족하고, 상기 용접이음부에 포함되는 Ni 함량이 2.2중량% 미만인 경우 하기의 [관계식 4]를 만족하는, 열간성형부재.
    [관계식 1]
    4.44*[C] + 0.355*[Mn] + 0.505*[Ni] + 0.148*[Cr] - [Al] - 1.388 > 0
    [관계식 2]
    1.0 < [Cr] < 8.0
    [관계식 3]
    0.8 ≤ [Ni]/[Cr] ≤ 1.2
    [관계식 4]
    0.3 ≤ [Mn]/[Cr] ≤ 1.1
    상기 [관계식 1] 내지 [관계식 4]에서 [C], [Mn], [Ni], [Cr] 및 [Al]은 각각 용접이음부에 포함되는 C, Mn, Ni, Cr 및 Al의 함량(중량%)을 의미한다.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 Al계 도금층 및 상기 제2 Al계 도금층은 Al-Fe계 합금화 도금층인, 열간성형부재.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 소지강판 또는 제2 소지강판은,
    중량%로, C: 0.01~0.15%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나,
    중량%로, C: 0.15% 초과 0.25% 이하, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하거나,
    중량%로, C: 0.25% 초과 0.45% 이하, Si: 0.3~1.0%, Mn: 0.3~1.2%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.5% 이하, Ti: 0.1% 이하, Cr: 0.5% 이하, Mo: 0.5% 이하, B: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물 포함하는, 열간성형부재.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 소지강판과 상기 제2 소지강판이 동종의 강판인 경우, 상기 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였을 때, 상기 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)과 상기 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmax)의 절대값 및 상기 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)과 상기 소지강판의 평균 경도값(Hvmean)의 차(△Hmin)의 절대값은 70Hv 이하인, 열간성형부재.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 소지강판과 상기 제2 소지강판이 이종의 강판인 경우, 상기 용접이음부의 두께 중심부에서 500gf의 하중으로 0.3mm의 간격에 대해 경도값(Hv)을 측정하였을 때, 상기 용접이음부의 최대경도값(Hvmax)은 상기 제1 및 제2 소지강판 중 '상대적으로 경질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean1)+50Hv' 이하의 경도값을 가지며, 상기 용접이음부의 최소경도값(Hvmin)은 상기 제1 및 제2 소지강판 중 '상대적으로 연질인 소지강판의 중심부 평균 경도값(Hvmean2)-50Hv' 이상의 경도값을 가지는, 열간성형부재.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 용접이음부에서의 파단율은 3% 미만(0% 포함)인, 열간성형부재.
  17. 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제공된 테일러 웰디드 블랭크를 오스테나이트화 온도 이상의 온도범위까지 가열하는 가열 단계; 및
    상기 가열된 테일러 웰디브 블랭크를 수냉 가능한 다이에서 열간 성형한 후 마르텐사이트 변태 개시 이하의 온도범위로 즉시 냉각하는 열간 성형 단계를 포함하는, 열간성형부재의 제조방법.
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