WO2017209459A1 - 피로 특성이 우수한 용접이음부 및 이의 제조 방법 - Google Patents

피로 특성이 우수한 용접이음부 및 이의 제조 방법 Download PDF

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WO2017209459A1
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welded joint
laser
welding
fatigue
joint
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PCT/KR2017/005527
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배규열
신현정
김청하
이태영
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주식회사 포스코
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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    • B23K9/02—Seam welding; Backing means; Inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/23—Arc welding or cutting taking account of the properties of the materials to be welded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D10/00—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D10/005—Modifying the physical properties by methods other than heat treatment or deformation by laser shock processing
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    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a welded joint and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a welded joint and a method for manufacturing the same excellent fatigue properties subjected to local remelting treatment by irradiating a non-focus laser.
  • Chassis parts which are important for automobile driving performance, also require high-strength steel applications for weight reduction.
  • it is essential to increase the strength of the material, and it is important to guarantee the durability of parts made of high strength steel in an environment where repeated fatigue loads are applied.
  • the stress concentration part that is, the toe angle
  • Patent Document 0001 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-004609 (published Jan. 16, 2014)
  • Embodiments of the present invention to provide a welded joint having excellent fatigue characteristics.
  • embodiments of the present invention is to provide a method of manufacturing a welded joint having excellent fatigue characteristics through a local remelting treatment by irradiating a non-focus laser.
  • the welded joint having excellent fatigue properties is formed at the end of the weld metal and weld metal formed by welding between a plurality of steel sheets disposed to overlap the connection portion, and the Vickers hardness of the surface layer. It includes the remelting part whose value is 200 Hv or more.
  • the re-melting portion may be formed by the end of the weld metal is remelted by irradiating a defocused laser (defocused laser).
  • the surface layer of the remelting portion may have a bainite or martensite (martensite) structure.
  • the toe angle ⁇ of the remelting part may be 30 ° or less.
  • the fatigue strength of the welded joint may be 260 MPa or more.
  • the fatigue strength of the welded joint may be 70% or more of the fatigue strength of the steel sheets.
  • an end portion of a weld metal formed by welding a joint between a plurality of steel sheets disposed to overlap the joint is irradiated with a defocused laser. Melting.
  • the power of the non-focus laser is 6kW
  • the moving speed may be 4 to 6m / min.
  • the length of the non-focus of the non-focus laser may be 15 to 20mm.
  • the non-focus of the non-focus laser may cover an end of the weld metal and a part of a heat affected zone (HAZ) of the steel sheet adjacent to the end.
  • HZ heat affected zone
  • the irradiation angle of the non-focus laser may be 30 to 45 °.
  • the welded joint having excellent fatigue characteristics according to the embodiments of the present invention is irradiated with a non-focus laser on the end of the weld metal and locally remelted to increase the radius of curvature of the end of the weld bead, thereby reducing stress concentration.
  • the fatigue strength of the puddle can be improved.
  • the surface layer of the weld bead end can be locally cured to improve the fatigue strength of the welded joint.
  • FIG. 1 is a plan view for explaining a welded joint improved in fatigue characteristics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the welded joint of FIG. 1 taken along the line II ′.
  • FIG 3 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a welded joint according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a graph showing the hardness distribution of the welded joint according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a photograph taken with an optical microscope of the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the method of manufacturing a welded joint according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 9 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to a comparative example of the present invention.
  • FIG. 10 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to a comparative example of the present invention.
  • Welding joint having excellent fatigue properties is a weld metal formed by welding between a plurality of steel plates arranged so that the connection portion overlap; And a re-melted portion formed at an end of the weld metal, wherein the Vickers hardness value of the surface layer is 200 Hv or more.
  • FIG. 1 is a plan view for explaining a welded joint improved in fatigue characteristics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the welded joint of FIG. 1 taken along the line II ′.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a welded joint according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • 4 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a graph showing the hardness distribution of the welded joint according to an embodiment of the present invention.
  • the welded joint having excellent fatigue properties is weld metal 20 formed by welding between the plurality of steel sheets 10 arranged to overlap the connection portion and the end of the weld metal 20 It is formed in, and includes a re-melting portion 30 of the Vickers hardness value of the surface layer is 200Hv or more.
  • an end portion of the weld metal 20 means a region of the weld metal 20 adjacent to the steel sheet 10.
  • the steel sheets 10 may be a high strength hot rolled sheet steel having a tensile strength of 780 MPa or more and a thickness of 6 mmt or less.
  • a high strength hot rolled sheet steel having a tensile strength of 780 MPa or more and a thickness of 6 mmt or less.
  • the angle of the end of the weld joint that is, the stress concentration portion, that is, the toe angle, and to control the material and the stress of the tow portion.
  • the remelting portion 30 is formed at the end of the weld metal 20.
  • the remelting part 30 is formed by remelting an end portion of the welding metal 20 by irradiating a defocused laser.
  • an end portion of the weld metal 20, that is, a tow portion may be remelted through a heat treatment using a non-focus laser, and accordingly, a toe angle ( ⁇ ) of the remelt portion 30 is 30. May be less than or equal to
  • the tow angle ⁇ of the remelting part 30 is greater than 30 °, stress is concentrated in the remelting part 30, and the fatigue life is shortened by reducing the fatigue strength to 100 MPa or less.
  • the radius of curvature of the remelting part 30 may be increased. Therefore, the radius of curvature of the remelting portion 30, which acts as a repeated fatigue stress concentration portion, may be increased, thereby reducing concentration of stress on the remelting portion 30.
  • the radius of curvature of the remelting portion 30 may be greater than the radius of curvature of the weld metal 20.
  • the surface layer material of the remelting portion 30 is locally cured.
  • the non-focus laser can finely control the area irradiated with the laser, and accordingly, remelting is locally generated in case of using a different type of heat source. Softening can be minimized.
  • the Vickers hardness value of the surface layer may be 200 Hv or more.
  • the surface layer of the remelting part 30 means an area within 800 ⁇ m from the surface. If the Vickers hardness value of the surface layer of the re-melting portion 30 is less than 200 Hv, there is a problem that the welded joint is easily damaged by the repeated fatigue stress.
  • FIG. 5 is a graph showing the hardness distribution of the welded joint. Referring to this, it can be seen that the hardness value of the surface layer of the re-melted portion 30 has 200 Hv or more.
  • the surface layer of the remelted portion 30 subjected to the heat treatment has a bainite or martensite structure.
  • it may have a bainite or martensite structure in an area within 800 ⁇ m from the surface of the remelting part 30.
  • the fatigue strength of the welded joint may be 260 MPa or more.
  • the fatigue strength of the weld joint may be 70% or more of the fatigue strength of the steel sheets. That is, the fatigue strength of the welded joints can be as high as possible to the fatigue strength of the steel sheet as a base material, thereby increasing the application range of the high strength hot rolled sheet steel for thinning and lightening parts such as automobile chassis members.
  • the welded joint according to an embodiment of the present invention irradiates a defocused laser beam to an end portion of the welded metal 20 formed by welding the joints between the plurality of steel sheets 10 arranged to overlap the joints. It is prepared by the step of remelting.
  • the nonfocus laser 1 irradiates a laser beam to an end of the weld metal 20.
  • the nonfocus laser 1 may be a CO 2 solid state laser.
  • the output of the non-focus laser 1 is not limited thereto, but may be, for example, 6 kW.
  • the head moving speed of the nonfocus laser 1 is 4 to 6 m / min. Can be.
  • the head moving speed of the nonfocus laser 1 is 4 m / min. If less than, there is a problem that hardening of the end portion of the weld metal 20, that is, the surface material of the remelting portion 30 is difficult to occur.
  • the head moving speed of the nonfocus laser 1 is 6 m / min. If it exceeds, the tow angle of the remelting part 30 which is the object of the present invention cannot be secured because a sufficient melting amount for remelting is not secured at the end of the weld metal 20.
  • the non-focus length L of the non-focus laser may be 15 to 20 mm.
  • the defocus of the nonfocus laser may cover an end of the weld metal and a portion of a heat affected zone (HAZ) of the steel sheet adjacent to the end.
  • HZ heat affected zone
  • the non-focus laser When the non-focal length L of the non-focus laser is less than 15 mm, the non-focus laser has a heat affected zone (HAZ) of the steel sheet 10 due to welding with the end of the welding metal 20. Including a problem that can not be remelted. When the non-focus length L of the non-focus laser is more than 20 mm, there is a problem in that heat input for remelting is insufficient.
  • HZ heat affected zone
  • the irradiation angle of the nonfocus laser may be 30 to 45 °.
  • the irradiation angle of the non-focus laser is less than 30 °, a sufficient melt amount for remelting at the end of the welding metal 20 is not secured, thereby securing a tow angle of the remelting part 30 that is the object of the present invention. Can not.
  • the irradiation angle of the non-focus laser is more than 45 °, there is a problem that hardening of the surface layer material does not occur well because a sufficient amount of melting is not secured at the lower steel plate 10A side of the overlapping joint.
  • 6 is a photograph taken with an optical microscope of the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • 7 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the method of manufacturing a welded joint according to an embodiment of the present invention.
  • 8 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to a comparative example of the present invention.
  • 9 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to a comparative example of the present invention.
  • 10 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint by the welded joint manufacturing method according to a comparative example of the present invention.
  • the joints were arc welded to form a weld metal.
  • the tow of the weld metal was then remelted by irradiating a nonfocus laser.
  • the power of the non-focus laser is 6kW
  • the laser head moving speed is 4m / min.
  • the length of the non-focus is 15mm
  • a welded joint was manufactured in the same manner as in Example 1. 7 is a photograph taken with a scanning electron microscope of the cross section of the welded joint according to the second embodiment. Preparation conditions and fatigue strength of the welded joints according to Example 2 were measured and shown in Table 1 below.
  • the welding joint is manufactured in the same manner as in Example 1 except that the power of the nonfocus laser is 6 kW, the laser head moving speed is 4 m / min., The length of the nonfocus is 10 mm, and the irradiation angle is 20 °. It was. 8 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint according to Comparative Example 1. Manufacturing conditions and fatigue strength of the welded joint according to Comparative Example 1 were measured and shown in Table 1 below.
  • the welding joint is manufactured in the same manner as in Example 1, except that the power of the nonfocus laser is 6 kW, the laser head moving speed is 2 m / min., The length of the nonfocus is 10 mm, and the irradiation angle is 20 °. It was. 9 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint according to Comparative Example 2. Preparation conditions and fatigue strength of the welded joint according to Comparative Example 2 were measured and shown in Table 1 below.
  • the welding joint is manufactured in the same manner as in Example 1, except that the power of the nonfocus laser is 6 kW, the laser head moving speed is 2 m / min., The length of the nonfocus is 15 mm, and the irradiation angle is 30 °. It was. 10 is a photograph taken with an optical microscope the cross section of the welded joint according to Comparative Example 3. Preparation conditions and fatigue strength of the welded joint according to Comparative Example 3 were measured and shown in Table 1 below.
  • the joint was TIG arc welded to form a weld metal, and then the tow of the weld metal was remelted with a TIG arc rather than a nonfocus laser, and the welding was finished.
  • Preparation conditions and fatigue strength of the welded joint according to Comparative Example 4 were measured and shown in Table 1 below.
  • Table 2 below is a table for explaining a method of measuring the fatigue strength of the welded joint according to the second embodiment.
  • Table 3 below is a table for explaining a method of measuring the fatigue strength of the welded joint according to Comparative Example 4.
  • the welded joint according to an embodiment of the present invention can secure a fatigue strength of 260MPa or more, and the range of application of high strength hot rolled sheet steel for thinning and weight reduction of parts such as automobile chassis members, etc. Can be increased.
  • Welding technology including a welded joint having excellent fatigue properties can be used in various fields, such as industrial sites, as the need for high strength steel and high burring steel continues to increase.

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Abstract

피로 특성이 우수한 용접이음부 및 이의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 피로 특성이 우수한 용접이음부는 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들 사이에 용접에 의해 형성되는 용접 금속 및 상기 용접 금속의 단부에 형성되며, 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 이상인 재용융부를 포함한다.

Description

피로 특성이 우수한 용접이음부 및 이의 제조 방법
본 발명은 용접이음부 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비초점 레이저를 조사하여 국부적으로 재용융 처리를 거친 피로 특성이 우수한 용접이음부 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 분야는 지구 온난화 문제 등 환경보호에 따른 연비규제 정책으로 차체 및 부품류의 경량화 기술 연구가 큰 이슈로 부상하고 있다. 자동차 주행 성능에 중요한 샤시 부품류 또한 이러한 기조에 따라 경량화를 위한 고강도 강재 적용이 필요한 실정이다. 부품 경량화 달성을 위해서는 소재의 고강도화가 필수적이며, 반복적인 피로 하중이 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, 용접 와이어의 용착에 의해 부품간 겹침이음 용접이 이루어지므로 용접이음부의 기하학적 형상 부여가 불가피하다. 이는 반복 피로응력 집중부(노치효과)로 작용하여 파단기점이 되어 결과적으로 부품의 내구성능 저하를 초래하므로 고강도 강재 적용의 이점이 상실되는 한계를 지닌다.
전술한 바와 같이 용접부의 피로 특성 향상을 위해서는 주로 응력집중부인 용접이음부 단부의 각도, 즉 토우부의 각도(toe angle)를 저감하는 것이 중요하며, 이와 더불어 토우부의 재질 및 응력을 제어하는 것이 중요한 요소라 할 수 있다.
선행문헌에서는 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 숏볼(shot ball) 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 있는 문제점이 있다.
(특허문헌 0001) 일본 공개특허공보 제2014-004609호 (2014.01.16. 공개)
본 발명의 실시예들은 피로 특성이 우수한 용접이음부를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 비초점 레이저를 조사하여 국부적으로 재용융 처리를 거쳐 피로 특성이 우수한 용접이음부의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피로 특성이 우수한 용접이음부는, 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들 사이에 용접에 의해 형성되는 용접 금속 및 상기 용접 금속의 단부에 형성되며, 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 이상인 재용융부를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재용융부는 상기 용접 금속의 단부가 비초점 레이저(defocused laser)를 조사하여 재용융되어 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재용융부의 표층은 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite) 조직을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 재용융부의 토우 각(toe angle, θ)은 30°이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접이음부의 피로 강도는 260MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접이음부의 피로 강도는 상기 강판들의 피로 강도의 70% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 제조 방법에 따르면, 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들 사이의 연결부를 용접하여 형성된 용접 금속의 단부를 비초점 레이저(defocused laser)를 조사하여 재용융시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비초점 레이저의 출력은 6kW이며, 이동속도는 4 내지 6m/min.일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비초점 레이저의 비초점의 길이는 15 내지 20mm일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비초점 레이저의 상기 비초점은 상기 용접 금속의 단부 및 상기 단부에 인접한 강판의 열영향부(heat affected zone, HAZ)의 일부를 커버할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비초점 레이저의 조사각은 30 내지 45°일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 피로 특성이 우수한 용접이음부는 용접 금속의 단부에 비초점 레이저를 조사하여 국부적으로 재용융 처리를 거쳐 용접 비드 단부의 곡률 반경을 증가시킴으로써 응력 집중을 완화시켜 용접이음부의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
또한, 비초점 레이저를 조사하여 재용융 처리함에 따라 용접 비드 단부의 표층을 국부적으로 경화시켜 용접이음부의 피로 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피로 특성이 향상된 용접이음부를 설명하기 위한 평면도이다.
도 2는 도 1의 용접이음부를 I-I'라인을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 비교예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
도 10은 본 발명의 비교예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피로 특성이 우수한 용접이음부는 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들 사이에 용접에 의해 형성되는 용접 금속; 및 상기 용접 금속의 단부에 형성되며, 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 이상인 재용융부를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예들 만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 피로 특성이 향상된 용접이음부를 설명하기 위한 평면도이다. 도 2는 도 1의 용접이음부를 I-I'라인을 따라 절단한 단면도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부의 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 이하 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부 및 이의 제조 방법을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피로 특성이 우수한 용접이음부는 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들(10) 사이에 용접에 의해 형성되는 용접 금속(20) 및 상기 용접 금속(20)의 단부에 형성되며, 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 이상인 재용융부(30)를 포함한다. 예를 들어, 상기 용접 금속(20)의 단부는 상기 강판(10)에 인접하는 상기 용접 금속(20)의 일 영역을 의미한다.
예를 들어, 상기 강판들(10)은 인장강도 780MPa 이상, 그리고 두께 6mmt 이하의 고강도 열연 박판 강재일 수 있다. 강재의 경량화를 위한 고강도 강재를 적용하기 위하여는 고강도 강재로 제조된 제품의 내구성을 확보하여야 한다.
자동차 샤시 부품 조립시 강도 확보를 위해 이용되는 아크 용접의 경우, 용접 와이어의 용착에 의해 부품간 겹침이음 용접이 이루어지므로 용접이음부의 기하학적 형상 부여가 불가피하며, 이는 반복 피로응력 집중부로 작용하여 파단기점이 되어 결과적으로 부품의 내구성능 저하를 초래한다.
용접부의 피로 특성 향상을 위해서는 주로 응력집중부인 용접이음부 단부의 각도, 즉 토우부의 각도(toe angle)를 저감하는 것이 중요하며, 이와 더불어 토우부의 재질 및 응력을 제어하는 것이 중요한 요소이다.
이와 같이, 토우부의 각도를 저감하고, 토우부의 재질 및 응력을 제어하기 위하여, 상기 재용융부(30)가 상기 용접 금속(20)의 단부에 형성된다.
상기 재용융부(30)는 상기 용접 금속(20)의 단부가 비초점 레이저(defocused laser)를 조사하여 재용융되어 형성된다.
이와 같이, 상기 용접 금속(20)의 단부, 즉 토우부가 비초점 레이저를 이용한 열처리를 통하여 재용융 될 수 있으며, 이에 따라, 상기 재용융부(30)의 토우 각(toe angle, θ)은 30°이하일 수 있다.
상기 재용융부(30)의 토우 각(θ)이 30°초과인 경우, 상기 재용융부(30)에 응력이 집중되며, 피로 강도 100MPa 이하로 감소하여 피로 수명이 단축되는 문제점이 있다.
상기 재용융부(30)의 토우 각을 감소시킴에 따라, 상기 재용융부(30)의 곡률 반경을 증가시킬 수 있다. 따라서, 반복 피로응력 집중부로 작용하는 상기 재용융부(30)의 곡률 반경을 증가시킬 수 있어 상기 재용융부(30)로의 응력의 집중을 완화시킬 수 있다.
예를 들어, 상기 재용융부(30)의 곡률 반경은 상기 용접 금속(20)의 곡률 반경보다 클 수 있다.
상기 용접 금속(20)의 단부를 비초점 레이저를 조사하는 열처리를 거침으로써, 상기 재용융부(30)의 표층 재질이 국부적으로 경화된다.
상기 용접 금속(20)의 단부가 재용융 되어 상기 재용융부(30)를 형성하는 경우, 재용융에 따라 강판 등에서 열영향부(HAZ)의 연화가 발생할 수 있다.
이에, 상기 비초점 레이저는 레이저가 조사되는 영역을 미세하게 제어할 수 있으며, 이에 따라, 다른 종류의 열원을 사용하는 경우 대비하여 재용융이 국부적으로 발생하며, 이에 따라 재용융에 따른 열영향부 연화를 최소화 할 수 있다.
상기 재용융부(30) 표층 재질이 경화됨에 따라, 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 이상일 수 있다.
여기서, 상기 재용융부(30)의 표층은 표면으로부터 800㎛ 이내 영역을 의미한다. 상기 재용융부(30) 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 미만인 경우, 반복 피로 응력에 의하여 용접이음부가 용이하게 파손되는 문제점이 있다.
도 5는 용접이음부의 경도 분포를 나타내는 그래프인데, 이를 참조하면, 상기 재용융부(30) 표층의 경도 값이 200Hv 이상을 가짐을 알 수 있다.
상기의 열처리를 거친 상기 재용융부(30)의 표층은 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite) 조직을 가진다. 예를 들어, 상기 재용융부(30)의 표면으로부터 800㎛ 이내 영역에서 베이나이트 또는 마르텐사이트 조직을 가질 수 있다.
이에 따라서, 상기 용접이음부의 피로 강도는 260MPa 이상일 수 있다.
예를 들어, 상기 용접이음부의 피로 강도는 상기 강판들의 피로 강도의 70% 이상일 수 있다. 즉, 상기 용접이음부의 피로 강도를 모재인 강판의 피로 강도에 최대한 유사한 수준으로 확보하여 자동차 샤시 부재 등과 같은 부품의 박물화 및 경량화를 위한 고강도 열연 박판 강재의 활용 범위를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부는 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들(10) 사이의 연결부를 용접하여 형성된 용접 금속(20)의 단부를 비초점 레이저(defocused laser)를 조사하여 재용융시키는 단계를 거쳐 제조된다.
상기 비초점 레이저(1)는 상기 용접 금속(20)의 단부에 레이저를 조사한다.
예를 들어, 상기 비초점 레이저(1)는 CO2 고체 레이저일 수 있다.
이때, 상기 비초점 레이저(1)의 출력은 이에 한정되는 것은 아니나, 예를 들어, 6kW일 수 있다.
예를 들어, 상기 비초점 레이저(1)의 헤드 이동속도는 4 내지 6m/min. 일 수 있다.
상기 비초점 레이저(1)의 헤드 이동속도가 4m/min. 미만인 경우, 상기 용접 금속(20)의 단부, 즉, 상기 재용융부(30) 표층 재질의 경화가 잘 일어나지 않는 문제점이 있다. 상기 비초점 레이저(1)의 헤드 이동속도가 6m/min. 초과인 경우, 상기 용접 금속(20)의 단부에서 재용융을 위한 충분한 용융량을 확보하지 못하여 본 발명에서 목적하는 상기 재용융부(30)의 토우 각을 확보할 수 없다.
예를 들어, 상기 비초점 레이저의 비초점의 길이(L)는 15 내지 20mm 일 수 있다.
예를 들어, 상기 비초점 레이저의 상기 비초점은 상기 용접 금속의 단부 및 상기 단부에 인접한 강판의 열영향부(heat affected zone, HAZ)의 일부를 커버할 수 있다.
상기 비초점 레이저의 비초점의 길이(L)가 15mm 미만인 경우, 상기 비초점 레이저가 상기 용접 금속(20)의 단부와 용접에 따른 상기 강판(10)의 열영향부(heat affected zone, HAZ)를 포함하여 재용융 할 수 없는 문제점이 있다. 상기 비초점 레이저의 비초점의 길이(L)가 20mm 초과인 경우, 재용융을 위한 입열량이 부족한 문제점이 있다.
예를 들어, 상기 비초점 레이저의 조사각은 30 내지 45° 일 수 있다.
상기 비초점 레이저의 조사각이 30° 미만인 경우, 상기 용접 금속(20)의 단부에서 재용융을 위한 충분한 용융량을 확보하지 못하여 본 발명에서 목적하는 상기 재용융부(30)의 토우 각을 확보할 수 없다. 상기 비초점 레이저의 조사각이 45° 초과인 경우, 겹침 이음부의 하부 강판(10A) 측에서 충분한 용융량을 확보하지 못하여 표층 재질의 경화가 잘 일어나지 않는 문제점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 도 8은 본 발명의 비교예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 도 9는 본 발명의 비교예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 도 10은 본 발명의 비교예에 따른 용접이음부 제조 방법에 의한 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다.
이하, 도 6 내지 도 10 및 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
실시예 1
PO780HB 강판을 겹치도록 배치한 후, 연결부를 아크 용접하여 용접 금속을 형성하였다. 이후 용접 금속의 토우부를 비초첨 레이저를 조사하여 재용융시켰다. 이때, 비초점 레이저의 출력은 6kW, 레이저 헤드 이동속도는 4m/min., 비초점의 길이는 15mm, 조사각은 30°로 수행하였다. 도 6은 상기 실시예 1에 따른 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 실시예 1에 따른 용접이음부의 제조 조건 및 피로강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 2
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 용접이음부를 제조하였다. 도 7은 상기 실시예 2에 따른 용접이음부의 단면을 주사전자현미경으로 촬영한 사진이다. 실시예 2에 따른 용접이음부의 제조 조건 및 피로강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
비초점 레이저의 출력은 6kW, 레이저 헤드 이동속도는 4m/min., 비초점의 길이는 10mm, 조사각은 20°로 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 용접이음부를 제조하였다. 도 8은 상기 비교예 1에 따른 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 비교예 1에 따른 용접이음부의 제조 조건 및 피로강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
비초점 레이저의 출력은 6kW, 레이저 헤드 이동속도는 2m/min., 비초점의 길이는 10mm, 조사각은 20°로 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 용접이음부를 제조하였다. 도 9은 상기 비교예 2에 따른 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 비교예 2에 따른 용접이음부의 제조 조건 및 피로강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 3
비초점 레이저의 출력은 6kW, 레이저 헤드 이동속도는 2m/min., 비초점의 길이는 15mm, 조사각은 30°로 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 용접이음부를 제조하였다. 도 10는 상기 비교예 3에 따른 용접이음부의 단면을 광학현미경으로 촬영한 사진이다. 비교예 3에 따른 용접이음부의 제조 조건 및 피로강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 4
PO780HB 강판을 겹치도록 배치한 후, 연결부를 TIG 아크 용접하여 용접 금속을 형성한 후, 이후 용접 금속의 토우부를 비초점 레이저가 아닌, TIG 아크로 재용융시킨 후, 용접을 종료하였다. 비교예 4에 따른 용접이음부의 제조 조건 및 피로강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
레이저 출력(kW) 이동속도(m/min.) 비초점 길이(mm) 조사각(°) 피로강도(MPa)
실시예 1 6 4 15 30 267
실시예 2 6 4 15 30 273
비교예 1 6 4 10 20 252
비교예 2 6 2 10 20 측정불가
비교예 3 6 2 15 30 측정불가
비교예 4 - - - - 217
하기 표 2는 상기 실시예 2에 따른 용접이음부의 피로 강도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 표이다.
최대 하중(kN) 최대강도(MPa) 반복종료횟수(cycle) 파단 여부
실험 1 25.0 268 2,000,000 미파단
실험 2 25.5 273 2,000,000 미파단(피로 강도)
실험 3 26.0 277 92,586 파단
상기 표 2를 참조하면, 최대 하중 25.5kN에서 2,000,000 cycle 반복에도 용접이음부의 파단이 발생하지 않았으며, 이때의 최대 강도는 273MPa이며, 최대 하중을 0.5kN 증가시켜, 최대 하중 26.0kN에서 92,586 cycle에서 용접이음부의 파단이 발생하였으며, 이때의 최대 강도는 277MPa이다. 따라서, 실시예 2의 용접이음부의 피로 강도는 273MPa 임을 알 수 있었다.
하기 표 3는 상기 비교예 4에 따른 용접이음부의 피로 강도를 측정하는 방법을 설명하기 위한 표이다.
최대 하중(kN) 최대강도(MPa) 반복종료횟수(cycle) 파단 여부
실험 2-1 20.0 217 2,000,000 미파단(피로 강도)
실험 2-2 20.5 219 1,227,207 파단
실험 2-3 21.0 224 756,193 파단
상기 표 3을 참조하면, 최대 하중 20.0kN에서 2,000,000 cycle 반복에도 용접이음부의 파단이 발생하지 않았으며, 이때의 최대 강도는 217MPa이다. 따라서, 비교예 4의 용접이음부의 피로 강도는 217MPa 임을 알 수 있었다.
상기의 내용을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접이음부는 260MPa 이상의 피로 강도를 확보할 수 있어, 자동차 샤시 부재 등과 같은 부품의 박물화 및 경량화를 위한 고강도 열연 박판 강재의 활용 범위를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 피로 특성이 우수한 용접이음부를 포함하는 용접 기술은 고강도강 및 고버링강 니즈가 지속적으로 증가함에 따라 산업 현장 등 다양한 분야에서 이용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들 사이에 용접에 의해 형성되는 용접 금속; 및
    상기 용접 금속의 단부에 형성되며, 표층의 비커스 경도 값이 200Hv 이상인 재용융부를 포함하는 피로 특성이 우수한 용접이음부.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재용융부는 상기 용접 금속의 단부가 비초점 레이저(defocused laser)를 조사하여 재용융되어 형성된 피로 특성이 우수한 용접이음부.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재용융부의 표층은 베이나이트(bainite) 또는 마르텐사이트(martensite) 조직을 가지는 피로 특성이 우수한 용접이음부.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재용융부의 토우 각(toe angle, θ)은 30°이하인 피로 특성이 우수한 용접이음부.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용접이음부의 피로 강도는 260MPa 이상인 피로 특성이 우수한 용접이음부.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용접이음부의 피로 강도는 상기 강판들의 피로 강도의 70% 이상인 피로 특성이 우수한 용접이음부.
  7. 연결부가 겹치도록 배치되는 복수의 강판들 사이의 연결부를 용접하여 형성된 용접 금속의 단부를 비초점 레이저(defocused laser)를 조사하여 재용융시키는 단계를 포함하는 용접이음부의 제조 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 비초점 레이저의 출력은 6kW이며, 이동속도는 4 내지 6m/min.인 용접이음부의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 비초점 레이저의 비초점의 길이는 15 내지 20mm인 용접이음부의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 비초점 레이저의 상기 비초점은 상기 용접 금속의 단부 및 상기 단부에 인접한 강판의 열영향부(heat affected zone, HAZ)의 일부를 커버하는 용접이음부의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 비초점 레이저의 조사각은 30 내지 45°인 용접이음부의 제조 방법.
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