WO2019245063A1 - 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a plated steel sheet welding member and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a plated steel sheet welding member and a method for producing the same excellent weld resistance porosity and fatigue properties.
  • 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 guaranteeing 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
  • Prior art 1 proposes to set the gap of overlapping joint to 0.2 ⁇ 1.5mm in order to suppress the occurrence of pore defects in the arc welded part of galvanized steel sheet. There is a limit that cannot be guaranteed.
  • Patent Document 0001 Japanese Patent Laid-Open No. 2016-101593
  • Patent Document 0002 Japanese Patent Laid-Open No. 2015-167981
  • Embodiments of the present invention are to provide a plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue properties.
  • embodiments of the present invention is to provide a method for manufacturing a plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue properties.
  • the plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue characteristics includes a weld metal formed by overlapping arc welding of a first member and a second member laminated so that a part of the first member overlaps the first member. And a toe angle ( ⁇ ) of the weld metal portion is 45 degrees or less, and the first member and the second member are plated steel sheets.
  • the plated steel sheet may be a Zn-Mg-Al-based alloy plating or galvanized hot rolled steel sheet.
  • the hot rolled steel sheet may have a tensile strength of 590 MPa or more and a thickness of 6 mm or less.
  • the hot rolled steel sheet may be 590FB steel.
  • the pore area ratio formed in the weld metal portion may be less than 0.5%.
  • a method of manufacturing a plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue characteristics may include: overlapping arc welding of a first member and a second member laminated so as to partially overlap on the first member. And forming a weld metal part, wherein the first member and the second member are plated steel sheets, and in the arc welding, a welding current is supplied to a solid wire to generate an arc, and the welding current is first.
  • the pulsed current is repeated by applying a peak and a second peak having a current value smaller than the first peak at one pulse period, and the weld molten metal stirring wave frequency defined by Equation (1) is repeated at 20 to 30 Hz. Perform.
  • T H is the period of the first peak
  • T L is the period of the second peak
  • the solid wire may be fed into the shield gas which is Ar gas containing 10 to 30% of CO 2 gas.
  • the welding current may be 200 to 300A.
  • the solid wire diameter 1.0 to 1.2 mm
  • torch angle 30 to 45 °
  • push angle 0 to 25 °
  • welding speed 0.6 to 1.0 m / min
  • the first member and the second member may be a Zn-Mg-Al-based alloy plating or galvanized hot rolled steel sheet.
  • the hot rolled steel sheet may have a tensile strength of 590 MPa or more and a thickness of 6 mm or less.
  • a plated steel sheet welding member having excellent weld porosity and fatigue characteristics In the manufacture of a plated steel sheet welding member having excellent weld porosity and fatigue characteristics according to embodiments of the present invention, it is possible to effectively reduce the weld metal portion pore defects by optimizing the wave frequency of the welding current and to control the toe angle of the weld metal portion.
  • the fatigue stress concentration in the welding tow can be reduced. Therefore, in order to secure the high strength of the parts, such as automobile chassis member, anti-rusting according to the thinning, it is possible to use a high corrosion-resistant plated steel sheet, it is possible to obtain a plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue characteristics.
  • FIG. 1 is a photograph of a cross section of a plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue characteristics according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a photograph of the appearance of the welding portion according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a X-ray photograph of the appearance of the weld portion according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a photograph showing the tensile fracture test results of the plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic view for explaining a weld metal part of a plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph for explaining a molten metal stirring wave frequency during arc welding of a plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • the plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue characteristics includes a weld metal formed by overlapping arc welding of a first member and a second member laminated so that a part of the first member overlaps the first member. And a toe angle ( ⁇ ) of the weld metal portion is 45 degrees or less, and the first member and the second member are plated steel sheets.
  • FIG. 1 is a photograph of a cross section of a plated steel sheet welding member having excellent weld resistance porosity and fatigue characteristics according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a photograph of the appearance of the welding portion according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a X-ray photograph of the appearance of the weld portion according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a photograph showing the tensile fracture test results of the plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • 5 is a schematic view for explaining a weld metal part of a plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • a second layer may be partially stacked on the first member and the first member.
  • the welded metal portion is formed through overlapping arc welding of the member.
  • the toe angle ⁇ of the weld metal part is 45 ° or less.
  • Methods for increasing the fatigue characteristics of the welding member can be largely divided into a method using the residual stress and a method of controlling the bead shape.
  • the object of the present invention is to improve the fatigue characteristics of the welding member by controlling the bead shape.
  • the toe angle of the weld metal part is 45 ° or less (excluding 0 °), more preferably. Is one technical feature of controlling to 35 ° or less (excluding 0 °), even more preferably 30 ° or less (excluding 0 °).
  • the toe angle is defined as a weld toe
  • the contact point where the boundary between the first member and the second member meets the weld metal part in a cross section perpendicular to the welding line is defined as a weld toe.
  • an angle formed between the boundary line of the second member and the tangent of the bead curvature portion closest to the weld tow of the weld metal portion is defined as a weld toe.
  • the tow angle By forming the tow angle to 45 ° or less, stress concentrated on the weld metal portion can be alleviated, thereby improving fatigue characteristics of the welding member.
  • the fatigue properties of the welded part can be improved only by controlling the toe angle of the welded metal part.
  • the penetration depth of the weld metal part may be controlled to 20% or more relative to the thickness of the second member. More preferably, the penetration depth of the weld metal portion may be controlled to 45% or more relative to the thickness of the second member. If the penetration depth of the weld metal portion is insufficient, the weld metal portion may break due to the repeated fatigue load starting from the bead root.
  • first member and the second member is a plated steel sheet.
  • the plated steel sheet may be a Zn-Mg-Al-based alloy plating or galvanized hot rolled steel sheet. More preferably, the plated steel sheet may be a Zn-Mg-Al-based alloy plated hot rolled steel sheet having better corrosion resistance than galvanized hot rolled steel sheet.
  • the hot rolled steel sheet may have a tensile strength of 590 MPa or more and a thickness of 6 mm or less, and the hot rolled steel sheet may be a 590FB steel having a microstructure including ferrite and bainite.
  • the pore area ratio formed in the weld metal part may be less than 0.5%.
  • the Zn-Mg-Al-based high corrosion-resistant alloy plated steel sheet having excellent corrosion resistance compared to the existing galvanized steel sheet has a much lower melting point and vaporization point of ternary alloy plating, resulting in higher generation of plated vapor. There is a problem that the incidence is higher.
  • the pore area ratio formed in the weld metal portion may be limited to less than 0.5%, preferably 0%.
  • the fatigue strength (or fatigue limit) is defined as a value obtained by dividing the maximum fatigue load value at which the fatigue life is 2,000,000 cycles or more divided by the cross-sectional area of the member.
  • the welding line means an end portion of the second member among regions where the first member and the second member overlap.
  • the overlap width of the weld joint may be applied to about 5 to 50 mm, but is not limited thereto.
  • the arc welding is performed while providing a shield gas along the formed welding line, and during arc welding, an arc is generated by supplying a welding current to the solid wire to weld the arc.
  • the solid wire may be fed into a shield gas, which is an Ar gas containing 10 to 30% of CO 2 gas. More preferably, the shield gas may be an Ar gas containing 10 to 20% of CO 2 gas.
  • the shield gas is an Ar gas, and contains 10 to 30% of CO 2 gas, when containing less than 10% of CO 2 gas, the arc heat pinch force effect by arc expansion is reduced, thereby reducing the plating vapor discharge effect. If it contains more than 30% of the CO 2 gas, the arc heat pinch force effect by the arc shrinkage is excessive, and the plating vapor discharge effect is reduced.
  • the first member and the second member to be welded is a plated steel sheet
  • a zinc-plated layer having a low boiling point becomes an arc of zinc due to arc heat during arc welding, which rises to the top of the molten portion. Most of this is released, but some remain in the melt to form blowholes, spherical cavities during solidification, and pits, small pits, when zinc gas solidifies near the base metal surface.
  • an Ar gas containing a predetermined amount of CO 2 gas as the shielding gas the arc force generated between the solid wire and the base material during the gas shield arc welding is increased, so that the weld directly under the solid wire is largely dug up.
  • the solid wire may be used.
  • ER70S-3 (KC-25M) ⁇ 1.2 soild wire may be used, but is not particularly limited thereto.
  • the welding current is a pulse current which is repeated with one pulse period of energization of a first peak and a second peak having a current value smaller than the first peak.
  • the pulsed current is repeatedly supplied with a weld molten metal stirring wave frequency defined by the following equation (1) at 20 to 30 Hz to perform welding.
  • T H is the period of the first peak
  • T L is the period of the second peak
  • FIG. 6 is a graph for explaining a molten metal stirring wave frequency during arc welding of a plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • the weld molten metal stirring wave frequency is defined as 1 / (T H + T L ) as shown in FIG. 6. Accordingly, the frequency is repeatedly supplied in the range of 20 to 30 Hz. If the frequency range thereof is too low or too high, there is a problem in that the reduction of the pore defect is difficult due to the effect of reducing the plating vapor discharge.
  • the welding current may range from 200 to 300A.
  • the lower limit of the welding current may be 225 A or more, and the upper limit may be 270 A or less. If the current is too low, the plating vapor discharge effect is reduced by reducing the arc force, on the contrary, if the current is too high, there is a problem that the incidence rate of pore defects increases because the molten weld metal part is unstable.
  • the arc welding may be performed at a solid wire diameter of 1.0 to 1.2 mm, torch angle of 30 to 45 °, push angle of 0 to 25 °, and welding speed of 0.6 to 1.0 m / min.
  • the gap of the welded joint is applied to 0mm, but is not particularly limited thereto.
  • first member and the second member is a plated steel sheet
  • the plated steel sheet is a Zn-Mg-Al-based alloy plating or galvanized hot rolled steel sheet
  • the hot rolled steel sheet may have a tensile strength of 590MPa or more and 6mm or less in thickness. .
  • Detailed descriptions of the first member and the second member are the same as described above and will be omitted below.
  • Example 1 Ar + 20% CO 2 KC-25M ⁇ 1.2 200 A, 60 cm / min 30
  • Example 2 Ar + 20% CO 2 KC-25M ⁇ 1.2 225A, 60cm / min 30
  • Example 3 Ar + 20% CO 2 KC-25M ⁇ 1.2 225A, 80cm / min 30
  • Example 4 Ar + 20% CO 2 KC-25M ⁇ 1.2 225A, 100cm / min 30
  • Comparative Example 1 Ar + 30% CO 2 MIX-Zn ⁇ 1.0 200 A, 80 cm / min 20 Comparative Example 2 Ar + 30% CO 2 MIX-Zn ⁇ 1.0 220A, 80cm / min 20 Comparative Example 3
  • Comparative Example 4 Ar + 20% CO 2 KC-25M ⁇ 1.2 300 A, 100 cm / min 0
  • Comparative Example 5 Ar + 20% CO 2 KC-25M ⁇ 1.2 200 A, 60 cm / min 20 Comparative Example 6 Ar + 20% CO 2
  • the weld metal part of the said welding member was observed, the presence or absence of a pit generation, and the pore area ratio were measured, and it is shown in following Table 2.
  • FIG. 5 is a schematic view for explaining a weld metal part of a plated steel sheet welding member according to an embodiment of the present invention.
  • the width of the weld metal portion that is, the weld leg length is represented by L
  • the thickness of the second member is represented by h1
  • the upper surface edge of the second member to the toe portion on the first member D is the distance from the straight line of the first and second members to the contact point of the weld metal part
  • d is the distance from the highest surface of the weld metal part to r
  • penetration depth is represented by p
  • the toe angle is represented by ⁇ . It was. Accordingly, the results of observing the size and the like of the weld metal part of the embodiments of the present invention are shown in Table 3 below.
  • Example 1 2.2 6.0 1.8 1.6 1.2 38
  • Example 2 2.2 6.2 1.8 1.6 1.4 33
  • Example 3 2.2 5.9 1.8 1.7 2.1 30
  • Example 4 2.2 4.8 1.4 1.7
  • Example 1 2.2 6.0 1.8 1.6 1.2
  • Example 2 2.2 6.2 1.8 1.6 1.4
  • Example 3 2.2 5.9 1.8 1.7 2.1 30
  • Example 4 2.2 4.8 1.4 1.7
  • the tow angle of the welded metal part of the welding member according to an embodiment of the present invention can be ensured to 45 ° or less, and the pit and pores do not occur in the welded metal portion, Its porosity is improved, the welded metal portion can secure a fatigue strength of 250MPa or more, it is possible to increase the application range of high-strength plated hot-rolled sheet steel for thinning and lightweighting parts such as automobile chassis member.
  • the plated steel sheet welding member having excellent porosity resistance and fatigue properties of the welded part and a method of manufacturing the same according to embodiments of the present invention may be applied to parts such as an automobile chassis member.

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Abstract

용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재 및 이의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재는 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 형성된 용접 금속부를 포함하며, 상기 용접 금속부의 토우 각(toe angle, θ)은 45° 이하이며, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이다.

Description

용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재 및 이의 제조 방법
본 발명은 도금강판 용접부재 및 이의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재 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 부품의내구성능 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 용접 이음부의 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.
또한, 전술한 바와 같이 부품류의 고강도 및 경량화 기조로 인한 소재의 박물화로 관통 부식 방지를 위한 방청성에 대한 요구가 증가하여 도금강재의 채용이 증가하고 있는 추세이나, 아크용접 시 피트 또는 블로우홀과 같은 기공결함 발생이 민감하여 용접부의 강도 및 피로특성을 저하시키는 문제점이 있다.
한편, 기존의 용융아연도금 강판 보다 내식성이 월등히 우수한 Zn-Mg-Al계 고내식 합금도금강 적용이 제안되고 있으나, 3원계 합금도금의 융점 및 기화점이 기존 아연도금 대비 낮아, 도금 증기 발생이 보다 민감하므로 용접부의 기공결함 발생을 억제하는 기술 개발이 필요한 실정이다.
선행문헌1에서는 아연도금강판 아크용접부의 기공결함 발생 억제를 위해 겹침이음부의 간극을 0.2~1.5mm 범위로 설정하는 것을 제안하고 있으나, 실제 부품 적용시 간극이 없는 이음부 구조에 대한 용접 특성을 보증할 수 없는 한계가 있다.
또한, 선행문헌2에서는 아연도금강판 아크용접부의 기공결함 발생 억제를 위해 Ar에 CO2와 O2를 혼합한 3종 혼합 가스와 Si 및 Mn 등의 함량을 제한한 저점성 솔리드 와이어를 적용하는 것과, 이와 더불어 아크위치를 용접 겹침이음부 선단에서 1mm 띄우는 것을 제안하고 있으나, 보호가스와 용접재료의 제한이 불가피하고, 실 부품 적용시 아크위치를 일정하게 유지해야 하는 부담이 있다.
(특허문헌 0001) 일본 특허공개공보 제2016-101593호
(특허문헌 0002) 일본 특허공개공보 제2015-167981호
본 발명의 실시예들은 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예들은 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재는, 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 형성된 용접 금속부를 포함하며, 상기 용접 금속부의 토우 각(toe angle, θ)은 45°이하이며, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도금강판은 Zn-Mg-Al계 합금 도금 또는 아연 도금된 열연강판일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연강판은 인장강도 590MPa 이상 및 두께 6mm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연강판은 590FB 강일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접 금속부에 형성된 기공 면적율은 0.5% 미만일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접 금속부의 피로 강도는 250MPa 이상이며, 반복 피로하중 10kN(최소/최대 하중비, R=0.1)에서 피로 수명 2,000,000 cycles 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법은, 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 용접 금속부를 형성하는 단계를 포함하며, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이며, 상기 아크 용접시, 솔리드 와이어에 용접 전류를 공급하여 아크를 발생시켜 용접하되, 상기 용접 전류는 제1 피크 및 상기 제1 피크보다 작은 전류값을 가지는 제2 피크의 통전을 1 펄스 주기로 하여 반복되는 펄스 전류로서, 하기 식 (1)로 정의되는 용접 용융금속 교반 웨이브 주파수가 20 내지 30 Hz로 반복하여 수행한다.
1/(TH+TL) --- 식 (1)
여기서, TH는 상기 제1 피크의 기간, TL는 상기 제2 피크의 기간이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 솔리드 와이어를 10 내지 30%의 CO2 가스를 포함하는 Ar 가스인 실드 가스 중으로 송급할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접 전류는 200 내지 300A 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아크 용접시, 솔리드 와이어 직경: 1.0 내지 1.2mm, 토치각: 30 내지 45°, 푸쉬각: 0 내지 25°, 용접 속도: 0.6 내지 1.0m/min.로 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 Zn-Mg-Al계 합금 도금 또는 아연 도금된 열연강판일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열연강판은 인장강도 590MPa 이상 및 두께 6mm 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조시 용접 전류의 웨이브 주파수 최적화를 통하여 용접 금속부 기공결함을 효과적으로 저감할 수 있으며, 용접 금속부의 토우 각을 제어하여 용접 토우에의 피로응력 집중을 저감할 수 있다. 따라서, 자동차 샤시 부재 등과 같은 부품류의 고강도, 박물화에 따른 방청성 등을 확보하기 위하여 고내식 도금강판을 사용할 수 있으며 이에 따라 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 단면을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 외관을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 외관을 X-선 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 인장 파단 시험 결과를 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 용접 금속부를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 아크 용접시 용융 금속 교반 웨이프 주파수를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재는, 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 형성된 용접 금속부를 포함하며, 상기 용접 금속부의 토우 각(toe angle, θ)은 45°이하이며, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예들 만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 단면을 촬영한 사진이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 외관을 촬영한 사진이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부의 외관을 X-선 촬영한 사진이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 인장 파단 시험 결과를 나타내는 사진이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 용접 금속부를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재에 따르면, 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 형성된 용접 금속부를 포함한다.
이때에, 상기 용접 금속부의 토우 각(toe angle, θ)은 45°이하이다.
용접부재의 피로 특성을 증대하는 방법은 크게 잔류 응력을 이용하는 방법과 비드 형상을 제어하는 방법으로 나눌 수 있다.
본 발명의 경우, 비드 형상의 제어를 통해 용접부재의 피로 특성을 향상시키는 것을 그 목적으로 하며, 이를 위해 용접 금속부의 토우 각(toe angle)을 45° 이하(0° 제외)로, 보다 바람직하게는 35° 이하(0° 제외)로, 보다 더 바람직하게는 30° 이하(0° 제외)로 제어하는 것을 하나의 기술적 특징으로 한다.
이때, 토우 각이란, 용접 라인에 수직한 단면에서 제1 부재 및 제2 부재의 경계선과 용접 금속부가 만나는 접점을 용접 토우(weld toe)라고 정의할 때, 상기 용접 토우를 기준점으로 하여 제1 부재 및 제2 부재의 경계선과 상기 용접 금속부의 용접 토우에 가장 인접한 비드 곡률부의 접선이 이루는 각을 의미한다.
상기 토우 각을 45°이하로 형성함으로써, 용접 금속부에 집중되는 응력을 완화할 수 있으며, 이에 따라 용접부재의 피로 특성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 용접 금속부의 토우각를 제어하는 것만으로도 용접부 피로 특성을 향상시킬 수 있으나, 그 효과를 보다 극대화하기 위해서는 용접 금속부의 용입 깊이를 적절히 제어하는 것이 보다 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용접 금속부의 용입 깊이를 제2 부재의 두께 대비 20% 이상으로 제어할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 용접 금속부의 용입 깊이를 제2 부재의 두께 대비 45% 이상으로 제어할 수 있다. 만약, 용접금속부의 용입 깊이가 부족할 경우, 반복 피로 하중에 의해 비드루트를 기점으로 용접금속부의 파단이 발생할 우려가 있기 때문이다.
또한, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이다.
따라서, 일반 열연강판 대신 도금강판을 사용함으로써, 최근 부품류의 고강도 및 경량화 기조로 인한 소재의 박물화로 관통 부식 방지를 위한 방청성을 확보할 수 있다.
예를 들어, 상기 도금강판은 Zn-Mg-Al계 합금 도금 또는 아연 도금된 열연강판일 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 도금강판은 아연 도금된 열연강판보다 내식성이 보다 우수한 Zn-Mg-Al계 합금 도금 된 열연강판일 수 있다.
예를 들어, 상기 열연강판은 인장강도 590MPa 이상 및 두께 6mm 이하일 수 있으며, 상기 열연강판은 미세조직이 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 590FB 강일 수 있다.
예를 들어, 상기 용접 금속부에 형성된 기공 면적율은 0.5% 미만일 수 있다.
기존의 아크 용접 방식에 따라 도금강판 용접부재를 용접하는 경우, 도금층이 용접 아크와 접촉시 도금 증기의 발생에 의하여 피트 또는 블로우홀과 같은 기공결함이 다량으로 발생하여 용접부의 강도 및 피로특성을 저하시키는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 기존의 아연도금강판에 비하여 내식성이 월등이 우수한 Zn-Mg-Al계 고내식 합금도금강판의 경우 3원계 합금도금의 융점 및 기화점이 훨씬 낮아 도금 증기의 발생량이 보다 많으며, 이에 기공 결함 발생률이 더욱 높은 문제점이 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 아크 용접을 포함하는 제조 방법에 따르면 이와 같은 문제를 최소화하여 기존의 아연도금강판 뿐만 아니라 Zn-Mg-Al계 고내식 합금도금강판을 사용하는 경우에도, 상기 용접 금속부에 형성된 기공 면적율은 0.5% 미만으로, 바람직하게는 0%로 제한할 수 있다.
예를 들어, 상기 용접 금속부의 피로 강도는 250MPa 이상이며, 반복 피로하중 10kN(최소/최대 하중비, R=0.1)에서 피로 수명 2,000,000 cycles 이상을 확보할 수 있어, 용접부 피로 특성이 우수함을 알 수 있다. 이때, 상기 피로 강도(또는 피로 한도, fatigue limit)란, 피로 수명이 2,000,000cycles 이상이 되는 최대 피로 하중치를 부재의 단면적으로 나눈 값으로 정의된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법에 따르면, 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 용접 금속부를 형성하는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재를 준비한 후, 상기 제1 부재 상에 상기 제2 부재를 적어도 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인(welding line)을 형성한다. 여기서, 용접라인이란 상기 제1 부재와 상기 제2 부재가 겹쳐져 있는 영역 중 상기 제2 부재의 끝단부를 의미한다.
용접 이음부의 겹침 폭은 약 5 내지 50mm 정도로 적용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 형성된 용접라인을 따라 실드 가스를 제공하면서 상기 아크 용접을 진행하며, 상기 아크 용접시, 솔리드 와이어에 용접 전류를 공급하여 아크를 발생시켜 용접한다.
예를 들어, 상기 솔리드 와이어를 10 내지 30%의 CO2 가스를 포함하는 Ar 가스인 실드 가스 중으로 송급할 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 실드 가스는 10 내지 20%의 CO2 가스를 포함하는 Ar 가스일 수 있다.
즉, 실드 가스는 Ar 가스로서, 10 내지 30%의 CO2 가스를 포함하는데, CO2 가스를 10% 미만으로 포함하는 경우 아크 확대에 의한 아크 열 핀치력 효과가 감소하여, 도금 증기 배출 효과를 떨어뜨리게 되며, CO2 가스를 30% 초과로 포함하는 경우 아크 수축에 의한 아크 열 핀치력 효과가 과도하여, 도금 증기 배출 효과를 떨어뜨리게 된다.
용접의 대상이 되는 제1 부재 및 제2 부재가 도금강판인 경우, 예를 들어, 아연도금강판인 경우 아크 용접시 아크 열에 의해 비점이 낮은 아연도금층이 아연 가스가 되어 용융부의 상부로 부상하는데, 이의 대부분이 방출되나 일부가 용융부에 잔류하여 응고시 구상의 공동인 블로우홀이 형성되며, 아연 가스가 모재 표면 부근에서 응고시 작은 구덩이인 피트가 형성된다. 예를 들어, 실드 가스로서 소정량의 CO2 가스를 포함하는 Ar 가스를 이용하는 것에 의해, 가스 실드 아크 용접 시 솔리드 와이어와 모재 사이에 발생하는 아크력을 크게 하여, 솔리드 와이어 직하의 용접부를 크게 파내려 갈 수 있다. 이에 따라, 용융부 하부에서 발생하는 아연 가스의 방출을 용이하게 할 수 있으며, 가스 실드 아크 용접 시에 있어서, 용접 금속부의 용입 깊이를 보다 증가시킬 수 있으며, 최종적으로, 용접부 피로 특성 개선 및 기공 결함의 발생을 억제할 수 있다.
용접재료로써 상기 솔리드 와이어를 사용할 수 있으며, 예를 들어, ER70S-3 (KC-25M) Φ1.2 soild wire를 적용할 수 있으나, 이에 특별히 한정되지는 않는다.
예를 들어, 상기 용접 전류는 제1 피크 및 상기 제1 피크보다 작은 전류값을 가지는 제2 피크의 통전을 1 펄스 주기로 하여 반복되는 펄스 전류이다.
상기 펄스 전류는, 하기 식 (1)로 정의되는 용접 용융금속 교반 웨이브 주파수가 20 내지 30 Hz로 반복하여 공급되어 용접을 수행한다.
1/(TH+TL) --- 식 (1)
여기서, TH는 상기 제1 피크의 기간, TL는 상기 제2 피크의 기간이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 아크 용접 시 용융금속 교반 웨이프 주파수를 설명하기 위한 그래프이다.
용접 용융금속 교반 웨이브 주파수는 도 6에 나타낸 바와 같이 1/(TH+TL)로 정의된다. 이에 따른 주파수는 20 내지 30Hz의 범위로 반복하여 펄스 전류가 공급된다. 이의 주파수 범위가 너무 낮거나 높을 경우, 도금 증기 배출 효과가 감소하여 기공결함 저감이 어려운 문제점이 있다.
예를 들어, 상기 용접 전류는 200 내지 300A의 범위일 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 용접 전류의 하한은 225A 이상일 수 있으며, 상한은 270A 이하일 수 있다. 전류가 너무 낮을 경우, 아크력 감소로 도금 증기 배출 효과가 떨어지고, 반대로 전류가 너무 높을 경우, 용융 용접금속부가 불안정하여 기공결함의 발생률이 증가하는 문제점이 있다.
예를 들어, 상기 아크 용접시, 솔리드 와이어 직경: 1.0 내지 1.2mm, 토치각: 30 내지 45°, 푸쉬각: 0 내지 25°, 용접 속도: 0.6 내지 1.0m/min.로 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 용접 이음부의 간극은 0mm를 적용하였으나, 이에 특별히 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이며, 상기 도금강판은 Zn-Mg-Al계 합금 도금 또는 아연 도금된 열연강판이며, 상기 열연강판은 인장강도 590MPa 이상 및 두께 6mm 이하일 수 있다. 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재에 관한 상세한 설명은 상술한 바와 같으므로 이하 생략한다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 6
강판 양면에 90g/m2의 도금량으로 Zn-Mg-Al 도금된 2.2mm 두께의 590FB 강판2개를 20mm가 서로 겹쳐치도록 배치한 후, 연결부를 하기 표 1의 조건에 따라 아크 용접하여 용접 금속을 형성하여 용접부재를 제조하였다.
실드 가스 용접 재료 용접 조건 용접 펄스 전류 주파수(Hz)
실시예 1 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 200A, 60cm/min 30
실시예 2 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 225A, 60cm/min 30
실시예 3 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 225A, 80cm/min 30
실시예 4 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 225A, 100cm/min 30
비교예 1 Ar+30%CO2 MIX-ZnΦ1.0 200A, 80cm/min 20
비교예 2 Ar+30%CO2 MIX-ZnΦ1.0 220A, 80cm/min 20
비교예 3 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 200A, 100cm/min 0
비교예 4 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 300A, 100cm/min 0
비교예 5 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 200A, 60cm/min 20
비교예 6 Ar+20%CO2 KC-25MΦ1.2 250A, 80cm/min 20
상기 용접 부재의 용접 금속부를 관찰하여, 피트 발생 유무와 기공 면적율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
피트 발생 유무 기공 면적율(%)
실시예 1 X 0.0
실시예 2 X 0.0
실시예 3 X 0.0
실시예 4 X 0.0
비교예 1 O 2.5
비교예 2 O 7.4
비교예 3 O 1.6
비교예 4 O 4.1
비교예 5 O 0.6
비교예 6 O 2.4
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도금강판 용접부재의 용접 금속부를 설명하기 위한 모식도이다.
상기 도 5를 참조하면, 용접 금속부의 폭, 즉 용접 각장(leg length)를 L로 표시하였으며, 제2 부재의 두께를 h1로 표시하였으며, 제2 부재의 상면 에지에서 제1 부재 상의 토우부까지의 직선으로부터 제1, 제2 부재와 용접 금속부의 접점까지의 거리를 d, 용접 금속부의 가장 높은 표면까지의 거리를 r로 각각 표시하였으며, 용입 깊이를 p로 표시하였으며, 토우각을 θ로 표시하였다. 이에 따라 본 발명의 실시예들의 용접 금속부의 크기 등을 관찰한 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
h1 (mm) L (mm) r (mm) d (mm) p (mm) 토우 각 (°)
실시예 1 2.2 6.0 1.8 1.6 1.2 38
실시예 2 2.2 6.2 1.8 1.6 1.4 33
실시예 3 2.2 5.9 1.8 1.7 2.1 30
실시예 4 2.2 4.8 1.4 1.7 1 44
상기의 내용을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 용접부재의 용접 금속부 토우 각을 45°이하로 확보할 수 있으며, 용접 금속부에 피트 및 기공이 발생되지 않아 도금강판 용접부재에 있어서의 내기공성이 향상되며, 용접 금속부는 250MPa 이상의 피로 강도를 확보할 수 있어, 자동차 샤시 부재 등과 같은 부품의 박물화 및 경량화를 위한 고강도 도금 열연 박판 강재의 활용 범위를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재 및 이의 제조 방법은 자동차 샤시부재 등과 같은 부품류 등에 적용 가능하다.

Claims (12)

  1. 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 형성된 용접 금속부를 포함하며, 상기 용접 금속부의 토우 각(toe angle, θ)은 45°이하이며, 상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도금강판은 Zn-Mg-Al계 합금 도금 또는 아연 도금된 열연강판인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열연강판은 인장강도 590MPa 이상 및 두께 6mm 이하인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열연강판은 590FB 강인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용접 금속부에 형성된 기공 면적율은 0.5% 미만인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용접 금속부의 피로 강도는 250MPa 이상이며, 반복 피로하중 10kN(최소/최대 하중비, R=0.1)에서 피로 수명 2,000,000 cycles 이상인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재.
  7. 제1 부재 및 상기 제1 부재 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 부재를 겹치기 아크 용접을 통해 용접 금속부를 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 도금강판이며,
    상기 아크 용접시, 솔리드 와이어에 용접 전류를 공급하여 아크를 발생시켜 용접하되, 상기 용접 전류는 제1 피크 및 상기 제1 피크보다 작은 전류값을 가지는 제2 피크의 통전을 1 펄스 주기로 하여 반복되는 펄스 전류로서, 하기 식 (1)로 정의되는 용접 용융금속 교반 웨이브 주파수가 20 내지 30 Hz로 반복하여 수행하는 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법.
    1/(TH+TL) --- 식 (1)
    여기서, TH는 상기 제1 피크의 기간, TL는 상기 제2 피크의 기간이다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 솔리드 와이어를 10 내지 30%의 CO2 가스를 포함하는 Ar 가스인 실드 가스 중으로 송급하는 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 용접 전류는 200 내지 300A인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 아크 용접시, 솔리드 와이어 직경: 1.0 내지 1.2mm, 토치각: 30 내지 45°, 푸쉬각: 0 내지 25°, 용접 속도: 0.6 내지 1.0m/min.로 수행하는 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제1 부재 및 상기 제2 부재는 Zn-Mg-Al계 합금 도금 또는 아연 도금된 열연강판인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열연강판은 인장강도 590MPa 이상 및 두께 6mm 이하인 용접부 내기공성 및 피로 특성이 우수한 도금강판 용접부재의 제조 방법.
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