KR101480768B1 - 표면에 ＡｌＳｉ 코팅층을 갖는 ＨＰＦ용 강재의 ＴＷＢ 레이저 용접방법 - Google Patents

Abstract

표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법이 제공된다.
본 발명의 용접방법은, 그 표면에 AlSi코팅층을 갖는 HPF용 강재를 준비하는 공정; 상기 강재들을 맞대기 정렬한 후, 그 표면의 AlSi 코팅층이 금속간화합물로 전환될 수 있도록 해당 용접부를 TIG 예열처리하는 공정; 및 상기 예열처리된 강재들의 용접부에 YAG 레이저를 조사함으로써 강재들을 접합시키는 공정;을 포함한다.

Description

표면에 ＡｌＳｉ 코팅층을 갖는 ＨＰＦ용 강재의 ＴＷＢ 레이저 용접방법{Laser tailor-welded blanks for hot press forming steel with AlSi coated layer on the surface}

본 발명은 표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 용접방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 그 표면이 코팅처리된 HPF용 강재를 TWB 용접함에 있어서, 그 용접부를 이루는 코팅층을 먼저 TIG 용접처리로 예열시킨 후 2차적으로 해당용접부를 레이저로 TWB 용접함으로써 얻어지는 용접부의 기계적 인성이 우수한 HPF용 강재의 레이저 용접방법에 관한 것이다.

차체경량화와 충돌흡수능의 향상을 위하여 다른 두께 혹은 강성을 가지는 2개 이상의 강재를 용접을 통해 조립하는 TWB에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 특히, 범퍼빔, 센터필라 등의 자동차 부품을 생산하기 위하여 AlSi 코팅처리된 Hot press forming(이하, HPF)강을 적용하여 제품을 제작하고 있는데, 동일강도 이종두께 또는 이종강도 재료간의 Tailor blank welding(이하, TWB) 적용이 검토되어 지고 있다. 그러나 Arcelor Mittal사의 연구결과에 의하면, 맞대기 용접한 Al-Si 도금 보론합금강의 TWB 레이저 용접부가 용융선에 형성되는 FeAl 금속간화합물과 페라이트 등으로 인하여 인장-충격실험시 쉽게 파단된다고 보고되고 있다. 때문에 Arcelor Mittal 등은 연한조직을 만드는 요인이 되는 코팅층을 레이저 공정 등으로 제거한 후 용접하여야 한다고 주장하였는데, 이러한 코팅층을 제거하기 위해서는 별도의 공정이 추가될 뿐 아니라 부가 장비를 구입하여야 한다는 문제점이 있다.

따라서 HPF용 보론강재의 코팅층을 제거하지 않으면서도 후속하는 HPF공정에서의 열처리 이후에도 TWB 용접 부위가 우수한 기계적 특성을 갖는 TWB 용접방법에 대한 개발이 대두되고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재를 TWB 레이저 용접함에 있어서, 그 본 레이저 용접에 앞서 TWB 용접부를 TIG 용접함으로써 그 코팅층을 금속간화합물(이하,IMC)로 전환시킨 후 레이저 용접함으로써 용접부내에 Al의 고른 분산을 유도하고 용접부 용융선에 형성되는 금속간화합물과 페라이트 함량을 줄일 수 있는 레이저 용접방법을 제공함을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 종래기술과 달리 HPF용 강재의 AlSi 코팅층을 제거하지 않고 용접하더라도 그 용접부가 우수한 기계적 특성을 나타내는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

그 표면에 AlSi코팅층을 갖는 HPF용 강재를 준비하는 공정;

상기 강재들을 맞대기 정렬한 후, 그 표면의 AlSi 코팅층이 금속간화합물로 전환될 수 있도록 해당 용접부를 TIG 예열처리하는 공정;

상기 예열처리된 강재들의 용접부에 YAG 레이저를 조사함으로써 강재들을 접합시키는 공정;을 포함하는 표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법에 관한 것이다.

상기 HPF용 강재는 보론을 함유한 강재일 수가 있다.

상기 금속간 산화물은 Fe₃Al, Fe₂Al₅, 및/또는 Fe₂Al 등일 수 있다.

상기 용접된 강재를 오스테나이트화 온도인 950℃ 이상으로 5분 가열한 후 20.5 ± 2℃ 로 유지되는 수냉 금형을 사용하여 ?칭할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래 HPF용 보론강의 경우, 레이저를 이용하여 맞대기 용접을 할때 그 용접부의 특성확보를 위해 표면의 AlSi 코팅층을 제거할 필요가 있었는데 본 발명은 코팅을 제거하지 아니하고 용접을 수행할 수 있으므로 그 제조공정 등의 측면에서 유익하다.

둘째, 상기와 같이, 본 발명의 경우 1차적으로 TIG 용접으로 보론강의 표면의 AlSi 코팅층을 금속간화합물로 전환시키고 2차적으로 해당 용접부에 레이저를 조사하여 접합시킴으로써 얻어지는 용접부의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 용접방법으로서 유용한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제조공정을 나타내는 공정개략도이다.
도 2는 종래의 TWB 레이저 용접시험편의 단면을 나타내는 그림이다.
도 3은 종래의 TWB 용접시편의 용융선에서 미소경도를 측정하여 나타낸 그림이다.
도 4는 본 실시예에서의 예열 전후의 코팅층의 단면사진을 나타내는 그림이다.
도 5는 레이저 용접을 실시한 후, 코팅층을 예열한 경우와 그렇지 않은 경우의 조직사진을 비교하여 나타내는 그림이다.
도 6은 예열처리 없이 레이저 용접한 경우와 예열처리를 한 후 레이저 용접한 경우의 시편의 파단 형태를 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

자동차용 강판으로 HPF 강판이 상용화되고 있는데, 이러한 HPF강판에는 그 제조공정시 야기되는 강판 모재의 부식을 방지하기 위하여 그 강판의 표면에 통상 AlSi 등과 같은 코팅층을 형성하고 있다. 또한 최근에 들어 자동차용 강재의 내충격성 확보등을 위하여 HPF강재로 TWB를 이용하고 있는데, 이와 같이 용접강재의 경우 상술한 강판의 코팅층이 소재의 특성에 영향을 미칠 수 있음은 상술한 바와 같다.

본 발명자들은 상기 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭한 결과, 그 표면에 코팅층이 형성된 강재의 용접부위를 TIG 열원을 이용하여 사전 예열처리를 한 후 TWB 맞대기 용접하면, 상기 코팅층을 이루는 Al이 용접부내에서 고르게 분산되게 되어, 종래 용접부 용융선에서 야기되던 금속간화합물과 α-페라이트 집적문제를 해소하고 균일한 조직을 갖는 용접부를 형성할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다. 이러한 균일한 조직은 용접부의 강도 뿐만 아니라 인성의 확보에도 유용하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다,

도 1은 본 발명의 제조공정을 나타내는 공정개략도이다.

도 1(a)에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 먼저 그 표면에 AlSi 코팅층(11)을 갖는 강판(10)을 준비한다.

상기 강판(10)은 자동차용 강판으로써 특히 HPF 강판에 주로 이용되는 합금조성의 강판으로서, 본 발명에서는 상기 강판(10)의 구체적인 합금조성에 제한되는 것은 아니나, 보론을 함유한 강판인 것이 소망스럽다. 그 일예로 하기 표 1과 같은 조성 및 기계적 특성을 갖는 보론 강판을 들 수 있다.

합금강	화학조성(중량%)					기계적 특성
	C	Si	Mn	P	S	YP(MPa)	TS(MPa)	EL(%)
	0.23	0.26	1.24	0.015	0.0002	479	611	22

다음으로, 도 1(b)와 같이, 상기와 같이 준비된 강재(10)을 맞대기 정렬한 후, 그 표면의 AlSi 코팅층이 금속간화합물로 전환될 수 있도록 해당 용접부를 TIG 예열처리한다. 이러한 TIG용접 예비처리는 마이크로-TIG를 사용하여 필요에 따라 레이저 조사부의 이면과 표면 모두를 예열할 수 있다.

TIG용접은 텅스텐 불활성 가스 용접법(tungsten inert-gas are welding)으로서, 전극으로 텅스텐을 사용하여 알곤, 헬륨 등의 불활성 가스를 분사하면서 용접하는 방법으로 금속 산화물의 발생이나 불순물의 혼입이 적다는 특징이 있다.

이러한 용접법은 일반 구조물은 물론, 극박강판, 박강판(2㎜ 이하) 등의 용접에 적합한 방법으로서, 아크 및 용융지가 불활성 가스 분위기에 의해 보호되어서 아크의 안정성, 용착금속의 특성이 대단히 우수하다.

본 발명에서는 상기와 같은 코팅층(11)의 국부적인 예열로 인하여 코팅층(11)의 조성이 달라지게 된다. 구체적으로 설명하면, 상기 코팅층(11)은 실제적으로 Al으로 조성되어 있으므로 만일 TIG 예열처리가 있으면 원소의 확산에 의해 코팅층중 Al과 모재 강판중 Fe가 상호 이동하여 반응하게 된다. 이러한 결과로, 상기 코팅층(11)은 모재와의 확산반응에 의해 Fe₃Al, Fe₂Al₅, 및/또는 Fe₂Al와 같은 금속간화합물(IMC)로 전환하게 된다.

이어, 본 발명에서는 도 1(c)와 같이, 상기 예열처리된 강재(10)을 레이저를 이용하여 TWB 맞대기 용접한다. 이러한 용접은 잘 알려진 YAG 레이저를 이용하여 용접부를 조사함으로써 이루어질 수 있으며, 도 1(c)와 같이, 이러한 맞대기용접으로 소재내에 용접부(13)가 형성된다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이, TIG 예열처리에 의해 코팅층(11)의 조성물을 금속간화합물로 변화시킨 후, 용접부(13)를 용접함으로써 우수한 용접조직을 얻을 수 있다. 만일 상술한 예열처리공정을 거치지 않고 TWB 레이저 용접처리하면 실질적으로 거의 Al으로 이루어진 코팅층(11)이 용접열에 의해 용해되어 용접부내에 골고루 분산되지 못하고 용접부 중심부에 비해 용접부 용융선을 따라 금속간화합물(IMC) 및 α-페라이트의 함량 비중이 높아지게 되고, 이는 결국 용접조직의 불균일로 용접부의 재질열화로 이어질 수 있다.

이를 고려하여, 본 발명에서는 용접부위를 YAG 레이저로 TWB 용접함에 앞서, 그 용접모재 표면에 있는 AlSi 코팅층(11)을 사전 TIG 예열처리로 그 조성을 금속간화합물로 변화시키는 것이다. 이렇게 AlSi 코팅층(11)의 IMC로 변화되면, 후속하는 YAG 레이저 용접공정에서 상기 코팅층(11)을 이루는 Al성분은 용접부내에서 골고루 분산되는 것이다.

상기와 같이 TWB 레이저 용접된 강재를 후속하여 HPF의 일반공정 처리하면 최종 제품의 형상으로 성형할 수 있을 뿐만 아니라 원하는 용접조직을 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 그 표면에 AlSi 코팅층을 갖는 자동차용 HPF 강판을 TWB 용접함에 있어서, 레이저를 이용한 본 용접에 앞서 상기 코팅층을 TIG 예열처리하여 그 조직을 금속간화합물로 전환시킴으로써 TWB 레이저 용접시 용접부에 Al 성분의 균일한 분산을 도모할 수 있어 용접금속의 조직 균일화를 도모할 수 있다. 또한 이러한 조직균일화에 따라서 용접부의 강도를 개선할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(비교예)

0.54mm 빔크기를 가지고 있는 YAG 레이저를 이용하여 시험편을 제작하였다. 실험에 적용한 시편들은 그 표면에 AlSi 코팅층을 갖는 보론합금강(성분조성은 표 1과 같음)을 맞대기 용접과 BOP 용접을 통해 제작하였으며, 용접조건은 레이저 출력 3kW, 용접속도 7.0 m/min를 고정하여 진행하였다. 그리고 빔은 시편위에 수직으로 조사되었으며, 초점은 시편의 표면으로 위치시켰다. 보호가스는 모든 경우에서 사용하지 않았다. 상기 실험 시편들은 레이저 용접 후 오스테나이트화 온도인 950℃ 이상으로 5분 가열한 후 20.5±2℃ 로 유지되는 수냉 금형을 사용하여 ?칭하여 HPF 공정을 모사하였다.

상기 각각의 시편에서 AlSi 코팅층의 용접중 혼입을 관찰하기 위하여 폴리싱 후 에칭하여 관찰하였으며, 기계적 물성을 확인하기 위하여 KS 규격으로 용접시험편을 채취하여 용접부 강도를 측정하였다. 용융선의 경도는 미소경도계를 이용하여 25gf의 힘으로 10 s의 유지시간을 주어 측정하였다

도 2은 종래의 TWB 레이저 용접시험편의 단면을 나타내는 그림이다.

도 2에 나타난 바와 같이, AlSi 코팅층으로 부터 유래한 Al 성분이 용접부 내에 균일하지 않게 분포되지 않으며, 특히 용융선을 따라 집중적으로 분포되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 집중되어 있는 Al은 용접부 조직에 영향을 미치어 Al 성분의 분율이 높은 용융선에서는 단결정의 조직이 관찰되어진다. 용융선에서 관찰되는 조직은 Al의 원자분율이 약 4% 내외로서 AlFe 금속간 화합물이 아닌 페라이트임을 짐작할 수 있다.

도 3은 종래의 TWB 용접시편의 용융선에서 미소경도를 측정하여 나타낸 그림이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 용접부 내에서 평균 430Hv의 경도가 측정되나 용융선의 Al rich 영역에서는 330Hv 의 경도가 측정되는 것을 확인 할 수가 있다. 용접부 내부에도 부분적으로 Al이 집중되어 있는 영역이 존재하지만 미세한 페라이트 조직과 마르텐사이트 조직이 혼합되어 있어 용융선의 조직보다 높은 경도가 측정되는 것을 확인할 수 있다.

(실시예)

상기 비교예와 동일한 방법으로 시험시편을 제작하였다. 다만 본 실험에서는 용접부 용융선에 집중되어 있는 Al 원소가 분산되어 페라이트가 미세하게 분포되어 형성되면 용접부의 강도가 향상시킬 수 있다고 판단하여, 아크 열원을 사용하여 레이저가 조사되는 코팅층을 국부적으로 예열하였다. 구체적으로, 본 실험은 Bead on plate 방식으로 진행되었으며 마이크로-TIG 를 사용하여 레이저 조사부의 이면과 표면을 모두 예열하였다. 코팅층 예열을 위한 용접조건은 사전실험을 통하여 도출하였으며 선정된 조건은 전류 13A, 용접속도 0.5 m/min 이다.

도 4는 본 실시예에서의 예열 전후의 코팅층의 단면사진을 나타내는 그림이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 예열처리전 3~4㎛의 IMC 층 위로 25㎛의 AlSi층이 존재하였지만 예열처리후에는 Fe 성분의 확산으로 인해 코팅층이 Fe₃Al, Fe₂Al₅, 및/또는 Fe₂Al 등의 금속간화합물 층으로 변태하면서 코팅층 내에서 높은 비율의 Fe 원소 함량이 측정되었다.

또한 예열된 코팅층 위로 레이저 빔을 조사하여 TWB 용접을 수행하고 그 결과를 도 5 에 나타내었다. 이때 적용한 용접조건은 용접출력 3 kW, 용접속도 7 m/min, 빔의 크기는 0.56mm 이다. 도 5에 나타난 바와 같이, HPF 열처리 전에는 용접부 조직에서 큰 차이가 발생하지 않지만, HPF 열처리 후에는 예열 처리하지 않은 경우보다 예열 처리를 한 경우에 용접부가 보다 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.

한편 도 6은 예열처리 없이 레이저 용접한 경우와 예열처리를 한 후 레이저 용접한 경우의 시편에 대한 파단 형태를 나타낸 그림이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 파단 위치는 예열처리를 하지 않은 경우 용접부 파단이 발생하였으나, 예열처리를 한 경우 모재에서 파단이 발생하였다

상술한 바와 같이, 실험을 통하여 AlSi 코팅되어 있는 보론합금강을 TWB 레이저 용접 할 때 코팅층을 제거하지 않고도 높은 강도의 강도값을 얻을 수 있는 방법을 얻을 수 있다. 즉, 코팅층이 있는 강판을 대상으로 레이저 용접을 하는 경우, 코팅층의 Al 성분은 용접부 내로 골고루 분산되지 못하고 특히 용융선에 집중적으로 편석되어 있는데, 이로 인해 용접부 용융선에 취약상인 페라이트가 형성되면서 파단시 시발점으로 작용하게 된다.

따라서 본 발명에서는 AlSi 코팅층을 아크 열원을 이용하여 국부적으로 가열하여 코팅층을 IMC로 변태시킨 후 TWB 레이저 용접함으로써 용접부 조직이 균일하게 형성되도록 하였다. 그 결과, 예열 처리하지 않은 경우에 비하여 균일한 용접부 단면을 획득할 수 있었다.

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

Claims (4)

1. 표면에 AlSi코팅층을 갖는 HPF용 강재를 복수 개 준비하는 공정;
   복수 개의 상기 HPF용 강재들을 맞대기 정렬한 후, 해당 용접부를 TIG 예열 처리하여, 상기 AlSi 코팅층이 금속간화합물로 전환되도록 하는 공정;
   예열 처리된 상기 HPF용 강재들의 용접부에 YAG 레이저를 조사함으로써 상기 HPF용 강재들을 접합시키는 공정;을 포함하는,
   표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 HPF 강재는 보론을 함유한 보론강재인 것을 특징으로 하는,
   표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 금속간 산화물은 Fe₃Al, Fe₂Al₅ 또는 Fe₂Al 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는,
   표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   접합된 상기 HPF 강재를 오스테나이트화 온도인 950℃ 이상으로 5분 가열한 후 20.5 ± 2℃로 유지되는 수냉 금형을 사용하여 ?칭하는 것을 특징으로 하는,
   표면에 AlSi 코팅층을 갖는 HPF용 강재의 TWB 레이저 용접방법.
   

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