KR20250002735A

KR20250002735A - TiB2 석출물들을 포함하는 강판을 용접하는 방법

Info

Publication number: KR20250002735A
Application number: KR1020247040140A
Authority: KR
Inventors: 프레데릭 보네; 제시 아우아스; 발레리 데슐레
Original assignee: 아르셀러미탈
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2025-01-07
Also published as: EP4558302A1; WO2024018255A1; MX2025000592A; CN119136938A; MA71533A

Abstract

적어도 2개의 강판들을 용접하기 위한 방법으로서, 중량%로 나타낸 다음의 원소들을 포함하는 조성물을 갖는 적어도 하나의 강판을 제공하는 단계로서, 상기 조성은: 0.01% ≤ C ≤ 0.2%, 2.5% ≤ Ti ≤ 10 % , (0.45 xTi) - 1.35% ≤ B ≤ (0.45 xTi) + 0.70%, S ≤ 0.03%, P ≤ 0.04%, N ≤ 0.05%, O ≤ 0.05% 및 TiB₂의 석출물들을 포함하고_,잔부가 Fe 및 정교화로 기인된 불가피한 불순물인, 적어도 하나의 강판을 제공하는 단계, 제2 강판을 제공하는 단계, 필러 와이어를 사용함으로써 제1 강판과 제2 강판을 용접하는 단계로서, 상기 필러 와이어는 0.60 중량% 이상의 유리 티타늄의 평균 함량(Ti^*)을 갖는 용융된 존을 획득하기 위해 Ti: 0.8 내지 2 중량%를 포함하는 조성을 갖는, 상기 제1 강판과 제2 강판을 용접하는 단계를 포함한다.

Description

TiB2 석출물들을 포함하는 강판을 용접하는 방법

본 발명은 적어도 하나의 제2 강판과 TiB₂의 석출물을 포함하는 강판을 용접하기 위한 방법에 관한 것이다.

TiB₂석출물을 포함하는 강판(본원에서 이후로 TiB₂ 강판으로 칭함)은 그 우수한 고탄성 계수, 저밀도 및 높은 인장 강도로 인해 많은 주목을 받고 있다. 그러나, 이러한 판은 용접하기 어려울 수 있고, 특히 용접 비드의 냉각 동안의 응력은 용융된 존 내의 그레인 바운더리를 따라 입간 균열의 전파를 유도할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 용융된 존 내에 크랙을 형성하지 않고, 적어도 하나의 제2 판과 TiB₂ 강판을 용접하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 용접 방법을 제공함으로써 달성된다. 본 발명에 따른 용접 방법은 또한 개별적으로 또는 조합하여 고려되는, 청구항 2 내지 5에 열거된 선택적 특징을 가질 수 있다.

다른 목적은 청구항 6에 따른 용접된 조인트를 제공함으로써 달성된다.

본원은 이하 첨부된 도면들을 참조하여 제한을 도입하지 않고 실시예들에 의해 상세히 설명되고 예시될 것이다:

- 도 1은 랩 조인트 용접의 개략도를 예시하고;
- 도 2는 본 발명에 따른 것이 아닌, 시험 11의 랩 조인트 용접의 단면을 나타내고,
- 도 3은 유리 티타늄의 평균 함량(Ti*)을 계산하기 위해 사용된 지점과 용융된 존의 현미경 사진을 나타내고,
- 도 4는 본 발명에 따른 시험 2의 현미경 사진을 나타내고,
- 도 5는 본 발명에 따른 것이 아닌, 시험 10의 SEM에 의해 얻어진 현미경 사진을 나타내고,
- 도 6은 본 발명에 따른 것이 아닌, 시험 10의 공초점 현미경에 의해 얻어진 현미경 사진을 나타낸다.

임의의 이론에 얽매이기를 원하지 않는다면, 제2 강판과의 TiB₂ 강판 상에서 수행된 본 발명에 따른 용접 방법은 용융된 존 내에 크랙의 형성을 것을 회피하는 것을 허용하는 것으로 보인다.

본 발명은 다음의 연속적인 단계들을 포함하는 적어도 2개의 강판의 용접 방법에 관한 것이다:

중량%로 나타낸 다음의 원소들을 포함하는 조성을 갖는 적어도 제1 강판을 제공하는 단계로서, 상기 조성은:

0.01% ≤ C ≤ 0.2%

2.5% ≤ Ti ≤ 10 %

(0.45 xTi) - 1.35% ≤ B ≤ (0.45 xTi) + 0.70%

S ≤ 0.03%

P ≤ 0.04%

N ≤ 0.05%

O ≤ 0.05% 을 포함하고,

선택적으로:

Si ≤ 1.5%

Mn ≤ 3%

Al ≤ 1.5%

Ni ≤ 1%

Mo ≤ 1%

Cr ≤ 3%

Cu ≤ 1%

Nb ≤ 0.1%

V ≤ 0.5%를 포함하고,

TiB₂의 석출물들을 포함하고, 잔부가 철 및 정교화로부터 기인된 불가피한 불순물인, 상기 제1 강판을 제공하는 단계(이후로 TiB₂ 강판으로 칭함),

- 제2 강판을 제공하는 단계,

- 0.8 내지 2%의 티타늄 함량을 포함하는 중량%로 표시되는 화학 조성을 갖는 필러 와이어를 사용함으로써 TiB₂ 강판과 제2 강판을 용접하는 단계.

본 발명에 따른 필러 와이어의 조성은 이제 설명될 것이며, 함량은 중량%(wt.%)로 표시된다.

본 발명에 따르면, 필러 와이어의 티타늄 함량은 0.60% 이상의 용융된 존에서 평균 유리 티타늄(Ti^*)를 보장하기 위해 0.8% 내지 2%를 포함한다. 유리 티타늄(Ti^*)은 석출물 또는 개재물로서 포획되지 않는 티타늄이다.

제2 강판과 TiB₂ 강판을 용접하는 동안, 용융된 존 내의 유리 티타늄의 평균 함량은 일반적으로 다음에 종속된다:

- 판들의 화학 조성,

- 필러 와이어의 화학 조성,

- 분위기.

용융된 존 내의 유리 티타늄의 양에 대한 판들 및 필러 와이어의 화학적 조성의 제1 효과는 희석이다. 희석은 필러 와이어에 의해 2개의 용접 판들 사이에서 발생하는 현상이다. 희석 현상만을 고려하면, 용융된 존의 티타늄 함량은 용융된 존 내의 판들 각각에 의한 티타늄의 기여 뿐만 아니라 용접 와이어에 의한 티타늄의 기여에 종속될 것이다.

용융된 존 내의 유리 티타늄의 양에 대한 판 및 필러 와이어의 화학적 조성의 제2 효과는 석출물 또는 개재물의 형성이다. 용접 판 및 필러 와이어 내에 존재하는 탄소는 용융된 존 내의 티타늄 형성 TiC 석출물 및/또는 Ti(C_yN_1-y)와 반응할 수 있다.

동일한 것이 TiN을 형성할 수 있는 필러 와이어와 판에 존재하는 질소에도 적용된다. 그러나, 형성된 TiN의 대부분은 용접 동안 불량한 가스 보호부로 인해 대기와 티타늄의 반응에서 비롯된다. 질소의 용해도가 액체 금속에서 매우 낮기 때문에, 대기와의 이러한 액체 금속의 접촉은 TiN을 생성한다.

티타늄은 또한 대기로부터의 산소 및/또는 가스 차폐와 반응하여 TiO_x(TiO, TiO₂, Ti₂O₃)를 형성한다.

이러한 모든 현상은 그후 용융된 존 내의 유리 티타늄의 양을 감소시키며, 이는 붕소 보호를 제한하고, 따라서 입간 Fe-TiB₂-Fe₂B 공융 상(이하 Fe₂B)의 석출을 촉진한다. 이러한 Fe₂B 석출물은 부서지기 쉽고 비드의 냉각 동안 입간 균열의 형성을 생성할 수 있다.

0.8wt.% 이상의 티타늄 함량을 가짐으로써, 필러 와이어는 용접이 차폐 가스 등, 예를 들어, 가능하게 최대 20 v.%의 CO₂, 바람직하게 최대 18 v.%의 CO₂를 포함하는 아르곤 하에서 수행되는 경우, 상기 효과를 상쇄시키는 방식으로 치수화된다. 2 wt%보다 많은 티타늄의 추가는 요구되는 특성의 관점에서 비용이 많이 들고 효과가 없을 것이다.

필러 와이어의 티타늄 함량은, 82v.%의 아르곤 및 18v.%의 CO₂로 이루어질 수 있는 보호 가스 하에서, 금속 판과 금속 와이어 사이에 희석 효과가 없도록, 여러 층, 예를 들어 7층으로 와이어 금속과 2개의 금속 판 사이에 디포짓하고, 디포짓된 금속 내의 티타늄 함량을 측정함으로써 결정될 수 있다.

필러 와이어의 조성의 나머지는 주로 용융된 존의 예상되는 기계적 특성에 종속된다. 티타늄에 더하여, 필러 와이어는 (중량% (wt.%)로):

C: 0.02%- 0.25%

Mn: 0.5% - 3.5%

Si: 0.2 - 2 %

Al ≤ 0.5 %를 포함한다.

와이어의 조성의 나머지는 철과 불순물이다. 이와 관련하여, P, S 및 N은 적어도 불가피 불순물들인 잔류 원소들로서 간주된다. 이들의 함량은 S가 0.020% 이하, P가 0.020% 이하, N이 0.050% 이하이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제2 강판은 이중 상(DP) 강, 복합 상(CP : complex phase) 강, 페라이트-베이나이트(FB : ferrito-bainitic) 강, TRIP 강, 마르텐사이트 강, TRIPLEX 강, TWIP 강, IF 강, 고강도 저합금(HSLA : high strength low alloy) 강 또는 알루미늄 킬드 강(aluminium killed steel)으로서 다상 강일 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 제2 강판은 TiB₂ 강판이다.

바람직하게는, TiB₂ 강판, 제2 강판 및 와이어의 혼합물로부터 기인된 용융된 존 내 총 티타늄 함량 %Ti_total은 다음 식을 만족한다:

%Ti_total ≥ %B_total ^*(47.867/2^*10.811) + (47.867/14)^*%N_total + (47.867/16*x)^*%O_total + (47.867/(12^*y))^*%C_total

여기서, %B_total,%N_total,%O_total,%C_total는 용융된 존 내의 총 붕소, 질소, 산소 및 탄소 함량이고, x 및 y는 각각 TiO_x 및 Ti(C_yN_1-y)의 석출에 관련된 화학량론적 계수이고, x는 1,2 또는 3/2이고, y는 0과 1 사이에서 변한다.

이러한 총 티타늄 함량은 유리 티타늄 및 다양한 석출물(산화물, 탄화물, 질화물, 탄화 질화물)에 포획된 티타늄을 모두 포함한다.

제2 강판과 TiB₂ 강판을 용접하기 위해 사용되는 용접 방법은 MAG 용접, TIG 용접, MIG 용접, 플라즈마 용접 또는 차폐 가스를 사용하는 레이저 용접과 같은 임의의 아크 용접일 수 있다.

바람직하게는, 차폐 가스는 아르곤이다. 차폐 가스는 CO₂를 포함할 수 있다.

서브머지드 아크 용접으로서 차폐 가스를 사용하지 않는다면 프로세스 용접은 티타늄의 산화 위험을 갖는다고 예상될 수 있다.

본 발명에 따르면, TiB₂ 강판과 적어도 하나의 강판 사이의 용접 조인트는 균열이 없는 용융된 존을 획득하기 위해, 0.60% 이상의 평균 유리 티타늄을 갖는 용융된 존을 포함한다.

이제, 제한적이지 않은 이하의 예들에 의해 본 발명을 설명한다.

예:

TiB₂ 강판은 오버랩 용접 기술에 의해 제2 강판(FB 또는 DP)에 접합된다. TiB₂ 강판은 도 1에 예시된 바와 같이, 바닥 판이고, 제2 강판은 상부 판이다. TiB₂ 판의 2개의 두께가 사용된다. 판의 화학적 조성(중량%(wt%)로 표현됨) 및 이들의 두께(mm로 표현됨)는 표 1에 제공된다.

표 1 - 강판의 화학적 조성

직경 1mm의 필러 와이어가 강판을 함께 용접하기 위해 사용된다. 이러한 와이어의 화학적 조성은 2개의 강판을 용접하기 전에, 82v.%의 아르곤과 18v.%의 CO₂로 이루어진 보호 가스 하에서 강판과 금속 와이어 사이에 희석 효과가 없도록 7개의 층으로 2개의 판 사이에 금속 와이어를 디포짓함으로써, 그리고 디포짓된 금속 내 원소의 함량을 측정함으로써 결정된다. 이러한 화학적 조성은 표 2에 주어진다.

표 2: 와이어 화학 조성

밑줄 친 값: 본 발명에 따르지 않음

와이어 조성 A-D는 본 발명에 따른 것이고, 와이어 조성 E 및 F는 기준 예이다.

상부 및 바닥 판은 차폐 가스 하에서 MAG 또는 MIG 프로세스에 의해 500mm/min의 용접 속도로 함께 용접되었다. 프로세스 파라미터들은 표 3에 제공된다.

표 3: 용접 프로세스 파라미터

밑줄 친 값: 본 발명에 따르지 않음

2개의 강판을 용접한 후 획득된 용융된 존을 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 상부 판 방향으로 관찰한다. 강판 및 용융된 존 모두를 포함하는 섹션을 획득하기 위해 시편을 용융된 존 주위로 절단하고, 그 자체로 공지된 시약, 예를 들어 니탈(Nital) 시약으로 폴리싱 및 에칭한다. 이러한 섹션은 주사 전자 현미경(SEM)에 의해 관찰되며 에너지 분산 X선 분석(SEM-EDX)과 커플링될 수 있다.

용융된 존의 결과적인 현미경 사진에서, 21개의 마커는 배율 x2.5에 대응하는, 도 2에서 검은색 도트로 나타낸 바와 같이, 용융된 존의 모든 섹션을 커버하도록 선택된다.

그후, 유리 티타늄은 x1, x2, x3 및 x4에 의해 도 3(배율 x50)에 의해 나타낸 바와 같이, 이들 마커 주위의 4개 지점에서 EDX에 의해 측정되고, 이는 용융된 존 내의 유리 티타늄의 21^*4 = 84 측정치를 획득하는 것을 가능하게 한다.

이들 84개의 측정치의 평균에 의해 계산된 평균 유리 티타늄 함량(Ti^*), 측정된 유리 티타늄 함량의 최소값 Ti^* _min 및 용융된 존에서 측정된 유리 티타늄 함량의 최대값 Ti^* _max(모두 중량% wt%로 표시됨)은 표 4에 제공된다.

또한, Fe₂B 석출물의 존재는 표 4에 제공된다.

표 4: 유리 티타늄 함량 및 균열

밑줄 친 값: 본 발명에 따르지 않음

nd: 결정되지 않은 값

사용된 프로세스 파라미터 및 필러 와이어의 특정 조성 덕분에, 본 발명에 따른 예, 즉 예 1 내지 8은 평균 유리 티타늄 함량(Ti^*)이 0.60 중량% 이상일 때 용융된 존에 균열이 나타나지 않는 것으로 도시된다. 도 4는 용융된 존 내에 균열이 없고 Fe₂B 석출물이 존재하지 않는 시험 2에 대해 SEM에 의해 획득된 현미경 사진을 나타낸다.

시험 8에서, 비드에서 몇몇 Fe₂B 석출물이 관찰되었다.

판이 아르곤만으로 이루어진 차폐 가스 하에 용접되는 실험 2와 비교하여, 실험 8의 동일한 판은 동일한 조성의 와이어에 의해, 그러나 CO₂를 또한 포함하는 차폐 가스 하에 용접된다. 그후, 티타늄이 존재하는 산소와 반응했기 때문에, 유리 티타늄은 시험 2와 비교하여 감소된다.

그후 평균 유리 티타늄 함량의 이러한 더 낮은 값은 일부 Fe₂B 석출물이 형성되도록 허용하지만, 용융된 존 내의 균열의 형성 및 전파를 회피하기에 여전히 충분하다.

시험 9에서, 2개의 판은, 동일한 판이 동일한 와이어로 함께 용접되지만, 아르곤으로만 이루어진 차폐 가스 하에서 용접되는 시험 1과 비교하여 82 v.%의 아르곤과 18 v.%의 CO₂로 이루어진 차폐 가스 하에서 용접된다.

그후 티타늄이 존재하는 산소와 반응하여 티타늄 산화물을 생성하기 때문에 유리 티타늄은 시험 1에 비해 감소된다.

평균 유리 티타늄 함량의 이러한 낮은 값은 그후 Fe₂B 석출물이 형성되게 허용하고, 용융된 존 내의 균열의 형성 및 전파를 회피하기에 충분하지 않다.

시험 10 및 시험 11의 판은 0.01 wt.%의 티타늄을 함유하는 필러 와이어에 의해 용접되었고, 실험 12의 판은 티타늄을 함유하지 않는 필러 와이어과 용접되었다. 이는 용융된 존 내에서 0.60wt% 미만의 평균 유리 티타늄 함량(Ti^*)을 초래하며, 이는 취성 Fe₂B 석출물의 형성, 및 균열의 형성 및 전파를 촉진한다.

도 6은 균열이 관찰되는 공초점 현미경에 의해 획득된 시험 10의 용융된 존의 종단면을 나타낸다. Fe₂B 석출물은 도 5에 표시된 SEM으로 얻은 현미경 사진에서 볼 수 있다.

시험 11의 판은 트레일링 차폐부에 커플링된 아르곤의 차폐 가스 하에서 너무 적은 함량의 티타늄을 갖는 필러 와이어에 의해 용접되었다. 높은 품질의 가스 커버리지를 제공하는 이러한 디바이스에도 불구하고, 용융된 존 내의 평균 유리 티타늄 함량은 용융된 존 내의 Fe₂B 석출물 및 균열의 형성을 회피하기에 너무 낮게 유지된다.

Claims

적어도 2개의 강판들을 용접하기 위한 프로세스로서,
다음의 연속적인 단계들:
- 중량%로 나타낸 다음의 원소들:
0.01% ≤ C ≤ 0.2%
2.5% ≤ Ti ≤ 10 %
(0.45 xTi) - 1.35% ≤ B ≤ (0.45 xTi) + 0.70%
S ≤ 0.03%
P ≤ 0.04%
N ≤ 0.05%
O ≤ 0.05%을 포함하고,
선택적으로:
Si ≤ 1.5%
Mn ≤ 3%
Al ≤ 1.5%
Ni ≤ 1%
Mo ≤ 1%
Cr ≤ 3%
Cu ≤ 1%
Nb ≤ 0.1%
V ≤ 0.5%를 포함하고,
TiB₂의 석출물들을 포함하고 잔부가 철 및 정교화로부터 기인된 불가피한 불순물인 조성을 갖는 적어도 제1 강판을 제공하는 단계,
- 제2 강판을 제공하는 단계,
- 차폐 가스와 함께 필러 와이어를 사용함으로써 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판을 용접하는 단계로서, 상기 필러 와이어는 중량%로 나타낸 다음의 원소들:
Ti : 0.8 - 2 %
C　: 0.02%- 0.25%
Mn　: 0.5% - 3.5%
Si　: 0.2 - 2.0 %
Al ≤ 0.5 %
P≤ 0.020 %
S≤ 0.020 %
N≤ 0.050 %을 포함하고,
잔부가 철 및 정교화로부터 기인된 불가피 불순물이고, 상기 필러 와이어의 티타늄 함량이 0.60 중량% 이상의 유리 티타늄(free titanium)의 평균 함량(Ti^*)을 갖는 용융된 존을 얻기 위해 선택되는, 상기 제1 강판 및 상기 제2 강판을 용접하는 단계를 포함하는, 강판들을 용접하기 위한 프로세스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 강판은 이중 상(DP) 강, 복합 상(CP : complex phase) 강, TRIP 강, 페라이트-베이나이트(FB : ferrito-bainitic) 강, 마르텐사이트 강, TRIPLEX 강, TWIP 강, IF 강, 고강도 저합금 강, 또는 알루미늄 킬드 강(aluminium killed steel)인, 강판들을 용접하기 위한 프로세스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 강판은 중량%로 나타낸, 다음의 원소들:
0.01% ≤ C ≤ 0.2%
2.5% ≤ Ti ≤ 10 %
(0.45 xTi) - 1.35% ≤ B ≤ (0.45 xTi) + 0.70%
S ≤ 0.03%
P ≤ 0.04%
N ≤ 0.05%
O ≤ 0.05%을 포함하고,
선택적으로:
Si ≤ 1.5%
Mn ≤ 3%
Al ≤ 1.5%
Ni ≤ 1%
Mo ≤ 1%
Cr ≤ 3%
Cu ≤ 1%
Nb ≤ 0.1%
V ≤ 0.5%를 포함하고,
TiB₂의 석출물들을 포함하고 잔부가 Fe 및 정교화로부터 기인된 불가피한 불순물인 조성을 갖는 강판인, 강판들을 용접하기 위한 프로세스.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
용접은 아크 용접 방법, 예를 들어 MAG 용접, TIG 용접, MIG 용접, 플라즈마 용접 또는 차폐 가스를 사용한 레이저 용접 중 어느 하나에 의해 수행되는, 강판들을 용접하기 위한 프로세스.
제4항에 있어서,
상기 차폐 가스는 선택적으로 최대 20 v.%의 CO₂를 포함하는 아르곤으로 제조되는, 강판들을 용접하기 위한 프로세스.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 프로세스에 의해 획득된 적어도 2개의 강판들의 용접 조인트로서,
상기 용접 조인트는 0.60중량% 이상의 평균 유리 티타늄을 포함하는 용융된 존을 포함하는, 적어도 2개의 강판의 용접 조인트.
자동차 제조를 위해 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 제조되거나 제6항에 따른 용접 조인트의 용도.