KR20140101433A - 오스테나이트 및 페라이트 강으로 구성된 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및 레이저 빔 용접을 위한 용접 첨가제 - Google Patents

오스테나이트 및 페라이트 강으로 구성된 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및 레이저 빔 용접을 위한 용접 첨가제 Download PDF

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Abstract

본 발명은 오스테나이트 고망간-함유 강 및 페라이트 강으로 구성된 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및 레이저 빔 용접을 위한 용접 첨가제에 관한 것으로, 고망간-함유 강은 최소 7-30 중량%의 망간 함유량을 갖는다. 여기서, 용접 첨가제는 중량%로 다음의 합금으로 이루어진다: C 0.04 - 1.0; Mn 7 - 30; Si ≤ 6; Al ≤ 4; Mo ≤ 2; Ti ≤ 0.5; Zr 0.01 - 01; B 0.001 - 0.01; P < 0.005; S < 0.002; N < 0.008; 잔부의 철 및 불가피한 강의 동반 원소.

Description

오스테나이트 및 페라이트 강으로 구성된 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및 레이저 빔 용접을 위한 용접 첨가제{WELDING ADDITIVE FOR ELECTRIC ARC WELDING AND LASER BEAM WELDING OF MIXED JOINS COMPOSED OF AUSTENITIC AND FERRITIC STEEL}
본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따른 오스테나이트 및 페라이트 강으로 제조된 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및 레이저 빔 용접을 위한 용접 첨가제에 관한 것이다.
이하에서, 용어 아크 용접은, 예를 들면, 금속 보호 가스 용접(MSG), 텅스텐 불활성 가스 및 플라즈마 가스 용접, 뿐만 아니라 하이브리드 용접 방법, 금속 보호 가스 용접 및 레이저 빔 용접의 조합과 같은 용접 접합부를 생성하기 위해 용접 첨가제가 사용되는 모든 이익을 포함한다.
이하에서, 오스테나이트 강은, 예를 들면, DE 102 59 230 A1, DE 199 00 199 A1 또는 DE 10 2004 061 284 A1로부터 공지된 바와 같은, 특히 최대 30 중량% 망간을 갖는 고망간 강에 관련된다.
주요 원소로서 철 및 망간 외에도 이러한 강은 탄소 및 다른 원소, 예를 들면, 알루미늄 및 실리콘을 포함한다. 이러한 강으로부터 생산된 평판상 제품은 공강도 및 높은 균일성의 연신율을 갖는다.
높은 망간 함유량을 갖는 강은 그 유리한 특성으로 인해 수송 차량의 제작용으로, 특히 자동차 제작용으로, 그리고 여기서는 특히 차체 및 섀시 부품용으로 적합하다. 그러나, 예를 들면, 기계 제작 또는 건설과 같은 다른 분야의 용도도 생각해 볼 수 있다.
고망간-함유량 오스테나이트 강과 페라이트 강 사이의 용접 접합부는 종종 충돌 및 중량 최적화된 부품을 제조할 수 있는 소위 테일러 용접 블랭크(tailor welded blank)를 위해 전기 아크 용접 및/또는 레이저 빔 용접에 의해 형성되어야 한다.
동일한 유형의 고망간-함유량 강의 전기 아크 용접은, 예를 들면, DE 10 2009 007470 A1으로부터 공지되어 있고, 최신기술을 나타내지만, 혼합된 접합부에 관한 전기 아크 용접 또는 레이저 빔 용접의 경우, 전통적인 흑/백-혼합된 접합부, 즉 오스테나이트 Cr-Ni 강 및 페라이트 강으로부터의 접합부로부터 CrNi에 기초한 첨가제만이 지금까지 공지되어 있다.
크롬은 용접 구역 내에서 크롬 카바이드를 유발하는 단점이 있으므로, 탄소는 고망간-함유량 강으로서 오스테나이트를 형성하기 위한 합금 원소로서 더 이상 충분한 양으로 사용되지 않는다. 일반적으로 원소 니켈은 용접 금속이 높은 강인성을 가지지만 불충분한 강도를 갖는다는 사실을 초래한다.
CrNi 베이스 상의 공지의 첨가제를 갖는 용접 접합부의 특성은 사용된 기본 재료의 특성과 양립하지 않으므로 본 발명에 따른 용접 첨가제는 이들 두 원소를 제외한다.
더욱이, 전술한 혼합된 접합부의 용접 중에 조대한, 인접하여 배치된 오스테나이트 및 마르텐사이트 미세조직상(microstructure phase)이 형성되고, 이와 같은 배치 내의 미세조직상은 불충분한 기계적 특성 값을 갖는다. 기계적 특성을 개선하기 위해, 이 경우 항상 형성되는 이들 두 상이 미립자로서 존재하도록, 그리고 미세하게 분산된 방식으로 존재하도록 용접 첨가제의 합금 조성을 조절하는 것이 추가의 목표이다.
그러므로 본 발명은 용접 중에 원하는 기계적 특성 및 원소 크롬 및 니켈이 없는 미세한 입자가 분산된 미세조직상을 갖는 용접 금속을 얻는 오스테나이트 고망간-함유량 강 및 페라이트 강으로부터 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및/또는 레이저 빔 용접에 대한 용접 첨가제를 설명하기 위한 목적에 기초한다.
본 발명의 사상에 따르면, 이 목적은 다음의 중량%의 합금 조성을 갖는 용접 첨가제에 의해 해결된다:
C 0.04-1.0
Mn 7-30
Si ≤ 6
Al ≤4
Mo ≤ 2
Ti ≤ 0.5
Zr 0.01-0.1
B 0.002-0.01
P < 0.005
S < 0.002
N < 0.008
잔부의 철 및 불가피한 강의 동반 원소.
공지된 CrNi계 충전재 와이어에 비해, 본 발명에 따른 용접 첨가제는 크롬 및 니켈이 생략되므로 한편으로 상당히 더 비용 효율적이고, 그리고 이 용접 첨가제에 의해 생성된 용접 접합부의 특성은 고망간-함유량 오스테나이트 및 페라이트 강으로 형성된 혼합된 접합부에 대한 요구에 대해 최적으로 조절되는 큰 장점을 갖는다.
특히 지르코늄 및 붕소를 첨가하면 용접 금속의 기계적 특성에 관련하여 최적의 미세조직상 분포 및 미세한 입자성이 달성된다.
이와 같은 접합부의 용접 금속에서 한편으로 페라이트 미세조직 영역과 또한 이 페라이트 측으로부터 마르텐사이트 미세조직 영역 사이의 균질한 천이부가, 다른 한편으로, 용접 금속의 기계적 특성을 상당히 개선하는 미세한 입자성이 본 발명에 따른 용접 첨가제에 의해 달성된다.
특히 C 및 Mn의 첨가에 관련된 첨가제의 구체적인 합금 조성은 본질적으로 오스테나이트 접합 상대방(partner)의 조성에 맞추어 조절되고, 여기서 용접 접합부의 요구되는 기계적 특성을 달성하기 위해, 용접 금속의 비용 및 특성에 관련하여 청구항 2 및 3에서 언급된 유리한 합금 조성에 대응한 Zr 및 B의 첨가는 또한 중요하다.
원소 Al, Si, Mo, 및 Ti은 엄밀하게 요구되지 않지만, 이것은 종종 부수적 원소로서 불가피하고, 용접 금속의 제조비 및 특성에 악영향을 주지 않도록 규정된 한계 내에 유지되어야 한다. 소량의 Zr 및 B을 첨가한 경우 용접 금속 내의 미세조직상의 원하는 미세한 입자성이 달성되므로, 규정된 한계 내의 Ti 및 Mo의 첨가는 또한 용접 금속의 미세조직 특성 상에 플러스 효과를 가질 수 있다.
와이어 형태의 개시된 용접 첨가제는, 특히, 용접 접합부가 충전재 와이어에 의해 생성되는, 예를 들면, 금속 보호 가스 용접(MSG), 텅스텐 불활성 가스 및 플라즈마 용접 뿐만 아니라 레이저 빔 용접 및 레이저 금속 보호 가스 하이브리드 용접과 같은 모든 가능한 전기 아크 용접 방법에 적합하다.
유리하게, 본 발명에 따른 용접 첨가제는 또한 코팅되어 있지 않거나 또는 금속으로 코팅된 재료에서 용접 접합부를 생성하기에 적합하다. 금속 코팅은 아연 및/또는 알루미늄 및/또는 실리콘 및/또는 마그네슘에 기초하여 생성될 수 있다.
본 발명에 따른 충전재 와이어를 이용하여, 예를 들면, 스트립 접합부 용접을 위한, 그리고 테일러드 블랭크(tailored blank)를 제조하기 위한 맞댐 용접 접합부 내의 시임(seam) 형상이 고품질로, 즉 요건에 부합하는 품질로 생성될 수 있다. 더욱이, 부품 상의 용접은 전혀 문제 없이 중공 용접 및 또한 I형 시임으로서 겹치기(lap) 접합부에서 실현될 수 있다.
DE 10 2004 0161 284에 개시된 고망간-함유량 기본 재료에 기초하여, 상이한 합금 조성을 갖는 충전재 와이어가 최초로 개발 및 시험되었다.
시험 결과, 오스테나이트 및 페라이트의 인접하여 배치된 미세조직상의 미세한 분포를 확립함으로써 요건에 부합하는 기계적 특성을 달성하기 위해, 지르코늄 및 붕소의 첨가가 요구된다는 것이 밝혀졌다.
본 발명의 일차적 목표는 접합부의 특성이 사용된 기본 재료의 것에 부합하도록 종래의 강으로 고망간-함유량 오스테나이트 강의 혼합된 접합부를 생성하는 것이다.
이러한 목적을 위해, 이와 같은 접합부의 용접 금속 내에서 페라이트와 또한 마르텐사이트 미세조직 영역 사이의 이 페라이트 측으로부터 오스테나이트 측의 오스테나이트 미세조직 영역을 향하는 균질한 천이부를 조절하기 위한 목표를 가지고 시험이 수행되었고, 이 미세조직은 가능한 미세한 입자를 구비하였다.
시험은 t=1.50 mm의 시트 두께의 아연도금되지 않은 HSDR 강 및 H340LAD 등급이고, t=1.50의 시트 두께를 가진 용융 아연도금된 마이크로-합금된 미세한 입자의 강을 이용하여 수행되었다.
기본 재료는 다음의 중량%의 화학 조성을 가졌다:
HSD®(오스테나이트) H340LAD(페라이트)
C 0.7 0.064
Mn 15 0.652
Si 2.5 0.01
Al 2.5 0.038
Mo - 0.003
Ti - 0.0085
Nb - 0.0477
V - 0.003
P < 0.005 0.01
S < 0.02 0.004
N < 0.008 0.0041
시험을 위해, 금속 보호 가스 용접이 사용되었고, 예비 시험에서 다음의 공정 파라미터가 유리한 것으로 판명되었다.
용접 전류 76 - 115 A
전압 17.5-19 V
용접 속도 0.7-1 m/분
와이어 공급 속도 0.7-1.2 m/분
기체, 코로곤(Corgon) 10(15l/분)
버너 각도 β 60°
버너 각도 α 13°
프리 와이어 길이 10 mm
결정된 용접 파라미터에 기초하여, 표 1에 표시된 다양한 용접 첨가제가 사용되었다. 시험된 충전재 와이어 1-4의 합금 조성은 추가의 와이어 5와 달리 붕소 및 지르코늄이 첨가되지 않는다. 적합성 시험의 범위 내에서, 금속조직 분석용, 준정적(quasi-static) 시험용 및 동적 진동 시험용 샘플이 시간 강도 범위 내에서 제작되었다.
Figure pct00001
도 1은 기본 재료를 도시한다.
도 2는 충전재 와이어 5를 이용한 중공 시임의 횡방향 경도(HSD®: 상측, H340LAD: 하측)를 도시한다.
도 3은 최대 전단 하중력을 도시한다.
도 1은 미세조직을 가진 시험용으로 사용된 재료를 도시한다. 도 1의 좌하단의 미세조직 사진은 최대 Rm-1000 MPa의 인장 강도를 갖는 HSD® belt 등급의 고강도 고망간-함유량 오스테나이트 강의 미세조직을 보여준다. 높은 탄소 및 망간 함유량(입자 크기 특징 번호 10)에 기인되어 오스테나이트 기본 미세조직이 존재한다.
페라이트 접합부 상대방으로서 최대 550 MPa의 인장 강도를 갖는 H340LA 등급의 마이크로-합금된 미세한 입자의 구조용 강이 사용되었고, 이것의 기본 미세조직은 도 1의 우상단에 도시되어 있다. 마이크로 합금 원소인 Ti 및 Nb의 미세하게 분산된 카바이드 및 나이트라이드를 명확하게 볼 수 있다.
본 경우, 재료 HC340LAD는 아연 층(Z100)으로 용융 아연도금된 것이다. HSD®를 가진 접합부의 용접 중에 아연의 존재는 용접 충전재 와이어의 개발과 관련하여 스트립 아연 도금된 재료의 용접을 시험하기 위해 의도적으로 선택되었다. 오스테나이트 기본 재료 HSD®는 아연도금되지 않은 상태로 사용되었다.
도 2는 본 발명에 따른 충전재 와이어 5를 이용한 중공 시임 용접의 횡방향 마이크로-단면을 도시한다. HSD® 측 상의 열 영향 구역에 오스테나이트 미세조직이 존재한다.
HC340LAD에서 열 영향 구역 내에 순수 베이나이트 미세조직이 존재한다. 용접 금속 내에는 또한 전술한 합금 개념을 갖는 접합부에 비해 극히 미세한 입자가 존재하고, 오스테나이트 및 마르텐사이트 미세조직상이 균질하게 분산된 상태로 공존한다.
HSD®의 경도는 열 영향 구역에서 300 HV0.5인 HSD®의 기본 경도에 비해 약간 감소하는 것으로 예상된다. 반면에 용접 금속에서 HSD® 강의 기본 재료에서와 유사한 경도 값이 달성된다.
HC340LAD의 측상의 열 영향 구역에서 경도는 재료의 기본 경도까지 꾸준히 감소된다. 또한 이러한 경도의 과정은 용접 접합부의 전체에 걸쳐 HSD®의 기본 재료 경도로부터 출발하여 HC340LAD의 기본 재료 경도에 이르기까지 비교적 정상 상태의 경도 감소를 갖는다.
도 3은 준정적 전단 하중 시험으로부터 유도된 얻어진 최대 힘을 보여준다. 와이어 1의 첨가에 의해 제작된 샘플에서 Fmax = 25 kN을 초과하는 최대 힘이 달성된다. 이것에 의해 HC340LAD의 측 상에서 상측 시트 금속 상의 시임의 용융선을 따라 파단이 발생한다. 와이어 2의 첨가에 의해 생성되는 접합부에서, HSD 와이어에 의해 생성되는 접합부에 비해 약간 더 작은 최대 힘이 달성되고, 여기서 이것에 의해 개별 샘플은 또한 HC340LAD의 영향받지 않은 기본 재료 내에서 파손된다. 와이어 3의 첨가에 의해 생성되는 접합부에서 Fmax = 25 kN을 초과하는 최대 힘이 다시 측정된다. 이 경우 파단의 위치는 모든 샘플에서 HC340LAD의 영향받지 않은 기본 재료에서 관찰될 수 있다. 이것에 비해, 와이어 4 및 5의 첨가에 의한 접합부에서 더 큰 최대 힘이 달성되고(와이어 4의 첨가시, Fmax = 27 kN, 와이어 5의 첨가시, Fmax = 30 kN), 대부분의 샘플에서 파단의 위치는 HC340LAD의 상측 시트 금속 상의 시임의 용융선을 따라 존재한다.
검정 시험은 본질적으로 표준화된 H-샘플-형상 상의 동적 진동 하중 항에서의 지지 특성에 관한 시험을 포함한다. 이것에 의해 가스 용접된 혼합된 접합부의 보에흘러(Woehler) 다이어그램(힘 제어)은 높은 수준에서 결정된다. 2 Mio 하중 변화의 사이클의 위드스투드 수(withstood number)에서 파단 없는 소위 피로 시편이 40 kN의 하중 수평에서 달성되었다. The slope of the 보에흘러(Woehler) 다이어그램 at a k-값 close to k= 5에 근접한 k-값에서 보에흘러 다이어그램의 기울기는 동적 진동 하중 하에서의 높은 지지 특성을 반영하는 값을 나타낸다.
시험 결과 본 발명에 따른 용접 첨가제의 합금 조성에 의해 용접 접합부의 요구되는 특성이 안전하게 달성된다는 것이 밝혀졌다.

Claims (6)

  1. 오스테나이트 고망간-함유량 강 및 페라이트 강으로 제조되는 혼합된 접합부의 전기 아크 용접 및 레이저 빔 용접을 위한 용접 첨가제로서, 여기서 상기 고망간-함유량 강은 최소 7-30 중량%의 망간 함유량을 갖고, 상기 용접 첨가제는 하기의 중량%의 합금 원소를 포함하는, 용접 첨가제.
    C 0.04-1.0
    Mn 7-30
    Si ≤6
    Al ≤4
    Mo ≤ 2
    Ti ≤ 0.5
    Zr 0.01-0.1
    B 0.001-0.01
    P < 0.005
    S < 0.002
    N < 0.008
    잔부의 철 및 불가피한 강의 동반 원소.
  2. 제 1 항에 있어서,
    하기의 중량%의 합금 조성을 갖는, 용접 첨가제.
    C 0.1-0.7
    Mn 15-26
    Si ≤2.5
    Al ≤2.5
    Mo ≤ 1
    Ti ≤ 0.1
    Zr 0.01-0.08
    B 0.001-0.008
    P < 0.005
    S < 0.002
    N < 0.008
    잔부의 철 및 불가피한 강의 동반 원소.
  3. 제 2 항에 있어서,
    하기의 중량%의 합금 조성을 갖는, 용접 첨가제.
    C 0.1-0.3
    Mn 18-20
    Si ≤ 1
    Al ≤ 0.5
    Mo ≤ 1.0
    Ti ≤ 0.1
    Zr 0.01-0.04
    B 0.004-0.006
    P < 0.005
    S < 0.002
    N < 0.008
    잔부의 철 및 불가피한 강의 동반 원소.
  4. 코팅되지 않거나 코팅된 재료 상에 용접 접합부를 형성하기 위한 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 용접 첨가제의 용도.
  5. 금속 코팅을 갖는 재료를 위한 제 4 항에 따른 용접 첨가제의 용도.
  6. 아연 및/또는 알루미늄 및/또는 실리콘 및/또는 마그네슘에 기초하는 금속 코팅을 갖는 재료를 위한 제 5 항에 따른 용접 첨가제의 용도.
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