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WO2021112480A1 - 용접구조물의 제조방법 및 이에 의해 제조된 용접구조물 - Google Patents

용접구조물의 제조방법 및 이에 의해 제조된 용접구조물 Download PDF

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WO2021112480A1
WO2021112480A1 PCT/KR2020/016844 KR2020016844W WO2021112480A1 WO 2021112480 A1 WO2021112480 A1 WO 2021112480A1 KR 2020016844 W KR2020016844 W KR 2020016844W WO 2021112480 A1 WO2021112480 A1 WO 2021112480A1
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WO
WIPO (PCT)
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welded
steel sheet
galvanized layer
welded structure
galvanized
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/KR2020/016844
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English (en)
French (fr)
Inventor
김영하
최창식
박기현
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Posco Holdings Inc
Original Assignee
Posco Co Ltd
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Publication date
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Priority to JP2022533090A priority patent/JP7329692B2/ja
Priority to US17/780,180 priority patent/US20220410303A1/en
Priority to EP20895095.6A priority patent/EP4070903A4/en
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    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys

Definitions

  • the present invention relates to a welded structure, and to a method for manufacturing a welded structure having excellent spot weld crack resistance, and to a welded structure manufactured by the method.
  • Twinning Induced Plasticity steel (hereinafter also referred to as 'TWIP steel') is attracting attention as a next-generation high-strength and high-ductility steel sheet because it has a high strength of 900 MPa and a ductility of 40% or more.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2006-265671
  • One aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing a welded structure capable of effectively suppressing weld LME cracks generated during spot welding of a galvanized steel sheet having ultra-high strength, and a welded structure manufactured thereby.
  • One aspect of the present invention comprises the steps of: preparing two or more (sheets) of a material to be welded, which is a galvanized steel sheet having a galvanized layer on at least one surface of the holding steel sheet and the holding steel sheet; stacking the materials to be welded on top of each other; locating a welding electrode on a portion to be welded on the material to be welded; and spot welding with a filler metal interposed between the material to be welded and the electrode electrode.
  • alloying proceeds between the galvanized layer and the filler metal to form an Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound alloy phase at the interface between the galvanized layer and the base steel sheet, and the Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound It provides a method for manufacturing a welded structure, characterized in that the sum of the content of Fe and Mn in the alloy phase is 40 to 60% by weight.
  • Another aspect of the present invention is a welded structure in which two or more materials to be welded are laminated and spot welded,
  • the material to be welded is a galvanized steel sheet having a galvanized layer formed on at least one surface of the base steel plate and the base steel plate, and an Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound alloy phase at the interface between the galvanized layer and the base steel plate located in the weld region, It provides a welded structure, characterized in that the sum of the content of Fe and Mn in the Al-Fe-Zn-Mn intermetallic alloy phase is 40 to 60% by weight.
  • FIG. 1 schematically shows a spot welding method applicable to a method for manufacturing a welded structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a photograph showing a cross-section of a welded structure manufactured according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 and 6 are photographs showing the observation of the plating layer and the alloy phase of the plating layer / steel plate interface of Inventive Example 1 with a scanning electron microscope (SEM).
  • the present inventors have searched for a method for improving crack resistance during spot welding of galvanized steel sheets, and in particular, have studied in depth a method for providing a welded structure having excellent crack resistance during spot welding.
  • an ultra-high-strength galvanized steel sheet is spot-welded as a material to be welded, and in this case, when a filler metal is interposed between a galvanized steel sheet as a material to be welded and a welding electrode electrode, alloying between the plating layer and the filler metal during the welding process Through this, it is possible to increase the melting point of the plating layer of the weld zone, and as a result, it was found that crack resistance (welding LME resistance) can be improved, and the present invention was completed.
  • the method for manufacturing a welded structure prepares two or more (sheets) of a material to be welded, which is a steel sheet and a galvanized steel sheet provided with a galvanized layer on at least one surface of the steel sheet, and overlaps the materials to be welded. laminating; locating a welding electrode on a portion to be welded on the material to be welded; and interposing a filler metal between the material to be welded and the electrode electrode and performing spot welding.
  • two or more galvanized steel sheets are prepared as a material to be welded, and then these are stacked and laminated.
  • the galvanized steel sheet as the material to be welded may be a base steel sheet and a galvanized steel sheet provided with a galvanized layer on at least one surface of the base steel sheet, and a plating layer on the outermost surface (surface exposed to the outside) when laminating such a galvanized steel sheet can be stacked to have
  • the base steel sheet is not particularly limited, but as an example, the base steel sheet is a material that is prone to welding LME cracks, that is, 16.5 to 21% by weight of manganese (Mn) and aluminum (Al) in the steel. It may be a TWIP steel including, the TWIP steel may have properties of ultra-high strength. However, the present invention is not limited thereto.
  • the zinc plating layer formed on at least one surface of the base steel sheet may be any plating layer as long as it is by a plating method using zinc (Zn).
  • the galvanized layer may be any one of an electrogalvanized layer, a hot-dip galvanized layer, and an alloyed hot-dip galvanized layer, but is not limited thereto.
  • the zinc plating layer is a Zn-based plating layer, and may include a Zn-Al-based alloy plating layer, a Zn-Al-Si-based alloy plating layer, a Zn-Al-REM-based alloy plating layer, and the like.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the galvanized layer needs to have a certain thickness or more in order to exhibit resistance to external impact, and the thickness may be 4-20 ⁇ m.
  • the thickness of the galvanized layer is less than 4 ⁇ m, when the plated layer is damaged by an external impact, the sacrificial anticorrosive properties of zinc cannot be sufficiently exhibited, and corrosion of the base material is deepened.
  • the thickness exceeds 20 ⁇ m, zinc is consumed more than necessary, and as a result, the manufacturing cost rises, and as the thickness of the plating layer becomes thicker, the plating surface quality during the manufacture of hot-dip galvanized steel sheet or electrogalvanized steel sheet is deteriorated. There is a problem of being inferior.
  • the galvanized steel sheet having the above-described galvanized layer is not particularly limited in its thickness, and may be within a thickness range of a steel sheet used for an impact structural member among general automotive steel sheets, for example, 1.0 to 1.8 mm.
  • a welding electrode electrode may be positioned at a portion to be welded.
  • welding is performed in a state where the portion to be welded and the electrode electrode are in direct contact with each other, but in the present invention, the welding is performed after interposing a filler metal between the portion to be welded and the electrode electrode.
  • FIG. 1 schematically shows a spot welding method according to an embodiment of the present invention.
  • a galvanized steel sheet 3 is laminated in several layers, and a welding electrode 1 is placed on the surface to be welded among the surfaces exposed above and below the laminated galvanized steel sheet 3. can be located.
  • a filler metal 2 may be provided between the welding electrode 1 and the galvanized steel sheet 3 , and a filler metal 2 having a predetermined thickness may be used.
  • the form of the filler metal may be any one of a foil, a plate, and a wire, and the filler metal may be pure Al metal.
  • the filler metal may have a thickness of 40 to 180 ⁇ m.
  • the thickness of the filler metal is less than 40 ⁇ m, even if it is alloyed with the galvanized layer of the galvanized steel sheet as the material to be welded, the proportion of zinc in the plated layer is high (Zn-rich), so that some zinc is melted and there is a risk of welding LME cracking.
  • the thickness exceeds 180 ⁇ m, when the current is applied through the welding electrode, the galvanized layer and the filler metal are not sufficiently melted, so that the formation of a sufficient nugget cannot be achieved, so it may be difficult to secure welding strength. That is, during welding, current flows through the electrode of the welding rod in the order of filler metal ⁇ plating layer ⁇ base material (Fe). At this time, if the thickness of the filler metal is excessively thick, it is difficult to transfer current to the inside of the base material (Fe). It becomes difficult to form nuggets. As a result, the nugget may or may not be formed too small.
  • the ratio of the thickness (Tp) of the galvanized layer of the galvanized steel sheet and the thickness (Tf) of the filler metal is as follows: Relational expressions can be constrained.
  • the ratio of the thickness of the filler metal to the thickness of the galvanized layer is limited to 5 to 22. If the thickness ratio is less than 5, the zinc required for alloying with the galvanized layer is due to the relatively thin filler metal interposed therebetween. There is a risk that excess zinc than the amount of zinc penetrates into the base material (base steel sheet) in a molten state to cause LME cracks. On the other hand, when the thickness ratio exceeds 22, the nugget must be formed by resistance heat inside the base material by the current flowing through the filler metal and the galvanized layer to the base material. Failure to do so may result in improper welding.
  • spot welding can be performed in that state.
  • the spot welding conditions are not particularly limited, and an appropriate level of current can be applied in consideration of the thickness ratio of the galvanized layer and the filler metal.
  • the galvanized layer located in the weld zone specifically, the interface between the galvanized layer and the base steel sheet is an Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound alloy by Zn of the plating layer, Fe, Mn of the base steel sheet, and Al supplied from the filler metal. An image may be formed. Since the melting point of the Al-Fe-Zn-Mn intermetallic alloy phase formed in this way is as high as about 1170° C., which is a normal spot weld shoulder temperature, the spot weld shoulder part does not melt, so that welding LME cracks can be effectively suppressed. have.
  • the content of Fe and Mn contained in the Al-Fe-Zn-Mn intermetallic alloy phase may be 40 to 60 wt% in total. If the total content of Fe and Mn in the alloy phase is less than 40% by weight, a dense intermetallic compound alloy phase may not be formed, so that corrosion resistance and LME crack resistance may be inferior. On the other hand, when the total content exceeds 60% by weight, the brittleness of the alloy phase increases, and molten zinc penetrates along cracks generated in the alloy phase, which may cause LME cracks inside the base material.
  • the Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound alloy phase may have a thickness of 0.5 to 2.0 ⁇ m. If the thickness of the alloy phase is less than 0.5 ⁇ m, zinc molten in the spot welding process may easily penetrate into the base material to cause LME cracks. On the other hand, if the thickness exceeds 2.0 ⁇ m, the brittleness of the alloy phase increases, and molten zinc penetrates along the cracks generated in the alloy phase, which may cause LME cracks inside the base material.
  • the Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound alloy phase may be formed at intervals of 0.3 ⁇ m or less in a horizontal direction to a galvanized steel sheet as a material to be welded.
  • the welded structure manufactured by the manufacturing method of the present invention is a welded structure in which two or more materials to be welded are laminated and spot welded, wherein the two or more materials to be welded are a base steel plate and a zinc plated layer provided on at least one surface of the base steel plate. It is a plated steel sheet, and may include an Al-Fe-Zn-Mn intermetallic compound alloy phase in the galvanized layer located in the weld region.
  • the base steel sheet may be a TWIP steel including 16.5 to 21 wt% of Mn and Al as a sum of contents as described above.
  • the galvanized layer may also be any one of an electro-galvanized layer, a hot-dip galvanized layer, and an alloyed hot-dip galvanized layer as described above, but is not limited thereto.
  • FIGS. 2 to 6 are cross-sectional photographs of a welded structure according to an embodiment of the present invention.
  • the welded structure of the present invention may include a structure in which two or more galvanized steel sheets, which are materials to be welded, are laminated and point welded.
  • the intermetallic compound alloy phase made of Al-Fe-Zn-Mn may be included at the interface between the galvanized layer located in the spot welded region, that is, the weld region, and the base steel sheet.
  • the intermetallic compound alloy phase may be generated by alloying a filler metal with a galvanized layer of a galvanized steel sheet as a material to be welded during spot welding, and the entire filler metal may be alloyed with the galvanized layer.
  • the intermetallic compound alloy phase produced by alloying of the galvanized layer and the filler metal during spot welding has a thickness of 0.5 to 2.0 ⁇ m, and may be formed at intervals of 0.3 ⁇ m or less in a horizontal direction to a galvanized steel sheet as a material to be welded. .
  • the melting point of the alloy phase is about 1170° C., which is higher than about 800° C., which is a typical temperature of the spot weld shoulder, and it is possible to effectively suppress the melting of the plating layer in the spot weld shoulder during spot welding, and as a result, LME cracks It has the effect of securing excellent resistance.
  • a slab containing 19.75 wt% of Mn and Al in the steel was prepared, and a cold rolled steel sheet (TWIP steel) having a thickness of 1.2 mm was prepared through hot rolling and cold rolling for the slab. .
  • TWIP steel cold rolled steel sheet
  • the hot rolling and cold rolling were applied to the process conditions applied to the manufacturing of a conventional automotive steel sheet, which is disclosed by anyone skilled in the art can know the matter.
  • the welding current at the point in time when the blowout phenomenon occurred was set as the upper limit (expulsion current), and spot welding was performed at a current value 0.2 kA lower than the upper limit of the welding current.

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Abstract

본 발명은 초고강도를 가지는 아연도금강판의 점 용접시에 발생하는 용접 LME 크랙을 효과적으로 억제할 수 있는 용접구조물의 제조방법 및 이에 의해 제조된 용접구조물을 제공하고자 하는 것이다.

Description

용접구조물의 제조방법 및 이에 의해 제조된 용접구조물
본 발명은 용접구조물에 관한 것으로서, 점 용접 크랙저항성이 우수한 용접구조물의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 용접구조물에 관한 것이다.
쌍정유기소성강(Twinning Induced Plasticity steel, 이하 'TWIP강' 이라고도 한다)은 900MPa급의 고강도이면서도 40% 이상의 연성을 가지므로 고강도-고연성의 차세대 자동차용 강판으로 주목되고 있다.
그런데, 망간(Mn)과 알루미늄(Al)을 다량으로 함유하는 고망간 고알루미늄 TIWP강을 소지강판으로 사용하는 아연도금강판의 경우, 점 용접 과정에서 도금층의 아연(Zn)이 용해되어 액상의 용융 아연이 되고, 이 용융 아연이 모재의 결정립계로 침투하게 된다. 이로 인해, 모재에서 균열이 생겨 취성파괴가 발생하는, 이른 바 용접 액상금속취화(Liquid Metal Embrottlement, 이하 'LME'라 함)를 일으키게 된다.
위와 같은 용접 LME의 발생을 방지하기 위한 방안으로서, 종래에는 Ti, Nb, Mo 및 Zr계 석출물 또는 복합 석출물이 분산되도록 입도 입세화를 통해 응력을 분산시키는 방법 등이 제안되었으나, 이러한 방법으로는 LME 크랙 발생을 억제하는 데에 한계가 있다.
(선행기술문헌)
(특허문헌 1) 일본공개특허 특개2006-265671호
본 발명의 일 측면은, 초고강도를 가지는 아연도금강판의 점 용접시에 발생하는 용접 LME 크랙을 효과적으로 억제할 수 있는 용접구조물의 제조방법 및 이에 의해 제조된 용접구조물을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 구비된 아연도금강판인 피용접재를 2(매) 이상 준비하는 단계; 상기 피용접재들을 겹쳐 적층하는 단계; 상기 피용접재의 용접할 부위에 용접봉 전극을 위치시키는 단계; 및 상기 피용접재와 상기 용접봉 전극 사이에 필러 금속을 개재하고 점 용접하는 단계;를 포함하고,
상기 점 용접시 상기 아연도금층과 필러 금속 간에 합금화가 진행되어 아연도금층과 소지강판의 계면에 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상을 형성하며, 상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상 내 Fe와 Mn의 함량 합이 40~60중량%인 것을 특징으로 하는 용접구조물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 2(매) 이상의 피용접재가 적층되어 점 용접된 용접구조물로서,
상기 피용접재는 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 형성된 아연도금강판이고, 용접부 영역에 위치한 아연도금층과 소지강판 계면에 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상을 포함하며, 상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상 내 Fe와 Mn의 함량 합이 40~60중량%인 것을 특징으로 하는 용접구조물을 제공한다.
본 발명에 의하면, 점 용접시 우수한 크랙 저항성을 나타내는 용접구조물을 제조하는 방법과 이로부터 점 용접 크랙 저항성이 우수한 용접구조물을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접구조물의 제조방법에 적용할 수 있는 점 용접 방법을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 용접구조물의 단면을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 3은 발명예 1의 점 용접 어깨부를 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 3의 점 용접 어깨부를 광학현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 5 및 도 6은 발명예 1의 도금층 및 도금층/소지강판 계면의 합금상을 전자주사현미경(SEM)으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명자들은 아연도금강판의 점 용접시 크랙 저항성을 향상시킬 수 있는 방안에 대하여 모색하였으며, 특히 점 용접시 크랙 저항성이 우수한 용접구조물을 제공할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다.
그 결과, 피용접재로서 초고강도 아연도금강판을 점 용접하며, 이때 피용접재인 아연도금강판과 용접봉 전극 사이에 필러 금속(filler metal)을 개재하여 행하는 경우, 용접과정에서 도금층과 필러 금속 간의 합금화를 통해 용접부 도금층의 융점을 상승시킬 수 있고, 그 결과 크랙 저항성(용접 LME 저항성)을 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
이하에서는 본 발명의 일 측면에 따른 용접구조물의 제조방법에 대하여 자세히 설명한다.
본 발명에서 각 원소의 함량을 나타낼 때 특별히 달리 정하지 아니하는 한, 중량%를 의미한다는 것에 유의할 필요가 있다. 또한, 결정이나 조직의 비율은 특별히 달리 표현하지 아니하는 한 면적을 기준으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 용접구조물의 제조방법은 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 구비된 아연도금강판인 피용접재를 2(매) 이상 준비하고, 상기 피용접재들을 겹쳐 적층하는 단계; 상기 피용접재의 용접할 부위에 용접봉 전극을 위치시키는 단계; 및 상기 피용접재와 상기 용접봉 전극 사이에 필러 금속을 개재하고 점 용접하는 단계;를 포함할 수 있다.
우선, 피용접재로서 2매 이상의 아연도금강판을 준비한 다음, 이들을 겹쳐서 적층한다.
본 발명에서 피용접재인 아연도금강판은 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 구비된 아연도금강판일 수 있으며, 이러한 아연도금강판의 적층시 최외표면(외부에 노출되는 표면)에 도금층을 가지도록 적층할 수 있다.
여기서, 상기 소지강판에 대해 특별히 한정하지는 아니하나, 일 예로서 상기 소지강판은 용접 LME 크랙이 발생하기 쉬운 소재 즉, 강 중에 망간(Mn)과 알루미늄(Al)을 함량 합으로 16.5~21중량% 포함하는 TWIP 강일 수 있으며, 상기 TWIP강은 초고강도의 물성을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 소지강판의 적어도 일면에 형성된 아연도금층은 아연(Zn)을 이용한 도금방법에 의한 것이라면 어떠한 도금층도 가능하다. 일 예로, 상기 아연도금층은 전기아연도금층, 용융아연도금층, 합금화 용융아연도금층 중 어느 하나 일 수 있으며, 이에 한정하는 것은 아니다. 나아가, 상기 아연도금층은 Zn계 도금층으로서, Zn-Al계 합금도금층, Zn-Al-Si계 합금도금층, Zn-Al-REM계 합금도금층 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
상기 아연도금층은 외부 충격에 대한 저항성을 나타내기 위해서는 일정 이상의 두께를 가질 필요가 있으며, 그 두께는 4~20㎛일 수 있다.
상기 아연도금층의 두께가 4㎛ 미만이면 외부 충격에 의해 도금층이 손상된 경우, 아연의 희생방식특성을 충분히 발휘할 수 없어, 모재의 부식이 심화되는 문제가 있다. 반면, 그 두께가 20㎛를 초과하게 되면 필요 이상으로 아연이 소모됨에 따라, 제조원가의 상승은 물론, 도금층의 두께가 두꺼워짐에 따라 용융아연도금강판 또는 전기아연도금강판의 제조시 도금 표면품질이 열위해지는 문제가 있다.
상술한 아연도금층을 가지는 아연도금강판은 그 두께에 대해 특별히 한정하지 아니하며, 일반적인 자동차용 강판 중 충격 구조부재용으로 사용되는 강판의 두께 범위 내, 예를들어 1.0~1.8mm일 수 있다.
상술한 바에 따라, 피용접재 즉, 2매 이상의 아연도금강판을 적층한 후 용접할 부위에 용접봉 전극을 위치시킬 수 있다.
통상, 상기 용접할 부위와 용접봉 전극이 직접 맞닿은 상태로 용접을 행하나, 본 발명에서는 상기 용접할 부위와 용접봉 전극 사이에 필러 금속(filler metal)을 개재한 후 용접을 행하는 특징이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 점 용접 방법을 도시적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 피용접재로서 아연도금강판(3)이 여러 겹 적층되어 있으며, 적층된 아연도금강판(3) 상·하에 노출된 표면 중 용접할 부위에 용접봉 전극(1)이 위치할 수 있다. 그리고, 상기 용접봉 전극(1)과 아연도금강판(3) 사이에 필러 금속(2)이 개시될 수 있으며, 상기 필러 금속(2)은 소정의 두께를 가지는 것을 이용할 수 있다.
상기 필러 금속(filler metal)의 형태는 포일(foil), 플레이트(plate) 및 와이어(wire) 중 어느 하나일 수 있으며, 이러한 필러 금속은 순수 Al 금속일 수 있다.
상기 필러 금속은 그 두께가 40~180㎛일 수 있다.
만일, 상기 필러 금속의 두께가 40㎛ 미만이면 피용접재인 아연도금강판의 아연도금층과 합금화 되더라도 도금층 중 아연의 비율이 높아(Zn-rich) 일부 아연이 용융되어 용접 LME 크랙이 발생할 우려가 있다. 반면, 그 두께가 180㎛를 초과하게 되면 용접봉 전극을 통한 전류 인가시, 아연도금층 및 필러 금속의 용융이 충분하지 않게 되어 충분한 너겟(nugget)의 형성이 이루어지지 못하여 용접강도 확보가 어려울 수 있다. 즉, 용접시 전류가 용접봉 전극을 타고 필러 금속 → 도금층 → 모재(Fe) 순으로 흐르게 되는데, 이때 필러 금속의 두께가 과도하게 두꺼우면 모재(Fe) 내부까지 전류의 전달이 용이하지 못하여 모재 내부에서 너겟 형성이 용이하지 않게 된다. 그 결과, 너겟이 너무 작게 형성되거나 형성되지 않을 수도 있다.
상술한 두께의 필러 금속을 피용접재인 적층된 아연도금강판과 용접봉 전극 사이에 개시함에 있어서, 상기 아연도금강판의 아연도금층의 두께(Tp)와 상기 필러 금속의 두께(Tf)의 비율을 다음의 관계식으로 제한할 수 있다.
[관계식]
5 ≤ Tf/Tp ≤ 22
구체적으로, 상기 아연도금층의 두께에 대한 필러 금속의 두께의 비를 5~22로 제한하는 것으로서, 그 두께 비가 5 미만이면 상대적으로 얇은 두께의 필러 금속이 개재됨에 따라 아연도금층과의 합금화에 필요한 아연의 양 보다 과잉의 아연이 용융상태로 모재(소지강판) 내로 침투하여 LME 크랙을 유발할 우려가 있다. 반면, 그 두께 비가 22를 초과하게 되면 필러 금속과 아연도금층을 통하여 모재로 흐른 전류에 의해 모재 내부에 저항열에 의한 너겟 형성이 이루어져야 하는데, 상대적으로 두꺼운 필러 금속에 의해 모재 내부에 너겟 형성이 충분하게 이루어지지 못하게 되어 용접이 제대로 행해지지 못할 수 있다.
상술한 두께 비를 가지도록 피용접재인 적층된 아연도금강판과 용접봉 전극 사이에 필러 금속이 개재되면, 그 상태에서 점 용접을 행할 수 있다. 이때의 점 용접 조건은 특별히 한정하지 아니하며, 아연도금층과 필러 금속의 두께 비를 고려하여 적절한 수준의 전류를 인가할 수 있음을 밝혀둔다.
점 용접이 진행되면, 용접열에 의해 용접과정에서 아연도금층과 필러 금속 간에 합금화가 진행된다. 이로 인해, 용접부 영역에 위치한 아연도금층, 구체적으로 아연도금층과 소지강판의 계면에는 도금층의 Zn, 소지강판의 Fe, Mn, 필러금속으로부터 공급된 Al에 의해 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상이 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상의 융점은 통상의 점 용접 어깨부 온도인 약 1170℃ 수준으로 높기 때문에, 점 용접 어깨부 부분이 용융되지 않아 용접 LME 크랙이 효과적으로 억제될 수 있다.
상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상 내에 함유된 Fe와 Mn의 함량은 총합으로 40~60중량%일 수 있다. 상기 합금상 내 Fe와 Mn의 총 함량이 40중량% 미만이면 치밀한 금속간 화합물 합금상이 형성되지 못하여 내식성 및 LME 크랙 저항성이 열위해질 우려가 있다. 반면, 그 총 함량이 60중량%를 초과하게 되면 합금상의 취성이 증가하여 합금상 내 발생된 크랙을 따라 용융된 아연이 침투하여 모재 내부로 LME 크랙을 유발할 가능성이 있다.
또한, Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상은 그 두께가 0.5~2.0㎛일 수 있다. 상기 합금상의 두께가 0.5㎛ 미만이면 점 용접 과정에서 용융된 아연이 모재로의 침투가 용이해져 LME 크랙을 유발할 수 있다. 반면, 그 두께가 2.0㎛를 초과하게 되면 합금상의 취성이 증가하여 합금상 내 발생된 크랙을 따라 용융된 아연이 침투하여 모재 내부로 LME 크랙을 유발할 수 있다.
더욱이, 상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상은 피용접재인 아연도금강판에 수평한 방향으로 0.3㎛ 이하의 간격으로 형성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면으로서, 상술한 용접구조물의 제조방법에 의해 제조되는 용접구조물에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법에 의해 제조되는 용접구조물은 2매 이상의 피용접재가 적층되어 점 용접된 용접구조물로서, 상기 2매 이상의 피용접재는 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 구비된 아연도금강판이고, 용접부 영역에 위치한 아연도금층 내에 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 소지강판은 상술한 바와 같이 Mn과 Al을 함량 합으로 16.5~21중량% 포함하는 TWIP강일 수 있다. 상기 아연도금층 역시 앞서 언급한 바와 같이 전기아연도금층, 용융아연도금층 및 합금화 용융아연도금층 중 어느 하나일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아님을 밝혀둔다.
도 2 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 용접구조물의 단면 사진을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 용접구조물은 피용접재인 2매 이상의 아연도금강판이 적층되어 점 용접된 구조를 포함할 수 있다.
또한, 도 3 내지 6을 참조하여 설명하면, 점 용접된 영역 즉, 용접부 영역에 위치한 아연도금층과 소지강판 계면에 Al-Fe-Zn-Mn으로 이루어진 금속간 화합물 합금상을 포함할 수 있다.
상기 금속간 화합물 합금상은 점 용접시에 피용접재인 아연도금강판의 아연도금층과 필러 금속의 합금화에 의해 생성될 수 있으며, 필러 금속 전체가 아연도금층과 합금화될 수 있다.
점 용접시 아연도금층과 필러 금속의 합금화에 의해 생성된 상기 금속간 화합물 합금상은 0.5~2.0㎛의 두께를 가지며, 피용접재인 아연도금강판에 수평한 방향으로 0.3㎛ 이하의 간격으로 형성될 수 있다.
상기 합금상의 간격이 0.3㎛를 초과할 경우, 점 용접 과정에서 용융된 아연이 모재로의 침투가 용이해져 LME 크랙을 유발할 우려가 있다.
상기 합금상의 융점은 약 1170℃로서, 이는 통상적인 점 용접 어깨부의 온도인 약 800℃를 상회하는 바, 점 용접시에 점 용접 어깨부에서의 도금층 용융을 효과적으로 억제할 수 있으며, 그 결과 LME 크랙 저항성을 우수하게 확보하는 효과가 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
피용접재를 얻기 위하여, 강 중에 Mn과 Al을 총 함량으로 19.75중량% 함유하는 슬라브를 준비하고, 상기 슬라브에 대해 열간압연 및 냉간압연을 거쳐 1.2mm 두께의 냉연강판(TWIP강)을 제조하였다. 이때, 열간압연 및 냉간압연은 통상의 자동차용 강판을 제조하는 데에 적용되는 공정조건을 적용하였으며, 이는 통상의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 사항에 해당함을 밝혀둔다.
이후, 전기아연도금공정을 통해 상기 냉연강판에 아연을 도금하였으며, 이때 도금부착량이 60g/m 2의 수준을 유지하도록 하였다.
점 용접성을 평가하기 위하여, 상기에 따라 제조된 전기아연도금강판을 2매 준비하여 적층한 후, 선단경 6mm인 Cu-Cr 전극을 사용하여 용접 전류를 흘려주며 가압력 2.6kN으로 16Cycle의 통전시간과 15Cycle의 홀딩(holding) 시간 조건으로 점 용접을 실시하였다. 이때, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 두께를 가지는 필러 금속(순수 Al 금속재)을 상기 전기아연도금강판과 전극 사이에 개재한 후에 점 용접을 행하였으며, 비교예 3의 경우 필러 금속의 개재 없이 점 용점을 행하였다.
점 용접은 날림 현상이 발생하는 시점의 용접 전류를 상한(Expulsion current)으로 정하였으며, 상기 용접 전류의 상한으로부터 0.2kA 낮은 전류값에서 점 용접을 실시하였다.
점 용접을 완료한 후, 용접부 압흔 중앙을 절개한 다음, 단면 조직사진 상에서 점 용접 어깨부 네 군데(좌상, 좌하, 우상, 우하)에 점 용접 LME 크랙이 발생되었는지 광학현미경(100배 배율)으로 관찰하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
구분 필러 금속
두께
(㎛_Tf)		 아연도금층
두께
(㎛_Tp)		 두께비
(Tf/Tp)		 합금상 내
Fe+Mn
(중량%)		 합금상
두께
(㎛)		 어깨부 LME
크랙 길이
(㎛)		 너겟 형성
여부
발명예 1 60 8 7.5 44.05 1.36 0 형성
발명예 2 50 8 6.25 42.76 1.35 0 형성
발명예 3 60 6 10 55.23 1.48 0 형성
발명예 4 90 12.5 7.2 43.65 0.95 0 형성
발명예 5 170 8 21.25 48.86 0.63 0 형성
비교예 1 15 8 1.88 18.77 0.23 47 형성
비교예 2 35 8 4.38 26.23 0.46 36 형성
비교예 3 0 8 0 21.75 0 83 형성
비교예 4 200 8 25 2.62 0.72 0 미형성
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 일정 두께의 필러 금속을 이용하고, 아연도금층과의 두께비가 본 발명에서 제안하는 바를 만족하여 점 용접을 행한 발명예 1 내지 5는 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상이 형성되었다. 특히, 형성된 합금상 내 Fe+Mn의 총 함량, 합금상의 두께가 본 발명에서 제안하는 바를 만족함에 따라, 점 용접 LME 크랙이 발생하지 않고, 너겟이 형성되어 우수한 점 용접 크랙 저항성을 나타냈다.
반면, 필러 금속을 적용하였음에도 불구하고, 아연도금층과의 두께비가 본 발명에서 제안하는 바를 벗어나서 점 용접을 행한 비교예 1 및 2는 점 용접시 합금화에 의해 합금상이 형성되었음에도 불구하고, Zn-rich 합금상이 형성됨에 따라 점 용접 어깨부의 온도가 약 800℃까지 승온되는 과정에서 액상 아연이 모재 입계로 침투됨에 따라 LME 크랙 길이가 과도하였다.
필러 금속을 개재하지 않고 점 용접을 행한 비교예 3 역시, 용접 과정에서 액상 아연이 모재 입계로 침투되어 LME 크랙 저항성이 매우 열위하였다.
한편, 필러 금속의 두께가 과도하게 두꺼운 비교예 4의 경우, 용접봉 전극을 통해 전류 인가시 입열량이 충분하지 못하여 모재 내에서 너겟이 형성되지 못하였다. 이는 용접부의 용접 강도가 열위함을 의미한다.
(부호의 설명)
1: 용접봉 전극
2: 필러 금속
3: 아연도금강판

Claims (13)

  1. 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 구비된 아연도금강판인 피용접재를 2(매) 이상 준비하는 단계;
    상기 피용접재들을 겹쳐 적층하는 단계;
    상기 피용접재의 용접할 부위에 용접봉 전극을 위치시키는 단계; 및
    상기 피용접재와 상기 용접봉 전극 사이에 필러 금속을 개재하고 점 용접하는 단계;를 포함하고,
    상기 점 용접시 상기 아연도금층과 필러 금속 간에 합금화가 진행되어 아연도금층과 소지강판의 계면에 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상을 형성하며,
    상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상 내 Fe와 Mn의 함량 합이 40~60중량%인 것을 특징으로 하는 용접구조물의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상은 0.5~2.0㎛의 두께를 가지며, 상기 아연도금강판에 수평한 방향으로 0.3㎛ 이하의 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 용접구조물의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 아연도금층의 두께를 Tp, 상기 필러 금속의 두께를 Tf라 할 때,
    상기 아연도금층과 필러 금속의 두께 비(Tf/Tp)가 하기 관계식을 만족하는 것인 용접구조물의 제조방법.
    [관계식]
    5 ≤ Tf/Tp ≤ 22
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 아연도금층은 4~20㎛의 두께를 가지는 것인 용접구조물의 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 필러 금속은 순수 Al 금속인 용접구조물의 제조방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 필러 금속은 40~180㎛의 두께를 가지는 것인 용접구조물의 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 필러 금속은 포일(foil), 플레이트(plate) 및 와이어(wire) 중 어느 하나의 형태인 용접구조물의 제조방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 소지강판은 Mn과 Al을 함량 합으로 16.5~21중량% 포함하는 TWIP 강인 용접구조물의 제조방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 아연도금층은 전기아연도금층, 용융아연도금층 및 합금화 용융아연도금층 중 어느 하나인 용접구조물의 제조방법.
  10. 2(매) 이상의 피용접재가 적층되어 점 용접된 용접구조물로서,
    상기 피용접재는 소지강판 및 상기 소지강판의 적어도 일면에 아연도금층이 형성된 아연도금강판이고,
    용접부 영역에 위치한 아연도금층과 소지강판 계면에 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상을 포함하며, 상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상 내 Fe와 Mn의 함량 합이 40~60중량%인 것을 특징으로 하는 용접구조물.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 Al-Fe-Zn-Mn 금속간 화합물 합금상은 0.5~2.0㎛의 두께를 가지며, 상기 아연도금강판에 수평한 방향으로 0.3㎛ 이하의 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 용접구조물.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 소지강판은 Mn과 Al을 함량 합으로 16.5~21중량% 포함하는 TWIP 강인 용접구조물.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 아연도금층은 전기아연도금층, 용융아연도금층 및 합금화 용융아연도금층 중 어느 하나인 용접구조물.
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