KR102119964B1

KR102119964B1 - 아연 도금강판의 겹치기 용접방법

Info

Publication number: KR102119964B1
Application number: KR1020180129810A
Authority: KR
Inventors: 배규열; 김호수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2020-06-05
Also published as: CN112930239A; KR20200048105A; MX2021004206A; JP7190562B2; JP2022502264A; WO2020091254A1; US20210394294A1; EP3875205A1

Abstract

아연 도금강판의 겹치기 용접방법이 제공된다.
본 발명의 아연 도금강판의 겹치기 용접방법은, 용접재료를 이용하여 아연도금강판을 겹치기 용접하는 방법에 있어서, 용접 시, 용접 전류 150~300A, 보호가스 Ar+10~30% CO2의 혼합가스, 그리고 관계식 1에 의해 정의되는 용접 극성 분율이 0.25~0.35 범위를 만족하도록 용접 극성을 교대로 변경하는 것을 특징으로 한다.

Description

아연 도금강판의 겹치기 용접방법{METHOD FOR WELDING A ZINC COATED STEEL SHEET}

본 발명은 자동차 샤시부품 등에 적용되는 인장강도 780MPa 이상 및 두께 6mm 이하의 아연도금(Hot-dip Gavanizing) 강판의 겹치기 용접 방법에 관한 것으로, 용접 시 아크 전류의 극성을 적정 분율로 제어하여 겹침 이음부 간극 부여 및 아크위치 변경 등 기존의 제약 조건 도입 없이 용접속도 100cm/min까지 용접부 기공 결함을 효과적으로 저감하여 용접금속의 강도를 향상시킬 수 있는 아연도금강판의 겹치기 용접 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 샤시부품류 또한 이러한 기조에 따라 경량화를 위한 고강도강재 적용이 필요한 실정이다. 부품 경량화 달성을 위해서는 소재의 고강도화가 필수적이며, 반복적인 피로하중이 가해지는 환경에서 고강도강재로 제작된 부품의 내구성능 보증이 중요한 요소라 할 수 있다. 자동차 샤시부품 조립시 강도 확보를 위해 주로 이용되는 아크용접의 경우, 용접와이어의 용착에 의해 부품간 겹침이음 용접이 이루어지므로 특히 고강도강의 경우 용접금속의 강도 확보가 중요하다. 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 강도를 저하시키는 요인이 되고 있다. 특히 고강도강일수록 용접금속부 기공결함에 따른 강도부족으로 인해 용접금속 파손이 발생될 수 있는 우려가 크다.

종래 특허인 특허문헌 1에 따르면 Zn계 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 한계를 지닌다. 또한, 특허문헌 2에 따르면 상기 문제를 해결하고자, Ar에 CO₂와 O₂를 혼합한 삼원계 보호가스와 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.

일본 특허공개공보 2016-101593호 일본 특허공개공보 2015-167981호

따라서 본 발명은 아연도금강판의 겹치기 용접 시, 용접부의 기공결함이 효과적으로 저감할 수 있도록 아크용접 전류의 극성분율을 최적화함으로써 기존의 용접 겹침 이음부의 간극 부여, 이음 폭 조정 및 아크 위치 변경 등의 용접 제약 조건 없이 인장강도 780MPa 이상 및 두께 6mm 이하의 아연도금강판을 부품 용접부를 제공할 수 있는 아연 도금강판의 겹치기 용접방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

용접재료를 이용하여 아연도금강판을 겹치기 용접하는 방법에 있어서, 용접시, 용접 전류 150~300A, 보호가스 Ar+10~30% CO2의 혼합가스, 그리고 하기 관계식 1에 의해 정의되는 용접 극성 분율이 0.25~0.35 범위를 만족하도록 용접 극성을 교대로 변경함으로써 용접 금속의 기공 결함을 줄일 수 있는 아연도금강판의 용접 방법에 관한 것이다.

[관계식 1]

EN_R,%/(EP_R,%+EN_R,%)

여기에서, EN_R,%은 음극 용접 극성 분율을, EP_R,%은 양극 용접 극성 분율을 나타낸다.

상기 용접재료는 E70C-GS Φ1.0 metal cored wire일 수 있다.

상기 용접이음부 간극이 0mm일 수 있다.

상기 용접전류가 200~270A일 수 있다.

상기 아연도금강판은 HGI 780HB강일 수 있다.

본 발명에 의하면, 아크용접 전류의 극성 분율 최적화를 통해 이음부 간극이 없는 겹침이음 용접부의 효과적인 기공결함 저감이 가능하여, 이에 따라 제조된 인장강도 780MPa 이상의 아연도금강판 부품의 용접부 강도를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서 자동차 샤시부재 등과 같은 부품류의 고강도, 박물화에 따른 방청성 확보를 위한 아연도금강판의 채용을 확대할 수 있는 산업적 의의를 가질 수 있다

도 1은 본 발명의 일실시예 따른 아크용접 전류 극성분율을 나타내는 모식도이다.
도 2는 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 전, 후의 용접 비드의 단면 사진이다(이용된 용접모재는 HGI 780Hyber Burring강 2.0mmt로서 인장 강도가 810MPa이고 그 도금부착량이 편면 100g/m²이다).
도 3은 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 후의 용접부 외관 및 용접부 X-선 투과 결과를 나타내는 사진이다(용접속도 100cm/min).
도 4는 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 후의 용접부 경도측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 후의 용접부 인장곡선 결과를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명자들은 아연도금강판의 겹치 용접시, 아크용접 전류의 극성분율을 최적으로 제어함으로서 용접으로 형성되는 융융지를 진동시켜 아연 증기를 외부로 효과적으로 배출시키는 것이 가능하고, 이에 의해 궁극적으로 용접 금속의 기공 결함을 저감할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다.

즉, 본 발명의 아연도금강판의 용접방법은, 용접재료를 이용하여 아연도금강판을 겹치기 용접하는 방법에 있어서, 용접 시, 용접 전류 150~300A, 보호가스 Ar+10~30% CO2의 혼합가스, 그리고 하기 관계식 1에 의해 정의되는 용접 극성 분율이 0.25~0.35 범위를 만족하도록 용접 극성을 교대로 변경시키는 것을 특징으로 한다.

먼저, 본 발명은 아연도금강판의 겹치기 용접방법에 관한 것이다.

상기 겹치기 용접 방법이란 제1 아연도금강판 및 상기 제1 도금강판상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 아연도금강판을 겹치기 아크 용접을 통해 용접 금속을 형성하면서 용접하는 방법을 말한다.

본 발명에서 상기 아연도금강판은 일반 아연도금된 열연 내지 냉연강판을 포함하며, 나아가, 상기 도금강판은 Zn-Mg-Al계 합금 도금강판 일 수도 있다.

본 발명에서는 제1 아연도금강판 및 상기 제1 도금강판 상에 일부가 겹치도록 적층된 제2 아연도금강판을 아크 용접을 통해 접합시켜 용접 금속을 형성한다. 즉, 상기 제1 아연도금강판과 상기 제2 아연도금강판을 준비한 후, 상기 제1 도금강판 상에 상기 제2 도금강판을 적어도 일부가 겹치도록 적층하여 용접라인(welding line)을 형성하고, 이후, 상기 형성된 용접라인을 따라 실드 가스를 제공하면서 용접재료에 용접전류를 공급하면, 아크를 발생되어 아크 용접을 진행할 수 있는 것이다.

본 발명에서는 이때, 용접 이음부의 겹침 폭은 약 25mm 정도로 적용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 본 발명에서는 상기 용접재료는 E70C-GS Φ1.0 metal cored wire를 이용할 수 있으며, 특별히 용접재료의 종류 및 성분에 제한되지 않는다.

그리고 용접 시 용접 전류는 150A 이상 및 300A 이하로 제한함이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 200A 이상 및 270A 이하로 제한하는 것이다. 전류가 너무 낮을 경우, 아크력 감소로 도금 증기 배출 효과가 떨어지고, 반대로 전류가 너무 높을 경우, 용융 용접금속부가 불안정하여 기공결함 발생이 증가할 수 있다

또한 본 발명에서 용접 시 보호가스로 Ar에 10~30%CO2를 혼합하는 것이 필요하다. 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.

또한 본 발명에서는 상기 아크 용접 시, 용접 토치각도 30~45°와 진행각 0~25°범위로 관리함이 바람직하다.

아울러, 본 발명에서는 용접 이음부의 간극을 0mm로 적용할 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다

한편, 아연도금강판의 겹치기 용접의 경우, 아크 용접 시, 아크 열에 의해 비점이 낮은 아연도금층이 아연 가스가 되어 용융지의 상부로 부상하는데, 이의 대부분이 방출되나 일부가 용융지에 잔류하여 응고시 구상의 공동인 블로우홀이 형성된다. 따라서 용접으로 제조된 용접금속 내부에 기공결함을 가지게 되고, 이에 따라 우수한 인장강도를 갖는 용접금속을 얻을 수 없다는 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 하기 관계식 1에 의해 정의되는 용접 극성 분율이 0.25~0.35 범위를 만족하도록 용접 극성을 번갈아 변경시키는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 용접으로 형성되는 융융지를 진동시켜 아연 증기를 배출함으로써 용접 금속의 기공 결함을 줄일 수 있다.

[관계식 1]

EN_R,%/(EP_R,%+EN_R,%)

도 1은 본 발명의 일실시예 따른 아크용접 전류 극성분율을 나타내는 모식도이다. 도 1과 같이, 용접 극성 분율을 적절하게 혼합하여 가변시킴으로 아크압력 및 용적 이행 주파수 증대로 용융지 진동이 증가하여 아연 증기 배출 증대를 촉진할 수 있다.

본 발명에서 이와 같이, 아연도금강판의 겹치기 용접 시, 용융지에서 아연 증기를 효과적으로 배출하기 위하여 용접재료의 양극 극성분율(EP_R,%)과 용접모재의 음극 극성분율( EN_R,%)을 상기 관계식 1의 값이 적정치가 되도록 제어함을 특징으로 하며, 이러한 개념의 도입은 아래와 같은 기술사상에 기인한다.

일반적인 DCEP, Pulse의 경우 아크 수축에 의한 입열 증가로 용융지 부피가 증가하여 용접시 발생한 아연 증기에 의한 기공 배출이 저감되는 한계점이 있다. 이에 반해 DCEP와 DCEN 극성을 적정 분율로 혼합하여 가변하는 경우 아크 수축 및 산소 분위기 증가로 DCEN 주기에서 와이어의 음극성 활성화 증대가 가능하다. 즉, DCEN 주기 중 와이어 상단에서 음극점 발생 및 아크 집중이 빈번하여 와이어가 가열되고,이어지는 DCEP 주기에서 전류 패스가 유지되면서 와이어 상단에서 아크가 발생하게 된다. 이때 globular 및 spray 용적이행 모드가 발생하여 용적 이행 주파수가 증가함과 동시에 아크 압력 가압 주파수가 동시에 증가하여 용융지 내에 발생한 기공 배출을 극대화할 수 있는 것이다.

따라서, 가변극성 아크의 경우 아크 압력 및 용적 이행이 불규칙적이며 고주파이기 때문에 기공 배출 효과가 우수하다. 다만 DCEN 극성분율이 적정치 미만으로 낮을 경우, 상기 관계식 1에 의해 정의되는 값이 0.25미만이면 그 효과가 감소한다.

한편 HGI와 같은 아연도금강판의 경우, 아연도금층의 영향으로 DCEN 극성에서 아크가 편심되는 현상이 발생하여 모재 표면에 음극점이 넓은 영역에 분포함에 따라 아크 유효 반경이 감소되거나, 또는 음극점이 특정 영역에 집중되는 현상이 발생하여 용접입열 효율이 저하된다. 또한 DCEN 극성 분율이 높을수록 조대하고 불안정한 globular 이행 및 아크가 발생하고 용적에 음극점 노출 시간이 증가하여 용적 표면의 cathode jet 발생으로 인해 매우 불안정하고 과도한 스패터가 발생함에 따라 아크 불안정 및 기공 배출 저감으로 나타난다. 즉, DCEN 극성 분율이 적청치 (관계식 1에 의해 정의되는 값이 0.35를 초과)를 초과할 경우, 오히려 용접부 기공결함 발생 억제에 역효과가 있다

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

편면 도금부착량이 100g/m²인 2.0mmt의 HGI 780Hyber Burring 강판 2장을 25mm가 서로 겹치도록 한 후, 그 연결부를 용접하였다. 구체적으로, 표 1-2에 각각 나타난 바와 같은 용접재료 및 용접 조건을 이용하여, 상기 HGI 780HB강을 겹치기 용접하였다. 그리고 이때의 피트 발생 유무 및 기공면적율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었으며, 용접부의 인장강도 및 파단위치를 측정하여 표 2에 나타내었다.

표기	용접재료	용접조건 (용접전류-전압-속도)	전류특성	피트	기공면적율	비고
1	ER70S-6Φ1.2	202A-20.6V-0.6m/min	EP:EN=100:0	X	1.55%	비교예1
2	ER70S-6Φ1.2	242A-23.7V-0.8m/min	EP:EN=100:0, Pulse	O	12.67%	비교예2
3	ER70S-6Φ1.2	263A-25.6V-1.0m/min	EP:EN=100:0, Pulse	O	20.60%	비교예3
4	ER70S-3Φ1.0	162A-26.4V-0.6m/min	EP:EN=100:0, Pulse	X	4.46%	비교예4
5	ER70S-3Φ1.0	217A-28.9V-0.8m/min	EP:EN=100:0, Pulse	X	5.70%	비교예5
6	ER70S-3Φ1.0	257A-30.0V-1.0m/min	EP:EN=100:0, Pulse	O	8.25%	비교예6
7	E70C-GSΦ1.0	214A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=50:50, Pulse	X	2.51%	비교예7
8	E70C-GSΦ1.0	213A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=60:40, Pulse	X	2.34%	비교예8
9	E70C-GSΦ1.0	214A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=65:35, Pulse	X	0.97%	발명예1
10	E70C-GSΦ1.0	209A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=70:30, Pulse	X	0.87%	발명예2
11	E70C-GSΦ1.0	216A-24.2V-1.0m/min	EP:EN=75:25, Pulse	X	0.94%	발명예3
12	E70C-GSΦ1.0	210A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=80:20, Pulse	X	1.52%	비교예9

표기	용접재료	용접조건 (용접전류-전압-속도)	전류특성	인장강도	파단위치	비고
1	ER70S-6Φ1.2	202A-20.6V-0.6m/min	EP:EN=100:0	625 MPa	용접금속	비교예1
2	ER70S-6Φ1.2	242A-23.7V-0.8m/min	EP:EN=100:0, Pulse	599 MPa	용접금속	비교예2
3	ER70S-6Φ1.2	263A-25.6V-1.0m/min	EP:EN=100:0, Pulse	473 MPa	용접금속	비교예3
4	ER70S-3Φ1.0	162A-26.4V-0.6m/min	EP:EN=100:0, Pulse	690 MPa	열영향부	비교예4
5	ER70S-3Φ1.0	217A-28.9V-0.8m/min	EP:EN=100:0, Pulse	678 MPa	열영향부	비교예5
6	ER70S-3Φ1.0	257A-30.0V-1.0m/min	EP:EN=100:0, Pulse	670 MPa	열영향부	비교예6
7	E70C-GSΦ1.0	214A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=50:50, Pulse	692 MPa	열영향부	비교예7
8	E70C-GSΦ1.0	213A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=60:40, Pulse	696 MPa	열영향부	비교예8
9	E70C-GSΦ1.0	214A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=65:35, Pulse	700 MPa	열영향부	발명예1
10	E70C-GSΦ1.0	209A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=70:30, Pulse	702 MPa	열영향부	발명예2
11	E70C-GSΦ1.0	216A-24.2V-1.0m/min	EP:EN=75:25, Pulse	701 MPa	열영향부	발명예3
12	E70C-GSΦ1.0	213A-24.0V-1.0m/min	EP:EN=80:20, Pulse	698 MPa	열영향부	비교예9

상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, 용접전류 등의 용접조건뿐만 아니라 상기 관계식 1에 의해 정의되는 극성분율값이 0.25~0.35 범위를 만족하는 본 발명예 1-3이 그렇지 않은 비교예 1-8 대비 아연 증기 배출 효과가 감소하여 용접부내 기공결함이 저감하고, 이에 따라 용접부의 인장강도가 개선됨을 알 수 있다.

한편 도 2는 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 전(비교예 8), 후(발명예 2)의 용접 비드의 단면 사진이며, 도 3은 본 발명예 2의 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 후의 용접부 외관 및 용접부 X-선 투과 결과를 나타내는 사진이며(용접속도 100cm/min), 도 4는 본 발명예 2의 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 후의 용접부 경도측정 결과를 나타내는 그래프이며, 그리고 도 5는 본 발명예 2의 아연도금강판 아크용접 전류 극성분율 최적화 후의 용접부 인장곡선 결과를 나타내는 그래프이다.

상기 도 4 및 도 5에서 볼 수 있듯이, 용접속도 100cm/min에서도 용접금속부의 경도 값이 기공결함에 의해 큰 폭의 하락 없이 상당히 일정함을 알 수 있으며, 또한 용접부의 인장시험 에도 용접금속부의 파손 없이 용접열영향부에서 파단되어 용접금속 내의 기공결함 발생이 억제된 결과로 볼 수 있다.

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 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

용접재료를 이용하여 아연도금강판을 겹치기 용접하는 방법에 있어서, 용접 시, 용접 전류 150~300A, 보호가스 Ar+10~30% CO2의 혼합가스, 그리고 하기 관계식 1에 의해 정의되는 용접 극성 분율이 0.25~0.35 범위를 만족하도록 용접 극성을 교대로 변경함으로써 용접 금속의 기공 결함을 줄일 수 있는 아연도금강판의 용접 방법.
[관계식 1]
EN_R,%/(EP_R,%+EN_R,%)
여기에서, EN_R,%은 음극 용접 극성 분율을, EP_R,%은 양극 용접 극성 분율을 나타낸다.
제 1항에 있어서, 상기 용접재료는 E70C-GS Φ1.0 metal cored wire인 것을 특징으로 하는 아연도금강판의 용접 방법.
제 1항에 있어서, 상기 겹치기 용접으로 형성되는 용접이음부 간극이 0mm인 것을 특징으로 하는 아연도금강판의 용접 방법.
제 1항에 있어서, 상기 용접전류가 200~270A인 것을 특징으로 하는 아연도금강판의 용접 방법.
제 1항에 있어서, 상기 아연도금강판은 HGI 780HB강인 것을 특징으로 하는 아연도금강판의 용접 방법.