5 (2교시) '15년 용접세미나(강재별 용접특성-박홍원)-150506

2015 년 용접기술 세미나

자동차부품 강판의 용접특성

2015 년 용접기술 세미나

자동차부품 강판의 용접특성

전문위원 박 홍원

2015 . 5 .

목 차

1. 탄소강의 분류

2. 도금강의 용접특성

3. 고장력강의 용접특성

4. 스테인레스강의 용접특성

(1) 탄소함유량에 의한 철강재료의 분류

철

강강

순 철

주 철

순 철 : 0.02% C 이하

아공석강 : 0.02% ~ 0.80% C

공석강 : 0.80% C

과공석강 : 0.80% ~ 2.0% C

아공정 주철 : 2.0% ~ 4.30% C

공정 주철 : 4.30% C

과공정 주철 : 4.30%~ 6.67% C

철강재료의 분류


구 분 탄소함량(wt,%)

인장강도(MPa)

용접법주요용도

아크용접 가스용접 저항용접 압접

극저탄소강 ≤ 0.08 313~353 o o o o전자철심냉연박판용접심선

저탄소강 0.09~0.3 353~540 o o o o철골 , 철근용접강판자동차

중탄소강 0.3~0.5 490~690 o o o o 축 , 볼트스프링

고탄소강 ＞ 0.5 640~980 o △ - △레일 , 축스프링

절단용칼

탄소강은 탄소만으로 강도를 조절하는 보통의 강 . C 외 Mn, Si, S, P 와 같은 원소들을 소량 함유

탄소강의 분류


탄소 (C) 규소 (Si) 망간 (Mn) 인 (P) 황 (S)

*탈산제 *탈산제 *불순물 *불순물

*인장강도 , 항복점 , 경도 증가

*인장강도 , 탄성한도 , 경도 상승

*인장강도 상승

*취성파괴 증가

*설퍼밴드 형성 (FeS) 편석

*연신율 , 단면수축율 감소

*충격값 및 인성 저하 *인성 증가 *청열취성

우려

*고온취성 ( 적열취성 ) 우려

*충격치 저하 *연신율 감소 *황의 안정화 *인성 저하 *인성 저하

*용접성 저하

탄소강 합금원소의 영향


탈산 정도가 작은 순으로 림드강 ( 산소량≥ 200ppm), 세미킬드강 , 킬드강 ( 산소량≤ 20ppm) 으로 분류 .

강 중 산소량은 용접부에서의 결함은 물론 , 강재의 취성파괴 저항특성에도 큰 영향을 미치기 때문에 산소량이 낮은 킬드강이 주로 많이 사용 됨 .

탄소강의 종류와 성질


종류 탈산정도

적용강종

표준조성탈산법

주요 용도

C Si Mn 블로홀 편석 수축공

림드강 적다 저탄소강

0.15이하

0.03이하

0.25~0.45

Fe+Mn 많음 많음 없음

세미킬드강 중간 탄소강 0.15

~0.30.03

~0.100.45

~0.80

Fe+MnFe+SiFe+Al

있음 적음 없음

킬드강 많다 탄소강 0.3이상

0.1이상

0.3이상

Fe+MnFe+SiFe+Al

없음 극히적음 매우큼

저탄소강 중 · 고탄소강① C ＜ 0.3% ① C ＞ 0.3%

② 용접성 양호 ② 용접성이 좋지 않다

③ 후판 (t ＞ 25mm) 경우 예열필요 ③ 용접부의 경화 발생 / 연성저하

④ SAW (Submerged Arc Welding)

FCAW (Flux Cord Arc Welding)

ESW (Electro Slag Welding)

EGW (Electro Gas Welding)

가스용접

④ 용접금속 및 열영향 (HAZ) 부 용접 균열 발생

⑤ 용접부의 인성 저하

탄소강의 용접성


< 아크 용접부 단면>

모재

용접금속

HAZ

본드부

-. 용융점 직하로 가열되기 때문에 결정립이 조대화 .

-. 결정립이 현저히 조대화되어 충격인성 저하 .

-. 용접 후 급랭되어 경화되기 쉬워 용접균열 가능성 높음 .

→ 후판 저탄소강 , 중 · 고탄소강의 용접부 경화정도 완화위해 예열 및

후열처리 필요 . ( 탄소강의 경도 한계값 : HV 350 적용 )

정의 : 용접열에 의한 급열 , 급랭으로 조직 및 특성이 현저하게 변하는 영역 용접열사이클 과정에서 최고 도달온도가 Ac1 변태점 (700) 을 초과하 는 영역 (HEAT AFFECTED ZONE)

- HAZ 에서 용접금속과 인접한 영역을 용융선 (fusion line) 또는 본드라 함

용접열영향부 (HAZ) 특성


용접열영향부 (HAZ) 세부 특성


명칭 금속학적 특성 기계적 성질

용접금속• 용융 응고한 영역• 수지상정 (Dendrite) 조직

• 용착금속 취화 및 균열

조립역(

본드부포함 )

• 본드부 근방일수록 결정립 조 대화• 경화하기 쉬워 균열이 발생하 기 쉽다

• 현저한 경화 , 연성저하 및 열 화 발생• 용접균열 발생 용이

혼입역• 결정립이 조대한 부분과 세립 의 중간

• 조립역과 세립역의 중간 단계 성질

세립역

• 용접열에 의한 오스테나이트화 후 급랭으로 미세 마르텐사이 트 + 베이나이트조직

• 경도 , 연성 및 인성 양호

입상펄라이트

역

• 펄라이트만 변태 또는 구상화• 급냉 시에는 국부적 마르텐사 이트 생성

• 서랭 : 인성양호• 급랭 고탄소강 ; 경화 , 연성저하 저탄소강 ; 경화정도 약함 ,인 성은 열화 경향

취화역• 미세조직에서는 모재와 유사• C , N 의 퀜칭시효 및 변형시 효 발생

• 킬드강 ; 취화정도 약함• 세미킬드 /림드강 ; 충격특성의 열화가 광범위하게 발생

용접금속

HAZ 모재

HAZ 부 조직과 경도 분포 ( 경화특성 )


모재 열영향부 용접금속 열영향부 모재

경도 측정위치

경도

열영향부 ( 마르텐사이트 )

용접금속 , 열영향부 ( 마르텐사이트 )

용접금속 , 열영향부 ( 페라이트 + 펄라이트 )

페라이트 + 펄라이트

탄소강의 용접부는 본드부 최고 경도 보임

E Z F C E N F35/F35 M0 t0.8표면처리의 종류 기호

크롬산계 처리 C

인산염계 처리 P

방청유 도포 O

무처리 ( 無處理 ) M

특수크롬산계 처리 S

도금강판의 종류 및 도면표시 규격


판두께 (mm)

표면처리의 종류

부착량표시 ( 외면 /내면 )

원판의 종류

도금방법

도금방법

응용아연도금강판

합금화 용융아연도금강판

전기 아연도금강판

Zn-Fe 합금전기도금강판

Zn-Ni 합금전기도금강판

Zn/ZN-Fe 합금전기도금강판 유기피복강판

표기 SG SGA SE EZF EZN EDZF RCN

원판종류 구조용열간압연강판 냉간압연강판 열간압연강판

드로용 냉간압연고장력

강판

가공성 열간압연 고장력강판

가공성 냉간압연 고장력강판

표기 SAPHSPCC,SPCD,

SPCE(N)SPHC,SPHD,S

PHESPRC SPFH SPFC

1

2

12

3

3

용융도금강판 종류


제품명 도금층 구조( 편면도금 : g/m2, 합금도금 : %)

품질특성 주요용도

용융아연도금강

GI내식성경제성

칼러 강판 , 건자재

자동차 , 가전

GA도장후 내식성

용접성자동차 내 , 외판셔터 , 샤시

Flash(2층 합금 )

내 크레이터성용접성 자동차 외판

Al 도금 내열성내후성

자동차 배기계내열 부품

용융 terne내식성솔더링성

연료용 탱크라디에이터 부품

Zn(40~300g)

모 재

Zn-fe (30~90g, 8~14%)

모 재

Al (20~200g)

모 재

Pb-Sn (40~150g, 4~8%)

모 재

Zn-Fe (3~5g, 85%)

Zn-Fe(20~60g, 8~12%)

모 재

전기아연도금강판 종류


제품명도금층 구조

( 편면도금 : g/m2, 합금도금 : %)

품질특성 주요용도

전기아연도금강

Zn-Fe용접성 , 도장성도장 후 내식성 자동차 외판

이층도금 도장후 내식성가공성 자동차 외핀

이종도금내식성

Zn-Fe 면 ;blister순 Zn 면 ; 구멍

자동차 외판

유기피복 내지문성 , 윤활성용접성 자동차 외판

Pb-free강판

내식성심용접성 , 점용접성

자동차 외판연료용탱크

Fe-Mn/Fe-Zn/Fe-P (3~5g, 5%)

Zn-Fe /Zn-Ni (20~40, 15%)

모 재

Zn-Fe (20~40g, 15%)

모재

수지 (1㎛ )

크롬 (5~12mg)

Zn

모 재

Zn-Fe (15%)

모재

Zn

특수크롬처리

Zn-Ni(20g, 15%)

모 재

도금강판의 점용점


아연도금 강재너겟형성 지연

•Fe 보다 융점이 낮은 금속도금의 경우 (Zn, Al, Sn) 용접초기 도금층이 먼저 용융되어 피용접재와 전극과의 접촉면적 증가 전류밀도 감소 너깃형성 지연

용접부 형성의 특징 냉연강판 대비 높은 용접전류와 높은 가압력 조건 하에서 용접해도 긴용접 시간 필요 - 너겟 형성 지연 현상 발생 .

구 분 용접시간 용접부 도금금속 거동 강도 (Vs 냉연강재 )

낮은 융점금속도금

(Zn,Al,Sn)

너겟형성 지연

용접시간 증대

도금 용융금속은 거의없음

인장 전단강도는 도금금속의 종류에 무관- 냉연강재 와 비슷 -

높은 융점금속도금(Cr, Ni)

짧은 용접시간 너겟 및 본드부 도금물질 잔류

냉연강재 대비 십자인장강도 저하 (Ni,Cr 용접부 잔존 )



도금층의 영향 표면처리강재의 점용접 시 판내부 발열밀도 중요 요소 - 통전면적 ( 소재 - 전극 , 소재 - 소재 사이의 접촉면적 ) - 고유저항 ( 소재와 도금금속 - 표면 산화물층의 영향 포함 ) - 용접전류

( 용접전류와 도금량 과의 관계 )

용접조건 전극 : CF 형 , 선단직경(4.5mm) 가압력 : 1.96 kN 용접시간 : 10 cyc

결과• 도금량이 증가할수록 최소용접 전류 와 스패터 발생전류 상승• 적정 전류범위 줄어 듬

GA

EG

GIGI

도금부착량 (g/m2/ 편면 )

user

EG(아연전기도금강) 자동차용 부착도금량 60g/m2 이상의 후 도금강이 주로 사용 됨GI (용융아연도금강) 전기도금 대비 두꺼운 도금층



구분 내용

용접성에 미치는도금층의 영향

• 도금부착량 이 증가할수록 최소 용접전류와 스패터 발생전류 상승• 스패터 발생전류의 최대값보다 최소 용접전류의 증가량이 커 적정 용접전류 범위 감소• 도금층의 Fe 함량이 증가하면 , 용융온도와 적정 용접 전류값 하강 , 용접부의 강도 증가

( 도금종류별 용접부 강도 및 너겟크기의 관계 )너겟직경 (mm)

○▽△◇☆

★●◆▼▲

( 도금강판 용접부강도에 미치는 유지시간의 영향 )

유지시간 (cyc)

유지시간 : 최소 10 cyc 이상 적용

도금강판의 점용점 중점관리


1. 용접전류

. 연질 , 저융점의 도금층 때문에 전극과 강판의 접

촉면 , 강판사이 접촉면에서 통전영역이 확대됨

. 전극으로의 열전도가 크게됨

무도금강판 대비 높은 전류필요

2. 전극마모

. 전극과 강판사이의 도금층이 고온에서 용융하여

전극의 주재료인 동 (Cu) 과 반응하여 전극선단

면이 소모됨

. 용접점수의 증가에 따라 전극 선단면이 서서히

확대되어 충분한 너겟경 형성 안됨

너겟경

용접타점

용접강도

용접전류 (KA)

용접전류 =9.4kA 도금종류

도금강판의 아크용접


구분 주요 내용

일반 특성

• 아연증기에 의한 피트 , 블로우홀등 기공 결함 발생• 스패터 발생 다량• 실드 가스 영향에 의한 기공 결함

대 책

가스빠짐이 용이하도록 이음부 갭 확보 용융지 진동 효과 펄스 적용 적정 전류 전압 유지 ( 적절한 아크 길이 ) Ar 가스 사용 적정 실드 가스량 유지 ( 최소노즐경 13Ø 이상 , 선풍기 바람 )

도금강판의 아크용접


구분 내용

아크용접성 문제

• 아연증기에 의한 피트나 블로우홀 기공 등의 결함 발생• 스패터의 다량 발생 무도금강판의 약 3 배• 흄의 다량발생• 실드불량에 기인하는 피트나 블로우홀 기공결함의 발생• 겹치기 필릿용접은 간극 관리가 중요 – 기공 원인

( GMA 용접부 기공발생에 미치는 간극의 영향 )

< 주요관리 항목 >

• 기공방지 : 아연증기의 영향 → 경감용 와이어 사용

• GTA 용접에서 흄 . 스패터가 전극의 오염 요인으로 공정안정화 장애

• 용융부족 : 융점이 낮은 도금물질 만 용융되고 모재 미 용융

.

간격 G ((mm)

도금강판의 기공 인자


구분 현상 대책

실드 불량에 의한 기공

• 거품이 발생한것처럼 다량으로 발생 한다 .• 비드폭 전역에 발생하기 쉽다 .• 내면은 벌집처럼 구멍이 뚫려있다 .• 비드표면의 외관에는 거의 피트가 없어도 , 그라인더등으로 연삭하면 매우 많은 블로홀이 내재되어있다 .• 크레이터부에 부풀음이 발생하기 쉽다

• 노즐의 청소빈도를 높인다 .• 노즐경이 큰 노즐을 사용한다 .• 스패터가 적은 용접법이나 용접기기나 재료를 적용한다 .• 적절한 실드가스유량을 사용한다 .• 전류나 전압조건을 최적화한다

아연증기에의한 기공 • 용융점이 낮은 아연증기

• 아연도막에 함유되어있는수소가스

• 적절한 갭 부여 (0.5mm)• 용융지 진동 효과 적용 - 펄스• 와이어 조성 개선• Ar 혼합가스 사용• 파형제어형 용접기 사용 - 안정된 용융지 형성응고사이클 유지

고장력강판의 구분


구 분 용 접 특 성

고용체강화형 •항복점 , 경도 증가

• 첨가하는 합금의 영향으로 연강에 비해 발열 용이

• 중간 스패터 발생

• 고장력화 할수록 스패터 발생한계는 가압력이 높은쪽 으로 이동

• 인장강도가 클수록 스패터 발생 한계전류 낮아짐

• 용접부 경도는 재료의 화학성분에 영향 받으며 , 유지시간에 영향 받음

석출경화형

2상조직형

복합조직강화형

고장력강판의 종류 도면표시 규격


기호 강화조직

화학성분 (wt %) 인장시험 참고치

C Si P S 항복강도(N/mm2)

인장강도(N/mm2)

신율(%) n 치 r 치

SPRC 340

P 첨가고용강화

형

0.1 이하

0.05이하

0,1 이하

0.04 이하

196 이상 340 이상 35 이상

0.16 이상

1,5 이상

SPRC 340E 186 이상 340 이상 38 이상 1.5 이상

SPRC 340ES 186 이상 340 이상 38 이상 2.0 이상

SPRC 370 215 이상 3709 이상 34 이상 1.3 이상

SPRC 390 235 이상 390 이상 33 이상 1.2 이상

SPRC 440 0,1 이하

0.3 이하

0.1 이하

0.015이하

265 이상 440 이상 32 이상 1.1 이상

SPRC 440X 255 이상 440 이상 34 이상 1.1 이상

도면표시 방법 S P R C 440 E

EXCELLENT FORMABILITY 440 N/mm2 급COLD ROLLED고 ( 高 ) r 형PLATESTEEL

DRAWING 성형용 냉간압연 고장력강판

고장력강판의 종류


구분

종 류 및

기 호

인장시험 굽힘시험

인장강도

(N/mm2)

항복점

(N/mm2)

신율 (%)

굽힘각도

내측반경

두께 (mm) 두께 mm

0.6~1.0

1.0~2.3

1.6~2.0

2.0~2.5

2.5~3.25

3.25~6.0

1.6~3.25

3.25~6.0

냉간압연강판

SPFC 390390 이상 235 이상 30 이상 31 이상

180 。

밀착

SPFC 440440 이상 275 이상 26 이상 27 이상 밀착

SPFC 490490 이상 315 이상 23 이상 24 이상 밀착

SPFC 540540 이상 355 이상 20 이상 21 이상 두께의 0.5배

SPFC 590590 이상 390 이상 17 이상 18 이상 두께의 1.0배

SPFC 590RA590 이상 370 이상 29 이상 30 이상 두께의 1.0배

SPFC 780 780 이상 490 이상 14 이상 15 이상 두께의 2.0배

열간압연강판

SPFH 490490 이상 345 이상 22 이상 23 이상 24 이상 25 이상

180 。

두께의0.5배

두께의1.0배

SPFH 540540 이상 370 이상 21 이상 22 이상 23 이상 24 이상 두께의

1.0배두께의1.5배

SPFH 590590 이상 440 이상 19 이상 20 이상 21 이상 22 이상 두께의

1.5배두께의1.5배

자동차용 가공성 냉간압연 / 열간압연 고장력강판

고장력강판의 점용접


구분 내 용

일반특성

• 인장강도 35~100kgf/mm2• 강도 향상을 위한 첨가물의 영향으로 모재 전기저항 증가로 발열이 용이 함으로 낮은 전류영역에서 용접 가능 • 고장력화 할수록 스패터 발생한계 전류 저하 , 가압력 증가• 용접조건의 정밀관리 필요• 용접부 경도는 재료의 화학성분과 냉각속도 ( 유지시간에 반비례 ) 에 의존

( 소재별 스패터 발생 한계 )

가압력 (kN)

588 MPa 급

연강

440 MPa 급

680 MPa 급



구분 내 용

적정 용접조건 범위

• P 첨가 고장력강에서 모재의 C+P 량 증가 플러그형 파단경 감소 적정 용접조건 범위 감소• 스프링백 증가 매칭갭 증가 전극의 가압력 증가

• 통전시간이 짧으면 강도 감소 , 길면 C/T 증가 15cyc 적절

화학성분 관리기준

• C+P < 0.15% ( 계면파단 한계조성 )

( 고장력강과 연강의 적정 용접전류 범위 )



강도특성 내 용

• 전단인장강도 (TSS) 는 판두께가 증가할수록 직선적 증가

• 너깃직경은 용접전류의 증가에 따라 증가 , 너깃두께는 증가하다가 감소

• 전단인장강도는 용접전류 증가와 더불어 급격히 증가하다가 어떤값 이후에는 코로나본드의 성장과 함께 완만하게 증가

( 모재와 점용접부 인장강도의 상관관계 )

인장전단

십자인장

모재파단

너겟내파단

모재강도 증가함에 따라 너겟부 파단 증가 경향

고장력강판의 용접강도


점용접부 정적강도 평가

전단 인장강도 (TSS-Tensile Shear Strength) 와 십자 인장강도 (CTS-Cross Tensile Strength) 로 평가

* 모재강도가 증가함에 따라 점 용접부의 인장강도 증가 .

TSS = F x t x TS x ND = 2.05 x t x TS(1+0.0059EL)x(ND+2.09)

* 전단 인장강도 고려

모재의 강도 상승분 만큼 용접부 강도 증가 않음으로 플러그형 파단을 얻기 위해서 는 연강보다 큰 너겟 직경이 필요 ( 계면파단 현상 포함 ) * 십자 인장강도 고려

모재강도가 증가함에 따라 너겟부에서 파단 경향 증가 강재의 화학성분 (C, P, S) 함량 증가시 너겟부 파단 증가

TSS ; 점용접부 전단 인장강도 (N) F ; 저 Ceq 강인 경우 2.5~3.0

t ; 판 두께 (mm) TS ; 모재강도 (N/mm2) ND ; 너겟직경 (mm) EL ; 연신율 (%).

고장력강판의 용접강도


* 십자 인장시험의 플러그형 파단 확보 방안 - 화학성분의 한계값 규정 -

① 1.5C+P+3S = 0.23 (wt%)

② C+Si/90+(Mn+Cr)/100+P=0.115(wt%)

③ C+Si/30+Mn/60+2P+4S

( 유지시간 25 cyc) : 0.24 % ( 유지시간 5 cyc) : 0.31 %

* 점용접부의 피로강도 고려

고장력강의 점용접 이음부의 노치와 잔류응력으로 모재의 고강도화 효과 적음

→ 적절한 입열량으로 후통전 실시하여 압축응력이 부가되어 피로한계 2 배 향상

고장력강판의 아크용접


구분 내 용

용접특성

• 590MPa 급 이상의 강판에서는 입열량 증가하면 열영향부 (HAZ) 의 연화로 경도저하 현상 - Ac3 점 (910℃) 이하로 가열된 부분에서 경질조직이 풀림 처리 효과 때문 입열량 최소화 열영향부 (HAZ) 의 연화에 의한 강도 저하 억제

• 아크용접부의 피로한도는 모재강도 증가하여도 증가하지 않음 - 형상효과에 의해 비드 끝단부에 응력 집중하기 때문 비드 끝단부의 곡률반경이 증가하면 상승 – 그라인딩 실시 , 피이닝 작업으로 크레이터부 응력 해소

• 용접금속 및 열열향부에 고온균열 , 저온균열 등 용접결함 발생

고장력강판의 아크용접


용접열영향부 연화현상 ( 경도저하 )

490590

780

( 용접금속 중심에서의 거리 (mm) )

고장력강의 아크용접 결함과 대책


구분 주 요 내 용

고온균열

• 용접부의 자기수축 , 외부구속의 인장변형 /응력 조직 - 응고균열• 저융점 생성물 S, P 의 입계편석 으로 필름상 잔존 - 액화균열

* 고온균열예측지수 (HCS)

대책

490 Mpa 급 C,S,P 저감 580 Mpa 급 이상 C,S,P,Ni 저감 시공 구속 조건 완화 저수소계 용접재료 적용 HCS ＜ 4 제어

｛ C x (S+P+Si/25+(Ni/100) ｝ ( 3Mn+Cr+Mo+V )HCS =

a-d : 액상선a-b : 고상선

( 고온응고균열의 수축 -취성이론 )

X 103

균열발생온도범위




라멜라테어

• S 함량이 주요인 (MnS)• 구속 응력 ,확산성 수소량 및 층간 온도의 영향 S 함량 0.01~0.015% 이내 판 두께방향의 단면수축율 15~20% 유지

재열균열 및

취화

• 용접후 열처리시 탄화 , 질화물의 석출 경화• 300~550℃에서 가열 , 서냉시 템퍼링 취화

석출원소 최소화 (Mo,V,Ti,Nb) 언더컷제거 , 입열량 저감으로 결정립 조대화 방지




저온균열

• 경화 조직 • 이음부 구속 조건• 응력부식균열의 원인• 확산성 수소 지연균열

대 책

탄소 당량 규제 저수소계 용접와이어 강재예열 - 경화조직억제 용접봉 건조로 확산성 수소 최소구속응력 최소화 ( 두께기준 확산성수소와

Ceq 의 저온균열 발생 영향 )

( 고장력강용접시 저온균열에미치는확산성수

소량 )

강재 두께 (mm)

No Crack0.36＜ CE＜ 0.4

No CrackCE ＜0.36

핫 스템핑 (HOT STAMPING)



일반 특성

• 650 MPA → 1500 MPA 로 강화• 차체 경량화 (BIW 10%)• 성형성 확보된 초고장력강 적용• 치수정밀도 향상 ( 스프링 백 감소 )• 가공성 향상 (900℃) 고온성형 ( 연신율 70% 수준 )

• 성형후 초고강도로 피어싱 & 트리밍은 레이저로 가공• SPOT 용접 적용시 가압력 증대 필요• 대부분 레이저용접 적용

개요

경화능이 우수한 브론강을 고온 (900℃) 가열후 열간 성형 및 급속 냉각을 동시에 시행하여 초고강도 부품 제조공법

핫 스템핑 공정 FLOW

블랭킹 로 가열( 이동 )

가열 후 센터링 스템핑 ( 전 )

급냉 / 스템핑 ( 후 )

트림 / 피어싱 -LASER

냉각 ( 컨베어 )

핫 스템핑 (HOT-STAMPING)


코

일

완제품

5. Hot Stamping 적용 부품 현황 ①FRONT BUMPER BACK BEAM , ②ROOF SIDE RAIL , ③B-PILLAR IN/OUT, ④SILL PLATE INNER , ⑤FOOT-WELL CROSS BEAM , ⑥FOOT-WELL CROSS BEAM INNER , ⑦TRANSMISSION TUNNEL , ⑧SIDE IMPACT BEAM 등 26 종



루프 사이드 부 용접 CTR PLR (TWB)



정의 : Fe 에 Cr 11~12% 이상 함유되어 있는 특수강

( 화학성분 ) ( 금속조직 ) ( 기본조성 )

마르텐사이트계 Fe-13Cr , SUS410 등 7종

Cr 계

스테인레스강

페라이트계 Fe-18Cr , SUS430 등 13 종

오스테나이트계 Fe-18Cr-8Ni , 36 종 ,SUS 304 등 , 31 종

Cr-Ni 계 2상계 오스테나이트 계 + 페라이트계 , SUS329J1 등 3종

석출경화계 SUS 630 등 2종

스테인레스강의 분류


스테인레스강종별 특징


구 분기본조직

오스테나이트 페라이트 마르텐사이트

대표 강종 SUS 304 SUS 430 SUS 410

대표 성분 Fe-18Cr-8Ni Fe-18Cr Fe-13Cr

품질특성

내식성 ◎ ○ △

강도 ○ △ ◎

가공성 ○ ○ △

자성 x ◎ ◎

용접성 ○ △ x

물리적 성질

결정격자구조 면심입방격자 (FCC) 체심입방격자 (BCC) 체심정방격자 (BCT)

열전도도 △ ○ ○

475℃ 취성 x ◎ ◎

고온 취성 x ◎ ○

주요용도 주방기구 , 화학설비 , 철도차량 주방기구 , 난방용기 , 자동차부품

의료기기 , 절단용기구 , 기계부품

< ◎ : 우수 , ○ : 양호 , △ : 보통 , x : 낮음 ( 없음 ) >

용접방법 및 용접재료


종 류 모재의 종류용접재료

예열 ·패스간온도

후열처리온도

SMAW SAWGTAW/GMAW

FCAW

마르텐사이트계

SUS403, 410

D410, 410Nb

S410 Y430 YF430200~400°C

700~800°C

페라이트계

SUS405 D410Nb - - -200~400°C

700~800°C

SUS430D430, 430Nb

S430 Y430 YF430

2상계

SUS329J1 D329J1 - - -예열불요 ,패스간 온도

150°C이하

불요 (고용화

열처리가 필요시950~

1100°C)SUS329J3L E2209 - ER2209 E2209T

대표강종의 특성 및 시공 요령


종류 재료의 특성 시공요령

오스테나이트

계

• 높은 전기 비저항으로 용접시

발열이 심함 ( 탄소강의 약 3 배 )

• 열 팽창계수가 커서 변형 심하다

• 고온강도가 높다

• 내식성 , 인성및 용접성 우수

• Ni 함량 저하시 염화물 환경에서

응력부식균열 발생

• 연강 용접대비 10% 낮은 전류

• 고온균열 발생 방지위해 수 % 의

페라이트 포함 용접재료선정

• SUS310 은 P, S 함량 낮은 재료

사용

• 오스테나이트계 스테인레스강과

탄소강 용접시 309 계열

용접재료 사용

• 오스테나이트계와

마르텐사이트계 또는 페라이트계

용접시 오스트나이트계 기준으로

용접




페라이트계

• 내응력부식균열 (SCC) 성이

오스테나이트 스텐레스강 대비

우수

• 기본적으로 인성이 약한

체심입방격자의

페라이트상이므로 후판에는

부적당

• C+N 함량을 0.01% 미만 관리

- 탄화물 형성 방지로 내식성 ,

인성

저하 방지

• 동종재질 용접 시 지연균열

대책필요

• 오스테나이트계 용접재료

사용시는 응력부식균열 환경인

경우 응력부식균열 (SCC) 발생에

주의

• 용접열에 의한 모재표면의

산화방지를 위해 GTAW 권장




마르텐사이트

계

• 13Cr 강 (Cr 11.5~18%)

• C 와 Ni 량이 고온에서

오스테나이트상이 안정되는

범위 .

• 상온으로 냉각시

마르텐사이트조직으로 변태

• 내식성은 스텐레스강 중 가장

열등하지만 , 고강도 · 저가격

• 동종재질 용접시 지연균열 대책필요

• 오스테나이트계 309 계로 용접하

면 , 모재와 용접금속과의

열팽창계수 차이로 열응력 문제 및

650℃ 이상으로 용접후 열처리시

지연균열 초래

Inconel 사용

• 이종재질 용접시 309 계 사용하면 ,

용접후 열처리시 σ 相 취화를

고려하여 650℃ 이하로 실시

user

인코넬 : * Ni-Cr-Fe합금이며 내산성으로 90도 이상의 사용에서도 산화되지 않음, * 초내열합금으로 가공성이 좋고, 내식성이 뛰어나고, 내열강도, 열전도율도 높다. * 고온에서 반복부하가 걸리는 부품 엔진밸 브, 배기밸브 등에 적용. * 성분은 Ni 70~80% , 크롬 10~20%, 철 6~8%, 그밖에 탄소, 규소, 망간 등이 포함된다




2상계

• 페라이트계와 오스테나이트계 특징 함께 보유 각각 독립상 대비 고강도

• 耐 응력부식균열 (SCC) 성은 오스테나이트 스텐레스강에 비해 높고 , 인성 우수

• 페라이트 스텐레스강에 비해 우수하므로 후판에 적용가능

• 동등한 耐공식성을 갖는 오스테나이트 스텐레스강에 비해 Ni 량은 낮고 , 강도는 높음 , 원가 저감가능

• 400~1000℃ 에서는 불안정하여 용접이나 열처리 조건에 따라서 금속간 화합물을 생성하여 취화되어 고온에서 사용 부적합

• 용접 후 용접금속의 페라이트량이 적정하도록 용접재료는 모재보다 Ni 량이 높은 것 사용

• 페라이트량이 높은 600℃ 이상의 온도영역에서 취화속도가 빠르므로 , 용접열영향부 ( HAZ)의 질소량이 적게되어 내식성이 모재 대비 떨어져 용접시 입열량을 낮게 관리

• 예열 및 후열처리는 일반적으로 불필요

• 저온균열이 우려되는 경우에는 예열 실시

스테인레스강의 점용접



Austenite특 성

• SUS 304, 307등으로 대표적으로 Cr 18% - Ni 8%• 내열 내식성 고온강도 ( 탄소강의 2~4배 ) 우수• 잔류응력 큼 – 응력 부식 발생• 열팽창계수 , 고유저항 크고 열전도도는 낮음• 550~850℃ 에서 Cr 과 C 결합하여 탄화물 형성 입계석출

-Cr 함량 저하로 내식성 저하

대 책 가압력 높힐 것 ( 연강의 1.5배 ) 전극 CLASS 3 선택 ( 단조 동합금 RB 90 이상 ) 통전시간은 짧게 설정 850℃ 이상 가열하여 잔류응력 제거




Ferrite 계 특 성

• SUS 430 446등으로 Cr 18~30%• 강력한 산화저항특성 - 고온에서 산화저항 필요시 사용• 고온에서 결정입자 조대화 - 기계적 성질 저하• Cr 15% 이상 Ferrite 계는 400~550℃ 온도 범위에 서 장시간 가열 또는 서냉시 취화 현상

대 책 용접후 700~850℃ 로 재가열시 기계적 성질 개선 전극 CLASS 3 선택 ( 단조 동합금 RB 90 이상 ) 가능한 한 통전시간은 짧게 설정




Martensite 계

특 성

• SUS 410 420등으로 Cr13~14% 로 급냉 용접 후 냉각과정에서 담금질 되어 굳어짐

• 마르텐사이트로 변태시 체적 변화 발생 - 유화물 환경에서 응력부식균열 발생 및 너겟 주위 갈라짐

대 책 용접 완료후 템퍼 전류를 흘려 템퍼링 실시 전극 CLASS 3 선택 ( 단조 동합금 RB 90 이상 )

스테인레스강의 아크용접



용접특성

• 용접부 팽창과 수축으로 열적 응력 발생• 오스테나이트계는 열평창계수 커 변형발생 용이 변형방지 그루브 최적화로 용착금속량 , 용접 패스수 최소화 용접 변형 방지 구속 지그 사용 , 용접입열 분산 위해 용접순서 최적화 적용 ( 대칭법 , 후퇴법 등 )

열영향부 조직 특징1) 조립역 : 조직 조대화된 영역으로 경화 및 크롬탄화물 석출로 균열 발생 용이 (knife line attack)

2) 용체화역 :1000℃ 이상으로 가열 후 급랭으로 용체 화 발생 즉 연화되어 인성 향상

3) 탄화물석출역 : 500~800℃로 가열된 부분으로 크 롬탄화물 석출 발생 → 크롬량 감소 → 내 식성 저하 , 입계부식 발생( 오스테나이트 스테인레스강의 열영향부 조

직 )

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스테인레스강의 아크용접



용접별특 성

•TIG 용접 - 용접전원은 직류전극 마이너스 ( DCEN ) 적용 , 박판은 용락 방지위해 펄스전원 적용 - 전극 경사각이 좁으면 아크가 약하고 용입이 얕고 비드 폭이 넓어짐 , 각이크면 용입 깊어짐 - 용접봉 이물질 제거 - 아르곤가스에 수소 첨가하여 용접속도 향상 ( 언더컷 방지 ) - 용접부 산화 , 내균열성 방지위해 재료 뒷면 실딩

• MIG 용접 - 용접전원은 정전압특성 방식 사용 - 펄스전원 사용으로 입열량 제어하여 비드 흐름 방지 ( 수직용접 )

- Ar 가스 적용으로 용접부 산소 , 질소 저감으로 인성 확보 - Ar 에 O2 첨가 ; 아크 안정성 확보 , 언더컷 발생 방지 (O2 는 2% 로 제한 – 슬래그 생성 억제 )

이종재료의 용접방법 별 적용 용접재료


용접방법 오스테나이트계 SUS페라이트계 ,

마르텐사이트계 SUS

TIG 용접

탄소강 , 저합금강 Y309 . 인코넬계 Y309 , Y430 , 인코넬계

페라이트계 , 마르텐사이트계 SUS

Y309 -

오스테나이트계 SUS합금원소 (Ni, Cr) 가 적은쪽의조성에 맞춘 오스테나이트계 용접봉

-

MIG 용접

탄소강 , 저합금강 Y309 , Y 309Si . 인코넬계 Y309 ,Y309Si , Y430 , 인코넬계


Y309 , Y 309Si . 인코넬계 -

오스테나이트계 SUS TIG 와 동일 -

FCAW 용접

탄소강 , 저합금강 YF309 YF309 , YF430


YF309 -

오스테나이트계 SUS TIG 와 동일 -

모재 B모재 A

종 합

1.오스테나이트계 SUS + 탄소강 용접 : 오스테나이트계 스테인레스강 용접재료 사용

2.오스테나이트계 + 페라이트 /마르텐사이트계 SUS 용접 : 오스테나이트계 SUS 용접재료사용

3.Cr 함량이 다른 페라이트 + 마르텐사이트계 SUS 용접 : 높은 함량의 Cr 을 함유하는 재료사용

스테인레스강의 용접균열


용접부의 인성에 미치는 인자


인자 인성 특징

페라이트 • 용접부는 모재에 비해 오스테나이트량이 감소하여 인성저하

산소 및질소

• 산화물계의 개재물이 증가하면 인성저하• 용접부에서는 실드부족등의 원인으로 불순물원소의 증가에 의한 인성 저하

탄화물• 탄소량의 증가에 따라 인성저하• 탄소량이 증가하면 탄화물의 석출이 매트릭스를 경화시켜 인성이 저하 된다

σ 相 취화

• 600~900℃ 온도구간에서 가열하면 , 철과 크롬의 금속간 화합물인 σ 相이 석출하여 취하의 원인• σ 相은 크롬량이 많을수록 석출하기 쉽다• 2 相계 스테인레스강은 σ 相이 석출하기 쉽다

475℃ 취화

• 페라이트계 SUS 의 고 Cr 강을 450~550℃에서 장시간 가열 혹은 서냉하면 경도증가 , 연성저하 , 내식성도 떨어지는 현상 (475℃ 부근 현저히 발생 )

스테인레스강의 인성저하

4. 스테인레스강판의 용접특성

강종류 인성저하 원인

마르텐사이트계• 마르텐사이트에 의한 인성저하• 결정립 조대화에 의한 취화• 연성저하

페라이트계

• 475℃ 취화 : 가열후 서냉시 475℃ 부근 취화 현상• σ 상 취화 : 700~800℃ 가열시탄화물 석출 현상• 산소 , 질소 , 탄소등의 불순물원소의 픽업에 의한 취화• 결정립 조대화에 의한 취화• 입계부식 : C+CR= 크롬탄화물 결정입계석출 주위 Cr 고용량 저감으로 내식성 저하 현상

2상계• σ 상의 상비의 증가에 의한 취화• 산소 , 질소의 픽업에 의한 취화• 결정립 조대화에 의한 취화

스테인레스강의 균열과 대책



고온균열

• 응고균열 , 액화균열 , 연성저하균열로 구분• 용접금속 과 열영향부에서 발생• 응고말기 P,S등의 편석에 의한 저융점 화합물이 액막형성 및 결정립계 존재• 응고수축 및 열수축에 의해 발생 , 탄화물의 결정립계 석출

아크길이 짧게 유지 후판 용접시 적절한 예열 용접시작부 와 종료부 그라인딩 처리 ( 크레이터 방지 ) P , S 적은 용접재료 선정

저온균열

• 취하균열 , 수소취하균열로 구분• 용접부 고온 가열로 조대화 , 냉각과정 마르텐사이트로 변태 의해 경화• 고 Cr 상의 석출에 의한 457℃ 취하 . 탄화물 , 질화물에 의한 치화• 수소치하균열은 지연균열 ( 용접금속이 Cr 함량 증가하면 수소확산속도 늦어 잠복기간 길어짐 → 균열 지속적 진전 )

예열 (200~300℃) 및 후열 처리 용접입열 제한 . 용접순서 , 이음부 형상 최적화 필요 C , N, O 저감 , 저수소계 용접재료 사용 , 용접재료 건조

감사합니다

5 (2교시) '15년 용접세미나(강재별 용접특성-박홍원)-150506

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