55 연구논문 590MPa 급고강도강플래시버트용접이음부의기계적특성 정보영 * 우인수 * 김정길 * 이종봉 * * POSCO 기술연구소 Mechanical Properties of the Flash Butt Welded Joint of 590MPa High Strength Steel. Boyoung Jeong*, In-Su Woo*, Jeong-Kil Kim* and Jong-Bong Lee* *POSCO Technical Research Lab., Pohang 790-785, Korea Abstract Flash butt weldability of 590MPa dual phase steel is carried out under micro metallographical examination and macro mechanical property tests. The objective of present study is to investigate the cause that brings on bond line fracture, and is to improve mechanical properties of the flash butt welded joint. The joint of flash butt welding has a superior tensile property, but has bad formability due to oxide formed at bond interface. The HAZ softening in the weld joint does not show. It was found that mechanical properties were increased with optimizing welding parameters and making application of oil dripping and post-weld heat treatment. *Corresponding author : jbyoung@posco.com (Received December 14. 2006) Key Words : Flash butt welding, DP steel, Tensile strength, Erichsen test 1. 서론 플래시버트용접은저항용접법의하나로서, 대면적의용접단면적을가지는피용접재에대해, 단시간에신뢰성높은접합부특성을확보할수있는고능률의용접프로세스로널리이용되어왔다 1-3). 특히, 제철소에서는열연코일을연속적으로후공정에투입하기위한코일간의연결방법으로플래시버트용접이주로사용되고있다. 따라서, 제철소일관공정에서의생산성향상을위해생산강종에대한플래시버트용접성확보는필수불가결한요소이다. 최근자동차의경량화추세에따라고강도및성형성이우수한자동차용강재가주목을받고있다. 그대표적인강종으로서 DP(Dual Phase) 강은마르텐사이트와페라이트로된기지조직을가지며, 우수한강도및성형성을확보할수있는강종이다. 이러한 DP강에플래시버트용접을적용했을경우, 용접부는 HAZ연화로인한용접부강도가저하되고, 특히접합계면에평행한 방향으로소성변형대가존재하며, 각영역들은조직학적으로상이한특성을가지게되므로균일한용접부특성을확보하기어려운문제점이있다 4-9). 또한, 일반적으로저합금강의플래시버트용접성은양호하지만, 고합금강에서는합금원소의영향으로건전한용접부를확보하기어려운경향이있다. 따라서, 본연구에서는 DP강의플래시버트용접성저하원인을규명하고, 용접부의기계적특성을확보하기위한개선을시도하였다. 2. 실험재료및실험방법 2.1 실험재료 Table 1에본연구에사용된 590MPa 급 DP강의화학조성을나타낸다. 또한, Fig. 1에실험재료의광학현미경미세조직을나타낸다. Fig. 1로부터실험에사용된강재는페라이트기지에저탄소마르텐사이트콜로니가혼합된미세조직을나타내고있는것을알수 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 157
56 정보영 우인수 김정길 이종봉 Table 1 Chemical composition of 590DP steel examined C Si Mn P S Al Fe Ceq WEG 590DP 0.1 0.15 1.6 <0.02 <0.003 0.05 Bal. 0.36 Table 2 Welding conditions for flash butt welding of 590DP steel Int. stroke Fin.stroke Upset Lenth 2 nd Volt. (V) Flash time (sec) Upset Press. (Mpa) Heat Power (kw) Heat time (s) 15.0 15.0 3.0 8.9 9.0 700 - - R6 6.25 32 100 10 Fig. 3 Dimension of specimen for tensile test Fig. 1 Optical micrograph of 590DP steel examined 있다. 플래시버트용접에는선 후행재모두두께3.0mm, 폭1,200mm의열연강판을이용하였다. 2.2 실험방법 실험에사용한플래시버트용접조건을 Table 2 및 Table 3에나타낸다. 또한, 플래시버트용접과정에대한모식도를 Fig. 2에나타낸다. Fig. 2로부터, 플래시버트용접과정을다음과같이설명할수있다. 플래시버트용접기는고정대와이동대로구분되며, 각각전극역할을하는고정용클램프가선 후행코일의끝단부및선단부를고정하게된다 (a). 다음으로, 이동대측이고정대로접근하게되고, 임계거리이상접근하면전류가공급되며 (b), 피용접재 ( 판재 ) 가접촉하는순간판재단면부전 Fixing stage Moving stage (a)initial stage (b)mov. Stage start (Current ON) (c)flashing/move (d)upsetting (e)final stage (Current OFF) Fig. 2 Schematic illustration of flash butt welding s proces 체에서저항열에의해발생하는플래시가비산한다 (c). 그리고, 일정시간동안의플래시발생과정이끝남과동시에전류는차단되고, 용융된판재단면부를업세트압력에의해기계적으로압착시켜, 용융금속은접합면밖으로배출하게되는과정에의해건전한접합부를얻게된다 (d, e). 이러한일련의용접과정을거치는용접방법을플래시버트용접이라한다. 접합부의미세조직을관찰하기위해용접시험편을습식연마후, 3% 나이탈부식액을이용하여미세조직을현출하고, 용접부단면조직을관찰하였다. 용접부의경도분포는마이크로비커스경도기를이용하여측정하였으며, 측정하중은 4.9N로하였다. 또한, 용접이음부의기계적특성을파악하기위해인장시험및에릭슨시험을실시하였다. 인장시험은 KS B0833 에의거진행하였으며시험편의형상을 Fig. 3에나타낸다. 이때, cross-head의이동속도는 5mm/min로하였다. 에릭슨시험은볼의직경 20mm, 펀치상승속도는 0.5mm/s로실시하였다. 에릭슨시험후, 파단시험편의파단면은 SEM 을이용하여관찰하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 용접부미세조직및경도분포 Table 2의용접조건으로용접을실시한플래시버트용접부의단면조직을 Fig. 1에나타낸다. 용접조건은동일두께에대해일반적으로사용되는조건을그대로적용하였다. 접합계면 (A) 부근에는백색으로보이는조직이형성되고있는것을알수있다. HAZ 고온영역 158 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
590MPa 급고강도강플래시버트용접이음부의기계적특성 57 Fig. 4 Optical micrographs of the flash butt welded layer of 590DP steel(as welded). X indicates distance from bond line (B) 에서는마르텐사이트혹은베이나이트가생성되고있다. 접합계면으로부터 3.0mm 부근 (C) 의조직은미세한페라이트및퍼얼라이트로구성된것으로판단되며, HAZ 저온영역 (D) 에서는용접입열에의해형성된조대한페라이트와템퍼링된마르텐사이트로판단되는조직이혼재하고있다. 일반적으로, 접합계면에생성되는백색의조직은용접과정중탈탄에의해생성되는것으로보고되고있으며, 그생성기구는주로다음과같이설명되고있다 1,2,10). 강은융점에가까운고온에서고상과액상이공존하는구역이있다. 이중고상의탄소량은적고, 액상의탄소량이많게된다. 플래시용접과정중, 접합면에플래싱에의해액상및고 액공존상이형성된후, 업세트압력을받으면액상이접합면외부로배출되게되고, 고상만남게되므로주변조직과의상대적인탄소함량차이로백색층을나타내게된다. 따라서, 본연구에서사용된 DP강의접합계면에생성된백색층도탈탄에의해형성된것으로판단할수있다. Fig. 5에용접부의경도분포를측정한결과를나타낸다. 접합계면을포함한 HAZ 고온역에서는모재경도 Vickers hardness (Hv) 340 320 300 280 Weld interface 260 240 220 Coarse grained HAZ 200 180 HAZ 160 140 120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Distance Fig. 5 Hardness distribution of the flash butt welded layer of 590DP steel(as welded) (Hv200) 보다높은경화역이형성되는것을알수있다. 이것은이영역에형성된마르텐사이트및베이나이트변태의영향으로판단되며, 일반적인용접부에서나타나는 HAZ연화는관찰되지않았다. 3.2 용접이음부의기계적특성 플래시버트용접이음부의인장특성을 Fig. 6에나타낸다. 코일의폭방향으로중앙부및좌 우측 ( 코일양단에서내측 50mm 부분 ) 부분의인장특성을평가하였다. 각부위에서는거의동등한수준의인장특성이나타나고있고, 인장강도는모재의 94~97% 에달하고있다. 한편, 연신율은모재의절반수준으로감소하고있음을알수있다. Table 3에용접부에대한에릭슨시험결과를나타낸다. 에릭슨값은용접부중앙에서가장양호한값을나타내고있고, 우측, 좌측의순으로에릭슨값이저하하고있음을알수있다. 또한, 코일중앙부에서는열영향부에서파단이발생하였으나, 폭방향좌 우측부위에서는에릭슨시험과정중접합계면에서파단이발생하는것이관찰된다. 따라서, 인장시험에서모재파단이발생하는인장강 Tensile strength(mpa) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Left Center Right 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Elongation(%) Fig. 6 Tensile properties of the flash butt welded joint of 590DP stee 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 159
58 정보영 우인수 김정길 이종봉 Table 3 Results of erichsen test for the flash butt welded joint of 590DP steel C Mn-Si-Al oxide Erichsen value( mm ) Erichsen value( mm ) Crack path Cold weld zone Left 3.64 20.8 Bond line Oxide Center 10.88 68.8 HAZ Right 6.07 35.9 Bond line 도를가진용접부임에도불구하고, 용접부의성형성은크게저하하는것으로판단할수있다. Fig. 8 EDX Analysis of oxide at flat spot in fractured surfac e of 590DP steel Cold welded zone 3.3 파면분석 Fig. 7에에릭슨시험에서접합계면파단이일어난시험편의파단면을관찰한결과를나타낸다. 전반적으로파단면은편평한형태를나타내고있으며, 딤플이관찰되는연성파면 (A) 과함께일부취성파면 (B) 이혼재하고있는것을알수있다. 또한, Fig. 8에는 Fig. 7의파단면에서의 C부분을상세히관찰한결과를나타낸다. 중앙부에미접합부 (Cold weld zone) 로판단되는영역이나타나고있고, 딤플로판단되지만그내부에산화물이관찰되는영역이존재하고있는것을알수있다. EDX 성분분석결과, 미접합부및딤플내부에서관찰되는산화물은 Mn-Si-Al 계의복합산화물이었다. 따라서, Fig. 7 및 Fig. 8의결과를바탕으로, 접합계면에서파단이일어난 Fig. 7의파단면은각영역별생성기구에따라 Fig. 9과같이모식적으로설명할수있다. 파단면은연성파면을나타내는양호한접합부 (Bonded zone), 연성파면을나타내지만일부딤플내부에산화물이혼재하는영역 (Flat spot zone 11) ) 그리고, 가압시용융금속이미압착되어접합계면표면이산화되는 Fig. 7 Fractographs of the fractured surface of the flash butt welded joint of 590DP steel after erichsen te st Flat spot zone Bonded zone Fig. 9 Schematic illustration of the fractured surface of 590 DP steel 영역 (Cold weld zone) 으로구분할수있다. 따라서, 산화물혼재영역 (Flat spot zone) 및미압착부 (Cold weld zone) 는불완전한접합을나타내는영역으로서이영역에응력이집중될경우, 쉽게균열이발생하여접합계면파단을일으킬수있을것으로판단된다. 따라서, 에릭슨시험에서접합계면파단이일어난이유는, 접합계면에서결함으로존재하고있는산화물및미접합부에응력이집중하여균열이발생, 전파되기때문으로생각된다. 3.4 산화물생성기구 Fig. 10에는용접파라메타가부적절한경우에산화물들이생성되는과정을모식적으로나타내었다. Fig. 10 으로부터, 용접시산화물이생성하는원인은다음과같이생각된다. 용접부접촉면에전류가집중되어용융, 비산하는플래싱과정에서, 용접부접촉면에집중되는전류가과다하게높을경우 ( 특히, 2차전압이높을경우 ) 플래시가거칠게되고, 비산량도커진다. 비산량이클경우, 접합계면에서는다음플래시가일어나기전까지대기하는시간이길어져용융금속이쉽게산화, 냉각되는부분이발생한다 (a-c). 이후, 용접면을기계적으로압착시키는업세트과정에서, 용융금속과함께산화물들을접합계면밖으로배출시키지못할경우산화물혼재영역 (Flat spot zone) 이형성된다. 그리고, 비산량이큰부분에서는압착력이냉각된용융금속에미치지못하고미압착부 (Cold weld zone) 로남게된다 (d). 일반적으로접합부에생성하는산화물들은용접시용 160 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
590MPa 급고강도강플래시버트용접이음부의기계적특성 59 Flashing 2 nd voltage Weld metal (a) Fusion at a contact surface (b)weld metal scattering(flashing) Oxide Cold weld Weld metal oxidation (c) Oxide formation (d)weld defects formation Fig. 10 Schematic illustration of the mechanism of oxide formation during flash butt welding 융금속중의친산화성원소가대기중의산소와결합하여생성된다. 특히, Mn, Si, Al 등은산소와의친화력이커서용접과정중에쉽게산화하는특성을나타내게된다. 따라서, 용접과정중에대기와의접촉으로생성된이러한산화물들은플래싱및업세트과정에서용융금속과함께접합계면밖으로배출되어야하나, 부적절한용접파라메타에의해밖으로배출되지못하고접합계면에잔존하여용접결함으로남게되는것으로판단된다. 3.5 용접이음부특성개선 DP강플래시버트용접부의특성확보를위해용접조건최적화를통한용접이음부특성개선을시도하였다. Table 4에개선전 (#1) 후 (#2) 의용접조건을나타낸다. 플래시비산을부드럽게하기위해 2차전압을감소시키고, 산화물배출을위해업세트길이를증가시켰다. 또한, 2차전압감소에따른입열량저하를보상하기위해플래시시간을증가시켰다. 그리고, 용융금속의산화를억 제하기위하여, 피용접재에오일을도포하여용접을실시하였다. 도포한오일은용접과정중용접열에의해연소하며, 비산하는플래시와함께용접단면상 하부로배출되므로용접단면에생성되는용융금속과대기와의접촉을억제하는효과가있다 12). 마지막으로용접후열처리를적용하여용접부경화도를저감하고자하였다. 즉, 먼저용접파라메타최적화를통한산화물생성을최소화하고, 다음으로오일도포를통해비산화성분위기를조장하여접합계면에서산화물의생성이최대한억제되도록용접한후, 후열처리를통해용접부연성을증가시키도록용접조건을설정하였다. Fig. 11은개선후 (#2) 조건에의한접합부단면의미세조직분포를나타낸것이다. 후열처리실시의영향으로, HAZ 고온역 (A, B) 에는주로템퍼링된베이나이트및마르텐사이트를나타나고, HAZ 저온역 (C) 에는페라이트와탄화물로이루어진조직이나타나는것으로판단된다. Table 4 Welding conditions for flash butt welding of 590DP steel Int. stroke Fin. stroke Upset Lenth 2 nd Volt. (V) Flash time (sec) Upset Press. (Mpa) Heat Power (kw) Heat time (s) Remarks #1 15.0 15.0 3.0 8.9 9.0 700 - - - #2 15.0 15.0 3.6 6.8 15.0 700 500 9 Oil 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 161
60 정보영 우인수 김정길 이종봉 Fig. 11 Optical micrographs of the flash butt welded layer of 590DP steel after post-weld heat treatment Fig. 12 에용접부의경도분포를측정한결과를나타낸 Vickers hardness (Hv) 340 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 #1 (As welded) #2 (As weld+post-heat) HAZ 120 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Distance Fig. 12 Hardness distribution of the flash butt ayer of 590DP steel welded l 를이용한용접부경화도저감을통해플래시버트용접 Bond line Erich value : 6.9mm (a)bond line fracture(#1) Base metal 다. 개선전 후 (#1, #2) 의용접조건에의한접합부중앙의 HAZ경화역의경도는모재수준까지확보할수는없지만, 개선후 (#2) 조건에서는용접열처리의영향으로경도가 Hv240까지저감하고있는것을알수있다. Table 5에개선전 후 (#1, #2) 의용접부에대해에릭슨시험을실시한결과를, Fig. 13에는에릭슨시험부의외관사진을나타낸다. 개선전 (#1) 에비해개선후 (#2) 의접합부에릭슨값은크게상승하며, 접합계면에서파단은발생하지않고모재에서파단이발생하는것을알수있다. 즉, 플래시버트용접이음부의특성이모재와동등수준이상까지증가하는것으로판단된다. 따라서, 용접공정변수최적화와오일도포를이용하여접합계면에서의산화물생성을억제하고, 용접후열처리 Table 5 Results of erichsen test for flash butt welded j oint of 590DP steel Erichsen value Left Center Right #1 3.64 6.88 4.39 #2 13.49 9.52 11.25 Fig. 13 Erichsen value : 13.5mm (b)base metal fracture(#2) Configurations of the flash butt welded joint of 590DP steel after erichsen test 이음부의기계적특성을모재수준이상으로확보할수있는것으로판단된다. 4. 결론 본연구에서는 DP강에대한플래시버트용접부의특성평가에의해, 용접성저하원인을규명하고, 각종용접공정변수의최적화를통해용접이음부특성의개선을실시하였다. 얻어진결과를요약하면다음과같다. 1) 플래시버트용접부의 HAZ 고온역에서마르텐사이트및베이나이트가생성되고, HAZ 저온역에서는조대한페라이트와템퍼링된마르텐사이트로판단되는조직이혼재하고있다. 접합계면에는백색의페라이트가생 162 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
590MPa 급고강도강플래시버트용접이음부의기계적특성 61 성되었다. 2) 모재파단이발생하는인장강도를가진용접부에서도에릭슨시험시접합계면파단에의해용접부의성형성은크게저하하였다. 3) 용접과정중용융금속의산화에의해 Mn-Si-Al 계의복합산화물들이접합계면에생성되고, 에릭슨시험시접합계면파단을일으키는용접결함으로작용하였다. 4) 용접공정변수의최적화, 오일도포및용접후열처리실시에의해모재와동등수준이상의플래시버트용접이음부의기계적특성을확보하였다. 참고문헌 1. K. Ando, S. Nakata and T. Sugimoto : Study on the Flash Welding Phenomena of Steels(2 nd Report)- Observation by High Speed Motion Pictures-, Journal of JWS, 40-1 (1971), 35-53 (in Japanese) 2. K. Ando, S. Nakata and T. Sugimoto : Study on the Flash Welding Phenomena of Steels(3 rd Report)-On the Upsetting Process-, Journal of JWS, 40-2 (1971), 137-151 (in Japanese) 3. K. Ando, S. Nakata and Y. Nishida : Dispersion Mechanism of Oxide Inclusion at the Interface of Specimens in Upset Butt Welding, Journal of JWS, 40-11 (1971), 1140-1148 (in Japanese) 40-11 (1971), 1140-1148 (in Japanese) 4. K. Kunishige, N. Yamaguchi, T. Taka and N. Nagao : SAE Tech. Pap. 830632. PA, USA (1983) 5. B. K. Jha, N. S. Mishira and V. Ramaswamy : Steel India, 6(1983), No.2, 114 6. M. Mizui, S. Soneda, T. Sekine, T. Herat, M. Ejima and T. Sato : Nippon Steel Tech. Rep., (June 1984), No.23, 19 7. B. K. Jha, Ram Avtar, V.S Dwivedi and V. Ramaswamy : Proc. Oof Int. Conf. Welding Tech. in Developing Contries Present Status and Future Needs, Univ. of Roorkee, India (1988), Ⅲ-199 8. P.K. Ghosh, P.C. Gupta, Ram Avtar and B.K. Jha : Proc. Oof Int. Conf. Welding Tech. in Developing Contries Present Status and Future Needs, Univ. of Roorkee, India (1988), Ⅱ-53 9. P.C. Gupta and P.K. Ghosh : Weldability of Dual Phase Steel Produced by Steel Authority of India Ltd., Project Report, Welding Research Lab., Dept. of Mech. & Industr. Eng., Univ. of Roorkee, India (1988) 10. J. Za k:the Origin of Light Area in Upset Welds of Rolled Carbon Steel, Welding Journal, Vol.51 (1972), No.3, 272s-279s 11. J.C. Barrett : Flash Welding of Alloy Steels Physical and Metallurgical Characteristics, Welding Journal, Vol.24 (1945), No.1, 25s-45s 12. JS P 1987-275581 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 163