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잔류오스테나이트를 포함하고 있는 강재의 레이저 용접부 파단특성

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Academic year: 2022

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(1)

2016. 03. 30.

강 민 정, 한 흥 남, 김 철 희

KITECH

Korea Institute of Industrial Technology

잔류오스테나이트를 포함하고 있는

강재의 레이저 용접부 파단특성

(2)

Elongation(%)

Tensile Strength (MPa) 0

10 20 30 40 50 60 70

600 800 1200

400 1000 1400

DP, CP TRIP

MART IF

Mild

HSLA BH

CMn IS HS IF

200

HPF TSxEl=60,000

TWIP TSxEl=10,000

TSxEl=20,000 TSxEl=40,000

X-AHSS

Elongation(%)

Tensile Strength (MPa) 0

10 20 30 40 50 60 70

600 800 1200

400 1000 1400

DP, CP TRIP

MART IF

Mild

HSLA BH

CMn IS HS IF IF

Mild

HSLA BH

CMn IS HS IF

200

HPF TSxEl=60,000

TWIP TSxEl=10,000

TSxEl=20,000 TSxEl=40,000

X-AHSS

H.N. Han et al. Materials Science and Engineering A 499 (2009) 462–468

 Higher strength & elongation

Lower density

• Development of steels for vehicle weight reduction

Lightweight steels !!

Recent trend for developing steels

High Al contents !

Austenite/Duplex steels 차체 안정성 & 경량화

 우수한 충격흡수능 & 연신율

 다양한 합금첨가

 용접성 저하

Weakness

: 높은 비저항으로 인해 용접가능영역 이 좁아짐

: 용접 중 가해지는 입열로 인한 금속

의 상변태

(3)

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

3

Density reduction by Al addition

Mass reduction (addition of substitutional light elements such as Al and Si)

Volume expansion

ag (Å) = 3.5780 + 0.0330C + 0.00095Mn - 0.0002Ni + 0.0006Cr + 0.0056Al + 0.0220N - 0.0004Co + 0.0015Cu + 0.0031Mo + 0.0051Nb + 0.0039Ti

+ 0.0018V + 0.0018W (unit: wt.%)

(D.J.Dyson and B.Holmes, J. Iron Steel Inst., 1970)

Ferrite Austenite

 Lattice expansion by Al addition

Fe Al

(4)

Substitution: ~ 1.0%/wt.%Al

Lattice expansion: ~ 0.5%/wt.%Al Total density reduction:

~ 1.5%/wt.%Al

Density reduction by Al addition

J. Herrmann et al, Acta Materialia 51, 2003, 2847-2857

Density reduction Fe-Al system

(5)

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

5

Classification of lightweight steel

Matrix phase

C (wt.%)

Mn (wt.%)

Al (wt.%)

Other (wt.%)

UTS (MPa)

El

(%) Company Year

Ferritic

< 0.03 0.03~0.2 5~9 - 300~500 20~30 MPIE 2002

< 0.2 < 3.5 2.5~10 - 400~600 20~30 JFE 2007

< 0.004 0.01~3 2~10 Si 0.01~7 400~500 20~30 NSC 2010

Austenitic

&

Multi-phase

0.02~0.04 15~25 3 Si 3 600~1,100 60~90 MPIE 2003

0.8~1.2 10~30 8~12 - 700~900 60~80 NSC 2006

0.5~2.0 18~35 8~12 (Si 3~6) 600~1,100 25~70 MPIE 2007

0.3~0.4 3~4 5~6 Mn < Al 700~800 27~34 POSCO 2009

0.15~0.5 6~12 5~6 Si 0.05~0.5 700~1,000 35~60 KIMS 2012

0.8~0.9 15~17 8~10 Ni 4.9 1300~1500 20~35 GIFT 2015

Ref.) Scripta Materialia 66 (2012) 519–522

Austempering

 Retained austenite at room temp.

Heat treatment

(6)

Scope of study

잔류오스테나이트를 포함하고 있는 강재를 대상으로 레이저

용접을 수행하고 기계적 물성 및 조직학적 거동을 확인

(7)

7

• Properties of applied materials

Applied materials (Lightweight steel-LWS)

g phase (111)

a phase (110)

Pole figure

Phase map

● Austenite

● Ferrite

Max. 4.05 Max. 5.37

ND TD

RD

Phase fraction (Austenite:Ferrite)

Grain size (㎛, < 15o) Austenite Ferrite

33 : 67 1.75 5.02

오스테나이트와 페라이트의 이상조직 (Dual phase) 구성

Chemical composition (Wt.%) Mechanical properties (RD)

C Mn Al W Ti Si Fe UTS (MPa) YS (MPa) E.L. (%)

LWS 1 0.33 3.64 5.40 0.16 0.027 - Bal. 778 503 34%

LWS 2 0.34 3.72 5.22 - - 0.11 Bal. 870 526 43%

LWS 3 0.33 3.68 5.10 - - 0.08 Bal.

(8)

• 4 kW Disk Yb:YAG laser - Fiber diameter: 200 ㎛

- Beam diameter: 0.54 mm, 0.60 mm

[Disk Laser] [6-axis robot]

Equipment

Welding condition

- Joint: bead on plate (150 X 240 X 1 mm) - Focal position: 0 mm

- Shielding gas: None

- Variable: laser power, welding speed - Full penetration

Experimental setup

[Schematic diagram of set up]

Analysis method

- Mechanical properties

: Tensile test, Vickers hardness test - Morphology

: OM, SEM-EDS, EBSD, EPMA

(9)

9 Welding condition

- 0.54 mm beam diameter - 3 kW laser power

- 6 m/min welding speed

-용융부에 주조조직 형성 -열영향부 형성 확인

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

Macro-sections

Dendritic

structure

(10)

 SEM images of welds

Macro-sections

Base metal H.A.Z. Fusion zone

Base metal H.A.Z. Fusion zone

(11)

11

Base metal H.A.Z. Fusion zone

ND RD

TD (WD)

● Austenite (γ)

● Ferrite (α/α’)

용접부에서 오스테나이트의 상분율 감소.

Phase fraction (Austenite:Ferrite)

Grain size (㎛, < 15o) Austenite Ferrite

33 : 67 1.75 5.02

Phase fraction (Austenite:Ferrite)

Grain size (㎛, < 15o) Austenite Ferrite

20 : 80 1.07 4.86

Phase fraction (Austenite:Ferrite)

Grain size (㎛, < 15o) Austenite Ferrite

5 : 95 0.68 6.13

 Results of EBSD

EBSD phase map

(12)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 400

800 1200 1600

Temperature (o C)

Carbon content (w.t.%)

Ferrite

Ferrite + Austenite

Liquid Liquid + Ferrite

Austenite

Carbide

Temperature (℃)

Time (t) FZ

△T/ △t > 50 ℃/s

HAZ

△T/ △t < 50 ℃/s

(4)

(5)

(6)

(7) (0)

(1)

(2)

(3)

Phase diagram

(13)

13

높은 입열이 가해지는 경우, 낮은 강도 측정됨.

Fusion line failure

16 20 24 28

400 600 800 1000

F rac tu re st ren g th ( M P a)

Heat input (kJ/m)

P: 3kW v: 10 m/min

P: 3kW v: 9 m/min

P: 4kW

v: 10 m/min P: 4kW v: 9 m/min

Tensile test with various welding condition

0 10 20 30 40 50

0 200 400 600 800 1000

Tensile strength (MPa)

Engineering strain (%)

3kW, 18 kJ/m 3kW, 20 kJ/m

0 10 20 30 40 50

0 200 400 600 800 1000

Tensile strength (MPa)

Engineering strain (%)

4kW, 24 kJ/m 4kW, 26.7 kJ/m

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

(14)

Hardness of commercial steels

-3 -2 -1 0 1 2 3

200 250 300 350 400 450 500

Hardness (Hv)

Distance from weld center (mm)

CR 780DP 1.8t

-3 -2 -1 0 1 2 3

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Hardness (Hv)

Distance from weld center (mm)

SGAFC 1180 1.2t

-3 -2 -1 0 1 2 3

100 150 200 250 300 350 400 450 500

Hardness (Hv)

Distance from weld center (mm)

SAPH 440 1.8t

-2 -1 0 1 2

0 100 200 300 400 500

After tensile test Before tensile test

Ha rd n es s (Hv )

Distance from center (mm)

(15)

15

Observation of failure specimen

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

HAZ

HAZ

TD ND

RD

FZ

HAZ FZ

FZ

FZ FZ FZ

TD RD

ND

HAZ HAZ HAZ

(16)

Observation of failure specimen

A

A

균열부에서

낮은 Al 함량 측정

상간 경계면 취약

균열전파

B

B

0.17~1.86 at.% Al 4.45~4.80 at.% Mn 94.05~95.30 at.% Fe

10.44~13.34 at.% Al 3.74~3.94 at.% Mn 82.93~85.61 at.% Fe

12.38 at.% Al

4.04 at.% Mn

83.58 at.% Fe

7.54 at.% Al

3.75 at.% Mn

88.71 at.% Fe

(17)

17

Hardness and retained austenite fraction

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

WM HAZ BM

0 100 200 300 400 500

Hardness (Hv)_before T.t.

Hardness (Hv)_After T.t.

Austenite fraction (%)

0 10 20 30 40 50

A u ste n ite fr a cti o n ( % )

WM HAZ BM

0 50 100 150

Increased hardness value Austenite fraction

In cr e a se d h a rdn e ss v a lu e ( H v)

0 10 20 30 40 50

A u s te n it e f ra c ti o n ( % )

Reference 에서는 ferrite가 변형을 하고, austenite는 변태를 한다고 언급

 BM에서는 micro crack이 확인되지 않음.

(18)

EPMA analysis of BM failure specimen

(19)

19

EPMA analysis of FL failure specimen

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

(20)

잔류오스테나이트를 포함하고 있는 강재를 대상으로 레이저 용접 수행.

- 일부 조건에서 모재파단 발생.

- 소재의 경도는 소성강화 거동으로 인해 인장시험 후 증가하며, 위치별로 변형율이 다르게 나타남.

-

파단은 Al rich phase 주변에서 발생되어 입계를 따라 전파.

Summary and future work

공정최적화를 통해 안정적인 모재파단 조건 확보.

파단에 대한 원인 분석.

Summary

Future works

(21)

21

Equipment

Welder

+ ARC - MAG - MIG - TIG - SMAW + Laser

- Disk laser (Nd:YAG) - Micro spot laser - Green laser

+ Spot - AC - DC

- Delta spot + FSW

Upper plate

lower plate

Thermocouple

TIG heat source

+

-

(22)

THANK YOU FOR YOUR ATTENTION !

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

(23)

KITECH Korea Institute of Industrial Technology

23

WM

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

600 800 1000 1200 1400 1600

T e mp e ra tu re (

o

C )

Carbon content (w.t.%)

Ferrite

Ferrite + Austenite

Liquid Liquid + Ferrite

Austenite

Carbide

상온에서 austenite phase가 없는 조성이지만,

Austempering을 통해

Retained austenite를 형성시킴.

Quenching (welding)

Martensite transformation

Phenomenon in welds

Fe-C phase diagram

(24)

Phase transformation during tensile test

2. HAZ 1. FZ

3. BM

참조

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