[논문]자동차 범퍼빔 경량화를 위한 레이저 빔 조사 강화(I)

서정; 이제훈; 오상진; 이문용; 이규현

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 범퍼빔의 두께가 일정한 기존 범퍼빔에 보강재를 사용하지 않고 강도와 강성이 요구되는 부위에 레이저 조사강화를 함으로써 경 량화와 강성 증가를 동시에 시도하였다. 또한 실제 범퍼에 대해 정압축시험을 하였다.
일반적으로 레이저 표면경화법에서는 마르텐사이트(martensite) 변태 경화 조직을 형성하여경 도를 향상시 키 게 되 나, 본 논문에 사용된 재 료의 두께는 1.2mm로 박판이기 때문에 표면만을 경화키는 것보다는 용융이 되더라도 시편 두께까지 용융면적을 크게 하여 강도의 향상에 목적을 두었다. 보통 극저탄소강에서는 마르텐사이트(martensite) 변태가 일어 나기 어렵지만 레이저 용접은 냉각속도가 매우 빠르기 때문에 일부에서 마르텐사이트(martensite) 변태가 일어난다는 보고가 있다.

제안 방법

3 에 나타나 있다. 경도는 비드(bead) 표면에서 0.35mm깊이에서 0.2mm간격으로 측정하였다. Fig.
레이저빔 조사선의 간격은 5mm이며, 인장시험은 각 조건별 3개 이상의 시험편의 실험결과를 평균하여 구하였다. 경도측정을 위하여 마이크로 비커스 경도계를 이용하였으며, 빔 조사부의 미세조직은 금속광학현미 경과 SEM으로 관찰하였다.
굽힘 실험을 위하여 Fig. 1과 같이 hat- type 부품(bracket 용)을 선정하였으며, 외부 패널에 레이저빔을 일정한 패턴으로 조사한 후 내부 패널과 저항 점용접으로 조립하여 3-point 굽힘실험 (span : 120mm)을 행 하였다.
35kg# mn?급 자동차 강판의 강화효과를 분석하였으며, hat-type 시험편과 실제 자동차 범퍼에 레이저 조사강화 효과를 분석하였으며그 결과는 다음과 같이 요약될 수 있다.
또한 실제 범퍼에 대해 정압축시험을 하였다.
5 ~ 4m/min, 보호가스는 Ar을 사용하였으며 , 보호 가스의 유량은 40 2/min으로 하였다. 레이저빔 조사선의 간격은 5mm이며, 인장시험은 각 조건별 3개 이상의 시험편의 실험결과를 평균하여 구하였다. 경도측정을 위하여 마이크로 비커스 경도계를 이용하였으며, 빔 조사부의 미세조직은 금속광학현미 경과 SEM으로 관찰하였다.
co2 레이저 발진기는 연속 출력 파이며, 정격출력 4kW의 횡여기방식(transverse flow type)으로서 빔 모드는 multi-mode이다. 실 험은 먼저 강판에 레이저 조사강화 기초실험을 하여 최적의 조사조건(선행된 연구 결과에 의함)을 도출한 후 hat-type시험편에 적용하고, 최종적으로 실제 사용되고 있는 범퍼빔에 적용을 해보았다. 기초실험에서 레이저 출력은 2~ 2.
실제 사용하고 있는 범퍼에 레이저 조사강화를 적용해 보았다. 비교를 위하여 양산품에 대하여도 같이 시험을 했다.
실험결과를 토대로 실제 사용되고 있는 자동차 범퍼에 레이저 조사강화 실험을 적용하여 보았다. 사용한 부품은 RR-BPRRAIL(CTR REINF 제외)로서, 현재 자동차에 실제로 적용하고 있는 부품이다.
레이저 조사 길이는 350mm로 하였다. 조사패턴은 Fig. 2와 같이 3가지 패턴을 형성하여 비교하였으며, 각각의 패턴에 대하여 2개씩 조사하여 정압축시험을 행했다.

대상 데이터

3-point 굽힘 시험조건으로 spane 120mm이다. 굽힘 시험장치 는 Schimadzu사 Autograph를 사용하였다.
레이저 빔 조사 실험을 위하여 CO2 레이저를 사용하였다. co2 레이저 발진기는 연속 출력 파이며, 정격출력 4kW의 횡여기방식(transverse flow type)으로서 빔 모드는 multi-mode이다.
5m/min이 며 , 보호가스는 Ar-30 i /min이다. 레이저 조사 길이는 350mm로 하였다. 조사패턴은 Fig.
사용한 부품은 RR-BPRRAIL(CTR REINF 제외)로서, 현재 자동차에 실제로 적용하고 있는 부품이다. 실험조건으로 CO2 레이저 출력은 2.
실험에 사용된 재료는 자동차 부품업체에서 사용하는 자동차용 강판인 35kg#mm²급 냉연강판(일명: SPRC₃₅R)이며, P첨가 고용강화형 강판으로 두께는 1.2mm이다. 강판의 화학성분은 Table 1과 같다.

성능/효과

1) 레이저 용입의 특징인 매우 빠른 냉각속도에 의한급냉 조직에 의해 모재보다경도가 상승하였고, 이러한 조직을 갖는 용입면적의 증가로 인하여 즉, 완전용입선수가 증가함으로써 강화 효과가 큼을 알 수 있었다.
2) hat-type 시 편의 굽힘 시험 으로부터 가장 적 절한 패턴을 얻을 수 있었다. 즉, 길이방향으로는 모서 리 부분에 밀집된 형 태(L4), 폭방향으로는 균일하게 분포된 형 태(L1)가 높은 굽힘 하중 값을 나타내었고, 최고의 굽힘 하중 값을 나타낸 것은 길이 방향으로는 모서리 부분에 밀집된 형태와 폭 방향으로는 중심부에 밀집된 형태의 혼합상태가 가장 높은 굽힘 하중 값을 나타내 었다.
3) 실제 범퍼에 레이저 조사강화 효과를 적용한 결과 레이저 강화품이 양산품과 최고 하중 값이 비슷했으며, 양산품에 비하여 정 압축시험 후꺽임 현상이 발생하지 않았다. 따라서 보강재를 삭제하여 경 량화가 가능함을 알 수 있다.
에 비해 감소함을 알 수 있다. 용입부의 최대 경도 값은 부분용입의 경우 246Hv이며, 완전 용입의 경우 219Hv로 나타났다. 또한, 완전 용입된 강판의 모재 대비 경도 상승률은 63%(JHv=77) 임을 보여주고 있다.
패턴을 얻을 수 있었다. 즉, 길이방향으로는 모서 리 부분에 밀집된 형 태(L4), 폭방향으로는 균일하게 분포된 형 태(L1)가 높은 굽힘 하중 값을 나타내었고, 최고의 굽힘 하중 값을 나타낸 것은 길이 방향으로는 모서리 부분에 밀집된 형태와 폭 방향으로는 중심부에 밀집된 형태의 혼합상태가 가장 높은 굽힘 하중 값을 나타내 었다.
따라서 L3 보다는 L4가 적 절함을 알 수 있다. 폭 방향으로의 용입선은 시편 폭방향으로 조밀하게 형성하는 것이 바람직하게 생각되었으나, 실험 결과 전체에 넓게 분포시키는 것이 더 좋은 결과를 나타내었다. 이는 span이 120mm로서 L2의 경우, 상대적으로 span길이가 길어서 굽힘시험시의 하부 벤딩 지그의 지지 위치가 용입선부의 외부에 존재했기 때문에 모재쪽의 영향을 많이 받은 결과로 해석 된다.

후속연구

범퍼빔 재료로서는 강판, 알루미늄, 플라스틱이 이용되고 있으며:6)알루미늄은 경량화 소재로서 적 합하나 강판과 동등 수준의 강도를 가지기 위해서는 다이캐스팅과 같은 고급의 가공기술이 필요하기 때문에 원가상승이 불가피하다. 따라서, 고장력강판을 사용함으로써 범퍼 빔의 경량화를 추구하는 연구도 진행되고 있으므로) 향후, 강판 범퍼빔과 알루미늄 범퍼 빔의 경쟁이 치열할 것으로 예상된다.

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