[논문]1000MPa급 DP강의 Nd:YAG 레이저 용접부의 기계적 성질과 성형성에 미치는 용접 속도의 영향

장진영; 최우남; 정병훈; 강정윤

doi:10.5781/kwjs.2009.27.2.069

1000MPa급 DP강의 Nd:YAG 레이저 용접부의 기계적 성질과 성형성에 미치는 용접 속도의 영향
Effect of Welding Speed on Mechanical Properties and Formability in Nd:YAG Laser Welds of 1000MPa Grade DP Steel 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.27 no.2, 2009년, pp.69 - 75

장진영 (부산대학교 재료공학부) , 최우남 (하이브리드소재솔루션 국가핵심연구센터) , 정병훈 (성우하이텍 기술연구소) , 강정윤 (부산대학교 재료공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of welding speed were investigated on penetration characteristics, defects and mechanical properties including formability test in Nd:YAG laser welded 1000MPa grade DP steels. A shielding gas was not used and bead-on-plate welding was performed with various welding speeds at 3.5kW laser power. Defects of surface and inner beads were not observed in all welding speeds. As the welding speed increased, the weld cross-section varied from the trapezoid having wider bottom bead, through X type, finally to V type in partial penetration range of welding speeds. The characteristic of hardness distribution was also investigated. The center of HAZ had maximum hardness, followed by a slight decrease of hardness as approaching to FZ. Significant softening occurred at the HAZ near BM. Regardless of the welding speed, the weld showed approximately the same hardness distribution. In the perpendicular tensile test with respect to the weld direction, all specimens were fractured at the softening zone. In the parallel tensile test to the weld direction, the first crack occurred at weld center and then propagated into the weld. Good formability over 80% was taken for all welding conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 인장강도 1000MPa급 DP강의 레이저 용접기술에 대한 기초 연구로서 Nd:YAG 레이저 비드 용접부의 용입특성, 결함, 경도 및 기계적 성질에 미치는 용접속도의 영향에 대해 검토하고자 한다.
모든 조건에서 연화부에서 파단되었음에도 불구하고, 연신율이 용접속도에 따라 증가하는 이유를 알아보기 위하여 파단 된 인장시험편의 단면 변화를 살펴보았다. Fig.
본 연구에서는 1000MPa급 DP강을 Nd:YAG레이저를 사용하여 보호가스 없이 3.5㎾의 출력으로 비드 용접한 용접부의 특성에 미치는 용접속도의 영향을 검토하였고 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
이와 같은 용접부의 경도분포가 나타나는 원인을 파악하기 위하여, Fig. 5에 나타낸 경도 분포 모식도의 각 영역에 해당하는 미세조직을 관찰하여 보았다. HAZ I의 영역이 수냉시편의 경도값과 동일한 값을 갖는 것은 이 영역의 조직(b)이 완전 마르텐사이트 조직으로 구성되어 있는 것으로부터, A₃ 이상의 온도로 가열되고, 수냉과 동일한 냉각속도로 냉각되어 형성된 것으로 생각된다.

제안 방법

용접부의 미세조직은 4%-Nital로 상온에서 5초간 부식시켜 관찰하였다. 경도는 마이크로비커스 경도기를 사용하여 하중 300g(2.94N), 하중 유지 시간 15초의 조건으로 측정하였다.
시험한 모든 용접속도의 경도분포가 유사한 경향을 나타내었으므로, 용접속도에 따른 최대경도 및 용접금속 중심부의 경도 변화만을 비교하여 보았다. 그 결과를 Fig.
실제로 부품을 생산하는 공정에서는 인장시험과 같은 단축응력이 아닌 다축응력으로 성형하기 때문에 다축응력시험인 에릭슨 시험으로 성형성을 평가하여 보았다. Fig.
용접부 근방의 경도분포에 미치는 용접속도 조건의 영향을 검토하기 위하여, 용접부 중심선에 따라 150㎛ 간격으로 비커스 미소경도를 측정하여 상관관계를 조사하여 보았다. Fig.
용접부의 미세조직은 4%-Nital로 상온에서 5초간 부식시켜 관찰하였다. 경도는 마이크로비커스 경도기를 사용하여 하중 300g(2.
용접은 50(W)×200(L) 크기의 시편을 압연 방향에 평행하게 비드 용접을 실시하였으며, 보호 가스를 사용하지 않고, 출력을 3.5kW, 초점위치를 0mm로 고정시킨 상태에서 용접속도를 1.5∼5.4m/min로 변화시켜 행하였다.
인장시험편은 박판재의 인장시험에 적합한 JIS 13B 호 시험편으로 용접선에 수직한 방향, 수평한 방향으로 가공하여 사용하였고, 인장시험은 만능시험기를 사용하여 크로스헤드 스피드를 5mm/min의 조건으로 인장하였고, 연신율은 신율계(extensometer)를 부착하여 측정하였다. 성형성은 박판만능시험기를 사용하여, 에릭슨(Erichsen)시험으로 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 레이저 용접 장치는 최대 출력이 4㎾인 Nd:YAG 레이저를 사용하였다. 용접은 50(W)×200(L) 크기의 시편을 압연 방향에 평행하게 비드 용접을 실시하였으며, 보호 가스를 사용하지 않고, 출력을 3.
성형성은 박판만능시험기를 사용하여, 에릭슨(Erichsen)시험으로 평가하였다. 시험편은 에릭슨 시험편 2호로, 펀치의 상승속도는 7mm/min로 설정하였다.
실험에 사용된 DP(dual phase)강은 인장강도가 1000MPa이고 두께가 1.6mm이며, 화학조성을 Table 1에 나타낸다.

이론/모형

인장시험편은 박판재의 인장시험에 적합한 JIS 13B 호 시험편으로 용접선에 수직한 방향, 수평한 방향으로 가공하여 사용하였고, 인장시험은 만능시험기를 사용하여 크로스헤드 스피드를 5mm/min의 조건으로 인장하였고, 연신율은 신율계(extensometer)를 부착하여 측정하였다. 성형성은 박판만능시험기를 사용하여, 에릭슨(Erichsen)시험으로 평가하였다. 시험편은 에릭슨 시험편 2호로, 펀치의 상승속도는 7mm/min로 설정하였다.

성능/효과

1) 완전용입조건(1.5m/min∼3.6m/min)에서 보호 가스를 사용하지 않고도 기공과 균열이 없는 건전한 용접부를 얻을 수 있었다.
2) 용접부 근방의 경도분포 패턴은 용접속도에 관계 없이 거의 동일하였다. 즉, 본드라인 근처에서 용융부보다 높은 최고 경도를 나타내고, HAZ에서 모재 쪽으로 갈수록 저하하며, 모재 근방의 HAZ에서 모재 경도보다 낮은 경도를 나타내는 연화가 일어나는 패턴을 보였다.
6m/min(c)의 용접재의 에릭슨시험 후 파단된 시험편 형상을 나타낸 것이다. 2.1m/min 이상의 용접속도로 용접된 것은 모재의 것과 거의 같은 성형 높이를 가지고, 그 이하의 용접속도에서는 모재보다 낮은 것을 볼 수 있다. 성형 후의 파단 형상은 연화부가 존재하는 용접선에 따라 파단된 형상 Type A(b)와 용접부에서 균열이 생성되고 용접선과 수직으로 전파된 형상 Type B(c)로 나누어진다.
3) 본드라인 근처의 HAZ영역과 용융부의 미세조직은 모두 마르텐사이트이지만, HAZ의 조직이 더 미세하여 경도가 높고, HAZ에서 모재 쪽으로 갈수록 경도가 감소하는 것은 페라이트 양의 증가 때문이며, 모재 근처 HAZ에서 발생하는 연화부는 템퍼링 효과에 의한 것으로 생각되어졌다.
4) 수직 인장시험한 경우, 용접속도와 관계없이 모든 시험편이 모재 근처 연화부에서 파단되었고, 항복강도와 인장강도는 모재의 것과 거의 같거나 조금 높게 나타났다. 또한, 연신율은 모재보다 낮게 나타나지만, 용접속도가 증가함에 따라 연신율이 약간 증가하는 경향을 보였다.
5) 수평 인장시험한 경우, 인장강도는 모재의 것과 동일하고, 항복강도는 모재보다 동일하거나 높았다. 연신율은 저속의 용접재는 모재의 것보다 낮지만 2.
6) 저속(1.8m/min 이하)의 용접재는 경화폭이 아주 넓어 HAZ 연화부에서 파단되고, 성형높이도 모재보다 낮으며, 2.1m/min 이상의 용접재는 용접부에서 균열이 발생하였고, 모재와 동등한 성형 높이를 가졌다.
4) 수직 인장시험한 경우, 용접속도와 관계없이 모든 시험편이 모재 근처 연화부에서 파단되었고, 항복강도와 인장강도는 모재의 것과 거의 같거나 조금 높게 나타났다. 또한, 연신율은 모재보다 낮게 나타나지만, 용접속도가 증가함에 따라 연신율이 약간 증가하는 경향을 보였다.
이상의 결과로부터, DP 1000강을 보호가스를 사용하지 않고 Nd:YAG 레이저 용접하여도 전반적으로 양호한 비드를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
2) 용접부 근방의 경도분포 패턴은 용접속도에 관계 없이 거의 동일하였다. 즉, 본드라인 근처에서 용융부보다 높은 최고 경도를 나타내고, HAZ에서 모재 쪽으로 갈수록 저하하며, 모재 근방의 HAZ에서 모재 경도보다 낮은 경도를 나타내는 연화가 일어나는 패턴을 보였다. HAZ의 최고경도값과 용융부의 경도값은 용접속도의 영향을 받지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레이저용접기술의 장점은?	한편 레이저 용접은 타 용접법에 비해 용접 속도가 빠르고 입열량이 작아 열변형(heating deformation)이 작은 이점을 가지고 있고, 비드 외관이 미려할 뿐만 아니라 정밀성(accuracy), 안정성(stability)이 높다6). 이런 특성으로 인해 레이저용접의 중요성이 확대되고 있으며 일본, 독일, 미국 등 자동차생산기술의 선진국들은 이미 많은 부분에 레이저용접기술을 도입, 응용하고 있다7-8).
	2상 조직강은 어떻게 구성되어 있는가?	페라이트와 마르텐사이트로 구성되는 2상 조직강(dual phase steel)은 비교적 적은 합금원소를 가지고도 높은 강도를 확보할 수 있고 유사 강도 수준의 다른 고장력강(advanced high strength steel)에 비해 가공성이 월등히 우수하기 때문에 자동차 등 수송기기분야에서 매우 각광을 받고 있다1-5).
	2상 조직강이 자동차 등 수송기기분야에서 각광받는 이유는?	페라이트와 마르텐사이트로 구성되는 2상 조직강(dual phase steel)은 비교적 적은 합금원소를 가지고도 높은 강도를 확보할 수 있고 유사 강도 수준의 다른 고장력강(advanced high strength steel)에 비해 가공성이 월등히 우수하기 때문에 자동차 등 수송기기분야에서 매우 각광을 받고 있다1-5).

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M. S. Xia, E. Biro, Z. L. Tian, Y. N. Zhou: Effects of Heat Input and Martensite on HAZ Softening in Laser Welding of Dual Phase Steels, ISIJ Inter., 48(2008), 809-814

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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