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문제 정의
- 그러나 TWB공법은 기존의 제작 방식과 전혀 다른 새로운 제작 방법이므로 이 공법의 적용에 따른 여러 가지 기계적특성 평가가 필요하다. 따라서 본 연구는 TWB 판넬의 기초 물성 데이터 확보 및 TWB 판넬로 시험편을 제작하고 용접부의 강성 및 피로강도를 평가하는 것을 목적으로 한다.
가설 설정
- 예로서, 도어 인너 판넬(door inner panel)의 경우 기존 제조방법으로는 얇은 판재로 도어 인너 부품을 성형한 후 차체의 문을 고정시키는 부분의 강도를 보강하기 위한 강도 보강부품을 추가로 사용하였지만, TWB공법을 적용하면 부품을 성형하기 전에 강도가 요구되는 부위를 미리 요구되는 강도만큼의 두터운 강판으로 용접하여 접합판재를 만든 후 성형함으로서 별도의 강도 보강부품이 필요 없게 된다. 따라서 TWB공법에 의한 제작 방법은 기존 방법에 비하여 1) 금형수, 공정 및 인건비의 절감, 2) 치수 정확도·높은 생산성·중량감소, 3) 판 두께와 재질의 최적화 가능, 4) 소재 형상의 자유도의 제고, 5) 차체의 안전성 증가 및 NVH개선 등과 같은 장점이 있다.
제안 방법
- K(I.B) = (Fx × L)/θ(I.B)에서 Fx = 2460 N, L =640 mm, θ(I.B) = 0.0031 rad이므로 각각 대입하면 (2460 × 640)/0.0031 = 51 × 10 7 N·mm/rad 이 되며, 외측평면 굽힘강성도 같은 방법으로 계산하였다.
- TWB공법을 적용한 부재의 기초 물성 데이터를 확보하고 용접부의 강성 및 피로강도를 평가하고자 자동차 측면구조물의 대표적인 단면 형태를 갖는 T형및 L형 상사 시험편을 각각 TWB공법(레이저 및 매쉬심용접)과 기존방법(base panel + 보강재)으로 제작하여 강성과 피로 시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 3 t)이며, 화학성분은 Table 1과 같다. TWB시험편의 용접은 자동차 부품 제작용 TWB공법으로 많이 사용하고 있는 레이저 용접 및 매쉬심용접을 실시하였다. 용접된 시험편은 시험 전에 각 시험편별로 일본 Major 자동차업체 규격에 의거하여 용접성을 검사하였으며, 시험 결과는 Table 2 및 3과 같으며, Fig.
- 강성 시험에 앞서서 TWB시험편과 각 모재의 인장강도, 항복강도 및 연신율을 알아보기 위하여 인장 시험을 실시하였다. 인장시험은 시험편의 폭이 12.
- 강성은 각 종류별로 3개씩 시험한 후 하중-변위곡선의 평균값으로 하였다. 강성을 구하기 위한 변위의 기준은 변형 초기에 탄성영역으로 생각되는 1.
- 5 mm 때의 값과는 약 4%의 오차를 보였다. 그러나, 1.5 mm 변위에서는 초기 미끄러짐 문제로 인하여 데이터를 구하기가 어려웠고, 2.5 mm에서는 일부 소성변형이 일어난 것으로 판단되어 본 시험에서는 2.0 mm 변위에서 하중값을 구하여 강성을 계산하였다. Fig.
- 피로 시험은 Roell Amsler HFP 5100으로 수행하였으며, 이 시험기는 유압식 피로시험기가 아닌 자기 공명식 시험기이다. 시험은 시험편이 박판인 관계로 압축 시 굽힘이 일어나기 쉬우므로 인장-인장을 인가하여 시험하였고, 노치의 영향을 없애고자 실험 전에 시험편 R부위를 #600번 연마지로 연마하였다. 시험 하중반복수는 5 × 10 6 회로 하였으며, 이때까지 파단이 일어나지 않으면 시험을 중지하고, 이때 가장 높은 응력값을 피로한도로 설정하였다.
- 본 연구에서는 이 가운데 강성과 강도가 가장 요구되는 L형 및 T형 접합부를 선정하여 강성시험을 실시하였다. 시험편은 실차 상태와 가장 비슷하게 모사하기 위하여 차체 측면구조의 전형적인 단면 형태를 갖는 부분 구조물(L형 및 T형 상사 시편)을 각각 접합 방법의 차이에 따라 기존방법 (base panel + 보강재)과 TWB공법(레이저 및 매쉬심 용접)으로 제작하였고, Table 4에 시험편 종류 및 Fig. 2에 시험편 형상을 나타내었으며, 각각의 시험편 치수는 기존공법에서 보강제가 놓이는 위치 등을 고려하여 선정하였다.
- 접합부의 강성에는 내측평면 굽힘강성(in plane bending stiffness), 외측평면 굽힘강성(out of plane bending stiffness), 비틀림강성(torsional stiffness)이 있는데, 본 연구에서는 내측평면 굽힘강성과 외측 평면 굽힘강성으로 시험하였다.
- 기존의 차체 조립은 강도 보강효과를 내기 위하여 여러 겹의 보강재를 사용하였지만, 용접판재를 사용함으로서 강성이 요구되는 부분은 두껍고 강성이 큰 판재를 사용하고, 나머지 부분은 얇은 판재를 이용하여 서로 용접하고 이를 한번의 공정으로 성형한다. 즉, 두께나 재질이 서로 다른 강판을 레이저(laser)나 매쉬심(mash seam) 용접을 통하여 용접하여 일체화 한 후, 한번에 성형하여 차체부품을 제작 한다. 예로서, 도어 인너 판넬(door inner panel)의 경우 기존 제조방법으로는 얇은 판재로 도어 인너 부품을 성형한 후 차체의 문을 고정시키는 부분의 강도를 보강하기 위한 강도 보강부품을 추가로 사용하였지만, TWB공법을 적용하면 부품을 성형하기 전에 강도가 요구되는 부위를 미리 요구되는 강도만큼의 두터운 강판으로 용접하여 접합판재를 만든 후 성형함으로서 별도의 강도 보강부품이 필요 없게 된다.
- 피로강도 평가는 상사구조물 자체로 시험하려 하였으나, 상사구조물 피로시험편의 뒤틀림이 심하여 본 평가에서는 단순 표준 피로시험편으로만 피로강도를 평가하였다. 시험편은 TWB공법으로 제작한 판넬에서 추출하였으며, 인장시험편과 피로시험편은 각각 KS B 0801 13B호[8]와 JIS Z 2275 1호[9]에 의거하여 제작하였고, 시험편 형상을 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 시험편은 자동차 차체 판넬로 많이 사용되는 SPCC(두께 : 1.6 t, 2.3 t)이며, 화학성분은 Table 1과 같다. TWB시험편의 용접은 자동차 부품 제작용 TWB공법으로 많이 사용하고 있는 레이저 용접 및 매쉬심용접을 실시하였다.
- 차체는 구조적 부재를 연결하고 있는 다양한 형상의 구조 접합부로 이루어져 있으며, 대표적인 접합부로는 로커 판넬(rocker panel)과 프론트 필라(front filler)를 연결하는 L형 접합부와 로커 판넬과 센타 판넬(center panel)을 연결하는 T형 접합부, 루프 판넬(roof panel)과 프론트 필라를 연결하는 Y형 접합부 등이 있다. 본 연구에서는 이 가운데 강성과 강도가 가장 요구되는 L형 및 T형 접합부를 선정하여 강성시험을 실시하였다. 시험편은 실차 상태와 가장 비슷하게 모사하기 위하여 차체 측면구조의 전형적인 단면 형태를 갖는 부분 구조물(L형 및 T형 상사 시편)을 각각 접합 방법의 차이에 따라 기존방법 (base panel + 보강재)과 TWB공법(레이저 및 매쉬심 용접)으로 제작하였고, Table 4에 시험편 종류 및 Fig.
- 피로강도 평가는 상사구조물 자체로 시험하려 하였으나, 상사구조물 피로시험편의 뒤틀림이 심하여 본 평가에서는 단순 표준 피로시험편으로만 피로강도를 평가하였다. 시험편은 TWB공법으로 제작한 판넬에서 추출하였으며, 인장시험편과 피로시험편은 각각 KS B 0801 13B호[8]와 JIS Z 2275 1호[9]에 의거하여 제작하였고, 시험편 형상을 Fig. 3에 나타내었다.
- 강성 시험에 앞서서 TWB시험편과 각 모재의 인장강도, 항복강도 및 연신율을 알아보기 위하여 인장 시험을 실시하였다. 인장시험은 시험편의 폭이 12.5 mm이고, 게이지 길이는 50 mm인 표준 시험편으로 용접선 수직방향으로 시험편을 준비하여 시험하였으며, 인장속도는 2 mm/min이다. Table 5에 시험 결과를 나타내었으며, 이 결과는 각 종류별로 3개씩 시험한 값의 평균값이다.
- 피로 시험은 2.3 t 모재(SPCC), 1.6 t 모재(SPCC), TWB(레이저용접, SPCC 1.6 t × 2.3 t), TWB(매쉬 심용접, SPCC 1.6 t × 2.3 t)의 총 4가지 종류의 시험편으로 시험하였고, 그 결과는 Fig. 8과 같다.
- 피로 시험은 Roell Amsler HFP 5100으로 수행하였으며, 이 시험기는 유압식 피로시험기가 아닌 자기 공명식 시험기이다. 시험은 시험편이 박판인 관계로 압축 시 굽힘이 일어나기 쉬우므로 인장-인장을 인가하여 시험하였고, 노치의 영향을 없애고자 실험 전에 시험편 R부위를 #600번 연마지로 연마하였다.
성능/효과
- Fig. 6(a) 및 (b)에서 기존 방법으로 제작한 시험편, TWB공법으로 제작한 시험편 모두 T형이 L형보다 높은 강성값(in plane : 약 4배, out of plane :약 1.3배)을 보였으며, 같은 유형의 시험편에서는 TWB공법으로 제작한 시험편이 기존방법으로 제작한 시험편에 비하여 더욱 높은 강성값을 보였다. 외측평면 굽힘강성의 경우에도 내측평면 굽힘강성에서와 같은 결과를 보였다.
- 1. TWB공법으로 제작한 판재의 강성은 기존방식에 비하여 약 17% 우수하다.
- 2. 레이저용접은 용접부 폭이 좁고 용접 중심부의 경도값이 높으나 거리가 멀어질수록 경도값은 급격히 감소하였다. 그러나 매쉬심용접은 용접부의 폭이 넓고 중심부 경도값은 레이저용접에 비하여 낮지만 거리가 멀어질수록 경도값이 레이저용접보다 완만한 감소를 나타내었다.
- 3. 내측평면 굽힘강성의 경우에는 용접부의 영향을 받고, 용접부의 폭이 상대적으로 넓은 매쉬심용접의 경우가 레이저용접대비 높은 강성값을 보였다. 그러나 외측평면 굽힘강성의 경우에는 용접부의 영향을 거의 받지 않았고 강성값은 동등하였다.
- 4. TWB판재 중에서는 용접부에서의 상태변화가 크고 응력집중이 더 많이 발생한 매쉬심용접판재의 경우가 레이저용접판재에 비하여 낮은 피로강도를 나타내었다.
- 7은 TWB공법으로 제작한 시험편의 용접부 경도값을 나타낸 것으로 레이저용접은 용접부 폭이 좁고 용접 중심부의 경도값이 높으나 거리가 멀어질수록 경도값은 급격히 감소하였다. 그러나 매쉬심용 접은 용접부의 폭이 넓고 중심부 경도값은 레이저용접에 비하여 낮지만 거리가 멀어질수록 경도값이 레이저용접보다 완만한 감소를 나타내었다. 또한 굽힘 강성 시험결과, TWB공법으로 제작한 시험편 중에서는 내측평면 굽힘강성의 경우 매쉬심용접의 경우가 레이저 용접의 경우보다 약 23%의 높은 강성값을 보였다.
- 7은 TWB공법으로 제작한 시험편의 용접부 경도값을 나타낸 것으로 레이저용접은 용접부 폭이 좁고 용접 중심부의 경도값이 높으나 거리가 멀어질수록 경도값은 급격히 감소하였다. 그러나 매쉬심용 접은 용접부의 폭이 넓고 중심부 경도값은 레이저용접에 비하여 낮지만 거리가 멀어질수록 경도값이 레이저용접보다 완만한 감소를 나타내었다. 또한 굽힘 강성 시험결과, TWB공법으로 제작한 시험편 중에서는 내측평면 굽힘강성의 경우 매쉬심용접의 경우가 레이저 용접의 경우보다 약 23%의 높은 강성값을 보였다.
- 5 mm 변위에서 하중값과 강성값을 각각 구하였으며, 그 결과를 Table 6에 나타내었다. 데이타 분석결과 1.5 mm 때의 값과 2.0 mm 때의 값은 거의 같았으며, 2.5 mm 때의 값과는 약 4%의 오차를 보였다. 그러나, 1.
- 외측평면 굽힘강성의 경우에도 내측평면 굽힘강성에서와 같은 결과를 보였다. 따라서, TWB공법에 의한 시험편의 강성이 기존방식의 것에 비하여 평균 약 17%의 높은값을 보였으며, 이것은 TWB공법의 경우 용접부의 강화에 기인하여 높은 강성값을 나타낸 것으로 판단된다.
- 그러나 매쉬심용 접은 용접부의 폭이 넓고 중심부 경도값은 레이저용접에 비하여 낮지만 거리가 멀어질수록 경도값이 레이저용접보다 완만한 감소를 나타내었다. 또한 굽힘 강성 시험결과, TWB공법으로 제작한 시험편 중에서는 내측평면 굽힘강성의 경우 매쉬심용접의 경우가 레이저 용접의 경우보다 약 23%의 높은 강성값을 보였다. 이는 매쉬심 용접부 폭(약 5.
- Table 5에 시험 결과를 나타내었으며, 이 결과는 각 종류별로 3개씩 시험한 값의 평균값이다. 시험결과 TWB재의 경우 1.6 t 부분에서 파단이 일어났고(Fig. 4), 인장강도와 항복강도는 각 모재의 값과 동등하였으나 연신율은 모재대비 약 50%의 값을 나타내었다. 이것은 TWB 시험편의 경우 용접부에서 발생되는 변형에 대한 구속력[10]과 서로 다른 두께의 판재 결합 시 두께비가 커질수록 변형이 얇은 소재에 집중되는 특성[11] 때문에 연신율이 작아졌다고 판단된다.
- 한편, TWB시험편의 레이저용접의 경우는 1.6 t 부분 또는 용접부에서, 매쉬심용접의 경우에는 용접부에서 파단이 일어났으며, 레이저용접이 매쉬심용접에 비하여 피로강도는 조금 높은 값을 나타내었다. 이것은 용접구간이 넓고 겹침 용접인 매쉬심용접부 형상이 용접구간이 좁고, 맞대기 용접인 레이저용접부에 비하여 큰 노치효과를 발생시키고(Fig.
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