핫스템핑 공정에서 가열온도 및 유지시간을 고려한 22MnB5의 단일겹치기 저항 점용접 조건 최적화 Optimization of Resistance Spot Weld Condition for Single Lap Joint of Hot Stamped 22MnB5 by Taking Heating Temperature and Heating Time into Consideration원문보기
본 연구에서는 핫스템핑 소재로 사용되는 보론합금강판 22MnB5의 단일 겹치기 점용접에서 용접부의 강도 향상을 위한 최적화를 수행하였다. 최적화 과정은 다구찌 실험계획법에 의해 행해졌으며 공정변수는 전류, 가압력 및 통전시간으로 선정하였고, 잡음인자로서 핫스템핑 시 소재의 가열온도와 유지시간을 고려하였다. 가열조건에 따라 22MnB5 표면의 알루미늄 도금층과 모재 간의 확산반응에 의해 화합물층 두께에 산포가 발생하였으며 이러한 산포는 너겟의 형성에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 한편 용접부의 인장전단강도를 목적함수로 하였을 때, 이러한 가열조건에 강건한 최적의 용접 조건은 전류 8kA, 가압력 4kN, 통전시간 18cycle로 선정되었다. 최적 조건의 검증 결과 용접부의 인장전단강도 는 32kN으로서 요구되는 규격인 23kN보다 크게 증가되었다.
본 연구에서는 핫스템핑 소재로 사용되는 보론합금강판 22MnB5의 단일 겹치기 점용접에서 용접부의 강도 향상을 위한 최적화를 수행하였다. 최적화 과정은 다구찌 실험계획법에 의해 행해졌으며 공정변수는 전류, 가압력 및 통전시간으로 선정하였고, 잡음인자로서 핫스템핑 시 소재의 가열온도와 유지시간을 고려하였다. 가열조건에 따라 22MnB5 표면의 알루미늄 도금층과 모재 간의 확산반응에 의해 화합물층 두께에 산포가 발생하였으며 이러한 산포는 너겟의 형성에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 한편 용접부의 인장전단강도를 목적함수로 하였을 때, 이러한 가열조건에 강건한 최적의 용접 조건은 전류 8kA, 가압력 4kN, 통전시간 18cycle로 선정되었다. 최적 조건의 검증 결과 용접부의 인장전단강도 는 32kN으로서 요구되는 규격인 23kN보다 크게 증가되었다.
In this study, optimization of the process parameters of the resistance spot welding of a sheet of aluminum-coated boron alloyed steel, 22MnB5, used in hot stamping has been performed by a Taguchi method to increase the strength of the weld joint. The process parameters selected were current, electr...
In this study, optimization of the process parameters of the resistance spot welding of a sheet of aluminum-coated boron alloyed steel, 22MnB5, used in hot stamping has been performed by a Taguchi method to increase the strength of the weld joint. The process parameters selected were current, electrode force, and weld time. The heating temperature and heating time of 22MnB5 are considered to be noise factors. It was known that the variation in the thickness of the intermetallic compound layer between the aluminum-coated layer and the substrate, which influences on the formation of nugget, was generated due to the difference of diffusion reaction according to heating conditions. From the results of spot weld experiment, the optimum weld condition was determined to be when the current, electrode force, and weld time were 8kA, 4kN, and 18 cycles, respectively. The result of a test performed to verify the optimized weld condition showed that the tensile strength of the weld joint was over 32kN, which is considerably higher than the required strength, i.e., 23kN.
In this study, optimization of the process parameters of the resistance spot welding of a sheet of aluminum-coated boron alloyed steel, 22MnB5, used in hot stamping has been performed by a Taguchi method to increase the strength of the weld joint. The process parameters selected were current, electrode force, and weld time. The heating temperature and heating time of 22MnB5 are considered to be noise factors. It was known that the variation in the thickness of the intermetallic compound layer between the aluminum-coated layer and the substrate, which influences on the formation of nugget, was generated due to the difference of diffusion reaction according to heating conditions. From the results of spot weld experiment, the optimum weld condition was determined to be when the current, electrode force, and weld time were 8kA, 4kN, and 18 cycles, respectively. The result of a test performed to verify the optimized weld condition showed that the tensile strength of the weld joint was over 32kN, which is considerably higher than the required strength, i.e., 23kN.
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문제 정의
본 연구는 핫스템핑 공정에 적용되는 소재인 알루미늄 도금처리 된 보론강판(22MnB5)의 가열온도와 가열시간에 따른 강도와 도금층의 두께 변화를 측정하고 이러한 가열 조건의 변화에 강건한 최적의 점용접 공정을 도출하기 위해 수행하였다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결과를 얻을 수 있었다.
너겟의 크기는 용접부의 품질을 비교적 용이하게 평가할 수 있는 것으로 일반적으로 너겟의 직경이 증가할수록 그에 따른 접합강도가 증가한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 열영향부(HAZ : Heat Affected Zone)를 제외한 용융부를 너겟으로 정의하였으며 측정된 너겟의 직경을 목적함수로 하여 이를 최대화 할 수 있는 용접조건의 조합을 찾는 것으로 하였다. 공정변수는 점용접의 주요 영향인자인 전류, 가압력 및 통전시간으로 선정하였으며 Table 3에 그 수준값을 나타내었다.
본 연구에서는 알루미늄 도금처리 된 22MnB5 간의 점용접 공정에서 용접부의 강도를 증가시키기 위한 공정 최적화를 수행하였다. 이를 위하여 핫스템핑 시, 가열 조건에 따른 시험편의 강도와 알루미늄 도금층의 두께 변화를 파악하고 이를 고려한 점용접 조건의 강건 설계(Robust Design)를 다구찌 실험계획법으로서 수행하였다.
제안 방법
22MnB5의 가열온도 및 시간에 따른 용접부의 인장전단강도의 영향을 파악하기 위해 Table 4와 동일한 조건 하에서 용접한 후 인장전단실험을 수행하였다. 실험 결과는 3회 인장전단실험을 수행한 후의 최대 하중값(Peak load)을 평균하여 나타낸 것이다.
가열 조건에 따른 도금층의 두께 또한 Table 2에 나타낸 가열 조건의 조합에 따라 제작된 시험편을 사용하였다. 22MnB5의 도금층 두께를 명확히 관찰하기 위해 단면을 잘 연마하여 5%의 나이탈 용액으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
핫스템핑 시, 가열 조건이 제품의 강도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Table 2에 나타낸 조건에 의해 22MnB5를 가열, 냉각하여 Instron 시험기로서 각각 3회의 인장실험을 수행하였으며 이 때 인장속도는 1mm/min로 하였다. 각 조건에 따른 인장강도의 결과를 가지고 이원배치법에 의한 통계적 분석을 실시하여 인장강도가 1500MPa 가량을 나타내는 공정 조건의 범위를 결정하였다.
한편, 용접은 각 가열 조건 별 너겟의 측정을 위한 시험편 1세트와 인장전단시험을 위한 3세트에 대해서 수행하였다. 너겟부는 도금층 관찰에서의 시편처리와 같이 용접 후 단면을 절단하여 경면 연마한 후, 나이탈 용액으로 에칭하여 실물 현미경(MSX-500Di)으로 관찰하였다. 또한 용접부 강도 측정을 위한 인장전단시험은 시편의 인장시험과 동일한 조건에 따라 실시하였다.
너겟부는 도금층 관찰에서의 시편처리와 같이 용접 후 단면을 절단하여 경면 연마한 후, 나이탈 용액으로 에칭하여 실물 현미경(MSX-500Di)으로 관찰하였다. 또한 용접부 강도 측정을 위한 인장전단시험은 시편의 인장시험과 동일한 조건에 따라 실시하였다.
이를 위하여 핫스템핑 시, 가열 조건에 따른 시험편의 강도와 알루미늄 도금층의 두께 변화를 파악하고 이를 고려한 점용접 조건의 강건 설계(Robust Design)를 다구찌 실험계획법으로서 수행하였다. 또한 인장전단시험을 통해 용접부의 부하능력을 평가하고 최적화된 용접 조건을 검증함으로써 핫스템핑 공정에서의 다양한 가열 조건에서도 용접부의 강도를 향상시킬 수 있는 용접 조건을 도출하였다.
한편, 용접은 각 가열 조건 별 너겟의 측정을 위한 시험편 1세트와 인장전단시험을 위한 3세트에 대해서 수행하였다. 너겟부는 도금층 관찰에서의 시편처리와 같이 용접 후 단면을 절단하여 경면 연마한 후, 나이탈 용액으로 에칭하여 실물 현미경(MSX-500Di)으로 관찰하였다.
핫스템핑 시, 가열 조건이 제품의 강도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 Table 2에 나타낸 조건에 의해 22MnB5를 가열, 냉각하여 Instron 시험기로서 각각 3회의 인장실험을 수행하였으며 이 때 인장속도는 1mm/min로 하였다. 각 조건에 따른 인장강도의 결과를 가지고 이원배치법에 의한 통계적 분석을 실시하여 인장강도가 1500MPa 가량을 나타내는 공정 조건의 범위를 결정하였다.
대상 데이터
가열 조건에 따른 도금층의 두께 또한 Table 2에 나타낸 가열 조건의 조합에 따라 제작된 시험편을 사용하였다. 22MnB5의 도금층 두께를 명확히 관찰하기 위해 단면을 잘 연마하여 5%의 나이탈 용액으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.
본 연구에서는 가열 조건에 따른 22MnB5의 기계적 특성과 용접성을 평가하기 위하여 각 가열온도 및 유지시간에 따라 가열, 급냉된 소재를 사용하였다. 급냉 공정은 핫스템핑 공정을 모사할 수 있도록 가열된 22MnB5를 편평한 금형 사이에 넣고 가압하여 냉각시켰으며 금형의 온도 상승으로 인한 소재의 냉각속도 저하가 없도록 충분히 냉각하였다.
본 연구에서는 내식성의 확보 및 산화스케일 방지를 위해 표면에 알루미늄 도금처리 된 두께 1.6mm의 22MnB5를 사용하였으며 그 화학적 조성을 Table 1에 나타내었다. 저탄소강재에 첨가된 미량의 보론은 약 3,000~5,000ppm 정도만으로도 담금질 임계 냉각속도를 낮추고, 탄소와 함께 Fe3B와 같은 경질의 침입형 고용체를 형성하는 등 여러 가지로 핫스템핑용 소재에 있어 유효한 성분이다.
급냉 공정은 핫스템핑 공정을 모사할 수 있도록 가열된 22MnB5를 편평한 금형 사이에 넣고 가압하여 냉각시켰으며 금형의 온도 상승으로 인한 소재의 냉각속도 저하가 없도록 충분히 냉각하였다. 한편 가열 조건에 따른 인장강도 평가를 위한 시험편은 KS D 0801 규격(12)의 5호와 같이 제작하였으며 용접성 평가를 위한 인장전단 시험편은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 KS B 0851(13)에 의해 절단된 폭 40mm, 길이 125mm의 소재를 겹치기 용접하였다. 한편, Table 2에는 가열 조건을 나타내는 것으로 각각은 열처리 경화 후 22MnB5의 인장강도, 도금층의 두께 및 점용접 평가를 수행하기 위하여 선정한 조건이다.
데이터처리
22MnB5의 가열온도 및 시간에 따른 용접부의 인장전단강도의 영향을 파악하기 위해 Table 4와 동일한 조건 하에서 용접한 후 인장전단실험을 수행하였다. 실험 결과는 3회 인장전단실험을 수행한 후의 최대 하중값(Peak load)을 평균하여 나타낸 것이다. Table 6에 각 공정변수 조합에 따른 인장전단강도와 망대특성에 의해 계산된 S/N비를 나타내었다.
이론/모형
본 연구에서는 알루미늄 도금처리 된 22MnB5 간의 점용접 공정에서 용접부의 강도를 증가시키기 위한 공정 최적화를 수행하였다. 이를 위하여 핫스템핑 시, 가열 조건에 따른 시험편의 강도와 알루미늄 도금층의 두께 변화를 파악하고 이를 고려한 점용접 조건의 강건 설계(Robust Design)를 다구찌 실험계획법으로서 수행하였다. 또한 인장전단시험을 통해 용접부의 부하능력을 평가하고 최적화된 용접 조건을 검증함으로써 핫스템핑 공정에서의 다양한 가열 조건에서도 용접부의 강도를 향상시킬 수 있는 용접 조건을 도출하였다.
성능/효과
(1) 핫스템핑 공정에서 22MnB5의 적정 가열온도와 가열시간은 각각 900~950℃ 및 5~15min의 범위에 존재하였다. 또한 가열온도 900℃ 및 가열시간 10min의 조건하에서 핫스템핑을 수행하였을 때 최대의 강도를 나타내는 것으로 확인되었다.
(2) 가열에 의해 22MnB5 표면의 알루미늄 도금층은 모재에 확산되어 경질의 Fe2Al5의 IMC를 생성하였으며 가열온도 및 가열시간이 증가할 수록 이러한 IMC층의 두께가 증가하였다.
(4) 다구찌 실험계획법에 의해 가열온도 및 가열시간의 변화에 관계없이 최대의 인장전단강도를 확보할 수 있는 점용접 조건은 전류 8kA, 가압력 4kN 및 통전시간 18cycle로 나타났다. 최적조건의 재현성 실험 결과 인장전단강도는 약 32kN으로 요구되는 강도인 23kN을 크게 상회하는 것을 알 수 있었다.
8은 Table 4의 너겟 직경에 대한 S/N비의 주효과 그래프를 나타낸 것이다. 그래프의 기울기로 보아 22MnB5의 겹치기 용접 시 가압력, 전류, 통전시간 순으로 영향도가 높은 것을 알 수 있다. 가압력의 증가는 모재의 소성변형의 발생에 따른 전류 밀도를 낮추는 역할을 하므로 가열 조건에 관계없이 너겟의 형성을 억제시키는 것을 알 수 있다.
9는 실험조건 1에 의해 용접된 시험편의 너겟 단면에 대한 매크로 조직사진을 나타내고 있다. 동일 조건에서도 중간날림 정도가 다른 것을 확인할 수 있으며 가열온도가 높고 가열시간이 길 수록 날림량은 증가하였다. 한편, 중간날림량의 증가에 따라 용융부 내부에는 육안으로도 관찰되는 기공이 너겟의 길이방향으로 분포하는 경향이 나타났다.
Table 6에 각 공정변수 조합에 따른 인장전단강도와 망대특성에 의해 계산된 S/N비를 나타내었다. 동일한 용접 조건에서 보았을 때, 950℃-15min의 조건하에서 제작된 시험편의 인장전단강도가 전반적으로 약간씩 감소하는 것을 확인할 수 있다. 실제로 용접시, IMC층이 두꺼운 시험편은 대부분의 용접 조건에서 스파크가 발생하였으며 용접부의 강도 저하에 영향을 주는 중간날림이 비교적 낮은 전류에서 생성된다는 것을 예상할 수 있다.
(1) 핫스템핑 공정에서 22MnB5의 적정 가열온도와 가열시간은 각각 900~950℃ 및 5~15min의 범위에 존재하였다. 또한 가열온도 900℃ 및 가열시간 10min의 조건하에서 핫스템핑을 수행하였을 때 최대의 강도를 나타내는 것으로 확인되었다.
11은 최적 조건에 대한 재현성 실험 결과를 나타낸다. 실험은 각 가열온도와 유지시간에 따라 수행하였으며 평균 인장전단 강도는 32kN으로서 상당히 높은 강도를 가짐을 알 수 있다. 또한 버튼파괴(Button pull-out fracture)가 발생함으로써 흡수에너지(Absorbed energy) 또한 상당히 향상되었다.
20min의 가열한 후의 조직에서는 상대적으로 5min 가열한 시험편에 비해 조대화된 마르텐사이트로 관찰되었고, 이에 따라 100MPa 정도의 강도저하가 발생하였다고 생각된다. 이상의 결과로부터 핫스템핑 공정에서의 22MnB5의 적정 가열온도와 가열시간의 범위는 각각 900~950℃ 및 5~15min으로 하는 것이 제품의 요구 강도를 얻기 위해 유리하다고 생각된다.
(4) 다구찌 실험계획법에 의해 가열온도 및 가열시간의 변화에 관계없이 최대의 인장전단강도를 확보할 수 있는 점용접 조건은 전류 8kA, 가압력 4kN 및 통전시간 18cycle로 나타났다. 최적조건의 재현성 실험 결과 인장전단강도는 약 32kN으로 요구되는 강도인 23kN을 크게 상회하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
이를 통해 성형된 강판은 인장강도 1500MPa 이상의 마르텐사이트 조직으로 되고 제품 측면에서 보았을 때 금형 내에서 구속된 상태로 냉각이 되므로 스프링백이 거의 발생하지 않는 이점이 있다. 현 시점에서는 국내 자동차 차체로의 적용 실적이 미비한 수준이지만 향후 출시될 차종에는 정면, 측면의 충돌부재인 범퍼(Bumper), 필라(Pillar)류를 위시하여 임팩트빔(Impact Beam), 루프레일(Roof Rail), 터널(Tunnel) 등 고강성이 요구되는 부품으로 확대될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
핫스템핑을 통해 성형된 강판의 특징과 장점은?
핫스템핑(4)은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 혁신적인 공법으로서 담금질성이 뛰어난 보론, 망간 첨가강(이하 22MnB5로 칭함)을 Ac3온도 이상으로 가열하여 오스테나이트화 한 후, 금형 내에서 성형, 냉각을 동시에 수행하는 기술이다. 이를 통해 성형된 강판은 인장강도 1500MPa 이상의 마르텐사이트 조직으로 되고 제품 측면에서 보았을 때 금형 내에서 구속된 상태로 냉각이 되므로 스프링백이 거의 발생하지 않는 이점이 있다. 현 시점에서는 국내 자동차 차체로의 적용 실적이 미비한 수준이지만 향후 출시될 차종에는 정면, 측면의 충돌부재인 범퍼(Bumper), 필라(Pillar)류를 위시하여 임팩트빔(Impact Beam), 루프레일(Roof Rail), 터널(Tunnel) 등 고강성이 요구되는 부품으로 확대될 것이다.
핫스템핑은 어떤 기술인가?
핫스템핑(4)은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 혁신적인 공법으로서 담금질성이 뛰어난 보론, 망간 첨가강(이하 22MnB5로 칭함)을 Ac3온도 이상으로 가열하여 오스테나이트화 한 후, 금형 내에서 성형, 냉각을 동시에 수행하는 기술이다. 이를 통해 성형된 강판은 인장강도 1500MPa 이상의 마르텐사이트 조직으로 되고 제품 측면에서 보았을 때 금형 내에서 구속된 상태로 냉각이 되므로 스프링백이 거의 발생하지 않는 이점이 있다.
초고강도 강판의 단점은?
따라서 기존의 고강도강판에 비교하여 동등한 수준 또는 그 이상의 강성을 나타내면서 강판의 두께를 줄이기 위해 인장강도 980MPa이상의 DP(Dual Phase)강, TRIP(Transformation Induced Plasticity)강 등의 초고강도강판이 개발되어 차체 부품에 적용되고 있다.(1~3) 그러나 이러한 초고강도 강판은 10% 내외의 낮은 연신율과 높은 항복점으로 인하여 비교적 복잡하거나 깊은 드로잉 깊이를 가진 부품에는 적용이 어려울 뿐만 아니라 하중 제거 시, 탄성회복에 의한 스프링백(Springback)을 보정하기 위한 노력 또한 크게 요구된다.
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