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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 Consideration 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.10, 2010년, pp.1367 - 1375  

최홍석 (부산대학교 정밀가공시스템) ,  김병민 (부산대학교 기계공학부) ,  박근환 (부산대학교 정밀가공시스템) ,  임우승 (부산대학교 정밀가공시스템) ,  이선봉 (계명대학교 기계자동차공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (15)

  1. POSCO Co. LTD, 2008, Automotive Steel Data Book, Copylight by POSCO, pp. 47-68. 

  2. Lim, H. T., Suh, C. H., Youn, H. C., Ro, H. C., Shin, H. D., Kwak, Y. S. and Park, C. D., 2009, "A Study on the Forming Process of Automobile Center Floor Side Member Using Ultra High Strength Steel of 980MPa," Proc. of the KSTP, pp. 203-206. 

  3. Cha, S. H., Lee, S. K., Ko, D. C. and Kim, B. M., 2009, "A Study on the Forming of Automotive Front Side Member Part with Ultra High Strength Steel of DP980," J. of KSTP, Vol. 18, No. 1, pp. 39-44. 

  4. Neugebauer, R., Altan, T., Geiger, M., Kleiner, M. and Sterzing, A., 2006, "Sheet Metal Forming at Elevated Temperatures," Annals of the CIRP, Vol. 55, No. 2, pp. 793-816. 

  5. Merklein, M. and Lechler, J., 2006, "Investigation of the Thermo-Mechanical Properties of Hot Stamping Steels," J. of Materials Processing Technology, Vol. 177, pp. 452-455. 

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  7. Hardell, J. and Prakash, B., 2008, "High-temperature Friction and Wear Behavior of Different Tool Steels During Sliding Against Al-Si-coated High-strength Steel," Tribology International, Vol. 41, pp. 663-671. 

  8. Saeglits, M., Krauss, G. and Berger, D., 2009, "The Effect of Tempering on Martensitic Micro-structure and Mechanical Properties of 22MnB5 Steel Used for Hot Stamping," Proceedings of IDDRG 2009, pp.637-648. 

  9. Berglund, D., 2009, "Hot Stamped Components with Tailored Properties-Simulation and Validation of Product Performance," Proceedings of 2nd Int’l Conference Hot Sheet Metal Forming of High Performance Steel, pp. 293-301. 

  10. Braun, M. and Fritzsche., 2009, "Joining of Hot-formed Steel," Proceedings of 2nd Int’l Conference Hot Sheet Metal Forming of High Performance Steel, pp. 313-322. 

  11. Totten, G. E., 2006, Steel Heat Treatment-Metallurgy and Technology, Taylor and Francis, New York, pp. 193-196. 

  12. KS B 0801, 2007, Test Pieces for Tensile Test for Metallic Materials. 

  13. KS D 0850, 2006, Method of Inspection for Spot Weld. 

  14. Mori, K. and Ito, D, 2009, "Prevention of Oxidation in Hot Stamping of Quenchable Steel Sheet by Oxidation Prevent Oil," CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 58, pp. 267-270. 

  15. Huang. B., Ishihara. K. N. and Shingu. P. H., 1997, "Metastable Phases of Al-Fe System by Mechanical Alloying," Materials Science and Engineering, A231, pp. 72-79. 

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