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문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 강도를 가지는 UHSS 소재를 가지고 레이저 기초 실험을 수행하였으며그 내용을 바탕으로 1500MPa급 초고강도강의 레이저 용접 특성에 대해 알아보고자 하였다. 레이저 빔의 특성, 용접 이음부, 코팅층의 유무 등과 같은 영향을 알아보고자 맞대기, 겹치기 레이저 용접 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 레이저가 가지는 광학 케이블(Optic cable), 집속 렌즈(Focal lens)에 따라 빔 특성을 평가 하였고 빔 특성에 따라 초고강도강의 레이저 맞대기, 겹치기 용접을 실시하여 그 특성에 대해 알아보고자 하였다.
제안 방법
- 4.2.2에서 살펴본 바와 같이 레이저 빔 특성에 따른 겹치기 용접 결과 Al-Si 코팅층이 존재하는 소재의 경우 레이저 빔 특성이나 갭의 유무에 상관 없이 모두 fusion boundary에서 파단이 발생 하였으며 이는 맞대기 용접과 마찬가지로 Al-Si 코팅 층의 영향으로 생긴 높은 취성의 개재물 때문이라고 판단되어 파단면을 SEM을 통해 관찰 하였다.
- Fig. 7의 관찰 결과 파단부에서 코팅층에 의해 형성된 것으로 보이는 개재물이 발견 되었으며 Al-Si 코팅층의 영향 여부를 확인하기 위해 개재물 부위의 성분 분석을 하였다. 분석 부위에서 Al, Si 성분이 다른 용접부에 비해 많이 검출 되었으며 이는 코팅층의 영향이라고 판단된다.
- Focus monitor를 이용해서 측정된 레이저 빔 특성에 따라 소재 별 맞대기 실험을 실시하여 완전 용입 시 최대 용접 속도를 측정하였고 그에 따른 용입 현상을 단면을 통해 관찰하였다. Table 4는 레이저 빔 직경에 따라 측정 된 최대 용접 속도를 나타낸다.
- 디스크 레이저와 파이버 레이저를 사용하여 레이저의 종류, 광학 케이블(optic cable), 집속 렌즈(focal lens)에 따라 각각 생성되는 빔의 특성을 파악하고 레이저 용접 실험에 사용하고자 하였다. Prime의 focus monitor 장치를 이용하여 각 빔의 특성을 파악하였다. Table 3는 빔 특성 평가에 사용된 레이저 종류, 광학 케이블, 집속 렌즈를 명시 하였고 그에 따른 레이저 빔의 직경과에너지 밀도를 나타내었다.
- 레이저 용접을 위해 Trumpf사의 4kW급 디스크 레이저(disk laser)와 IPG사의 3kW급 파이버 레이저 (fiber laser)를 사용하였다. 각 레이저 장치의 헤드를 ABB 6축 로봇에 고정시켜 용접 길이와 용접 속도를 로봇을 통해 제어하였다. 디스크레이저와 파이버 레이저 모두 출력을 3kW로 고정하였으며 보호가스는 사용하지 않았다.
- 경도 측정을 위해 마이크로 비커스 경도계를 이용하였으며 측정하중은 200g, 하중 지속시간은 10sec, 측정 간격은 200μm로 설정하고 측정하였다.
- 디스크 레이저와 파이버 레이저를 사용하여 레이저의 종류, 광학 케이블(optic cable), 집속 렌즈(focal lens)에 따라 각각 생성되는 빔의 특성을 파악하고 레이저 용접 실험에 사용하고자 하였다. Prime의 focus monitor 장치를 이용하여 각 빔의 특성을 파악하였다.
- 레이저 빔의 직경이 가장 큰 경우와 가장 작은 경우를 비교해 봤을 때 CR강 소재에서열 영향부의 감소에 따른 기계적 성질이 향상되어 인장 강도가 약 10% 향상됨을 알 수 있었다. 레이저 빔 직경이 작고 용접 속도가 빠르며 Al-Si 코팅층이 존재하는 1-1과 2-1의 조건에서 용접부를 포함한 파단이 발생 하였으며 이러한 원인은 파단면의 SEM 촬영을 통해 알아보았다.
- 본 연구에서는 다양한 강도를 가지는 UHSS 소재를 가지고 레이저 기초 실험을 수행하였으며그 내용을 바탕으로 1500MPa급 초고강도강의 레이저 용접 특성에 대해 알아보고자 하였다. 레이저 빔의 특성, 용접 이음부, 코팅층의 유무 등과 같은 영향을 알아보고자 맞대기, 겹치기 레이저 용접 실험을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 용접 실험에 사용된 고정장치(Jig) 는 볼트 형식의 고정장치(bolt type jig)를 사용하였다. 레이저 용접 후 각 시편의 용접 단면의 형상과 용접 금속부 그리고 열 영향부의 폭을 관찰하기 위해 용접 시편을 절단하고 시료를 채취해 폴리싱 (polishing) 후 3%-나이탈(nital) 용액을 사용하여 에 칭(ecthing)하였다. 용접 단면에서 균열, 기공과 같은 결함을 살펴보고 인장 시험 후 파단면을 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 이용하였다.
- 맞대기 용접 실험과 마찬가지로 focus monitor를 이용해서 측정된 레이저 빔 특성에 따라 소재 별 겹치기 실험을 실시하여 완전 용입 시 최대 용접 속도를 측정하였고 그에 따른 용입 현상을 단면을 통해 관찰하였다. Table 5은 겹치기 용접에서 레이저 빔 직경과 Al-Si 코팅강의 갭의 유무에 측정된 최대 용접 속도를 나타내었다.
- 용접 단면에서 균열, 기공과 같은 결함을 살펴보고 인장 시험 후 파단면을 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 이용하였다. 용접부의 기계적 특성을 알아보기 위해 경도 측정과 인장강도 시험을 실시하였다. 경도 측정을 위해 마이크로 비커스 경도계를 이용하였으며 측정하중은 200g, 하중 지속시간은 10sec, 측정 간격은 200μm로 설정하고 측정하였다.
- 레이저 빔의 직경이 작기 때문에 입열량이 작은 조건에서 좁은 용접 금속부를 형성하였고 이때 용접부를 포함한 파단이 발생하였다. 위 조건 모두는 Al-Si 코팅층이 존재하는 소재이며 이런 코팅층이 파단에 영향을 미친다고 판단하여 SEM 을 통해 파단면을 관찰하였다.
- 입열량에 따라 최대 용접 속도로 실험한 겹치기 용접부의 기계적인 특성을 알아보기 위하여 각 조건 별 경도 분포를 측정하였다. 레이저의 빔 직경이 커짐에 따라 입열량 증가로 넓은 폭의 열 영향부에서 경도 값이 감소하는 것을 알 수 있었고 연화의 정도가 심화됨을 알 수 있었다.
- 입열량에 따라 최대 용접 속도로 실험한 용접부의 기계적인 특성을 알아보기 위하여 각 조건별 경도 분포를 측정하였다. 레이저의 빔 직경이 커짐에 따라 입열량이 증가하였고 이에 따라 넓은 폭의 열 영향부가 생성되었다.
- 현재 자동차 차체에 사용되고 있는 다양한 강도를 가지는 UHSS에 CO2 레이저를 적용하여 선행 실험후 용접부의 기계적인 특성에 대하여 알아보았다. 레이저 용접 후 빠른 냉각 속도에 의하여 용접부에서 모재 대비 높은 경도 값을 보였으며 탄소당량에따라 강재의 강도가 높아지면서 열영향부에서 모재 대비 경도 값이 떨어지는 연화 현상을 보였다.
대상 데이터
- 레이저 용접 후 빠른 냉각 속도에 의하여 용접부에서 모재 대비 높은 경도 값을 보였으며 탄소당량에따라 강재의 강도가 높아지면서 열영향부에서 모재 대비 경도 값이 떨어지는 연화 현상을 보였다. UHSS의 레이저 용접 특성을 알아보기 위해 다양한 강도의 소재를 사용하였으며 사용된 소재와 용접속도는 Table 1에서 나타냈다. 맞대기 레이저 용접 실험 후 기계적인 특성을 평가하기 위해 용접부의 경도를 측정하였고 인장시험을 위해 KS B 0801의 규격에 따라 인장 시험편을 가공하였다.
- Al-Si coated boron alloyed steel의 경우 제조 공정과 이송 중 소재 표면의 산화에 의한산화철(iron oxide)의 표면 탈탄 현상을 방지하기 위해 각 면에약 25μm의 Al-Si 성분의 코팅 층이 존재한다. 각 소재는 폭 70mm, 길이 200mm, 두께 1.5mm의 크기로 가공하였다. 맞대기 용접 시 용접면을 밀링 가공을 하였으며 용접 길이는 180mm로 하였다.
- 레이저 용접을 위해 Trumpf사의 4kW급 디스크 레이저(disk laser)와 IPG사의 3kW급 파이버 레이저 (fiber laser)를 사용하였다. 각 레이저 장치의 헤드를 ABB 6축 로봇에 고정시켜 용접 길이와 용접 속도를 로봇을 통해 제어하였다.
- 디스크레이저와 파이버 레이저 모두 출력을 3kW로 고정하였으며 보호가스는 사용하지 않았다. 용접 실험에 사용된 고정장치(Jig) 는 볼트 형식의 고정장치(bolt type jig)를 사용하였다. 레이저 용접 후 각 시편의 용접 단면의 형상과 용접 금속부 그리고 열 영향부의 폭을 관찰하기 위해 용접 시편을 절단하고 시료를 채취해 폴리싱 (polishing) 후 3%-나이탈(nital) 용액을 사용하여 에 칭(ecthing)하였다.
- 용접 실험에서 사용된 소재는 포스코에서 개발, 생산하고 있는 CR boron alloyed steel과 Al-Si coated boron alloyed steel을 사용하였다. 두 소재 모두 핫스템핑을 위해 제조된 소재로 인장강도가약 1500MPa의 강도를 가진다.
이론/모형
- UHSS의 레이저 용접 특성을 알아보기 위해 다양한 강도의 소재를 사용하였으며 사용된 소재와 용접속도는 Table 1에서 나타냈다. 맞대기 레이저 용접 실험 후 기계적인 특성을 평가하기 위해 용접부의 경도를 측정하였고 인장시험을 위해 KS B 0801의 규격에 따라 인장 시험편을 가공하였다. Fig.
- 레이저 용접 후 각 시편의 용접 단면의 형상과 용접 금속부 그리고 열 영향부의 폭을 관찰하기 위해 용접 시편을 절단하고 시료를 채취해 폴리싱 (polishing) 후 3%-나이탈(nital) 용액을 사용하여 에 칭(ecthing)하였다. 용접 단면에서 균열, 기공과 같은 결함을 살펴보고 인장 시험 후 파단면을 관찰하기 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscope)을 이용하였다. 용접부의 기계적 특성을 알아보기 위해 경도 측정과 인장강도 시험을 실시하였다.
- 경도 측정을 위해 마이크로 비커스 경도계를 이용하였으며 측정하중은 200g, 하중 지속시간은 10sec, 측정 간격은 200μm로 설정하고 측정하였다. 인장시험 시 KS B 0801 규격에 의거하여 시험편을 가공하였다.
성능/효과
- 5은 용접 금속부의 경화를 의미하는 최대 경도 값과 열 영향부의 연화를 의미하는 최소 경도 값을 모재의경도 값과 비교한 그래프이다. (레이저 빔의 직경이 변화는 조건에 따라 최대 경도 값의 미치는 영향은 크지 않았지만) 레이저 빔의 직경이 커짐에 따라 최소 경도 값은 감소하여 열 영향부에서의 연화 현상이 심화됨을 알 수 있었다. Fig.
- 1) 기초 실험을 통해 레이저의 빠른 용접 속도가 용접 금속부의 경화 현상에 영향을 주었고 소재의 강도가 높아지면 열 영향부에서 연화 현상이 발생함을 확인하였다.
- 1번과 2번 조건에서는 상판과 하판의 열 영향 부의 폭이 차이가 크지 않지만 3번 조건의 경우 입열량이 급격하게 증가하면서 Al-Si 코팅층이 존재하는 소재와 CR강 소재에서 열 영향부의 폭이 급격하게 증가하였고 Al-Si 코팅층이 존재하는 소재의 경우 상판의 열 영향부가 하판의 열 영향부 보다 훨씬 넓게 생성되어 강도가 저하됨을 예측할 수 있었다.
- 2) 맞대기 용접 결과 레이저 빔의 직경이 작아 짐에 따라 용접 속도는 증가하였고 단위 길이당 입열량은 줄어들어 용접 금속부와 열 영향부의 폭은 감소하였으며 기계적 성질이 향상 되었다. 레이저 빔의 직경이 0.
- 3) 겹치기 용접 시 맞대기의 경우와 마찬가지로 레이저 빔의 직경이 작아짐에 따라 용접 속도는 증가하였고 용접부와 열 영향부의 폭은감소하였으나 기계적인 강도 향상에 영향을 주지 못하였다. 겹치기 용접 시 Al-Si 코팅층이 존재하는 소재의 경우 모든 조건에서 용접부와 열영향부 사이에 생성된 개재물에 의하여 적절한 전단강도를 확보하지 못했다.
- 겹치기 용접 시 Al-Si 코팅층이 존재하는 소재의 경우 모든 조건에서 용접부와 열영향부 사이에 생성된 개재물에 의하여 적절한 전단강도를 확보하지 못했다. CR강 소재의경우 계면의 길이가 전단강도에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. Al-Si 코팅 보론강의 용접시 전단강도의 확보를 위해서는 Al-Si 코팅층의 제거가 필요하며 제거 후 용접부의 기계적 성질은CR강 소재와 비슷한 기계적 성질을 보일 것으로 판단된다.
- Fig. 11, 12에서 보는 것과 같이 파단면에서는 개재물로 보이는 부위가 발견 되었으며 EDS 분석을 통해 Al과 Si 성분이 다른 용접부에 비해 많이 검출됨을 확인 하였다. 맞대기 용접부와 마찬가지로 코팅층의 영향으로 생성된 개재물은 겹치기 용접부의 기계적인 특성에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.
- 레이저의 빔 직경이 커짐에 따라 입열량이 증가하였고 이에 따라 넓은 폭의 열 영향부가 생성되었다. 또한 열 영향부의경도 값이 빔의 직경이 커짐에 따라 감소하여 연화의 정도가 심화됨을 알 수 있었다. Fig.
- 54mm인 경우 60%정도인장하중이 향상됨을 확인하였다. 레이저 빔 직경에 따른 맞대기 실험에서 용접부 경화에 대한 영향은 미미하였으나 열 영향부의 연화는 빔의 직경이 커질 때 입열량이 커지므로 점차 적으로 심화 되는 것을 확인 하였다. Al-Si 코팅층이 존재하는 소재의 맞대기 용접 시 빔 직경이 상대적으로 작은 0.
- 2) 맞대기 용접 결과 레이저 빔의 직경이 작아 짐에 따라 용접 속도는 증가하였고 단위 길이당 입열량은 줄어들어 용접 금속부와 열 영향부의 폭은 감소하였으며 기계적 성질이 향상 되었다. 레이저 빔의 직경이 0.17mm인 경우에 비하여 레이저 빔의 직경이 0.54mm인 경우 60%정도인장하중이 향상됨을 확인하였다. 레이저 빔 직경에 따른 맞대기 실험에서 용접부 경화에 대한 영향은 미미하였으나 열 영향부의 연화는 빔의 직경이 커질 때 입열량이 커지므로 점차 적으로 심화 되는 것을 확인 하였다.
- 레이저 빔 직경의 변화에 관계 없이 코팅층이 없는 CR강 소재와 Al-Si 코팅층이 존재한 소재의 인장강도를 비교 했을 때 CR강 소재에서 더 높게 측정 되었다. 레이저 빔의 직경이 가장 큰 경우와 가장 작은 경우를 비교해 봤을 때 CR강 소재에서열 영향부의 감소에 따른 기계적 성질이 향상되어 인장 강도가 약 10% 향상됨을 알 수 있었다. 레이저 빔 직경이 작고 용접 속도가 빠르며 Al-Si 코팅층이 존재하는 1-1과 2-1의 조건에서 용접부를 포함한 파단이 발생 하였으며 이러한 원인은 파단면의 SEM 촬영을 통해 알아보았다.
- 현재 자동차 차체에 사용되고 있는 다양한 강도를 가지는 UHSS에 CO2 레이저를 적용하여 선행 실험후 용접부의 기계적인 특성에 대하여 알아보았다. 레이저 용접 후 빠른 냉각 속도에 의하여 용접부에서 모재 대비 높은 경도 값을 보였으며 탄소당량에따라 강재의 강도가 높아지면서 열영향부에서 모재 대비 경도 값이 떨어지는 연화 현상을 보였다. UHSS의 레이저 용접 특성을 알아보기 위해 다양한 강도의 소재를 사용하였으며 사용된 소재와 용접속도는 Table 1에서 나타냈다.
- 입열량에 따라 최대 용접 속도로 실험한 겹치기 용접부의 기계적인 특성을 알아보기 위하여 각 조건 별 경도 분포를 측정하였다. 레이저의 빔 직경이 커짐에 따라 입열량 증가로 넓은 폭의 열 영향부에서 경도 값이 감소하는 것을 알 수 있었고 연화의 정도가 심화됨을 알 수 있었다. Fig.
- 11, 12에서 보는 것과 같이 파단면에서는 개재물로 보이는 부위가 발견 되었으며 EDS 분석을 통해 Al과 Si 성분이 다른 용접부에 비해 많이 검출됨을 확인 하였다. 맞대기 용접부와 마찬가지로 코팅층의 영향으로 생성된 개재물은 겹치기 용접부의 기계적인 특성에 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다.
- 5m/min의 가장 빠른 용접 속도로 측정 했으며 상대적으로 가장 적은 단위 길이당 입열로 인한 용접 금속부와 열 영향부가 가장 좁게 나타났다. 코팅층의 유무에 따라 용접 금속부나 열 영향부의 폭에 미치는 영향은 없었고 입열량이 갑자기 증가한 4-1, 4-2 조건에서 용접 금속부와의 폭이 1-1, 1-2의 조건에 비해 약 2배 정도 증가함을 확인하였다.
후속연구
- 위와 같은 장점을 가지고 다양한 연구를 통해 구조 강성이나 변형, 기계적 물성치가 저항 점 용접에 비해 향상됨이 소개된 바 있다. 1-4 이와 같이 차체 접합에 있어 레이저 용접의 비중이 커지고 있으며 향후 적용 비중이 확대될 것으로 판단된다. 아울러 자동차에 쓰이는 다양한 강재가 계속해서 개발되고 있고 1500MPa급 초고강도강의 적용이 증가하고 있으며 레이저 용접 기술 또한 지속적인 발전을 거듭 하면서 차체 접합에 적용이 증가하고 있다.
- Al-Si 코팅 보론강의 용접시 전단강도의 확보를 위해서는 Al-Si 코팅층의 제거가 필요하며 제거 후 용접부의 기계적 성질은CR강 소재와 비슷한 기계적 성질을 보일 것으로 판단된다. 따라서 1500MPa 급 초고강도강의 Al-Si 코팅층의 효과적인 제거에 관한 연구가 추가적으로 필요하다.
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