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문제 정의
- 이러한 TWB 보론강판의 핫 스템핑 기술을 확보하기 위해서는 TWB 보론강판의 고온 변형의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 본 연구에서는 레이저 용접된 보론강판을 핫스템핑 공정과 유사한 공정 이력에서 인장 시험을 수행하여 TWB 보론강판의 고온 인장 특성을 평가하였으며, 이를 통하여 TWB 보론강판의 고온 인장 물성과, 용접부의 건전성을 확인하였다.
제안 방법
- 3을 통하여 측정된 레이저 빔의 프로파일을 확인할 수 있다. 건전한 용접 시편을 제작하기 위하여 Table 2에 정리된 용접 변수에 대하여 용접을 수행하였으며, 외관상 키 홀, 언더컷, 내부기공 등이 적은 조건은 고온 인 장 시험을 위한 시편 제조조건으로 선정하였다. 선정된 조건을 Table 2에 굵은 글씨체로 표기하였다.
- 참고로 복 등[8]의 연구에서 자동차 부품의 열간 성형 온도는 639~836℃이었다. 고온 인장 시험은 Type I과 type II 시편 동일하게 변형률 속도 0.01/s에서 온도를 650, 700, 800℃로 달리하고, 온도 700℃에서 변형율 속도를 0.01/s, 0.1/s, 1.0/s로 달리하여 수행하였다.
- 시험편을 외부 가열로에서 950℃, 5분간 유지시킨 후 가열로가 장착된 인장시험기에 이동하여 장착하고 약 20초 후 시편의 온도가 원하는 온도가 되었을 때 인장 시험을 실시하였다. 고온 인장 시험의 온도와 변형률 속도 조건은 통상적으로 핫스템핑 공정에서 성형이 이루어지는 조건으로 정하였다. 참고로 복 등[8]의 연구에서 자동차 부품의 열간 성형 온도는 639~836℃이었다.
- 레이저 용접된 TWB 보론강판을 핫스템핑 공정의 온도 이력 조건에서 용접선이 인장방향과 수평, 수직인 시편으로 고온 인장 시험을 수행하였으며 다음과 같은 주요한 결론을 도출하였다.
- 레이저 용접된 TWB 보론강판의 고온 인장 특성을 평가하기 위하여 온도와 변형률 속도를 달리하며 인장시험을 수행하였으며, 모재(base material, BM)와 그 결과를 비교하였다. 고온 인장시험은 Fig.
- 5(b)와 같이 제작하여 사용하였다. 본 연 구에서는 Fig. 7과 같이 인장방향과 용접선의 방향이다른 두 종류 즉, 인장방향과 용접선이 수평인 시편(type I)과 인장 방향과 용접선이 수직인 시편(type II)을 제작하여 고온 인장 시험을 수행하였다. 용접선이 인장방향과 수평한 시편의 경우 용접부의 인장물성을 평가할 수 있다.
- 8와 같은 온도 이력 조건에서 실험이 수행되었다. 시험편을 외부 가열로에서 950℃, 5분간 유지시킨 후 가열로가 장착된 인장시험기에 이동하여 장착하고 약 20초 후 시편의 온도가 원하는 온도가 되었을 때 인장 시험을 실시하였다. 고온 인장 시험의 온도와 변형률 속도 조건은 통상적으로 핫스템핑 공정에서 성형이 이루어지는 조건으로 정하였다.
- 10에 온도와 변형율 속도에 따른 인장강도(ultimate strength)와 연신율(elongation)을 정리하였다. 연신율은 최대응력에서와 파단에서의 연신율을 각각 비교하였다. Fig.
대상 데이터
- 레이저 용접은 Fig. 2(a)에서 도시된 CW-ND:YAG 레이저 소스를 갖는 Trumpf사의 HASS HL3006D 용접기를 이용하였다. 레이저 빔의 출력은 3kW로 고정하였다.
- 용접은 Fig. 2(b)에 도시한 Yaskawa 6축 로봇을 이용하였다. 보호 가스는 4mm 지름을 가진 구리 노즐(Fig.
- 핫스템핑을 위한 보론강판은 고온 성형 시 산화와 부식을 방지하기 위하여 7~11wt%의 Si를 함유하고 있는 Al-Si 합금을 도금을 하여 사용하는 데[6], 본 연구에서는 Al-Si 합금(9wt% Si)의 도금 부착량이 약 80g/m2인 1.4mm 두께의 22MnB5 보론 강판이 사용되었다. 사용된 보론강판의 화학성분을 Table 1에 정리하였다.
성능/효과
- (1) 0.01/s 에서 type I 고온 인장 시험 결과 650, 700℃에서 용접부의 인장강도는 모재부 보다 높았으며, 800℃에서는 유사하였다.
- (2) 0.01/s 에서 type II 고온 인장시험 결과 용접부의 650, 700℃에서는 모재부에서 파단이 발생하고, 800℃에서는 용접부에서 파단이 발생했다. 이는 650, 700℃에서 용접부의 물성이 모재보다 높기 때문이다.
- 01/s에서 650, 700, 800℃모두에 대해서 인장강도는 용접시편이 모재시편 보다 높고 파단 연신율은 용접시편이 모재시편 보다 낮다. 또한, 용접 시편과 모재시편의 인장강도와 파단 연신율의 차이가 온도가 높아짐에 따라 작아지다가 800℃에서 용접시편과 모재시편의 인장강도와 파단 연신율 차이가 거의 없어지는 경향을 보인다. 미미하나마 800℃에서 초기 변형율에서의 응력은 용접 시편이 모재시편보다 높고, 약 40%이상 변형율에서의 응력은 오히려 용접시편이 모재시편 보다 낮음을 확인할 수 있다.
- 13에 온도와 변형율 속도에 따른 인장강도와 연신율을 정리하였다. 변형율 속도 0.01/s에서 온도를 달리한 고온 인장 실험 결과 type II 용접시편의 인장강도와 최대응력 연신율은 온도가 증가함에 따라 증가하나, 파단 연신율은 650℃에서 700℃에서 높아지다가 800℃에서는 급격히 낮아짐을 Fig. 12(a)와 Fig. 13(a)에서 확인할 수 있다. 이는 650℃와 700℃에서는 파단이 모재부에서 일어난 반면 800℃에서는 용접부에서 파단이 일어나기 때문이다(Fig.
- 변형율 속도 0.01/s에서 온도를 달리한 고온 인장 실험 결과 온도가 증가할수록 인장강도와 최대응력 연신율(elongation at ultimate strength)은 type I 용접시편과 모재시편 모두 인장강도는 낮아지고 연신율은 높아짐을 Fig 9(a)와 Fig. 10(a)에서 확인할 수 있다. 용접시편의 파단 연신율(elongation at fracture)은 온도에 따라서 증가하나, 모재시편의 파단 연신율은 650℃에서 700℃에서 높아지다가 800℃에서는 오히려 낮아진다.
- 10(b)는 온도 700℃에서 변형율 속도를 달리한 고온 인장 시험 결과를 보여준다. 변형율 속도가 증가 할수록 type I 용접시편과 모재시편의 인장강도는 증가하고 파단 연신율은 낮아짐을 확인할 수 있다. 인장강도와 인장강도 연신율은 변형율 속도 0.
- 변형율 속도가 증가 할수록 type II 용접시편과 모재시편의 인장강도는 증가하고 파단 연신율은 낮아지는 일반적인 결과를 보인다. 용접시편과 모재 시편의 인장강도는 유사하였으나, 최대응력 연신율과 파단 연신율은 용접시편이 모재시편보다 낮았다. 온도 700℃에서는 변형율 속도 0.
- 변형율 속도가 증가 할수록 type I 용접시편과 모재시편의 인장강도는 증가하고 파단 연신율은 낮아짐을 확인할 수 있다. 인장강도와 인장강도 연신율은 변형율 속도 0.01, 0.1, 1/s에서 용접시편이 모재시편 보다 높았다. 반면 파단연신율의 경우 0.
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