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문제 정의
- 본 연구에서는 레이저 용접된 핫스탬핑용 보론강판에 열처리 온도를 달리하여, 다이 퀜칭 조건에 따른 기계적 특성을 관찰하였으며, 보론 강판의 이종두께 레이저 용접 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 열처리에 따른 특성을 알아보기 위하여 각각 다른 열처리 조건에서 다이퀜칭한 보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다. Fig. 1은 열처리 조건을 모식화한 것으로 1123, 1173 및 1223 K의 세 가지 조건에서 안정화하고, 7분간 열처리하였다. 그리고 냉각까지의 대기 시간을 달리하여 물이 순환하는 냉각장치 사이에서 다이퀜칭 냉각하였다.
- 레이저 용접은 1.4+1.4 mm 동종 두께, 1.6+1.4 mm 및 1.6+1.2 mm의 이종 두께 보론 강판을 레이저 용접기(모델명: 3kW-CW Nd : YAG Laser System)를 이용하여 3 kW의 고정 출력으로 4.0 m/min의 속도로 시험편 상부에서 초점을 두고 맞대기(Butt) 용접을 실시하였다.
- 본 연구에서는 Al-Si 코팅된 핫스탬핑용 보론 강판을 동종 두께 및 이종 두께로 레이저 용접하고, 각각 다른 온도로 열처리하여 다이퀜칭 조건에 따른 기계적 특성을 평가한 결과, 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 비커스 경도는 마이크로 비커스 경도기를 이용하여 300 g의 하중으로 10초간 압자를 압입하여 측정하였다. 용착부, HAZ부, 모재부의 조직 관찰은 폴리싱 후 나이탈(Nital) 3 % 용액으로 엣칭하여 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 레이저 용접된 보론 강판의 인장 및 굽힘 시험은 만능 시험기(모델명: Zwick/Roell Z250)를 사용하였다. 시험편은 ASTM 규격으로 제작하였으며, 인장 시험편과 굽힘 시험편의 형상 및 치수는 Fig. 2와 같다. 인장 시험은 pre-load를 50 N으로 가한 상태에서 크로스헤드 속도를 1 mm/min로 실시하였다.
- 열처리에 따른 특성을 알아보기 위하여 각각 다른 열처리 조건에서 다이퀜칭한 보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- 비커스 경도는 마이크로 비커스 경도기를 이용하여 300 g의 하중으로 10초간 압자를 압입하여 측정하였다. 용착부, HAZ부, 모재부의 조직 관찰은 폴리싱 후 나이탈(Nital) 3 % 용액으로 엣칭하여 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 재료는 보론강의 산화를 방지하기 위하여 Al-Si를 코팅한 SABC1470 재료로서, 일반적으로 22MnB5로 알려져 있는 두께 1.2, 1.4 및 1.6 mm를 사용하였다. 화학조성은 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 보론 강판을 오스테나이트 변태 온도 이상으로 승온하여 다이퀜칭한 결과, 1173 K-0s조건에서 인장강도는 모재 약 1522 MPa, 용접시험편 약 1203 MPa(모재의 79 %), Al-Si 코팅층 제거 용접시험편 1454 MPa (모재의 96 %)의 높은 인장강도를 나타내며 마르텐사이트 조직으로 변태한 것을 확인할 수 있었다.
- (2) 동종 두께 용접재의 최대 굽힘 강도는 약 180 MPa이며, 미열처리재 강도(79.4 MPa)보다 약 2.27배 높은 굽힘강도를 나타내었다. 그리고 강도는 냉각 대기 시간이 길어짐에 따라서 선형적으로 감소하였다.
- (3) 용접 시험편은 열처리 온도가 낮을수록, 다이퀜칭 전 대기시간이 길어짐에 따라 강도가 저하하며, 연신율이 증가하는 경향을 보였다.
- (4) 1173 K-0s 시험편의 비커스 경도는 용착부 Hv 300, 모재부 Hv 470 이상을 나타내었으나, 코팅층을 제거한 시험편은 약 Hv 475정도로 균일하게 나타났다.
- (5) 이종두께 용접 시, 두께 차이 0.2 mm는 용접재 강도에 크게 영향이 없었지만, 0.4 mm는 약 6.8 %의 강도 저하를 보였다.
- (6) Al-Si 코팅층은 용접시 용입되어 강도 저하의 원인이 되었으나, Al-Si 제거 용접재는 코팅층의 용입 및 검은 반점을 확인할 수 없었다. 또한 모재부와 용착부의 경계가 명확하지 않고, 모두 마르텐사이트 조직으로 관찰되었다.
- 0 m/min은 4종류에서 비교적 양호한 용착부를 나타내었다. 5.0 m/min는 언더컷 및 백비드가 국부적으로 불완전 용입이 나타났다. 따라서 4 가지 조건에서 4.
- 그리고 열처리 온도가 높아짐에 따라 냉각 시작까지 대기 시간이 길어지더라도 인장 및 항복강도의 저하 정도가 감소하였다. 한편, Fig.
- 4(a)에서 다이 퀜칭 후 모재의 인장강도는 1522 MPa로 나타났으며, 다이 퀜칭되었다고 판단되는 1173 K, 0초 용접 시험편의 인장강도의 평균값은 약 1200 MPa로 모재의 약 79 % 강도를 얻었다. 따라서 3종류의 열처리 온도에서 인장강도 및 변형률을 고려하여 가장 양호한 다이 퀜칭 조건은 1173 K, 0초라 판단된다.
- 0 m/min는 언더컷 및 백비드가 국부적으로 불완전 용입이 나타났다. 따라서 4 가지 조건에서 4.0 m/min을 선택하였으며, 이종 두께의 용접부도 4.0 m/min의 조건이 가장 좋은 것을 관찰할 수 있었다.
- 용착부(c)는 코팅층의 용입이 없는 것을 쉽게 확인할 수 있다. 또한 용착부와 모재의 조직사진을 비교하였을 때, 두 조직 모두 마르텐사이트 조직이 관찰되어 경계가 명확하지 않으며, 비커스 경도 Hv 475 정도로 거의 비슷하였다.
후속연구
- 따라서 서로 다른 재질, 두께, 강도를 갖는 소재를 레이저 용접을 통하여 맞춤 블랭크로 제조하여 활용하는 TWB(Tailor welded blank) 기술과 핫스탬핑용 보론 강판을 이용한 열간 성형 기술을 접목하여 자동차 분야에 적용될 경우 자체 부품의 경량화 및 고안전성, 생산의 자동화 및 공정의 감소 효과를 확보 할 수 있을 것이다.(7)
- 용착부(a)에서 관찰할 수 있는 Al-Si 코팅층의 용입부(비커스 경도 평균값 Hv 200)는 용접부 파단의 원인으로 인장 강도 및 연신율 저하를 초래 할 수 있다고 판단된다. 또한 용착부에서 관찰되는 검은 반점 등의 강도저하 요인을 제어함으로써 보론강의 레이저 용접부의 강도 향상 및 신뢰성을 더욱 높일 수 있을 것이라고 판단된다.
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