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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 레이저 TWB 용접부의 열처리 전후 기계금속학적 특성 변화에 대해 분석하였으며, 특히 열처리 후 Al-Si 도금층의 혼입이 용접부 물성에 미치는 영향에 대해 집중적으로 관찰하였다.
제안 방법
- TWB 용접재의 열처리 공정조건 조절을 통하여 용접부의 강도저하를 최소화할 수 있는지를 확인하기 위하여 실제 Table.3과 같은 다양한 공정조건에서 열처리를 실시한 후 인장강도를 측정하였다. 우선적으로 열처리 시간을 5분으로 고정한 뒤 온도만 880~1,050℃로 변화시킨 후 급속 퀜칭을 통해 나온 결과는 Fig.
- 이에 따라 본 연구에서도 900℃ 온도와 5min 유지조건을 기준으로 동일한 조건으로 용접된 시험편의 열처리 조건에 따른 기계적 특성과 용접성을 평가하고자 Table 3과 같은 공정변수로 시험편을 제작하였다. 또한 Al-Si 코팅층이 기계적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 일부 시험편의 경우 보론강 TWB 용접 전 기계적인 방법으로 미리 코팅층을 제거한 후 그 특성을 비교평가 하였다. 특성평가는 인장강도와 경도 그리고 미세조직 OM관찰을 통해 확인하였다.
- 보론강판의 레이저용접 후 열처리를 통해 완성되는 핫스탬핑 TWB 부품의 특성을 확인하기 위해 최우선적으로 열처리 전후 용접부 변화에 대한 OM 관찰을 실시하였다. Fig.
- 본 연구에서는 22MnB5 강의 레이저 TWB 용접에서 Al-Si 도금층의 혼입이 용접부 물성에 미치는 영향에 대해 집중적으로 관찰하고자 열처리 공정조건 및 도금층의 가공 여부를 주요 변수로 놓고 인장, 경도 및 미세조직관찰 결과를 비교분석 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이를 참고하여 본 연구에서도 용접 전 이음부의 코팅층을 기계적 연마를 통해 완전히 제거한 뒤 용접 후 열처리를 통한 최종 강도를 확인하였다. 코팅층이 윗면만 제거된 것과 양면 모두 제거된 두 종류의 시험편을 준비하여 그 결과를 비교하였으며, 열처리 온도는 900℃ 및 950℃ 각각에 대해서 진행하였다.
- . 이에 따라 본 연구에서도 900℃ 온도와 5min 유지조건을 기준으로 동일한 조건으로 용접된 시험편의 열처리 조건에 따른 기계적 특성과 용접성을 평가하고자 Table 3과 같은 공정변수로 시험편을 제작하였다. 또한 Al-Si 코팅층이 기계적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 일부 시험편의 경우 보론강 TWB 용접 전 기계적인 방법으로 미리 코팅층을 제거한 후 그 특성을 비교평가 하였다.
- 이를 참고하여 본 연구에서도 용접 전 이음부의 코팅층을 기계적 연마를 통해 완전히 제거한 뒤 용접 후 열처리를 통한 최종 강도를 확인하였다. 코팅층이 윗면만 제거된 것과 양면 모두 제거된 두 종류의 시험편을 준비하여 그 결과를 비교하였으며, 열처리 온도는 900℃ 및 950℃ 각각에 대해서 진행하였다. 이에 따른 시험결과는 Fig.
- 또한 Al-Si 코팅층이 기계적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 일부 시험편의 경우 보론강 TWB 용접 전 기계적인 방법으로 미리 코팅층을 제거한 후 그 특성을 비교평가 하였다. 특성평가는 인장강도와 경도 그리고 미세조직 OM관찰을 통해 확인하였다.
대상 데이터
- TWB 용접을 위한 레이저 발진기는 빔 직경 600㎛, 초점거리 200mm인 3kW CW Nd:YAG를 사용하였다. 소재는 200×100mm 크기로 준비하였으며 이음부는 용접 전 밀링가공을 하였다.
- 본 연구에 사용된 22MnB5강은 “ArcelorMittal사”에서 제조된 것으로서 그 화학조성은 Table 1과 같다.
- 소재는 200×100mm 크기로 준비하였으며 이음부는 용접 전 밀링가공을 하였다.
이론/모형
- 또한 가열로에서 금형에 시편이 안착될 때까지의 대기 중 노출시간은 4~5초 사이로 일정하게 하였으며, 금형의 온도상승으로 인한 소재의 냉각속도 저하가 없도록 충분히 냉각하였다. 한편 가열 조건에 따른 인장강도를 위한 시험편은 KS B 0801 규격을 따라 제작하였으며, 모재 및 용접부의 강도를 동일한 시편에서 확인하기 위해 Fig. 2와 같은 방법으로 시편을 채취하였다.
성능/효과
- 1) TWB 용접된 시험편의 핫스탬핑 전후 용접부 특성을 비교한 결과, 열처리 전 레이저용접 과정을 거치면서 침상 마르텐사이트 조직과 혼재된 금속간화합물의 편석부로 존재하던 Al-Si 도금층이 열처리 중 확산에 의해 구상 조직으로 형태가 변화된 것을 확인할 수 있다. 한편 본드라인 근처에서는 백층부의 편석은 용접중심부보다 본드라인 근처에서 더욱 뚜렷이 발견되었다.
- 2) TWB 용접재의 열처리 공정조건 조절을 통하여 용접부의 강도저하를 최소화할 수 있는지를 시험하였으나, 어떠한 공정조건에서도 모재강도 이상을 극복하지 못하였으며 용접부의 강도는 모재대비 76~83%로 나타났다.
- 3) 도금층을 상부만 제거 후 그 특성을 검토한 결과, 제거되지 않은 하부 쪽에 Al 백층부의 편석이 집중되었으며, 기계적 강도 또한 많은 상승을 이뤄내지 못하였다. 이에 따라 보론강의 TWB 용접 적용 시 우수한 강도를 보증하기 위해서는 양면의 도금층이 모두 제거되어야 한다는 것을 확인하였다.
- 용접부의 강도는 모재의 강도와 비례하였고, 모재대비 76~83%의 강도를 나타냈다. 그러나 열처리 공정조건의 조절만으로는 용접부의 강도저하를 막을 수 없었으며, 결국 모재강도를 확보하기 위해서는 도금층의 전처리가 필수적으로 요구됨을 확인하였다.
- 한편 900℃ 온도에서 5분간 열처리 후 조직을 관찰한 결과, 모재는 잔류오스테나이트가 거의 보이지 않는 매우 촘촘한 침상의 마르텐사이트로 변태된 것을 볼 수 있으며 그 경도는 Hv510으로 급격히 증대되었다. 또한 보론강 상태에서 존재하던 열영향부와 모재와의 경계가 열처리를 통해 없어진 것을 볼 수 있었으며, 용융선 바로 바깥쪽의 경도값이 모재와 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 용접부의 경우 Hv320 정도로 경도가 저하되었으며, 용융선을 포함한 용접부 전체에 걸쳐 백층(white area)이 분포하는 것을 확인하였고, 이러한 백층은 이미 여러 연구자들에 의해 Al-Si 화합물임이 판명되었다.
- 소재는 200×100mm 크기로 준비하였으며 이음부는 용접 전 밀링가공을 하였다. 시험 편의상 1.4t 동종두께 두 장을 맞대기 용접하였으며, 충분한 선행실험을 통해 최종적으로 최대출력 3kW에서 4m/min의 용접속도 적용 및 He 보호가스를 사용하여 Fig. 2와 같이 건전한 용접부를 얻을 수 있었다.
- 그러나 양면 코팅을 모두 제거한 경우 용접부와 모재부의 구분없이 완전히 마르텐사이트로 변태되었으며, 이에 따라 금속 에칭이 일어나지 않았다. 이상의 결과로부터 보론강의 TWB 용접 적용 시 우수한 강도를 보증하기 위해서는 양면의 도금층이 모두 제거되어야 한다는 것을 확인하였다.
- 이상의 실험결과로부터, 본 연구에서는 900~950℃의 온도에서 5~7분의 유지시간이 가장 적절한 열처리 공정조건임을 확인하였다. 용접부의 강도는 모재의 강도와 비례하였고, 모재대비 76~83%의 강도를 나타냈다.
- 3) 도금층을 상부만 제거 후 그 특성을 검토한 결과, 제거되지 않은 하부 쪽에 Al 백층부의 편석이 집중되었으며, 기계적 강도 또한 많은 상승을 이뤄내지 못하였다. 이에 따라 보론강의 TWB 용접 적용 시 우수한 강도를 보증하기 위해서는 양면의 도금층이 모두 제거되어야 한다는 것을 확인하였다.
- 한편 900℃ 온도에서 5분간 열처리 후 조직을 관찰한 결과, 모재는 잔류오스테나이트가 거의 보이지 않는 매우 촘촘한 침상의 마르텐사이트로 변태된 것을 볼 수 있으며 그 경도는 Hv510으로 급격히 증대되었다. 또한 보론강 상태에서 존재하던 열영향부와 모재와의 경계가 열처리를 통해 없어진 것을 볼 수 있었으며, 용융선 바로 바깥쪽의 경도값이 모재와 일치하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 이후 모재의 경우 앞선 온도변화 시험과 같이 오스테나이트 결정립이 조대해짐에 따라 약간의 강도저하가 발생되고 용접부의 추가적인 강도 저하 또한 확산 정도의 차이에 따른 강도저하로 판단할 수 있다. 이상의 열처리 조건과 페라이트 생성 정도에 관한 보다 정확한 상관관계를 파악하기 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
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