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문제 정의
- 본 연구에서는 S-cam 제품의 원가 절감 및 생산성 향상을 위하여 기존의 일체형 제품을 분리형 제품으로 제작하였으며 정밀 접합을 위한 레이저 용접기술을 적용한 사례이다. 탄소 함유량이 많은 자동차 부품 소재의 레이저 용접 적용을 위하여 모재의 예열과 용접조건 도출을 통한 기존 제품 대비 동등 이상의 성능을 확보한 제품을 개발하였으며, 주요 연구 내용은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 상용차에 적용되는 에어브레이크의 슈에 제동력을 전달하는 S-cam의 제조 공정에서 기존 공정의 원가상승 및 초기 개발비의 과다한 투자의 문제점을 해결하기 위하여 축 부와 캠 부를 분리 성형하여 레이저 용접을 적용한 정밀접합기술 개발로 기존 제품 대비 동등 이상의 성능이 확보된 S-cam을 개발 하였으며, Photo. 1은 제품형상을 보여주고 있다.
제안 방법
- 내구시험은 Photo. 3과 같이 Torque 3,000 N･m, Frequency 3 Hz 토크 제어로 구축한 시스템으로 진행되었으며, Double welding 샘플 10번 조건으로 용접된 4개에 대하여 내구시험을 진행하였다. 시험 결과 모두 목표 수명인 1,000,000 Cycles에서 균열 및 파손 발생 없이 만족하는 결과를 얻었다.
- S45C 소재의 S-cam 부품의 레이저 용접 접합에 최적 용접조건 도출을 위하여 2차에 걸쳐 다양한 용접 조건으로 용접 샘플을 제작하고 용접특성을 분석하였다. Single welding 샘플은 캠 부를 축 부에 삽입하여 접합하는 형태로 10개의 샘플을 제작하였다.
- Single welding 용접시험 결과 샘플 4번, 6번, 10번의 용접 조건이 크랙 없이 용접 비드 및 용입 깊이에서 양호한 결과를 보였으며, 용접 최적조건으로 선정하였다. 샘플 6번의 절단면을 관찰한 결과 비드 폭은 평균 1.
- 개발된 S-cam 시제품의 내구성 평가는 차량의 주행 및 제동과정에서 반복적으로 발생하는 동하중에 대하여 충분하게 안전한 성능을 확보하고 있는지 여부를 판단하기 위하여 제품의 사용조건으로부터 얻어진 시험조건(수요처 요구 시험조건)에 따라 내구시험을 진행하였다. 내구시험은 Photo.
- 개발된 S-cam 은 S45C 소재로 높은 탄소 함유량으로 레이저 용접 시 용접 균열의 문제점이 예상되어 예열(pre-heating)을 통한 용접부 가열 후 레이저 용접을 진행하도록 프로세스를 정립하였고 용접 조건을 최적화하기 위하여 목표 용입률을 (6 mm ~ 8 mm) 확보할 수 있는 용접 조건을 찾아 적용하였으며, 성능시험용 샘플을 제작하였다.
- 또한 용접부 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였으며, 하중 200 g, 유지시간 5 sec 조건으로 용접 중심선을 기준으로 250 μm 간격으로 측정하여 경도 값을 획득하였다.
- 레이저 용접부 인장강도 시험을 위하여 동일한 접합 조건의 환봉시편을 제작하였으며, 레이저 용접 조건은 사전 시험을 통하여 선정된 최적화된 용접조건을 이용하였다. 인장시험에 사용한 장비는 MTS QT-100 장비로 자세한 사양은 Table 1과 같으며, 인장속도는 10 mm/min으로 측정하였다.
- 레이저 용접을 적용한 개발 제품이 작동 토크에 대한 충분한 강도를 확보하고 있는지 여부를 확인하기 위하여 시험기에 장착될 수 있도록 제작된 지그에 샘플을 장착하고 비틀림 강도시험을 수행하였다. Single welding 샘플 2개, Double welding 샘플 2개 모두 4개의 샘플을 진행하였으며, 시험 결과 4개 샘플 모두 기준 비틀림 강도인 4,000 N･m를 만족함을 확인할 수 있었다.
- 상기 조건으로 제작된 샘플은 용입 깊이와 비드폭 등 용접 특성을 관찰하기 위하여, 절단 및 전해 연마를 통하여 시편을 제작하고 전자현미경을 통하여 용접면을 관찰하였다. 또한 용접부 경도 측정은 비커스 경도기를 사용하였으며, 하중 200 g, 유지시간 5 sec 조건으로 용접 중심선을 기준으로 250 μm 간격으로 측정하여 경도 값을 획득하였다.
- 신규로 개발된 S-cam의 레이저 용접부가 작동 시에 유입되는 토크에 견딜 수 있는 충분한 강도를 확보하였는지를 평가하기 위하여 비틀림 시험을 수행 하였고, 사용한 시험기는 MTS 215.45 actuator 로 자세한 사양은 Table 2와 같다.
- 최적의 용접조건 도출을 위하여, Single welding 샘플은 2.9 kW~4.8 kW까지 출력 조건을 조정하면서 용접을 실시하였고 작업속도는 3 m/min, 초점위치 –3 mm, 용접부 보호를 위하여 Ar 가스를 10 ℓ/min 공급하였으며, 모재는 유도가열(induction heating) 방식으로 500°C ~ 650°C 조건으로 예열하였다.
- 캠 부와 축 부의 정렬과 용입율 확보를 위한 결합부 단면을 Fig. 1과 같이 제작하였으며, 접합면 용접과 접합면 용접+상단 용접을 적용한 2가지 타입의 용접 방식으로 시험 샘플을 제작하였다.
- 본 연구에서는 S-cam 제품의 원가 절감 및 생산성 향상을 위하여 기존의 일체형 제품을 분리형 제품으로 제작하였으며 정밀 접합을 위한 레이저 용접기술을 적용한 사례이다. 탄소 함유량이 많은 자동차 부품 소재의 레이저 용접 적용을 위하여 모재의 예열과 용접조건 도출을 통한 기존 제품 대비 동등 이상의 성능을 확보한 제품을 개발하였으며, 주요 연구 내용은 다음과 같다.
대상 데이터
- S-cam 캠 부와 축 부의 접합 특성을 확인하기 위하여 Single welding 샘플의 6번, 10번 용접 조건에 따라 인장강도 측정용 샘플을 각각 3개씩 제작하여 시험에 이용하였다. Photo.
- S45C 소재의 S-cam 부품의 레이저 용접 접합에 최적 용접조건 도출을 위하여 2차에 걸쳐 다양한 용접 조건으로 용접 샘플을 제작하고 용접특성을 분석하였다. Single welding 샘플은 캠 부를 축 부에 삽입하여 접합하는 형태로 10개의 샘플을 제작하였다. 용접을 위한 레이저 출력, 용접속도, 예열조건 등 용접 조건 및 결과는 Table 4와 같다.
- 본 연구에 사용된 레이저 용접 장치는 최대 출력 16 kW 급 디스크 레이저(TruDisk16002) 장비를 사용하였으며 Photo. 2는 장비를 보여주고 있다.
성능/효과
- 1) 고탄소강(S45C) 소재의 자동차부품에 레이저 용접기술 적용을 위해서는 예열이 필수적이며, 다양한 시험을 통하여 예열 조건 700°C, 용접속도 2 m/sec, 용접출력 4 kW의 최적 용접조건을 도출 하였으며, 도출된 용접 조건에 따라 제작된 시제품의 성능이 제품의 요구 성능을 만족하였다.
- 2) 최적 용접조건으로 선정된 샘플의 용접면을 분석한 결과 평균 비드 폭은 1.3~3.05 mm, 용입 깊이 6~8 mm, 경도는 용용부와 열영양부의 접촉부에서 가장 큰 350 HV 값을 보였다. 경도차가 큰 부위가 작동 중 파단이 예상되는 부위이며, 실제 시험에서도 유사한 결과를 얻었으며, 상대적으로 용융부의 경도 값은 모재와 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 3) S-cam 시제품의 비틀림 강도, 내구시험 결과 시제품의 성능이 수요처의 요구 조건인 Torque 4,000 N･m를 초과함을 확인하였으며, 내구 목표 수명인 1,000,000 cycles 을 만족하였다.
- Double welding 용접 시험결과 샘플 6번, 7번, 10번의 용접 조건이 크랙 없이 용입 깊이가 7.0 mm이상으로 요구조건을 만족하는 결과를 보였으며, 용접 최적조건으로 선정하였다.
- 레이저 용접을 적용한 개발 제품이 작동 토크에 대한 충분한 강도를 확보하고 있는지 여부를 확인하기 위하여 시험기에 장착될 수 있도록 제작된 지그에 샘플을 장착하고 비틀림 강도시험을 수행하였다. Single welding 샘플 2개, Double welding 샘플 2개 모두 4개의 샘플을 진행하였으며, 시험 결과 4개 샘플 모두 기준 비틀림 강도인 4,000 N･m를 만족함을 확인할 수 있었다. 인장강도와 비틀림 강도시험을 통하여 제작된 샘플의 용접 조건이 고탄소강 개발 제품의 레이저 용접 조건으로 적합함을 확인할 수 있었다.
- 2에 표시하였다. 경도값은 용접 접합면을 기준으로 열영향부와 용융부가 만나는 경계 부위에서 최대값인 350 HV로 측정되었으며, 용용부의 경도값은 300 HV 내외로 모재부의 경도 값과 유사하며, 최고 경도와 비교하여 45 HV 정도 차가 발생하였다. 모재 쪽으로 갈수록 경도는 낮아지는데 이는 레이저 용접의 일반적인 경향으로 알려져 있다.
- 05 mm, 용입 깊이 6~8 mm, 경도는 용용부와 열영양부의 접촉부에서 가장 큰 350 HV 값을 보였다. 경도차가 큰 부위가 작동 중 파단이 예상되는 부위이며, 실제 시험에서도 유사한 결과를 얻었으며, 상대적으로 용융부의 경도 값은 모재와 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다.
- 만족한 결과를 보인 샘플 10번의 절단면을 관찰한 결과 비드 폭은 평균 3.05 mm, 용입 깊이는 평균 7.57 mm를 보여 용입 깊이에서는 요구 수준을 만족 하였다. Photo.
- Single welding 용접시험 결과 샘플 4번, 6번, 10번의 용접 조건이 크랙 없이 용접 비드 및 용입 깊이에서 양호한 결과를 보였으며, 용접 최적조건으로 선정하였다. 샘플 6번의 절단면을 관찰한 결과 비드 폭은 평균 1.32 mm, 용입 깊이는 평균 8.19 mm를 보여 용입 깊이에서 요구수준을 만족하는 결과를 얻었으며, 샘플 10번은 비드 폭이 평균 1.75mm, 용입 깊이는 6.65mm를 보여 용입 깊이의 요구수준을 만족하였다. Photo.
- 3과 같이 Torque 3,000 N･m, Frequency 3 Hz 토크 제어로 구축한 시스템으로 진행되었으며, Double welding 샘플 10번 조건으로 용접된 4개에 대하여 내구시험을 진행하였다. 시험 결과 모두 목표 수명인 1,000,000 Cycles에서 균열 및 파손 발생 없이 만족하는 결과를 얻었다. Table 8과 Photo.
- 6과 Table 6은 인장강도 시험 장치와 결과를 보여주고 있다. 시험결과 대부분 요구하는 인장강도 150,000N의 요구조건을 만족 하였으며, 2가지 용접조건이 본 개발품의 용접에 적합한 조건으로 판단하였다.
- 이상의 결과는 S45C와 같은 고탄소강 소재를 적용하여 고강도의 비틀림을 받는 자동차 부품 제조 시 레이저 용접을 적용한 부품 개발이 가능한 결과를 보여주었다.
- Single welding 샘플 2개, Double welding 샘플 2개 모두 4개의 샘플을 진행하였으며, 시험 결과 4개 샘플 모두 기준 비틀림 강도인 4,000 N･m를 만족함을 확인할 수 있었다. 인장강도와 비틀림 강도시험을 통하여 제작된 샘플의 용접 조건이 고탄소강 개발 제품의 레이저 용접 조건으로 적합함을 확인할 수 있었다. Table 7과 Fig.
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