[논문]TWB 핫스탬핑 공법 적용을 통한 일체형 사이드아우터 부품 개발

김소연; 공호영

doi:10.5781/jwj.2015.33.6.36

TWB 핫스탬핑 공법 적용을 통한 일체형 사이드아우터 부품 개발
Development of Reinforcement Side Outer Using TWB Hot Stamping Process 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.33 no.6, 2015년, pp.36 - 41

김소연 (현대자동차 자동차강판개발TFT) , 공호영 (현대자동차 자동차강판개발TFT)

Abstract ▼ AI-Helper

In the automotive industry, TWB hot stamping process is broadly adapted to reduce weight of the car and improve fuel efficiency. However, the process faces a problem of weakened strength of the welded zone after hot stamping process, due to the fact that Al-Si elements of the coating layer penetrating the welded zone. In this study, filler wires with high percentages of carbon and manganese is adapted during laser welding process to secure the strength of the fusion zone. In addition, wire feeding speed and laser welding speed are optimized by sample test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

. 또한 최적화된 용접 공정을 활용한 필러와이어 TWB 핫스탬핑 공법을 자동차 부품에 적용했을 경우의 용접부 강건성에 대해서도 연구하였다.
차체 충돌에 관한 상품성 규제항목은 미국 고속도로 안전보험협회(IIHS, Insurance Institute for Highway Safety)에서 실시하는 시험법과 유럽 EU에서 실시하는 euro NCAP 시험법이 대표적이다. 본 논문에서는 상대적으로 가혹도가 높은 북미IIHS 시험법에 근거하여 측면충돌과 스몰오버랩 충돌 평가해석을 수행하였다.
본 연구에서는 핫스탬핑용 Al-Si도금 강판의 레이저 용접 시 도금층이 용접부 내부로 혼입되어도 용접부 강도를 저하시키지 않도록 고탄소 고망간계의 필러와이어를 적용하여 용접 공정 최적화에 대한 연구를 진행하였다³⁾. 또한 최적화된 용접 공정을 활용한 필러와이어 TWB 핫스탬핑 공법을 자동차 부품에 적용했을 경우의 용접부 강건성에 대해서도 연구하였다.

제안 방법

2) 충돌해석을 통해 사이드스트럭처 핫스탬핑 보강부품의 최적 TWB 용접라인을 설정하였고, 성형해석을 통해 성형시 TWB 이동량을 고려하여 금형 내 릴리프 구간을 설계하였다. 또한, 최적화된 공정조건을 바탕으로 실부품을 제작하여 용접부 강건성 및 강도 확보하였다.
15과 같다. Fig. 16과 같이 제작된 프로토타입 부품의 용접부에서 인장시험편을 채취하여 기계적 물성을 평가하였다. 인장시험 결과는 Fig.
2mm 발생하였다. TWB 이동에 따른 소재와 금형 간의 GAP 생성으로 인하여 용접부 물성에 미치는 영향도에 대해서는 실제 부품을 제작하여 평가하였다.
또한 북미IIHS 스몰오버랩 해석도 진행하였다. 스몰 오버랩 평가는 Fig.
2) 충돌해석을 통해 사이드스트럭처 핫스탬핑 보강부품의 최적 TWB 용접라인을 설정하였고, 성형해석을 통해 성형시 TWB 이동량을 고려하여 금형 내 릴리프 구간을 설계하였다. 또한, 최적화된 공정조건을 바탕으로 실부품을 제작하여 용접부 강건성 및 강도 확보하였다.
본 연구에서 도출한 필러와이어 TWB 핫스탬핑의 최적화된 공정 조건을 활용하여, 자동차 측면 충돌 시 승객의 안전에 중요한 부재인 사이드아우터 보강재 부품을 제작 및 평가하였다.
본 연구에서는 차량 경량화를 위해 필러와이어 TWB 공법의 공정인자를 최적화하여, 그 결과를 자동차 부품에 실제 적용하여 핫스탬핑 후 용접부의 강건성을 검증하였다.
블랭크 간 두께차이(△t)를 0~0.6mm까지 0.2mm 간격으로 변경하여 두께 차이별 최적 레이저 출력 및 용접속도를 도출하였고, 상세 데이터는 Fig. 6과 같다.
성형공정을 위해 1,000톤 프레스에서 가압하여 금형냉각시켰으며, 냉각시간 역시 양산 조건과 동일한 14초로 유지하였다.
소재 이송시간에 따른 미세조직 변화를 9초, 11초, 13초로 각각 변경하여 분석하였다. 뉴턴의 냉각식을 통해 계산한 이송시간별 소재의 냉각속도에 따른 CCT곡선⁸⁾을 Fig.
용접부 강도에 영향을 미치는 주요 인자인 소재 이동시간, 필러와이어 송급속도^5,6), 레이저 출력 및 용접속도⁷⁾를 실험을 통해 최적화하였다.
위 조건으로 양산공법을 적용한 테스트용 금형을 제작하여, 1,000톤 프레스 장비로 성형 및 제작하였다. 핫스탬핑 공정 조건은 950℃에서 300초 동안 가열하였고, 금형 내 냉각시간은 양산조건인 14초로 유지하였다.
11과 같이 프런트필러 상단부에 일부 꺽임이 발생하였다. 이를 극복하기 위해 꺽임 발생부를 회피하여 TWB 용접부를 설계하였으며, 기존 두께 대비 두꺼운 강판을 적용하여 꺽임 현상을 개선하였다. 최종 TWB 용접라인은 Fig.
충돌해석을 통해 최적화된 TWB 용접라인 기준으로 성형해석을 통해 성형 시 TWB 이동량에 대한 분석을 실시하였다. 실사이드부(하단부)는 단면형상이 단순하여 Fig.
핫스탬핑 강판 가열은 1,200℃까지 온도조절이 가능한 전기로를 사용하였으며, 열처리 조건은 자동차에서 사용하는 핫스탬핑 부품 양산조건과 동일하게 950℃에서 300초 동안 가열하였다.
8과 같이 센터필러 하단부에 응력 집중 부위가 발생하였다. 해석결과를 바탕으로 응력 집중부를 회피하여 Fig. 9와 같이 센터플로어 크로스멤버 중앙부 기준으로 실사이드부 TWB 용접라인을 설계하였다.

대상 데이터

TWB 시편제작을 위해 핫스탬핑 성형용으로 보편적으로 상용되고 있는 Al-Si도금이 적용된 USIBOR 강판을 사용하였다. 22MnB5 강종을 베이스로 한 핫스탬핑용 보론강인 USIBOR는 소입성이 우수하며, AlSi도금은 고온 열처리 시 강판의 표면산화와 탈탄현상을 방지한다.
5에서는 필러와이어 송급속도에 따른 시편을 제작한 후, 인장시험을 실시한 용접부 단면사진을 나타내었다. 인장시험편은 KS B 0801(JIS Z 2201)의 13B호로 제작하였고, 인장시험편 중간에 TWB 용접부를 위치시켰다.

데이터처리

충돌해석은 LS-DYNA 프로그램으로 진행하였으며 해석결과 Fig. 8과 같이 센터필러 하단부에 응력 집중 부위가 발생하였다. 해석결과를 바탕으로 응력 집중부를 회피하여 Fig.

성능/효과

1) 高탄소 高망간 성분의 필러와이어를 적용할 경우 TWB 용접부의 Al-Si도금성분 편석으로 인한 약화를 방지할 수 있으며, 이를 위한 용접영향인자를 선정하여 최적의 공정조건을 도출하였다.
두께차이가 증가할수록 용접속도를 느리게 하여야 Al 성분의 고른 분포를 유도하여 용접부 강건성을 확보할수 있음을 확인하였다.
5에서 보는 바와 같이 모재부가 미용융되어 용접부의 충분한 접합강도를 확보하기 어렵다. 따라서 필러와이어 성분의 안정적 공급을 위해서는 2.2~2.7m/min이 적정한 수준임을 확인하였다.
4는 실제 시편 제작을 통해 소재 이송시간에 따른 조직 및 경도를 측정한 결과이다. 소재 이송시간이 9초일 경우, 마르텐사이트 확보가 가능하였고, 경도값도 500Hv 이상으로 균일한 값을 보였다. 그러나 소재이송시간이 11초 이상으로 증가함에 따라 페라이트와 베이나이트가 혼재하게 되었고, 그에 따라 경도값이 500Hv 이하로 낮아졌다.
3에 도시하였다. 이송시간이 9초일 경우, 가열영역인 800℃ 에서 오스테나이트 조직이 급랭되어 전체적으로 균일한 마르텐사이트 확보가 가능한 반면, 이송시간이 11~13초로 증가함에 따라 소재가 공냉되어 핫스탬핑 시작온도가 800℃ 이하로 낮아지면서 급랭 후에 마르텐사이트 외, 페라이트 및 베이나이트가 혼재하게 됨을 알 수 있었다.
16과 같이 제작된 프로토타입 부품의 용접부에서 인장시험편을 채취하여 기계적 물성을 평가하였다. 인장시험 결과는 Fig. 17과 같이 용접부에서의 파단없이 모재에서 파단이 되었고, 항복강도 1000MPa이상, 인장강도 1400MPa이상의 강도 확보가 가능하였다. 또한 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫스탬핑 공법이란 무엇인가?	그러나 초고장력 강판의 냉간 성형성 저하로 인해 적용에 한계가 있어 이를 극복하기 위해 고강도와 고성형성을 동시 구현이 가능한 핫스탬핑 공법이 개발되었다1,2). 핫스탬핑 공법은 보론(B)을 소량 첨가한 강판(이하 보론강)을 오스테나이트 변태온도(AC3) 이상인 900℃ 이상의 고온으로 가열하고, 가열된 강판을 금형으로 성형 및 급속 냉각시켜 1400MPa급의 고강도를 확보할 수 있는 공법이다. 또한, 경량화 및 충돌성능 향상을 목적으로 부품 요구특성에 따라 차등두께 및 차등강도 소재를 레이저 용접한 TWB (Tailor Welded Blanks) 소재를 적용하여 핫스탬핑 공법으로 성형하는 하이브리드 기술이 개발되었다.
	용접부 물성의 신뢰성 확보가 중요한 이유는?	TWB 핫스탬핑 공법은 성형 이전에 레이저 용접을 하게 되므로, 열처리 후 용접부 물성의 신뢰성 확보가 중요하다. 특히, 열처리 중 산화 및 탈탄 방지를 목적으로 미리 도금된 보론강 표면의 Al-Si도금층이 용접공정 중 용접부 내부로 혼입되어 용접부 강도를 저하시킨다는 연구결과가 있다4).
	핫스탬핑 공정에서 소재의 이송시간이 길어지면 어떻게 되는가?	핫스탬핑 공정에서 소재가 가열로에서 나와 프레스 시작 직전까지의 소요시간을 소재 이송시간이라고 한다. 소재 이송시간이 길어지면 핫스탬핑 성형 시작온도가 낮아져, 마르텐사이트 조직 외 페라이트와 베이나이트 조직 분율이 증가한다.

참고문헌 (9)

Taylan Altan, Hot-stamping boron-alloyed steels for automotive parts, Process method and uses, Stamping Journal, Part 1, (2006)
H. Karbasian and A.E. Tekkaya, A review on hotstamping, Journal of Mater. Proc. Technology, 210 (2010)
W. Ehling, L. Cretteur, A. Pic, R. Vierstraete and Q. Yin, Development of a laser decoating process for fully functional Al-Si coated press hardened steel laser welded blank solutions, Proceeding of the 5th Int. WLT- conf. on LIM, (2009)
M.S.Kwon, Y.G.Kim, M.B.Moon, J.P.Kong and C.Y.Kang, Development of the New Technology for TWB and Hot Stamping Hybrid Process, 6th International Conference on Tube Hydroforming, (2013)
F.Briand and O.Dubet, hybrid Arc/Laser-Welding Method for Aluminized Steel Parts Using Gammagenic Elements and a Gas Containing Less Than 10% of Nitrogen Or Oxygen, Patent, US 2013-0098878
Nippon Steel and Sumitomo Metal Corporation, Tailored Blank For Hot Stamping, Hot Stamped Member, and Methods For Manufacturing Same, Patent, US 2015-0043962
M.Hiroshk, G.Hiroki, M.Yasuo, Weldment Produced By Beam Welding, Patent, US 5968672
S.Erturk, M.Sester, M.Selig, P.Feuser and K.Roll, A Thermo-Mechanical-Metallurgical FE Approach for Simulation of Tailored Tempering, Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel CHS2,2011
IIHS, Side Impact Crashworthiness Evaluation Crash Test Protocol, Version

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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