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가설 설정
- 따라서 모재부 대비 용접부의 경도차이가 크고, 용접부를 구속하여 변형할 수 없도록 하는 것이 하이드로포밍 제품 성형에 유리한 특성을 보인다.9) 먼저 모재부와 용접부의 경도 차이는 소재와 용접강관의 제조공정에 따른 차이로 인해 발생 된 것으로 판돤된다. Fig.
제안 방법
- 입열량이 작거나 용접속도가 빠르면 제대로 용접이 되지 않으며, 입열량이 많거나 용접속도가 너무 느리며 용접부가 용착되어 적정한 용접조건 확보가 중요하다. 그래서 외경은 60.5mm, 두께가 1.2m 기준으로 최대 500kW인 Thermatool社 장비를 활용하여 Table 3과 같이 입열량과 용접속도를 조정하며 평가를 실시하였다.
- 그리고 DP강의 화학성분에 따른 용접성을 평가 하기 위하여 Table 2와 같이 화학성분이 상이한 두께 1.2mm의 DP780 소재를 활용하여 전기저항용접을 실시하였다.
- 그리고 소재에 따른 기계적 물성을 평가하기 위하여, 유사한 조건에서 제조된 용접강관을 대상으로 인장시험을 실시하였다. A소재는 출력 200kW 용접속도 10m/min로 제조된 용접강관, B소재는 출력 250kW 용접속도 20m/min으로 제조된 용접강관을 사용하였으며, 평가 결과는 Table 7과같다.
- 유한요소해석 프로그램은 LS-DYNA를 활용하였다. 그리고 실제 용접강관의 성형 특성을 확인하기 위하여 자유확관시험(Bulge test)을 실시하였다. 자유확관시험은 Fig.
- 인장시험의 시험편은 KS B 0801 12호 시험편이고, 인장 시험기는 만능인장시험기(universal testing machine, ZWICK Z100)을 활용하였으며 시험조건은 크로스 헤드스피드는 10mm/min로 시험을 실시하였다. 그리고 용접부 및 모재부의 인장특성을 판단하기 위하여 Fig. 7과 같이 용접부 기준으로 90도 간격으로 시편을 채취하여, 용접강관의 용접부와 모재부(모재부는 평균값)의 인장물성을 평가하였다.
- 용접강관에 적용된 DP780 소재의 화학성분을 분석하기 위하여 소재를 30 × 30mm로 평탄하게 절단 하여 소재에 spark를 가하여 소재의 에 존재하는 원소의 종류와 함량을 조사하는 spark optical emission spectroscopy 장비를 활용하여 측정하였다. 그리고, 용접부의 고융점 산화물 유무를 평가하기 위하여 Fig. 6과 같이 전자빔을 시편에 주사하여 발생하는 특성 X선의 세기를 검출하여 원소의 분포도를 측정하여 정성 또는 정량분석을 할 수 있는 주사현미경의 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer)기능을 활용하였다.
- 용접강관의 모재부 및 용접부의 미세조직을 관찰하기 위하여 시편을 에폭시 수지로 성형한 다음 사포로 연마 후에1μm 다이아몬드 페이스트와 메틸계의 윤활을 연마포에 도포 후 연마하여 시편을 제작하였다. 금속조직을 관찰하기 위해 2% Nital를 이용하여 상온에서 5초 이상 부식시킨 후 광학현미경 (OM : Optical Microscopy, ZEISS AXIDVERT 100A) 을 이용하였고, 용접부 미세조직을 관찰하기 위해 주사전자현미경(SEM : Scanning Electron Microscopy, HITACHI S-3000N)을 활용하였다.
- 두께에 따른 하이드로포밍 성형특성을 확인하기 위하여 외경이 60.5mm인 용접강관의 모재부 물성을 기준으로 유한요소해석을 실시하였다. 왜냐하면 2mm 이하의 용접부 물성을 따로 구현하기 불가하였기 때문이다.
- 또한 현장에서 용접품질을 확인하기 위하여 Fig. 5와 같이 편평시험(flatness test) 및 압확시험(expansion test) 및 실시하였으며, 하이드로포밍 성형성을 고려하여 Table 4와 같이 3가지 기준을 설정하여 강관의 용접품질을 현장에서 평가하였다.
- 용접강관에 적용된 DP780 소재의 화학성분을 분석하기 위하여 소재를 30 × 30mm로 평탄하게 절단 하여 소재에 spark를 가하여 소재의 에 존재하는 원소의 종류와 함량을 조사하는 spark optical emission spectroscopy 장비를 활용하여 측정하였다.
- 용접강관의 모재부 및 용접부의 미세조직을 관찰하기 위하여 시편을 에폭시 수지로 성형한 다음 사포로 연마 후에1μm 다이아몬드 페이스트와 메틸계의 윤활을 연마포에 도포 후 연마하여 시편을 제작하였다.
- 용접강관의 용접부 경도는 비커스 경도 시험기(vickers hardness tester, MATSUZAWA VMT - 7S)를 사용하여 300g 하중조건에서 측정하였다. 이 때 모재부와 열영향부 및 용접부의 경도 변화를 관찰하기 위하여 일정간격으로 경도측정을 실시하였다.
- 용접강관의 용접부 경도는 비커스 경도 시험기(vickers hardness tester, MATSUZAWA VMT - 7S)를 사용하여 300g 하중조건에서 측정하였다. 이 때 모재부와 열영향부 및 용접부의 경도 변화를 관찰하기 위하여 일정간격으로 경도측정을 실시하였다. 인장시험의 시험편은 KS B 0801 12호 시험편이고, 인장 시험기는 만능인장시험기(universal testing machine, ZWICK Z100)을 활용하였으며 시험조건은 크로스 헤드스피드는 10mm/min로 시험을 실시하였다.
- 하이드로포밍 성형성을 사전에 평가하기 위하여, 인장시험으로 얻어진 값을 기초로 Fig. 8과 같이 유한요소해석을 통해 두께에 따른 확관 정도를 평가하였다. 유한요소해석 프로그램은 LS-DYNA를 활용하였다.
- 여기서 하이드로포밍을 위한 인장강도 780MPa 이상의 전기저항용접강관을 개발하기 위해서는 소재 강도는 물론이고 저 항복비의 고성형 소재 선택이 필요하다. 하지만 Table 1과 같이 C-Mn계의 일반 탄소강은 인장강도 대비하여 항복강도가 높고 연신율 낮아서 하이드로 포밍에 적합하지 않아서 후가공성이 용이한 저 항복비의 DP소재를 선택하여 평가를 진행하였다. DP강은 연성의 페라이트 조직과 경한 마르텐사이트 조직이 혼합된 강종으로 열처리를 통해 우수한 가공성과 높은 강도를 동시에 가지는 이상강이다.
- 화학성분에 따른 전기저항용접성을 평가하기 위하여 Mn/Si 비율이 2.2인 A소재와 Mn/Si 비율이 7.5인 B소재를 대상으로, 실제 강관 제조설비를 이용 하여 용접조건에 따른 강관 품질을 평가하였다. A 소재의 용접성 평가결과는 Fig.
대상 데이터
- 그리고 소재에 따른 기계적 물성을 평가하기 위하여, 유사한 조건에서 제조된 용접강관을 대상으로 인장시험을 실시하였다. A소재는 출력 200kW 용접속도 10m/min로 제조된 용접강관, B소재는 출력 250kW 용접속도 20m/min으로 제조된 용접강관을 사용하였으며, 평가 결과는 Table 7과같다.
- 그리고 실제 자유확관시험은 A소재는 출력200kW, 용접속도 10m/min, B소재는 출력 250kW, 용접속도 20m/min 조건으로 제조된 용접강관을 대상으로 시험하였고, 결과는 Table 9와 Fig. 16과 같다.
- 이 때 모재부와 열영향부 및 용접부의 경도 변화를 관찰하기 위하여 일정간격으로 경도측정을 실시하였다. 인장시험의 시험편은 KS B 0801 12호 시험편이고, 인장 시험기는 만능인장시험기(universal testing machine, ZWICK Z100)을 활용하였으며 시험조건은 크로스 헤드스피드는 10mm/min로 시험을 실시하였다. 그리고 용접부 및 모재부의 인장특성을 판단하기 위하여 Fig.
이론/모형
- 8과 같이 유한요소해석을 통해 두께에 따른 확관 정도를 평가하였다. 유한요소해석 프로그램은 LS-DYNA를 활용하였다. 그리고 실제 용접강관의 성형 특성을 확인하기 위하여 자유확관시험(Bulge test)을 실시하였다.
성능/효과
- 1) A소재의 경우에는 전기저항용접은 출력200kW, 용접속도 10m/min을 제외하고는 안정적인 용접 조건이 확보가 불가하였으며, 용접부에 고융점 산화물인 MnO, SiO가관찰되었다.
- 2) B소재의 경우에는 250kW, 용접속도 20m/min을 기준으로 용접조건에 따라 일정한 패턴을 보이는 안정적인 용접구간을 확보할 수 있었으며, 용접부에서도 산화물이 관찰되지 않았다.
- 3) 유사한 조건으로 제조된 용접강관의 기계적 물성을 보면, DP780의 제조조건과 전기저항용접의 용접온도와 냉각속도로 인해 용접부의 강도가 모재부 대비 높게 나타났다. 그리고 B소재가 A소재와 대비하여 용접부의 경도가 높게 나타났다.
- 4) 용접부 현장 품질 평가 결과를 보면 B소재와 대비하여 A소재가 우수한 결과를 보였는데 이는 A소재의 용접부에 발생된 산화물과 용접부 기계적 물성 차이가 복합적으로 영향을 주었다고 판단한다.
- 5) 적정 성분계와 조건으로 제조된 전기저항 용접 강관은 10% 내외의 하이드로포밍 부품에 적용이 가능하고, 용접부 변형을 최소화하기 위하여 용접부를 구속하게 되면 10% 이상의 자동차 부품에 적용이 가능하리라 판단된다.
- B소재에 대한 평가결과는 Fig. 10과 같이 출력 250kW, 용접속도 20m/min을 기준으로 출력이 커지고, 용접속도가 빠를수록 안정적인 용접조건 영역이 커짐을 확인할 수가 있다.
- 그리고 출력 200kW, 용접속도 10m/min을 기준에서의 용접품질은 Table 5와 같이, 편평시험은 용접선 기준으로 0도에서는 완전 밀착을 해도 크랙이 발생하지 않았으나, 90도의 경우에는 외경이 48mm (약 80%) 이상 눌러질 경우 크랙이 발생하였다. 그리고 확관량은 8mm로 약 13%까지 확관이 가능하였다.
- 그리고 Table 6과 같이 A소재와 가장 유사한 출력 250kW, 용접속도 20m/min을 기준에서의 용접품질은 다음과 같다. 우선 편평시험은 용접선 기준으로 0도와 90도 모두 완전 밀착을 해도 크랙이 발생하지 않았고, 그리고 확관량은 11mm로 약 18%까지 확관이 가능하였다.
- 14와 같이 용접부의 미세경도를 측정하였다. 위치별 경도를 보면, 용접강관의 모재부 경도는 Hv 290 ~ 300 수준으로 소재와 관계없이 유사하게 측정되었으나, 용접부의 경우에는 A소재의 경도는 Hv320 ~ 350 수준으로, B소재는 Hv380 ~ 420으로 측정되었다.
- 인장시험 결과를 보면 A와 B소재 모두 모재부에서는 크게 차이를 보이지 않지만, 용접부의 경우 B 소재가 A소재와 대비하여 강도가 높고 연신율이 2% 떨어지는 것을 확인할 수가 있다. 그리고 Fig.
후속연구
- 하지만 LASER 용접강관의 경우, 용접 품질이 우수한 반면에 용접속도가 많이 떨어진다는 단점이있다. 그래서 향후 하이드로포밍 부품의 원가 경쟁력 확보를 위하여 생산성이 우수한 전기저항용접 방식을 통한 AHSS 용접강관이 개발이 필요한 시점이다.
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