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문제 정의
- 5GPa 이상의 고강도 달성이 가능하나 상대적으로 충돌흡수능이 낮기 때문에 센터필라 등의 부품에 적용 시에는 충돌흡수능이 높은 저강도 소재를 TWB로 이용하고 있다.10 본 연구에서는 고강도소재와 저강도 소재의 TWB 레이저용접을 실시하고 HPF공정 이후 용접강도 및 비드형상을 측정하여 레이저용접 공정변수의 영향을 검토하고자 한다.
제안 방법
- TWB 레이저 용접 시 용접공정변수가 물성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 용접속도, 초점거리, 갭, 높이단차 등을 변화시키며 실험을 수행하였다. 특히 열처리 시에는 변형이 가능하므로 열처리 전후의 비드형상을 각각 측정하여 공정변수의 영향을 검토하였다.
- 이로 인해 얕은 용입과 넓은 비드의 형성, 스패터 저감이 가능한 것으로 알려져 있다. 본 실험에서는 초점위치에 따른 TWB 용접특성을 확인하기 위하여 초점위치 0, 2, 4mm에서 레이저 용접을 수행하였으며, 빔프로파일을 측정한 결과 각 위치에서 빔의 직경은 각각 0.54, 0.55, 0.60mm 이었다.
- 반면에 Ductibor 소재의 경우, 열처리 전 약 600MPa, 열처리 후 약 700MPa의 최대강도를 갖는 특징을 가지고 있다. 시험을 위해 시편의 폭, 길이, 두께를 각각 150mm, 120mm, 1mm로 절단하였으며, 맞대기 용접을 위하여 용접면은 밀링 가공하였다.
- 시험편은 4kW 고정 출력에서 초점거리가 560mm인 광학계를 사용하여 제작되었다. 실험변수로는 용접 속도, 갭, 단차, 초점을 선정하였으며, 용접을 수행함에 있어서 보호 가스는 적용하지 않았다. Table 2에 실험에 적용한 실험 조건을 나타내었다.
- 용접변수가 용접비드의 형상에 미치는 영향을 분석하고자 제작된 시험편의 열처리 전/후 비드 형상을 비접촉 3차원 형상측정기와 광학현미경을 활용하여 측정하였다. 열처리 전의 비드형상은비접촉 3차원 측정기를 활용하여 임의의 3곳에서 측정하여 수치화하였으며, 열처리 후의 용접부 형상은 임의의 4곳에서 단면을 채취하고, 광학현미경을 통해 촬영하여 데이터를 산출하였다. 인장시험편은 950℃에서 6분 동안 열처리 한 후 금형 냉각한 용접시험편을 대상으로 KS 규격에 따라 채취하여 시행하였다.
- 본 연구에서는 고강도의 Usibor 소재와 고연성의 Ductibor 소재의 이종소재 TWB 레이저 용접을 수행하였다. 용접된 시험편은 HPF 공정을 모사하고자 열처리 후 금형냉각 하였으며 각각의 실험변수에서의 따른 비드형상 특성 및 기계적 특성을 비교 분석하였다.
- 용접변수가 용접비드의 형상에 미치는 영향을 분석하고자 제작된 시험편의 열처리 전/후 비드 형상을 비접촉 3차원 형상측정기와 광학현미경을 활용하여 측정하였다. 열처리 전의 비드형상은비접촉 3차원 측정기를 활용하여 임의의 3곳에서 측정하여 수치화하였으며, 열처리 후의 용접부 형상은 임의의 4곳에서 단면을 채취하고, 광학현미경을 통해 촬영하여 데이터를 산출하였다.
- TWB 레이저 용접 시 용접공정변수가 물성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 용접속도, 초점거리, 갭, 높이단차 등을 변화시키며 실험을 수행하였다. 특히 열처리 시에는 변형이 가능하므로 열처리 전후의 비드형상을 각각 측정하여 공정변수의 영향을 검토하였다.
대상 데이터
- TWB 용접실험을 위해 본 연구에서는 아르셀로미탈사에서 공급하고 있는 HPF공정용 고강도소재 UsiborⓇ와 저강도소재 DuctiborⓇ 소재를 사용하였다. 이 소재의 화학적 성분 및 기계적 특성을 Table 1과 같이 나타내었다.
- 높이단차에 따른 TWB 용접특성을 확인하기 위하여 두께의 30%, 50%에 해당되는 좌우 높이단차를 가진 시험편을 각각 제작하였다. Fig.
- 본 연구에서는 고강도의 Usibor 소재와 고연성의 Ductibor 소재의 이종소재 TWB 레이저 용접을 수행하였다. 용접된 시험편은 HPF 공정을 모사하고자 열처리 후 금형냉각 하였으며 각각의 실험변수에서의 따른 비드형상 특성 및 기계적 특성을 비교 분석하였다.
- 레이저 빔은 시험편 위에 수직으로 조사되었으며, 시험편의 표면 위에 초점을 위치시켰다. 시험편은 4kW 고정 출력에서 초점거리가 560mm인 광학계를 사용하여 제작되었다. 실험변수로는 용접 속도, 갭, 단차, 초점을 선정하였으며, 용접을 수행함에 있어서 보호 가스는 적용하지 않았다.
- 실험에 적용한 레이저는 최대출력 4kW급 Yb:YAG 레이저로 6축 로봇으로 광학계를 이송하였다. 레이저 빔은 시험편 위에 수직으로 조사되었으며, 시험편의 표면 위에 초점을 위치시켰다.
- 열처리 전의 비드형상은비접촉 3차원 측정기를 활용하여 임의의 3곳에서 측정하여 수치화하였으며, 열처리 후의 용접부 형상은 임의의 4곳에서 단면을 채취하고, 광학현미경을 통해 촬영하여 데이터를 산출하였다. 인장시험편은 950℃에서 6분 동안 열처리 한 후 금형 냉각한 용접시험편을 대상으로 KS 규격에 따라 채취하여 시행하였다. 용접 공정 및 열처리 공정 순서에 대한 모식도를 Fig.
성능/효과
- 1) 용접속도를 이용하여 입열을 변화시킨 결과 고입열에서 언더필이 나타나며 저입열에서 부분용입이 형성되었다. 언더필은 HPF공정을 거치면서 완화되었으며, 용접부의 강도가 고연성소재의 강도에 비해 충분히 높기 때문에 일부 부분용입에서도 용접강도 유지가 가능하다.
- 2) 맞대기 용접부의 갭은 용접부 이음부의 형상 및 강도에 큰 영향을 주기 때문에 용접부의 갭은 0.1mm 이내로 관리되어야 한다.
- 3) 열처리 전 형성되어 있는 이음부 단차에 의한 비드 형상의 좌우비대칭은 HPF과정에서 완화됨을 확인하였다.
- 4) 초점위치가 0mm가 아닌 경우 비드표면 형상이 개선되는 것을 확인하였으며, 본 실험에서 가변한 초점위치에서는 용접강도의 저하가 발생하지 않았다.
- 열처리된 시험편의 형상을 분석한 결과 두께의 30% 단차 조건으로 제작한 시험편은 열처리 후 약 5%의 높이차가 형성되어 있었다. 또한, 두께의 50% 단차 조건으로 제작한 시험편은 열처리 후 약 10%의 높이차가 형성되어 있음을 확인하였다. 이를 통해 열처리 전에 형성되어 있던 이음부 단차에 기인한 형상결함은 HPF공정을 통해 개선될 수 있음을 확인 할 수 있었다.
- 6(b)에 나타내었다. 열처리된 시험편의 형상을 분석한 결과 두께의 30% 단차 조건으로 제작한 시험편은 열처리 후 약 5%의 높이차가 형성되어 있었다. 또한, 두께의 50% 단차 조건으로 제작한 시험편은 열처리 후 약 10%의 높이차가 형성되어 있음을 확인하였다.
- 또한, 두께의 50% 단차 조건으로 제작한 시험편은 열처리 후 약 10%의 높이차가 형성되어 있음을 확인하였다. 이를 통해 열처리 전에 형성되어 있던 이음부 단차에 기인한 형상결함은 HPF공정을 통해 개선될 수 있음을 확인 할 수 있었다. 따라서 Fig.
- 8(a)의 열처리 전의 비드형상 측정결과를 통해, 초점위치가 0mm인 경우에 비해 2와 4mm의 초점위치에서 비드표면이 보다 완만하게 형성되었음을 확인 할 수 있다. 초점거리가 길어질수록 입열의 부족으로 I 형상의 비드가 아닌 와인컵 형상의 비드가 형성되며, 모든 조건에서 비드의 높이차가 미미하여 양호한 비드형상을 가지고 있음을 확인하였다. 모든 조건에서 완전용입이 달성되었으며, 내부 결함이 존재하지 않아 모든 경우에서 모재부파단이 발생하였으며 인장강도는 Fig.
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