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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 샤시부품에 적용되고 있는 대표적인 고장력강인 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 급 강종의 모재 강도 및 용접부 형상에 대한 피로강도를 정량화하여 용접시편 피로 데이터를 확보하였으며, 피로강도를 저하시키는 주요 영향 인자를 확인하였다. 또한 주요 영향 인자를 최소화 하는 방향으로 용접부 수명향상 방안을 제시하였다.
- 첫째로 장비가격이 기존 MAG용접기 대비 10배 가량 비싸며, 둘째로 피용접물의 갭에 대한 민감도가 크고 토치가 커서 자동화 티칭이 용이하지 않다. 이에 저자들은 양산적용이 용이한 용접 후처리법들에 대해 연구하였다.
제안 방법
- 대상부품은 소형차 후륜 서스펜션인 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)로 1470 MPa급 핫스탬핑 빔과 590 MPa급 트레일링암이 용접된 구조이며, 주로 이 두 부품의 용접부에서 내구 파단이 시작되는 것으로 알려져 있다. 기존의 내구해석 및 내구시험 결과로부터 Fig. 12A에 표시한 부위가 가장 취약한 부분임을 확인하였으며, 이 부위에 국부적인 TIG 드레싱 처리한 부품과 별도의 처리를 하지 않은 양산부품을 내구 평가하여 결과를 비교하였다.
- 따라서 본 연구에서는 샤시부품에 적용되고 있는 대표적인 고장력강인 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 급 강종의 모재 강도 및 용접부 형상에 대한 피로강도를 정량화하여 용접시편 피로 데이터를 확보하였으며, 피로강도를 저하시키는 주요 영향 인자를 확인하였다. 또한 주요 영향 인자를 최소화 하는 방향으로 용접부 수명향상 방안을 제시하였다.
- 현 양산조건을 반영한 용접 방법은 샤시 부품 용접에 가장 많이 사용되고 있는 GMAW(Gas Metal Arc Welding, 이하 MAG)용접법을 적용하였다. 또한, 용접부 응력집중을 완화하여 내구수명을 향상 시킬 것으로 예상되는 플라즈마 용접법과 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding, 이하 TIG) 드레싱 법을 적용하였으며, 겹침 용접시편으로 고주기 피로수명을 평가하여 MAG 용접결과와 비교하였다. 최적 용접 조건은 인장시험 결과를 통해 도출되었으며 그 결과를 Table 1과 2에 각각 나타내었다.
- 부품의 제작은 양산라인에서 MAG용접된 부품에 시편상태에서 얻은 TIG 드레싱 최적 조건을 적용하여 수동 작업하였다. 내구시험 모드는 실차 주행 로드데이터를 반영한 모듈 내구시험를 시행하였으며, 일련의 과정을 Fig.
- 인장시험 결과 용접부의 건전성이 확보가 확인된 후 각각 Table 1과 Table 2의 용접조건으로 용접시편들을 제작하였다. 피로성능 평가를 위한 시험편들은 ASTM E4662에 의거하여 Fig.
- 저자들은 MAG 용접에서 비드에 의한 응력집중을 완화한 플라즈마 용접 및 TIG 드레싱법의 피로강도 향상 정도를 고주기 피로평가를 통해 정량적으로 확인했다. 응력집중에 의한 피로수명 저하를 나타내는 피로응력집중계수(Kf)는 직접 구하기 어렵기 때문에 Kf와 비례하며 기하학적 형상으로 구할 수 있는 응력집중 계수(Stress Concentration Factor, SCF : Kt)를 모재와 용접비드가 이루는 각도와 곡률 등으로 아래의 식 19)을 이용해 계산하였으며, Fig.
- 실험 결과에 의하면 이 구간에서는 용접 토우부에 응력이 집중되어 파단이 일어나므로 겸침 용접시편 토우부의 응력집중을 완화해 주면, 피로수명 향상 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되었다. 저자들은 이를 위해 토우부 응력집중 완화에 효과가 있을 것으로 예상되는 플라즈마 용접법과 TIG 드레싱법을 적용하여 겹침용접 시험편으로 고주기 피로평가하였다. Fig.
- 플라즈마 용접법은 제살용접과 와이어 송급 용접이 모두 가능하며, 본 연구에서는 두가지 모두 진행하였다. 상세 조건과 비드형상은 Table 4에 나타내었다.
- 겹침 용접시편의 피로시험에서 입력 하중에 의한 시편의 회전 모멘트를 최소화하기 위하여 모재와 동일한 두께의 판재를 덧대어 시편을 장착하였다. 피로균열의 시작위치와 용접부의 기하학적 형상 및 야금학적 불연속 정도를 판단하기 위하여 피로시편의 표면 및 파단면을 광학현미경과 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 다각적으로 분석하였다.
- 피로시험시의 최대 응력(σmax)은 각 용접시편의 인장강도의 90%부터 10%씩 부하 응력을 감소시키면서 도출하였다.
대상 데이터
- Table 3은 본 연구에서 수행한 용접부 형태와 강종 및 용접방법의 조합을 나타낸다. 각각의 조합으로 총 143개의 시편이 제작되었다.
- 고주기 피로시험은 MTS사의 810 Model을 이용하였고, 20 Hz, sine 파형의 R = 0.1 조건으로 시험하였으며, 피로강도의 기준은 N = 107을 만족하는 최대 응력으로 설정하였다. 피로시험시의 최대 응력(σmax)은 각 용접시편의 인장강도의 90%부터 10%씩 부하 응력을 감소시키면서 도출하였다.
- 시편상태의 피로강도 향상 효과 검증을 위하여 초고장력강판이 적용된 부품을 선정하였다. 대상부품은 소형차 후륜 서스펜션인 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)로 1470 MPa급 핫스탬핑 빔과 590 MPa급 트레일링암이 용접된 구조이며, 주로 이 두 부품의 용접부에서 내구 파단이 시작되는 것으로 알려져 있다. 기존의 내구해석 및 내구시험 결과로부터 Fig.
- 본 연구에서 사용한 소재는 샤시부품에 주로 적용되고 있는 냉간성형용 고장력 열연강판(SAPH440-P, SPFH590DP-P ; 각 2.0t)과 핫스탬핑용 초고장력 열연강판(SPBH1470-P ; 1.8t)의 세 강종이며, 동종 및 이종재간 용접을 통해 용접시편의 기계적 물성(인장강도, 경도, 피로강도)을 시험하였다. 이종재간 용접은 실제 부품의 재질 매칭 조건을 반영하여 하판에 SPBH1470-P, 상판에 SPFH590DP-P를 적용하였다.
- 시편상태의 피로강도 향상 효과 검증을 위하여 초고장력강판이 적용된 부품을 선정하였다. 대상부품은 소형차 후륜 서스펜션인 CTBA(Coupled Torsion Beam Axle)로 1470 MPa급 핫스탬핑 빔과 590 MPa급 트레일링암이 용접된 구조이며, 주로 이 두 부품의 용접부에서 내구 파단이 시작되는 것으로 알려져 있다.
- 8t)의 세 강종이며, 동종 및 이종재간 용접을 통해 용접시편의 기계적 물성(인장강도, 경도, 피로강도)을 시험하였다. 이종재간 용접은 실제 부품의 재질 매칭 조건을 반영하여 하판에 SPBH1470-P, 상판에 SPFH590DP-P를 적용하였다.
이론/모형
- 인장시험 결과 용접부의 건전성이 확보가 확인된 후 각각 Table 1과 Table 2의 용접조건으로 용접시편들을 제작하였다. 피로성능 평가를 위한 시험편들은 ASTM E4662에 의거하여 Fig. 1과 같이 제작하였다. 겹침 용접 용접부의 피로시편은 인장시험편과 같이 폭 25 mm로 가공하였다.
- 현 양산조건을 반영한 용접 방법은 샤시 부품 용접에 가장 많이 사용되고 있는 GMAW(Gas Metal Arc Welding, 이하 MAG)용접법을 적용하였다. 또한, 용접부 응력집중을 완화하여 내구수명을 향상 시킬 것으로 예상되는 플라즈마 용접법과 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding, 이하 TIG) 드레싱 법을 적용하였으며, 겹침 용접시편으로 고주기 피로수명을 평가하여 MAG 용접결과와 비교하였다.
성능/효과
- (1) 맞대기 용접 후 비드를 제거한 시편에서 모재 강도와 피로강도는 서로 비례함을 확인할 수 있었다.
- (2) MAG용접에서는 용접비드가 존재할 경우 비드의 토우부가 응력집중부로 작용하여 모재 강도에 관계없이 유사한 피로강도를 나타내었다. 특히 샤시에서 가장 많이 적용되는 겹침 용접의 경우 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 세 강종 모두 동일 수준의 피로강도를 보였다.
- (3) 플라즈마 용접법 평가 결과 비드의 응력집중계수완화 효과로 피로강도가 기존 MAG 용접 대비 60% 향상된 것을 확인할 수 있었으나, 용접 조건 등을 양산 사양에 적용하기 어려운 문제가 있었다.
- (4) 건축, 토목, 조선 분야에서 피로물성 향상을 위해 사용되고 있는 TIG드레싱법 평가 결과, 응력집중계수와 피로강도가 기존 MAG용접 대비 40% 향상되는 결과를 시편상태에서 확인할 수 있었으며, 부품상태(CTBA)에서 한계내구 평가 결과 무한수명을 나타냄을 확인하였다. TIG 드레싱 기술은 용접부 전주에 적용하기도 하지만 취약부에만 국부적으로 적용 가능하므로, 처리 시간과 비용 상승이 크지 않은 장점도 가지고 있다.
- Fig. 12D에서 보듯이 TIG 드레싱 처리 이후의 부품은 외형적으로 미려한 형상은 아니지만 단면을 확인한 결과 응력집중이 완화된 형상을 보였으며 실제 내구 평가에서도 기준 수명 대비 5배 이상에서 크랙이 발생하지 않는 무한수명을 나타내었다.
- 와이어의 첨가 여부는 피로수명과 큰 관계는 없었다. 또한, MAG 용접과 달리 저응력비에서도 용접 토우부가 아닌 루트부에서 파단이 일어난 것으로 보아 플라즈마 용접에 의한 응력집중 완화로 토우부에서는 더 이상 응력집중이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
- 일반적으로 샤시부품의 내구시험은 탄성영역 이하의 저응력비 구간에서 진행되며 실제 차량의 응력이력도 마찬가지이다. 실험 결과에 의하면 이 구간에서는 용접 토우부에 응력이 집중되어 파단이 일어나므로 겸침 용접시편 토우부의 응력집중을 완화해 주면, 피로수명 향상 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되었다. 저자들은 이를 위해 토우부 응력집중 완화에 효과가 있을 것으로 예상되는 플라즈마 용접법과 TIG 드레싱법을 적용하여 겹침용접 시험편으로 고주기 피로평가하였다.
- 용접비드를 제거하여 용접부 형상 인자를 배제한 시편에서 모재 강도의 영향을 확인할 수 있었으며 기존 유사 연구결과3)에서 알려진바와 같이 모재강도가 높을수록 피로강도가 높게 나타났다. 파단 시편의 경도 평가 결과 3가지 소재의 용접시편 모두 미세조직상 가장 연화된 부분(440 : 모재, 590DP : 열영향부, 1470 : 용접부)에서 파단이 발생하였으며, 이는 인장시험에서의 파단 위치와 동일하다(Fig.
- 값이 감소함을 확인했다. 저자들의 시험 결과 Kt가 4.410)이상이면 강종에 무관하게 피로강도가 유사함을 알 수 있었다. 현재 샤시 부품들의 경우 대부분 MAG용접으로 접합이 되며, Kt값이 4.
- 9A). 저자들이 위의 여러가지 방법들에 대해 양산가능성과 효과에 대해 검토해본 결과, 자동차 샤시부품에는 TIG 드레싱법이 가장 적합한 것으로 판단되었다.
- 특히 샤시에서 가장 많이 적용되는 겹침 용접의 경우 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 세 강종 모두 동일 수준의 피로강도를 보였다. 즉, 고장력강의 용접부 피로 물성은 모재의 강도보다 용접비드 토우부의 응력집중에 의해 지배되며, 용접부의 피로강도 향상을 위해서는 응력집중을 완화할 수 있는 용접 기술 또는 후처리법이 필요하다고 판단되었다.
- 플라즈마 용접이 높은 용접품질과 피로 성능을 나타내지만 양산에 적용하기 어려운 몇 가지 문제점이 있다. 첫째로 장비가격이 기존 MAG용접기 대비 10배 가량 비싸며, 둘째로 피용접물의 갭에 대한 민감도가 크고 토치가 커서 자동화 티칭이 용이하지 않다. 이에 저자들은 양산적용이 용이한 용접 후처리법들에 대해 연구하였다.
- (2) MAG용접에서는 용접비드가 존재할 경우 비드의 토우부가 응력집중부로 작용하여 모재 강도에 관계없이 유사한 피로강도를 나타내었다. 특히 샤시에서 가장 많이 적용되는 겹침 용접의 경우 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 세 강종 모두 동일 수준의 피로강도를 보였다. 즉, 고장력강의 용접부 피로 물성은 모재의 강도보다 용접비드 토우부의 응력집중에 의해 지배되며, 용접부의 피로강도 향상을 위해서는 응력집중을 완화할 수 있는 용접 기술 또는 후처리법이 필요하다고 판단되었다.
- 에서 알려진바와 같이 모재강도가 높을수록 피로강도가 높게 나타났다. 파단 시편의 경도 평가 결과 3가지 소재의 용접시편 모두 미세조직상 가장 연화된 부분(440 : 모재, 590DP : 열영향부, 1470 : 용접부)에서 파단이 발생하였으며, 이는 인장시험에서의 파단 위치와 동일하다(Fig. 3A). 440소재는 용접 입열로 인해 용접부 및 열영향부의 결정립 미세화가 진행되어 모재부가 가장 연질부로 나타났으며, 590DP소재는 열영향부 조립역에서 모재의 마르텐사이트 조직이 페라이트로 변태 되면서 연화되었다.
- 용접비드가 존재하는 경우 이러한 미세조직적인 영향은 응력집중 효과에 비해 영향이 크지 않은 것으로 판단된다. 평가 결과 모재의 강도가 높아짐에도 불구하고 440, 590, 1470 모두 유사한 피로강도를 나타내었다. 또한, 3개 강종 모두 용접비드부에서 파단이 시작되고 전파되었다(Fig.
- 10에는 TIG 드레싱 시편과 MAG시편의 피로 시험 결과를 나타내었다. 플라즈마 수준의 미려한 비드 형상은 아니지만, 토우부의 응력집중이 완화되어 피로 강도가 51 MPa에서 72 MPa로 40% 향상되었다. 플라즈마 용접과 마찬가지로 저응력비 시험 하에서도 루트부에서 파단이 일어난 것으로 보아 토우부의 응력집중은 일어나지 않았다.
- 피로평가 결과와 마찬가지로 플라즈마 용접과 TIG 드레싱법에서 토우부의 비드 각도가 향상되고 이에 반비례하여 Kt값이 감소함을 확인했다. 저자들의 시험 결과 Kt가 4.
후속연구
- TIG 드레싱 기술은 용접부 전주에 적용하기도 하지만 취약부에만 국부적으로 적용 가능하므로, 처리 시간과 비용 상승이 크지 않은 장점도 가지고 있다. 이러한 연구 결과들은 향후 고장력강 용접부의 내구문제 개선에 대한 대안으로 적용 가능할 것으로 기대된다.
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