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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 금형 가열 방식의 문제점을 개선하기 위해 전체 부위가 1470MPa 이상의 인장강도를 가지는 일반 핫스탬핑 부품에 레이저를 이용하여 선택적으로 연화시키는 공정을 개발한다. 이렇게 되면 하단부 냉각 금형을 400C 이상으로 유지할 필요가 없으므로 금형 소착 문제 개선 및 하단부연성을 안정적으로 확보할 수 있다.
- 또한 400C 이상 고온으로 유지되기 때문에 핫스탬핑 소재의 산화 방지를 위한 표면의 알루미늄-실리콘(Al-Si ) 도금 성분이 고온 성형 중 금형에 소착되어 성형 품질을 저하시키는 등 금형 보수와 관련한 문제점을 야기시키고 있다. 본 연구에서는 이러한 금형 방식 국부 연화 핫스탬핑 공정보다 안정적인 목표 물성 구현을 위해 레이저(laser) 열처리 공정을 이용한 국부 연화 핫스탬핑 공정을 개발한다. 이를 위해 센터 필라 부품을 대상으로 국부 연화 위치 최적화를 수행하고 목표 물성 확보를 위한 레이저 열처리 온도 및 빔(beam) 이송 속도 최적화에 대한 연구를 수행한다.
- 2장을 통해 최적화한 레이저 열처리 공정 조건 외에도 연화 영역에 대한 최적화가 필요하다. 부품의 형상이 복잡하기 때문에 Fig. 7과 같이 하단부에서 일정한 높이(h) 까지 목표 물성으로 연화하는 것을 목표로 하였다. 높이 h는 200~350mm 범위에 대해 50mm간격으로 4 가지 경우에 대해서 단품을 제작하였으며 충돌 평가를 통해 최적의 연화 영역을 선정하게 된다.
- 본 연구에서는 충돌 성능 및 경쟁사의 관련 특허[4] 등을 고려하여 연화부의 목표물성을 950 -50MPa로 설정하였다. 즉, 센터 필라 부품의 상단부는 1470MPa 이상의 강도를 하단부는 약 950MPa 를 가지는 부품을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 일반 핫스탬핑 공법으로 가공된 1470MPa급의 강도를 가지는 부품에 레이저 열처리를 하여 하단부를 950MPa급으로 연화시키기 위한 레이저 공정 최적화를 수행한다.
제안 방법
- (1) 자동차 부품에 다중강도를 부여할 수 있는 레이저 열처리 방식의 국부 연화 공법을 개발하였다. 충격 에너지 흡수부의 성능을 향상 시킬 수 있도록 950-50MPa 의 물성을 가지는 레이저 열처리 조건은 목표 온도 700C에 빔 이송 속도 25mm/s 이다.
- (2) 레이저 열처리 연화 메커니즘 규명을 위해 미세 조직을 분석하였다. 연화 전에는 마르텐사이트조직의 1470MPa 급의 조직을 보이며 열처리 이후에는 뜨임처리된 마르텐사이트 조직을 보이고 있다.
- (3) 실차 평가 전 단품으로 사전 성능 검증이 가능한 센터 필러 전용 시험법을 개발하였다. 또한, LS-DYNA 를 이용하여 충돌 해석을 실시하여 실차평가 조건과 유사한 임팩터의 높이를 선정하는 등시험 조건을 결정하였다.
- (4) 센터 필라 부품의 하단부 변형량을 최소로 하기 위해 연화 영역을 최적화하였다. 하단부 300mm 영역을 연화할 경우 충돌 시 센터 필라 부품의 취성 파단이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
- (5) 차급별 입력되는 충돌 에너지를 고려하여 임팩터의 높이를 400~600mm로 설정하여 단품 평가를 실시하였다. 국부 연화되지 않은 일반 핫스탬핑 부품 대비 파단 발생 없이 안정적인 충돌 에너지를 흡수함을 알 수 있었으며 실차 평가 결과에서도 취성 파단을 방지하였고 IIHS 법규 기준 GOOD 등급의 성능을 확보하였다.
- 1장에서 선정된 연화 영역에 대해서 차종별 안정된 성능을 검증하기 위해 충돌 에너지를 다양화하여 충돌 시험을 수행하였다. 4.1장의 해석 결과를 바탕으로 임팩터의 높이가 400, 500mm 인 경우에 대해서 실험을 하였으며 파단 발생 유무를 검증하기 위해 600mm에 대해서도 추가 실험을 하였다. 또한, 상대 비교를 위해 국부 연화 기술을 적용하지 않은 일반 핫스탬핑 사양과 비교 평가를 실시하였다.
- 차량의 종류에 따라 측면 충돌 시 센터 필라 부품의 변형량은 200~250mm 범위내의 수치를 보이므로 이러한 변형량을 보이는 임팩터의 높이를 해석을 통해 선정하였다. Fig. 9에서 볼 수 있는 바와 같이 임팩터의 높이가 400~500mm일때 센터 필라 부품의 최대 변형량이 212~223mm 범위를 보이므로 단품 충돌 시험시 임팩터의 높이를 각각 400, 500mm로 설정하여 실제 부품의 변형량 및 파단 여부를 검증한다.
- 또한, LS-DYNA 를 이용하여 충돌 해석을 실시하여 실차평가 조건과 유사한 임팩터의 높이를 선정하는 등시험 조건을 결정하였다.
- 1장의 해석 결과를 바탕으로 임팩터의 높이가 400, 500mm 인 경우에 대해서 실험을 하였으며 파단 발생 유무를 검증하기 위해 600mm에 대해서도 추가 실험을 하였다. 또한, 상대 비교를 위해 국부 연화 기술을 적용하지 않은 일반 핫스탬핑 사양과 비교 평가를 실시하였다.
- 레이저 열처리를 위한 목표 온도(T)는 템퍼링 효과가 있는 600C~800C 사이에서 50C 간격으로 설정하였으며 빔 이송 속도(v)는 10~30mm/s까지 5mm/s 간격으로 열처리를 실시하여 연화 효과를 평가하였다. 열처리 후 강도 평가를 위해 Fig.
- 레이저 열처리를 통한 강도 하향 효과를 분석하기 위해 선정 온도 조건인 700C에서 빔 이송속도에 따른 미세 조직 변화를 측정하였다.
- 본 기술의 성능 검증을 위해 레이저 열처리를 이용하여 제작한 국부 연화 센터 필라를 적용한 차량을 제작하여 전세계 측면 충돌 시험 중 가장 가혹하다고 평가 받고 있는 미국 고속 도로 안전 보험협회(IIHS)의 시험 조건과 동일한 평가를 실시하였다. 시험 후 센터 필러 부품 분석 결과 낙하 충돌 시험기를 이용한 단품 평가 결과(Fig.
- 먼저 연화 후 목표 물성에 대한 설정이 필요하다. 본 연구에서는 충돌 성능 및 경쟁사의 관련 특허[4] 등을 고려하여 연화부의 목표물성을 950 -50MPa로 설정하였다. 즉, 센터 필라 부품의 상단부는 1470MPa 이상의 강도를 하단부는 약 950MPa 를 가지는 부품을 개발하는 것을 목표로 한다.
- 본 연구에서는 충돌 시험 조건을 선정하기 위해 LS-DYNA를 이용해 충돌 해석을 실시 하였으며 차량 충돌 시와 유사한 부재의 변형을 모사하기 위한 경계조건으로 Fig. 8에서 보는 바와 같이 부품 상단부엔 1축 병진 자유도를 하단부엔 회전 자유도를 부여하였다.
- 연화 부 높이(h)가 200, 250, 350mm 일 때 취성 파단이 발생하여 실차 충돌 시 최대 변향량인 250mm 이상 변형량이 발생하였다. 본 연구의 목적이 충돌 시 취성파단 방지이므로 크랙이 발생하지 않은 조건인 300mm 영역의 높이(h)를 선정하여, 이후 충돌 성능평가는 300mm까지 연화된 부품을 기준으로 수행하였다.
- 7(a)). 부품의 변형량은 낙하 충돌 시 임팩터가 부품에 접촉한 최초 Y축 좌표값 (Fig.8 참조)을 기준점으로 설정 후 변형 후 최저점까지의 변위를 위치 센서를 이용하여 측정하였다. Table 1에 표시한 바와 같이 연화 영역에 따라 충돌성능에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
- 950-50MPa을 만족시켰다. 빔 이송 속도는 생산성과 직결되는 중요한 요소로 목표를 만족하는 3 개 조건 중 가장 빠른 온도 700C 및 속도 25mm/s 로 열처리 최적 조건을 선정하였다.
- 8과 같이 센터 필러 상단부의 루프 사이드와 하단부의 실 사이드부 연결 구조를 모사한 지그를 설계하였다. 상단부 지그엔 병진 운동 구현을 위해 슬라이딩이 가능한 레일 구조를 하단부 지그엔 회전 운동을 위해 베어링과 부시를 이용해 회전축 구조를 가지는 지그를 제작하여 시험 장비를 구축하였다. 임팩터 낙하 시 장비의 마찰력 및 지그 셋팅에 의해 -3% 수준의 미세한 변형량 오차가 발생하여, 각 조건 별로 3회 시험 실시 후 평균값을 취하였다.
- 실제 측면 충돌은 주변 부품으로의 하중 전달 및 상대 변형을 동반하기 때문에 단품의 정확한 성능 평가를 위해 Fig. 8과 같이 센터 필러 상단부의 루프 사이드와 하단부의 실 사이드부 연결 구조를 모사한 지그를 설계하였다. 상단부 지그엔 병진 운동 구현을 위해 슬라이딩이 가능한 레일 구조를 하단부 지그엔 회전 운동을 위해 베어링과 부시를 이용해 회전축 구조를 가지는 지그를 제작하여 시험 장비를 구축하였다.
- 앞의 3.4장에서 설명한 바와 같이 충돌 성능을 고려한 최적 연화 영역을 결정하기 위해서 연화 영역 높이(h)가 200, 250, 300, 350mm인 경우에 대해서 낙하 충격 시험기(임팩터 높이 400mm)를 이용한 사전평가를 수행하였다(Fig. 7(a)).
- 앞의 4.2.1장에서 선정된 연화 영역에 대해서 차종별 안정된 성능을 검증하기 위해 충돌 에너지를 다양화하여 충돌 시험을 수행하였다. 4.
- 본 연구에서는 이러한 금형 방식 국부 연화 핫스탬핑 공정보다 안정적인 목표 물성 구현을 위해 레이저(laser) 열처리 공정을 이용한 국부 연화 핫스탬핑 공정을 개발한다. 이를 위해 센터 필라 부품을 대상으로 국부 연화 위치 최적화를 수행하고 목표 물성 확보를 위한 레이저 열처리 온도 및 빔(beam) 이송 속도 최적화에 대한 연구를 수행한다.
- 되어야 한다. 이를 위해 실차 충돌 상태에서의 센터 필라 부품의 변형량과 유사한 변형량을 보이는 임팩터의 자유 낙하 높이를 선정하는 해석을 수행하였다. 임팩터의 질량은 400kg 이며 충돌 지점은 실제 법규 테스트에서 충돌하는 지점과 동일한 부품 하단에서 300mm 높이 지점이다.
- 즉, 센터 필라 부품의 상단부는 1470MPa 이상의 강도를 하단부는 약 950MPa 를 가지는 부품을 개발하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 일반 핫스탬핑 공법으로 가공된 1470MPa급의 강도를 가지는 부품에 레이저 열처리를 하여 하단부를 950MPa급으로 연화시키기 위한 레이저 공정 최적화를 수행한다.
- 않다. 이에 본 연구에서는 낙하 충격 시험기를 이용하였으며 임팩터(impactor) 높이를 가변 시켜 다양한 입력 에너지에 대한 충돌 성능 평가가 가능하다.
- 임팩터의 질량은 400kg 이며 충돌 지점은 실제 법규 테스트에서 충돌하는 지점과 동일한 부품 하단에서 300mm 높이 지점이다. 차량의 종류에 따라 측면 충돌 시 센터 필라 부품의 변형량은 200~250mm 범위내의 수치를 보이므로 이러한 변형량을 보이는 임팩터의 높이를 해석을 통해 선정하였다. Fig.
- 충돌 성능과 관련이 높은 취성 파단 유무를 검증하기 위해 앞에서 설명한 바와 같이 단품 대상으로 자유 낙하 시험을 이용하여 성능 평가를 실시하였다. 실제 측면 충돌은 주변 부품으로의 하중 전달 및 상대 변형을 동반하기 때문에 단품의 정확한 성능 평가를 위해 Fig.
대상 데이터
- 다이오드 레이저 열처리 공정의 변수로는 빔의 입 열량을 결정하는 변수인 목표 온도(T) 및 빔의 이송 속도(v)를 선정하였다. 목표 온도 제어를 위해서 Fig.
- 속도(v)를 선정하였다. 목표 온도 제어를 위해서 Fig. 3과 같이 실시간 온도 측정이 가능한 파 이로 미터(pyrometer)를 설치하여 신뢰성을 향상시켰으며 빔의 면적이 34-8mm2 인 4kW급 대용량 다이오드 레이저를 이용하였다.
데이터처리
- 평가하였다. 열처리 후 강도 평가를 위해 Fig. 4와 같이 열처리된 부위에서 4개의 시편을 채취하였으며 인장시험을 실시한 후 평균값을 취하였다.
- 상단부 지그엔 병진 운동 구현을 위해 슬라이딩이 가능한 레일 구조를 하단부 지그엔 회전 운동을 위해 베어링과 부시를 이용해 회전축 구조를 가지는 지그를 제작하여 시험 장비를 구축하였다. 임팩터 낙하 시 장비의 마찰력 및 지그 셋팅에 의해 -3% 수준의 미세한 변형량 오차가 발생하여, 각 조건 별로 3회 시험 실시 후 평균값을 취하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 다이오드 레이저를 이용한 연화 공법을 적용하였다. Nd:YAG, 파이버, 디스크 레이저 등으로 연화를 하게 될 경우 Fig.
성능/효과
- 일반적으로 마르텐사이트강이 700C 의 온도에서 충분한 시간 템퍼링 되면 연한 조직인 페라이트가 생성 및 재결정되어 구상화된 조직을 나타내는데[8], 이로 인해 강도가 낮아져 목표 물성에 도달했을 것으로 예상된다. 700C - 10mm/s 조건에서는 25mm/s 조건에 비해 많은 부분의 조직이 구상화 되었음을 확인하였고(Fig. 6d), 따라서, 목표 물성보다 낮은 780MPa 수준의 인장강도를 나타내는 것으로 판단된다.
- 5와 같이 목표 물성보다 높은 1000MPa 이상의 인장강도를 갖는 것으로 판단된다. 700C - 25mm/s 조건에서는 이전 조건과 같이 침상 마르텐사이트가 관찰되었지만, 30mm/s 조건에 비해 일부 조직이 구상화 되었음을 확인할 수 있었다(Fig. 6c). 일반적으로 마르텐사이트강이 700C 의 온도에서 충분한 시간 템퍼링 되면 연한 조직인 페라이트가 생성 및 재결정되어 구상화된 조직을 나타내는데[8], 이로 인해 강도가 낮아져 목표 물성에 도달했을 것으로 예상된다.
- 10에 표시한 시험 결과와 같이 임팩터 높이가 400mm 및 500mm인 조건에서 레이저 연화 부품(b, d)은 파단이 발생하지 않았지만 일반 핫스탬핑 부품은 취성 파단이 관찰되었다. 가장 가혹한 조건인 600mm에서는 두 사양 모두 파단이 발생하였고 일반 핫스탬핑 부품의 경우 가혹한 조건일수록 파단 부위 및 정도가 심각해지는 걸 확인할 수가 있었다.
- 국부 연화되지 않은 일반 핫스탬핑 부품 대비 파단 발생 없이 안정적인 충돌 에너지를 흡수함을 알 수 있었으며 실차 평가 결과에서도 취성 파단을 방지하였고 IIHS 법규 기준 GOOD 등급의 성능을 확보하였다.
- 레이저 열처리 전 원소재의 미세 조직은 마르텐사이트 단상임을 확인 하였고, 침상 형태의 조직을 나타내었다(Fig. 6a). 700C - 30mm/s 조건으로 열처리 시, 열처리 전의 미세조직과 유사하게 침상 마르텐사이트 조직이 관찰 되었다(Fig.
- 11은 차량의 정면에서 본 센터 필러 부의 프로파일을 나타낸 그래프로 시험 전, 후의 변형 거동을 센서를 이용하여 측정한 데이터이다. 상기 프로파일의 변형량 분석 결과 IIHS의 등급 평가 시 중요한 판단 기준인 승객 생존 공간 148mm을 확보하여, 최고 수준인 GOOD(승객 생존 공간 120mm 이상) 안전 등급을 획득 하였다.
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