[논문]핫스탬핑강의 너트 프로젝션 용접시 너트 재질이 용접부 파단모드 변화에 미치는 영향

임성상; 김영태; 천은준; 남기성; 박영환; 김재완; 이선영; 최일동; 박영도

doi:10.5781/jwj.2016.34.2.1

핫스탬핑강의 너트 프로젝션 용접시 너트 재질이 용접부 파단모드 변화에 미치는 영향
Effect of Chemical Composition of Nut Material on the Fracture Behavior in Nut Projection Welding of Hot-Stamped Steel Sheet 원문보기

Journal of welding and joining = 대한용접·접합학회지, v.34 no.2, 2016년, pp.1 - 10

임성상 (한국해양대학교 조선기자재공학과) , 김영태 (현대자동차 강판재료개발팀) , 천은준 (현대자동차 강판재료개발팀) , 남기성 (성우하이텍 선행기술팀) , 박영환 (부경대학교 기계공학과) , 김재완 (부경대학교 기계공학과) , 이선영 (부경대학교 기계공학과) , 최일동 (한국해양대학교 조선기자재공학과) , 박영도 (동의대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The use of materials for modern lightweight auto-bodies is becoming more complex than hitherto assemblies. The high strength materials nowadays frequently used for more specific fields such as the front and rear sub frames, seat belts and seats are mounted to the assembled body structure using bolt joints. It is desirable to use nuts attached to the assembled sheets by projection welding to decrease the number of loose parts which improves the quality. In this study, nut projection welding was carried out between a nut of both boron steel and carbon steel and ultra-high strength hot-stamped steel sheets. Then, the joints were characterized by optical and scanning electron microscope. The mechanical properties of the joints were evaluated by microhardness measurements and pullout tests. An indigenously designed sample fixture set-up was used for the pull-out tests to induce a tensile load in the weld. The fractography analysis revealed the dominant interfacial fracture between boron steel nut weld which is related to the shrinkage cavity and small size fusion zone. A non-interfacial fracture was observed in carbon steel nut weld, the lower hardness of HAZ caused the initiation of failure and allowed the pull-out failure which have higher in tensile strengths and superior weldability. Hence, the fracture load and failure mode characteristics can be considered as an indication of the weldability of materials in nut projection welding.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

경도 및 너겟 직경 이외에도 용접부 계면에서 생성된 수축공 또한 파단모드에 영향을 미치는 인자임이 확인되었다. 따라서 다음 장에서는 수축공의 분율이 프로젝션 용접부 파단모드에 미치는 영향에 대해서 고찰하였다.
저항 점용접의 사례와 유사하게 너트 프로젝션 용접에서도 수축공의 영향이 존재하는 것으로 사료되나, 아직 너트 프로젝션 용접부 수축공에 대한 구체적인 연구결과는 없다. 따라서 본 연구에서 파단모드 및 Pull-out 하중에 미치는 수축공 영향에 대한 분석을 추가적으로 진행 하였다. 수축공 발생비율과 파단모드 관계를 분석하기 위해 용융면적상의 수축공의 비율과 파단모드에 대한 관계를 Fig.
특히, 핫스탬핑강판 너트 프로젝션 용접부 pullout 하중 확보 및 양호한 파단모드 확보를 위해서는 너트 재질에 따른 너트 프로젝션 용접의 구체적인 파단모드 연구가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 핫스탬핑강 판재의 프로젝션 용접 시 탄소강 너트와 보론강 너트 적용 각각에 대한 용접특성 및 용접부 파단모드를 분석하고 비교한 후 파단모드에 미치는 영향인자들을 고찰해 보았다.
본 연구에서는 너트 재질에 따른 너트 프로젝션 용접 특성 및 경도 측정과 파단면 관찰을 통해 탄소강 너트와 보론강 너트의 파단모드에 특성 및 파단모드에 따른 Pull-out 하중에 대해서 고찰해 보았다.

가설 설정

4) 너트 프로젝션 용접부 pull-out 시험 시 Nut Fracture mode가 발생한 경우 높은 Pull-out 하중값을 형성한 다. 특히 탄소강 재질 너트 사용 시 프로젝션 용접에서 양호용접의 지표로 판단되는 Plug Fracture 이외 높은 Pull-out 하중 확보가 가능하였다.

제안 방법

가용전류구간 실험의 용접조건은 가압력 4.5 kN에서 용접전류 9~16 kA 및 용접시간 50~117 ms 범위, 그리고 파단면 관찰 실험의 용접조건은 가압력 3.5 kN, 용접전류 13 kA, 용접시간 117 ms에서 실시하였다.
너트 프로젝션 용접의 형상과 비슷한 저항 점용접의 균열 개시는 판재의 겹침에 의해 생성된 노치에서 응력집중으로 발생하기 때문에 너트 프로젝션 용접에서도 너트와 판재 겹칩부 가장자리에서 발생하는 것으로 사료된다^7,10). 너깃직경이 일정크기 이상인 탄소강 너트 용접부에서는 계면파단은 발생하지 않았으며 pull-out 시험 과정에서 균열은 Case 1과 같이 너트 몸통을 관통하는 Nut Fracture mode 또는 핫스탬핑강 Fusion line을 따라 진행하는 Partial Thickness Fracture mode (Case 2) 그리고 Case 3과 같이 모재를 관통하면서 Plug Fracture mode 로 각각 이행되었다. 보론강 재질 너트 적용 프로젝션 용접부 파단 모드 중 Fig.
결과적으로 핫스탬핑강 프로젝션 용접 시 탄소강 재질 너트 대비 보론강 재질의 너트의 용접성이 가용용접 범위 및 최대 pull out 하중 측면 모두에서 열위 한 것으로 판단된다. 따라서 다음 장에서 보론강 너트가 탄소강 너트에 비해 낮은 Pull-out 하중의 원인을 파악하기 위하여 너트 프로젝션 용접부 pull out 하중 시험 후 각 용접부의 파단모드에 대한 분석을 통해 규명해보았다.
촬영된 파단면은 저항 점용접의 파단모드를 기준으로 너트 프로젝션 용접에서 발생되는 파단모드를 분석하였다⁸⁾. 또한 탄소강 너트와 보론강 너트의 파단 모드 특성을 비교 분석 실시하였다.
Pull-out 시험은 용접된 너트와 판재의 Pull-out 하중 측정을 위한 시험으로 시험속도는 10 mm/min으로 수행하였다³⁾. 본 연구에서 수행한 Pullout 시험은 Fig. 3b의 그림과 같이 용접된 너트에 볼트를 체결 후 Fig. 3a와 같이 용접된 시편을 고정할 수 있는 너트에 고정 후 압축시험을 수행하였다. 그 결과 도식도 Fig.
용접된 시편의 강도를 측정하기 위해 Pull-out 시험을 시행하였다. Pull-out 시험은 용접된 너트와 판재의 Pull-out 하중 측정을 위한 시험으로 시험속도는 10 mm/min으로 수행하였다³⁾.
파단모드 분석을 위하여 Pull-out 시험이 완료된 시편의 파단면을 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 관찰 하였다. 촬영된 파단면은 저항 점용접의 파단모드를 기준으로 너트 프로젝션 용접에서 발생되는 파단모드를 분석하였다⁸⁾. 또한 탄소강 너트와 보론강 너트의 파단 모드 특성을 비교 분석 실시하였다.
파단모드 분석을 위하여 Pull-out 시험이 완료된 시편의 파단면을 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 관찰 하였다. 촬영된 파단면은 저항 점용접의 파단모드를 기준으로 너트 프로젝션 용접에서 발생되는 파단모드를 분석하였다⁸⁾.

대상 데이터

너트는 내경 6 mm, 대변길이 10 mm크기의 사각너트를 사용하였다. 너트의 재질은 보론강과 탄소강이 사용되었고, 너트 재질에 대한 화학조성은 Table 2에 나타내었다.
1a에 나타내었다. 너트는 높이 5 mm의 너트 몸통과 소성 가공된 4개의 너트돌기로 구성되어있다. 너트돌기는 Fig.
너트는 내경 6 mm, 대변길이 10 mm크기의 사각너트를 사용하였다. 너트의 재질은 보론강과 탄소강이 사용되었고, 너트 재질에 대한 화학조성은 Table 2에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 판재는 인장강도 1472 MPa급의 두께 1.2 mm의 Al-Si 코팅 도금된 핫스탬핑강을 사용하였으며, 화학성분은 Table 1에 나타내었다. 미세조직이 핫스탬핑 처리는 가열로에서 920~950, 5분 동안 유지 후 냉각 다이에서 급냉(die quenching)하였다.
상부 및 하부전극의 재질은 CuCr재로 동일하다. 상부 전극은 Flat형 전극을 사용하였고, 하부 전극은 Location Pin을 결합한 M6 Nut Cap전극을 사용하였다. Location Pin은 너트와 홀 가공된 판재를 고정시키는 역할을 하며, M6 Nut Cap은 판재와 직접 맞닿아 전류가 통전되는 하부 전극이다.
용접기는 제어 주파수 1000 Hz의 Inverter DC(MFDC) 용접전원의 공압 정치식(130 kVA) 용접기를 사용하였다. 너트 프로젝션 용접에서 사용한 전극은 Fig.

데이터처리

앞선 파단모드 연구결과와 Pull-out 하중의 관계 분석을 시행하였다. 하나의 너트 프로젝션 용접의 경우에도 돌기가 4개 존재하며 각각의 돌기에서도 서로 다른 파단모드를 가지는 것으로 분석 되었고 이를 Fig 12a에 나타내었다.

성능/효과

1) 경도 및 파단면 분석 결과 보론강 재질 너트 프로젝션 용접의 경우 너트 몸통에서 보론 합금원소의 높은 경화능에 기인한 경도 증가 현상이 관찰되었으며, 이러한 현상 때문에 용접부 pull-out 시험 시 파단경로가 탄소강 너트 용접부에서 관찰되는 너트 몸통으로의 이행이 아닌 Interfacial Fracture로 이행하게 된다.
2) Interfacial Fracture 또는 Interfacial Fracture가 동반된 파단이 발생될 경우 0.85 부근의 낮은 Void Factor(v)값으로 형성 되었다. 따라서 용접부 내 수축공의 분율은 Interfacial Fracture에 영향을 미치며, 수축공의 분율이 증가 할수록 Interfacial Fracture 발생 또한 높아지는 것으로 판단된다.
3) 보론강 너트의 경우 탄소강 너트에 비해 더 많은 수축공 발생으로 Void Factor(v)값이 더 낮은 결과가 도출되었다. 따라서 탄소강 너트에 비해 보론강 너트에서 용접부 내 수축공 발생 확률이 더 높으며, 또한 보론강 너트에서 Interfacial Fracture가 발생빈도가 높은 원인 중 하나로 판단된다.
5) 보론강 너트가 탄소강 너트에 비해 높은 Interfacial Fracture 발생빈도 및 많은 수축공 발생으로 인해 Pullout 하중이 더 낮은 결과가 도출되었다. 따라서 탄소강 너트 사용 시 보론강 너트에 비해 높은 Pull-out 하중 확보가 가능하다고 판단된다.
결과적으로 핫스탬핑강 프로젝션 용접 시 탄소강 재질 너트 대비 보론강 재질의 너트의 용접성이 가용용접 범위 및 최대 pull out 하중 측면 모두에서 열위 한 것으로 판단된다. 따라서 다음 장에서 보론강 너트가 탄소강 너트에 비해 낮은 Pull-out 하중의 원인을 파악하기 위하여 너트 프로젝션 용접부 pull out 하중 시험 후 각 용접부의 파단모드에 대한 분석을 통해 규명해보았다.
경도 및 너겟 직경 이외에도 용접부 계면에서 생성된 수축공 또한 파단모드에 영향을 미치는 인자임이 확인되었다. 따라서 다음 장에서는 수축공의 분율이 프로젝션 용접부 파단모드에 미치는 영향에 대해서 고찰하였다.
이는 용융부는 합금성분의 효과에 따른 경화능의 극대화가 가능하며, 모재의 경우 경한 미세조직 확보로 경도가 매우 높기 때문에 너깃 직경이 이상인 경우에도 Interfacial Fracture 발생 빈도가 높다. 너트 프로젝션 용접의 경우에 있어서도 너트와 핫스탬핑강 판재의 계면에서 형성되는 너깃 직경과 너트의 강도 등의 상관관계에 따라 저항 점용접과 유사한 파단모드의 경향을 보일 것으로 판단하였다.
특히 Case 7의 경우는 경도가 낮은 너트 몸통으로 균열이 진행 되고 있으나 Case 8 및 9와 동일하게 균열 중간 과정에서 모두 수축공을 관통하는 것을 알 수 있다. 따라서 각각 파단 모드가 Partial Interfacial-partial nut fracture mode, Partial interfacial-partial thickness-partial nut fracture, 및 Partial interfacial-partial thickness fracture mode로 최종 변경되었다. Fig.
85 부근의 낮은 Void Factor(v)값으로 형성 되었다. 따라서 용접부 내 수축공의 분율은 Interfacial Fracture에 영향을 미치며, 수축공의 분율이 증가 할수록 Interfacial Fracture 발생 또한 높아지는 것으로 판단된다. 그 결과 수축공 발생은 핫스탬핑강의 너트 프로젝션 용접에서 Interfacial Fracture 발생의 원인 중 하나로 사료된다.
5) 보론강 너트가 탄소강 너트에 비해 높은 Interfacial Fracture 발생빈도 및 많은 수축공 발생으로 인해 Pullout 하중이 더 낮은 결과가 도출되었다. 따라서 탄소강 너트 사용 시 보론강 너트에 비해 높은 Pull-out 하중 확보가 가능하다고 판단된다.
특히 용접전류는 13 kA 이상에서 그리고 용접시간은 67 ms 이상에서 각각 양호 용접구간이 도출되었고, 용접시간 117 ms과 15 kA 각각에서 가장 양호한 pull out 하중들이 확보되었다. 용접시간 50 ms ~ 117 ms 구간에서 pull out 하중 500 kgf 이상을 만족하는 약 7개의 양호 용접시간 및 용접전류 조합이 도출 되었다. 최대 pull out 하중은 13 kA와 117 ms의 조합에서 약 728kgf였으며 이는 기존 핫스탬핑강 프로젝션용접의 연구사례 대비하여 유사한 pull out 하중 수준으로 판단된다³⁾.
보론강 너트의 경우는 타원으로 탄소강 너트는 삼각형으로 각 파단모드 및 pull-out 하중을 표기한 결과 보론강 재질 너트 프로젝션 용접부에서 IF (Interfacial Fracture) 발생의 경향이 높고 pull-out 하중 또한 낮게 분포되었다. 이에 반하여 탄소강너트는 NF (Nut Fracture)를 동반한 파단모드 빈도가 높았으며 전체적인 pull-out 하중도 550 kgf 이상이 확보 되었다.
4a 용접시간과 용접전류가 증가할수록 pull out 하중은 증가하였다. 특히 용접전류는 13 kA 이상에서 그리고 용접시간은 67 ms 이상에서 각각 양호 용접구간이 도출되었고, 용접시간 117 ms과 15 kA 각각에서 가장 양호한 pull out 하중들이 확보되었다. 용접시간 50 ms ~ 117 ms 구간에서 pull out 하중 500 kgf 이상을 만족하는 약 7개의 양호 용접시간 및 용접전류 조합이 도출 되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫스탬핑강의 장점은 무엇인가?	그 중, 소재 자체의 강도를 높여 중량을 절감 시키는 차체 경량화는 가장 현실적인 대안으로 인식 되고 있다1). 그 중 핫스탬핑강(hot stamped steel)은 일반적으로 소량의 보론 첨가강을 900~950도의 온도로 가열 후 성형과 동시에 냉각함으로써 고강도와 성형 성을 모두 확보하는 장점이 있어 차체 경량화를 위해 적극적으로 사용되고 있다2). 그러나 자동차 차체 조립 공정에서 핫스탬핑강 판재 적용이 증가함에 따라 너트 프로젝션 용접 시 용접부 용착강도 저하 및 계면파단 등의 문제에 기인하여 차체 조립 품질확보에 어려움이 있다.
	최근 자동차 산업은 어떤 연구가 진행되고 있는가?	최근 자동차 산업은 연비 및 온실가스 배출 규제 대응을 위해 내연 기관 개선, 신구동력 개발, 공력특성 향상 및 차체 경량화 기술 개발 등 다양한 연구가 진행 되고 있다. 그 중, 소재 자체의 강도를 높여 중량을 절감 시키는 차체 경량화는 가장 현실적인 대안으로 인식 되고 있다1).
	핫스탬핑강 판재의 너트 프로젝션 용접에서 고강도 너트 적용에 대한 요구가 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	또한 핫스탬핑강 판재의 너트 프로젝션 용접에서 고강도판재의 요구와 함께 고강도 너트 적용에 대한 요구도 증가하고 있다. 그 이유로는 볼트 체결 시 너트 나사선이 쉽게 손상되어 부품체결에 불량이 빈번하게 발생하므로, 볼트 체결 시 내마모성이 높은 나사선 확보가 가능한 고강도 보론강 너트로 소재 전환에 대한 필요성이 증가하고 있다. 그러나 이러한 보론강 너트의 적용, 즉 너트 재질의 고강도화로 전환에 따른 너트 프로젝션 용접부 특성 및 파단특성에 연구는 진행 된 바가 없다.

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저자의 다른 논문 :

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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