[논문]차체용 1.2GPa급 초고장력 TRIP강판의 저항 점 용접부 너겟 지름 예측에 관한 연구

신석우; 이종훈; 박상흡

doi:10.5762/kais.2018.19.3.52

초록
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최근 자동차 산업에서는 연비향상 및 안전규제 강화에 따라 차량 경량화가 필수적으로 요구됨에 따라 DP강(Dual Phase steel), CP강(Complex Phase steel), MS강(Martensitic Steel), TRIP강(Transformation Induced Plasticity steel), TWIP강(Twinning Induced Plasticity steel) 등과 같은 인장강도 700MPa 이상인 초고장력강(Ultra High Strength Steel)의 적용이 증가하고 있다. 초고장력강을 차체에 적용하기 위해서는 용접공정이 필수적이며, 원가 측면에서 유리한 전기저항점용접(Resistance Spot Welding, RSW)이 차체 용접에서 80%이상으로 가장 많이 적용되고 있다. 초고장력강은 강도향상을 위해 합금원소 함량을 늘이기 때문에 일반적으로 용접성이 열악한 것으로 알려져 있다. 이러한 초고장력강의 저항점용접의 경우 적정 용접조건 영역이 축소되고 용접부에서 계면파단 및 부분계면파단이 발생하는 것으로 보고되어 있어 결함 및 품질을 실시간으로 예측할 수 있는 용접품질 판정 연구가 활발히 진행되고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 저항 점 용접을 수행할 때 검출되는 2차 회로 공정 변수를 이용하여 용접부의 동저항을 모니터링하고, 이 동저항 패턴에서 용접 품질 판단에 필요한 인자들을 추출하였다. 추출한 인자들을 상관분석하여 용접 품질과의 상관성을 파악하였으며, 상관성이 높은 인자들을 이용하여 회귀분석을 실시하였다. 이를 근거로 현장 적용이 가능한 회귀 모델을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the automobile industry, in order to increase the fuel efficiency and conform to the safety regulations, it is necessary to make the vehicles as light as possible. Therefore, it is crucial to manufacture dual phase steels, complex phases steels, MS steels, TRIP steels, and TWIP from high strength...

In the automobile industry, in order to increase the fuel efficiency and conform to the safety regulations, it is necessary to make the vehicles as light as possible. Therefore, it is crucial to manufacture dual phase steels, complex phases steels, MS steels, TRIP steels, and TWIP from high strength steels with a tensile strength of 700Mpa or more. In order to apply ultra-high tensile strength steel to the body, the welding process is essential. Resistance spot welding, which is advantageous in terms of its cost, is used in more than 80% of cases in body welding. It is generally accepted that ultra-high tensile strength steel has poor weldability, because its alloy element content is increased to improve its strength. In the case of the resistance spot welding of ultra-high tensile steel, it has been reported that the proper welding condition area is reduced and interfacial fracture and partial interfacial fracture occur in the weld zone. Therefore, research into the welding quality judgment that can predict the defect and quality in real time is being actively conducted. In this study, the dynamic resistance of the weld was monitored using the secondary circuit process variables detected during resistance spot welding, and the factors necessary for the determination of the welding quality were extracted from the dynamic resistance pattern. The correlations between the extracted factors and the weld quality were analyzed and a regression analysis was carried out using highly correlated pendulums. Based on this research, a regression model that can be applied to the field was proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

자동차 차체의 경량화를 위한 1.2GPa급 초고장력 TRIP강판의 저항 점 용접성을 평가하고 너겟 지름을 예측하여 이를 현장에 적용 가능한 예측 모델을 개발하고자 동저항을 모니터링 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이에 따라 본 연구에서는 저항 점 용접을 수행할 때 검출되는 2차 회로 공정 변수를 이용하여 용접부의 동저항을 모니터링하고, 이 동저항 패턴에서 용접 품질 판단필요한 인자들을 추출하였다. 추출한 인자들을 상관 분석하여 용접 품질과의 상관성을 파악하였으며, 상관성이 높은 인자들을 이용하여 회귀분석을 실시하였다.
이에 따라 본 연구에서는 저항 점 용접을 수행할 때 검출되는 2차 회로 공정 변수를 이용하여 용접부의 동저항을 모니터링하고, 이 동저항 패턴에서 용접 품질 판단필요한 인자들을 추출하였다. 추출한 인자들을 상관 분석하여 용접 품질과의 상관성을 파악하였으며, 상관성이 높은 인자들을 이용하여 회귀분석을 실시하였다. 이를 근거로 현장 적용이 가능한 회귀 모델을 제시하였다.

대상 데이터

1과 같이 제작하였다. 시험편의 치수는 길이 100mm, 폭 30mm로 선단경 6mm인 Cu-Cr소재의 전극을 사용하여 저항 점용접을 실시하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 강재의 화학성분과 기계적 성질을 나타내었다.
본 연구에서 사용된 재료는 자동차 차체 제작용으로 사용되는 1.2GPa급 초고장력 TRIP강판 SGAFC1180 1.2t를 사용하였다. 이들 시험편의 형상은 Fig.

이론/모형

Table 2는 용접조건을 나타낸 것으로 가압력, 유지시간 등은 ISO 18278-2:2004(E) 「Specific conditions for steel sheet customer qualification」에서 추천하는 용접 조건으로 고정하고, 용접전류와 용접시간을 변화하여 실험하였다.
본 연구에서는 너겟 지름을 용접 품질의 판단 기준으로 설정하였으며, KS B 0854 「method of macro test for section of spot welded joint」에 의한 단면시험을 통하여 각 시험편의 너겟 지름을 구하였고 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
921로 나타난 X4와 다중공선성이 큰 X3를 제외한 9개의 인자 들을 이용하여 선형 회귀 분석을 실시하였다. 회귀 모델은 식 (1)와 같이 다중선형회귀모델 (multiple linear regression model)을 사용하였다.

성능/효과

2) 너겟의 성장 속도와 관련된 β-peak 동저항 X3와 위치 X4 사이에는 큰 다중공성성이 존재함으로 X3를 제외한 9가지 판단 인자를 사용하여 회귀분석을 수행하였으며, 이상의 독립변수들을 동시에 투입하여 계산한 선형 다중회귀 분석결과, 이 모델로서 총변량 97.1%를 설명할 수 있고 표준오차도 0.1987에 불과하였다.
3) 후진제거법에 의한 회귀 분석 결과에 의하면 α-peak와 β-peak 동저항의 차 X8과, α-peak 동저항 X1이 너겟 지름을 예측할 수 있는 지배적 인자임이 밝혀졌으며, 세 가지 인자만을 사용했음에도 불구하고 결정계수 0.95과 표준오차 0.2647의 예측 성능을 보였다.

후속연구

4) 이상의 회귀식을 저항 점 용접기에서 적절히 사용하면, 용접이 완료됨과 동시에 용접부의 품질을 예측할 수 있으며 이에 따른 품질 관리도 가능하리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고장력강의 용접성이 떨어지는 이유는 무엇인가?	초고장력강은 강도향상을 위해 합금원소 함량을 늘이기 때문에 일반적으로 용접성이 열악한 것으로 알려져 있다[3]. 이러한 초고장력강의 저항 점 용접의 경우 적정용접조건 영역이 축소되고 용접부에서 계면파단 및 부분 계면파단이 발생하는 것으로 보고되어 있어 결함 및 품질을 실시간으로 예측할 수 있는 용접품질 판정 연구가 활발히 진행되고 있다.
	차체 용접에서 가장 많이 사용되는 용접법 및 이유는?	최근 자동차 산업에서는 연비향상 및 안전규제 강화에 따라 차량 경량화가 필수적으로 요구됨에 따라 DP(Dual Phase steel), CP(Complex Phase steel), MS(Martensitic Steel), TRIP(Transformation Induced Plasticity steel), TWIP(Twinning Induced Plasticity steel) 등과 같은 인장강도 700MPa 이상인 초고장력강(Ultra High Strength Steel)의 적용이 증가하고 있다[1]. 초고장력강을 차체에 적용하기 위해서는 용접공정이 필수적이며, 원가 측면에서 유리한 전기저항점용접(Resistance Spot Welding)이 차체 용접에서 80%이상으로 가장 많이 적용되고 있다[2].
	적정용접조건의 범위가 전극의 가압력에 비례하여 증가하는 이유는?	전극의 가압력이 200kgf, 300kgf, 400kgf 로 늘어날수록 적정용접조건의 범위가 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 가압력이 증가하면서 접촉저항은 감소하고 높은 전류를 요구하여 하한선은 오른쪽으로 이동하고, 전극 가압력이 늘어나면서 용융금속의 분출압력보다 전극 가압력이 커지게 되면서 상한선 또한 오른쪽으로 이동하게 되는데 하한선보다 상한선이 이동하는 전류 폭이 크기 때문에 전체적으로 적정용접구간의 범위는 넓어지게 된다.

참고문헌 (8)

R. Kuziak, R. Kawalla, S. Waengler, Advanced high strength steels for automotive industry, Archives of Civil and Mechanical Engineering, vol. 8, no. 5, pp. 103-117, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/S1644-9665(12)60197-6

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T. K. Han, K. Y. Lee and J. S. Kim, Recent Developments and Weldability of Advanced High Strength Steels for Automotive Applications, Journal of JWJ, vol. 27, no. 2, pp. 131-132, 2009. DOI: https://doi.org/10.5781/KWJS.2009.27.2.013
Du-youl Choi, Young-gon Kim, Trend of Joining Technology for Automotive Sheet Steels, Journal of JWJ, vol. 27, no. 2, pp. 125-130, 2009.
Savage. W. F, Nippes, E. F. Nippes, and Wassell, F. A Wassell, Dynamic Contact Resistance of Series Spot Welds, Welding Journal, vol. 57, no. 2, pp. 43s-50s, 1978.

상세보기
Dickinson, D. W., Franklin, J. E. Franklin, and Stanya, A. Stanya, Characterization of Spot Welding Behavior by Dynamic Electrical Parameter Monitoring, Welding Journal, vol. 59, no. 6, pp. 170s-176s, 1980.
Young-joon Cho, Se-hun Rhee, Ki-woan Um, A Study of Real-Time Weldability Estimation of Resistance Spot Welding using Fuzzy Algorithm, Journal of JWJ, vol. 16, no. 5, pp. 76-84, 1998.
Chang-Seok Son, Young-Whan Park, Lobe Curve Characteristic Analysis of Resistance Spot Welding for Sheet Combination of 780MPa Steel Sheet Using Simulation, Journal of JWJ, vol. 30, no. 6, pp. 68-73, 2012.
Young-joon Cho, A Study of Dynamic Resistance Monitoring and Intelligent Quality Estimation for the Manufacturing Process Automation during Resistance Spot Welding, Ph.D. Thesis, Hanyang University, pp. 11-51, 2000.

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