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KR100743366B1 - 테일러웰드블랭크 부품제조를 위한 고장력 강판의 레이저용접 방법 - Google Patents

테일러웰드블랭크 부품제조를 위한 고장력 강판의 레이저용접 방법 Download PDF

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KR100743366B1
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Abstract

본 발명은 테일러웰드블랭크 부품제조를 위한 고장력 강판의 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 자동차용 부품을 제조하기 위하여 부품특성에 맞게 서로 다른 재질과 두께를 가진 이종의 강판을 천을 재단하는 것처럼 재단하여 짝을 맞추고 이 이종강판을 레이저를 이용하여 용접한 후 성형하여 자동차용 부품을 제조함에 있어서, 용접부의 용접품질이 우수한 테일러웰드블랭크 부품을 제조할 수 있도록 하기 위한 레이저 용접 방법을 제공하기 위한 것이다.

Description

테일러웰드블랭크 부품제조를 위한 고장력 강판의 레이저 용접 방법{Laser welding method of high strength steel sheets for manufacture of Tailed Weld Blank parts}
도 1은 테일러웰드블랭크 부품 용접부의 용입율과 용융폭율 및 판변형율의 계산 설명도.
도 2는 이종강판의 레이저 용접을 위한 테일러웰드 관련 장치의 설명도.
도 3은 본 발명상의 레이저 용접조건에 따른 시편 용접부의 단면 사진.
본 발명은 테일러웰드블랭크 부품제조를 위한 고장력 강판의 레이저 용접 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 부품을 제조하기 위하여 부품특성에 맞게 서로 다른 재질과 두께를 가진 이종의 강판을 천을 재단하는 것처럼 재단하여 짝을 맞추고 이 이종강판을 레이저를 이용하여 용접한 후 성형하여 자동차용 부품을 제조함에 있어서, 용접부의 용접품질이 우수한 테일러웰드블랭크 부품을 제 조할 수 있도록 하기 위한 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
테일러웰드블랭크(Tailored Weld Blank, 이하 TWB라 함) 부품을 제조하기 위한 공정은, 부품 특성에 맞도록 두 개 이상의 동종 또는 이종의 재질과 두께를 가진 강판을 절단하는 절단 공정, 절단된 강판을 맞대기 용접하는 용접 공정, 용접된 강판을 성형하는 프레스 공정으로 이루어진다.
상기와 같은 TWB 부품 제조를 위한 제반 공정은 모두 세밀한 관리를 필요로 하지만, 그중에서도 특히 용접 공정은 열원의 초점반경이 매우 좁은 레이저를 이용하기 때문에 세밀한 주의를 하지 않으면 용접품질에 큰 악영향을 미칠 수 있다.
현재 TWB 부품의 용접부 품질을 향상시키기 위하여 위와 같은 레이저를 이용한 용접기술을 적용하고 있지만, 그 효과에 비례해서 제어해야 할 변수가 많은데다 절단 및 용접 공정상의 제반조건, 특히 그 중에서도 강종조건, 용접출력, 용접허용간격, 용접속도, 레이저 초점반경, 레이저 용접 후의 용융폭율 및 용입율 등에 있어 각종 레이저빔의 조건과 작업환경에 따른 적절한 조건의 조합이 이루어지지 못함으로 인해 균일하고도 우수한 용접품질이 확보되지 못하였다.
또한, 근래에는 자동차용 강판으로서 인장강도가 28~30kg/mm2급의 마일드(mild)강보다 인장강도가 45kg/mm2 또는 60kg/mm2 이상의 강종이 차체의 무게 감소 및 연비향상을 위해 그 활용도가 높아지고 있는 추세이나 아직까지 고장력 강판으로 된 TWB 부품의 레이저 용접을 위한 표준적인 용접 기준이 마련되어 있지 않은 실정이다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 두 개 이상의 이종강판을 일정 크기로 절단하고, 목적에 맞게 용접하여 자동차 부품을 제조하는 과정에서 고장력 강판의 제반물성을 파악하고 그에 따른 적절한 용접 조건을 설정하여 용접품질이 우수한 TWB 부품을 제조할 수 있도록 하기 위한 것으로, 특히 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(1.0t) 또는 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(0.7t)로 이루어지는 TWB 부품의 제조를 위한 고장력 강판의 레이저 용접 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서, 본 발명은 두 개 이상의 이종강판을 일정 크기의 형태로 절단하고 목적에 맞게 용접하여 자동차 부품을 제조함에 있어서, 용접 품질이 우수한 TWB 부품을 제조할 수 있도록 하기 위한 것으로, 특히 본 발명은 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(1.0t) 또는 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(0.7t)로 이루어지는 TWB 부품을 제조함에 있어 레이저 용접시 우수한 용접품질을 확보할 수 있도록 한 것을 그 특징으로 한다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 테일러웰드블랭크 부품의 제조에 관한 일반적인 기술을 설명하기로 한다.
강판의 절단면은 크게 4가지로 구성된다. 절단이 가해지는 초기 상위면은 소성변형이 이루어지고, 절단되면서 전단면이 생성되며, 이 전단면 바로 밑에는 파단면이 생성된다. 그리고 소재가 밀리거나 찢겨져 만들어지면 버(burr)가 발생하게 되는데, 이렇게 균일하지 않은 절단면이 생성될 경우 서로 다른 두께의 이종 강판을 맞대어 레이저 용접을 수행할 때 용접 불량이 발생하게 된다. 레이저 용접이 양호하게 되지 않으면 부품 성형공정에서 용접부 파단을 초래하기 때문에 절단 공정이 매우 중요하다.
다음으로 이어지는 것이 레이저 용접공정이다. 레이저는 전자빔과 같은 강력한 에너지를 갖는 광선이다. 레이저 용접은 용접속도가 크고 용입되는 깊이가 깊으며 어느 부분에서나 용접이 가능할 뿐만 아니라 열에 의한 변형 범위가 작고 유연성이 넓은 특징을 갖고 있다. 레이저 용접전원은 Nd:YAG 또는 CO2를 사용하고 용접속도, 용접출력, 레이저 초점반경 및 위치를 조절하여 용접한다. 이와 같은 레이저 용접을 박강판 등에 적용하기 위해서는 적절한 변수 조절이 요구된다.
거울 또는 렌즈에 의해 가공재료에 집속된 레이저 빔이 강판 표면에 조사되면 표면부에서 일부 빔이 흡수된다. 흡수된 빔은 열에너지로 변화되어 국부적인 가열이 일어나게 되고 강판은 용융되게 된다. 이때 물체 내부로 열이 전달되고 용융된 부위가 확장되어 용융부위의 용접단면은 열전도도의 영향을 받는다. 강판은 조 사된 빔의 출력밀도가 높을 경우 기화와 승화가 일어나고 이로 인해 0.2~1mm의 키홀(key hole)이 형성된다. 키홀이 생성되면 용입깊이가 폭에 비해서 커지고 용접부 주위는 용융상태의 금속으로 키홀이 감싸지는 형태가 된다.
즉, 키홀은 하나의 관처럼 생성되어 용접방향으로 이동하면서 강판을 용접하게 된다.
레이저 빔 반경과 초점 반경은 상호 반비례적인 관계를 갖는다. 레이저 빔 반경이 클수록 초점 반경에서의 에너지 밀도는 감소하게 되며, 레이저빔 반경이 작을수록 초점에서의 에너지 밀도는 증가하게 된다. 레이저 빔을 사용한 용접에서 용접부 양호 정도를 판단하는 근거는 도 1에서 보는 바와 같이 용접부 형상(용입깊이, 용접단면, 전후면 용접비드), 용접 결함, 강판 용접부 미세조직 등을 들 수 있다. 이러한 판단근거에 영향을 미치는 변수는 레이저 자체 변수와 작업등에 발생되는 공정변수, 그리고 사용된 용접재료에 많은 영향을 받는다. 레이저 자체 변수로는 레이저 빔 출력, 초점 반경, 빔 모드, 발산 각도 등이 있다. 작업시 발생되는 공정변수는 용접속도, 초점위치, 플라즈마 가스 등이 있다. 용접재료에는 사용소재 이음부의 준비상태로서 절단면의 상태와 표면상태 그리고 이음부의 형상이 중요인자이다.
도 2는 이종강판의 레이저 용접을 위한 테일러웰드 관련 장치를 나타낸 것으로서, 먼저 원하는 형태로 절단된 강판이 화살표 방향으로 진입하면 수카(SOUKA) 심(SEEM) 상하롤러(ROLLER)가 구동하면서 용접허용치 간격으로 조절하고 수비스1(SOUVIS1) 표면 검출기에서 이종 두께간 허용간격의 상태를 검사한다. 진입되는 강판은 레이저 빔이 주사되고 수비스2에서 용접된 부위의 상하 용접상태를 검사하게 되며 마지막으로 수비스3에서 용접비드 및 최종 용접상태를 검사하게 된다. 레이저 헤드는 고정식으로서 빔의 주사되는 높이는 200±수 mm이다.
이하, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명하기로 한다.
일반적으로 TWB 부품의 용접부 평가 항목은, 용접부 표면의 관찰 결과와 용융폭율, 미용융부, 용입율, 판변형율을 기준으로 평가한다. 따라서 본 발명은 위와 같은 기준에 따라 아래 <표 1>에서 보는 바와 같이 용접부 평가항목을 설정하고, 용접품질과 생산성에 영향을 미치는 용접속도의 영향을 알아보기 위하여 일정한 용접 조건 하에서 용접속도를 달리하는 다수회의 실험을 통하여 용접속도에 따른 용접부의 품질을 평가하기로 하였다.
Figure 112006061456800-pat00001
여기에서 용융폭율은 용융부 최대폭을 박판 소재 두께로 나누어 백분율로 나타낸다. 미용융부는 맞대면이 용융되지 않고 남은 부분이다. 용입율은 용융부 최소두께를 박판 소재 두께로 나누어 백분율로 나타낸다. 판변형율은 두께간 발생되는 단차를 박판 소재 두께로 나누어 백분율로 나타낸다. 즉, 위에서 설명한 내용을 식 으로 나타내면 다음과 같다.
용융폭율=(용융부 최대폭/박판 소재 두께) × 100
용입율=(용융부 최소두께/박판 소재 두께) × 100
판변형율=(단차/박판 소재 두께) × 100
본 발명에서는 레이저 용접속도에 따른 용접부의 품질 상태를 알아보기 위하여 용접 조건과 시편의 기준을 다음과 같이 설정하였다.
가. 용접조건
1) 용접기 - Nd:YAG 레이저 용접기
2) 출 력 - 3.2kW
3) 보호가스 - Ar(20ℓ/min)
4) GAS 분사각도 - 30도
5) 초점 반경 - 0.30~0.35mm
이상의 용접조건은 TWB 부품을 제조하기 위한 일반적인 레이저 용접 조건이다.
나. 시 편
1) 재질 - 두꺼운 소재: Dual Phase 강판, 얇은 소재: 45kgf급 강판
2) 시편1의 강도 및 두께 - 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(1.0t)
3) 시편2의 강도 및 두께 - 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(0.7t)
이와 같이 시편을 조합하는 이유는 상기와 같은 시편의 조합이 자체에 적용되고 있는 고장력 강판 TWB 부품의 일반적인 조합이면서도 레이저 용접시 가장 많은 불량이 발생하기 때문이다.
아래 <표 2>는 위와 같은 조건을 기준으로 시편1과 시편2에 대하여 2.4~10.2mpm 범위 내에서 다양한 속도로 용접실험을 실시하여 그에 따른 비드표면 관찰 결과를 나타낸 것이다.
Figure 112006061456800-pat00002
ⅰ) 용접속도 단위 : m/min(mpm)
ⅱ) MD : 멜트다운(melt down), PP : 불완전 용입(partial penetration)
위 <표 2>에서 보는 바와 같이, 시편1과 시편2 모두 3.0mpm 미만의 저속 용접에서는 용접 단면부의 과대한 입열량으로 인해서 시편의 단면부가 녹아내리는 멜트다운(melt down) 현상이 나타남을 알 수 있었다.
또한, 시편1의 경우, 9.6mpm을 초과하는 고속 용접에서 너무 빠른 용접속도로 인한 불완전 용입현상(partial penetration)이 나타났고, 시편2의 경우는 7.2mpm을 초과하는 고속 용접에서 불완전 용입현상이 나타남을 알 수 있었다.
즉, 양호한 비드표면을 나타내는 용접속도는, 시편1의 경우 3.0mpm 이상 9.6mpm 이하이고, 시편2의 경우 3.0mpm 이상 7.2mpm 이하인 것을 알 수 있었다.
아래의 <표 3> 및 <표 4>는 상기 용접부 평가 기준에 의거하여 시편1과 시편2의 용접 속도에 따른 용접품질 평가 결과를 나타낸 것이다. 여기서 시편1의 경우는 3.0~9.6mpm, 시편2의 경우는 3.0~7.2mpm으로 용접속도 구간이 정해져 있기 때문에, 각 시편에 대하여 상기 용접속도 구간 내에서 실험을 실시하였다.
Figure 112006061456800-pat00003
Figure 112006061456800-pat00004
위의 <표 3>을 보면, 시편1에 대하여 용접속도가 3.6mpm 미만일 경우, 용융폭율이 박판 소재 두께 대비 120%를 초과하여 용접불량이 발생함을 알 수 있고, 위의 <표 4>를 보면, 시편2에 대하여 용접속도가 6.6mpm 미만일 경우, 용융폭율이 박판 소재 두께 대비 120%를 초과하여 용접불량이 발생함을 알 수 있다.
즉, 시편1의 경우 3.6mpm이상 9.6mpm이하의 용접속도에서 우수한 용접품질 나타내고, 시편2의 경우 6.6mpm이상 7.2mpm이하의 용접속도에서 우수한 용접품질을 나타냄을 알 수 있었다.
도 3은 본 발명상의 레이저 용접조건에 따른 시편1 및 시편2의 용접부 단면 사진을 나타낸 것으로서, 시편1을 3.0mpm의 용접속도로 용접하였을 경우, 용접부의 용접상태는 양호하나 용융폭율에서 규격에 만족하지 않고 반면, 6.6mpm 및 9.6mpm의 용접속도로 용접하였을 경우에는 매우 균일하고 양호한 용접상태를 나타냄을 알 수 있다.
또한, 시편2를 3.0mpm 및 5.4mpm의 용접속도로 용접하였을 경우, 용접부의 용접상태는 양호하나 용융폭율에서 규격에 만족하지 않고 반면, 7.2mpm의 용접속도로 용접하였을 경우에는 매우 균일하고 양호한 용접상태를 나타냄을 알 수 있다.
이상의 본 발명을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
시편1 및 시편2에 대하여 비드표면이 우수한 레이저 용접속도는, 시편1의 경우 3.0mpm 이상 9.6mpm 이하이고, 시편2의 경우 3.0mpm 이상 7.2mpm 이하인 것을 알 수 있다.
또한, 시편1 및 시편2에 대하여 비드표면과 용접 품질이 우수한 레이저 용접속도는, 시편1의 경우 3.6mpm이상 9.6mpm이하, 시편2의 경우 6.6mpm이상 7.2mpm이하임을 알 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의해서, 테일러웰드블랭크 부품 제조시, 특히 이종강판으로서 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(1.0t) 또는 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(0.7t)로 이루어지는 TWB 부품을 제조 시 이에 적합한 용접속도를 제공할 수 있게 되어, 용접부 평가 기준을 만족시키는 우수한 품질의 테일러웰드블랭크 부품을 제조할 수 있게 되었다.

Claims (1)

  1. 출 력 - 3.2kW, 보호가스 - Ar(20ℓ/min), GAS 분사각도 - 30도, 초점 반경 - 0.30~0.35mm로 설정된 Nd:YAG 레이저 용접기로써 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(1.0t) 또는 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(0.7t)을 용접하여 TWB 부품을 제조함에 있어서,
    상기 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(1.0t)은 3.6mpm이상 9.6mpm이하, 60kg/mm2급 Dual Phase강판(1.4t) + 45kg/mm2급 강판(0.7t)은 6.6mpm이상 7.2mpm이하의 속도로 레이저 용접하는 것을 특징으로 하는 테일러웰드블랭크 부품제조를 위한 고장력 강판의 레이저 용접 방법.
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