KR101190396B1 - 테일러 웰디드 핫 스탬핑 제조방법 및 이를 이용한 국부적으로 이종강도를 지니는 성형체 - Google Patents

Abstract

강판을 이용한 성형체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종 재질의 소재를 접합하여 국부적으로 상이한 강도를 가지는 성형체 및 그 제조방법에 관하여 개시한다.

본 발명은 경화능을 가지는 블랭크 소재(소재 A)와 경화능을 가지지 않는 블랭크 소재(소재 B)를 각각 마련하는 소재 마련 단계; 상기 소재 A 및 소재 B를 레이저 용접으로 접합하는 레이저 용접 단계; 상기 접합된 소재를 성형온도로 가열하는 가열 단계; 상기 가열된 소재를 프레스 금형으로 열간 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계; 및 상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 급냉 단계;를 포함하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑(Taylor Welded Hot Stamping) 성형공법을 제공한다.

테일러 웰디드 블랭킹(TWB), 핫 스탬핑(Hot Stamping), 이종 강도

Description

테일러 웰디드 핫 스탬핑 제조방법 및 이를 이용한 국부적으로 이종강도를 지니는 성형체{Taylor welded hot stamping method and steel parts using the same}

본 발명은 강판을 이용한 성형체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종 재질의 소재를 접합하여 국부적으로 상이한 강도를 가지는 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

차량에는 다양한 강도를 갖는 부품들이 사용된다. 예를 들어 차량 충돌시 에너지를 흡수해야 하는 부분들은 비교적 약한 강도가 요구되며, 탑승자를 보호하기 위해 형상유지가 필요한 부분은 강한 강도가 요구된다.

충돌시 에너지를 흡수해야 하는 부분이 강도가 지나치게 높으면 충격에너지를 적절하게 흡수하지 못하고 다른 부분으로 그대로 전달하게 되어, 오히려 탑승객과 차량의 다른 부품들에 과도한 충격을 전달하는 문제점을 가져오기 때문이다.

차량은 지속적으로 경량화와 원가절감이 요구되고 있으며, 이에 따라 하나의 부품이 부분적으로 서로 다른 이종강도를 갖는 것이 필요하게 되었다.

부품의 일부 구간은 탑승자 보호를 위해 고강도가 요구되지만, 일부 구간은 충격 에너지 흡수를 위해 상대적으로 저강도가 요구되는 것이다.

이러한 부품에는 대표적으로 승용차의 B 필러를 예로 들 수 있다.

도 1은 자동차의 차체 구조와 B 필러 부분을 확대해서 나타낸 사시도이다.

차량의 B 필러(1)는 승용차량의 프런트 도어와 리어 도어 사이에서 차체의 바닥면과 루프를 연결하는 부분을 말한다.

B 필러(1)에는 충돌 보강재가 결합되는데, 충돌 보강재의 하부(1b)는 상대적으로 낮은 인장강도가 요구되고, 상부(1a)는 높은 인장강도가 요구된다. 강도의 차이가 필요한 이유는 차량 충돌시 고강도로 형상이 유지되어야 하는 부분과 찌그러지면서 충격을 흡수해야하는 부분이 동시에 필요하기 때문이다.

승객의 안정된 공간을 확보하기 위하여 B 필러(1)의 상부(1a)는 형상이 유지되어야 하므로 고강도가 요구된다. B 필러(1)의 상부(1a) 강도가 확보되지 않으면 차량 전복될 경우 루프가 내려 앉아 탑승객의 안전에 큰 위협이 된다. 그러나 B 필러(1)의 하부(1b)는 변형이 되면서 충격에너지를 흡수해야 하므로 상대적으로 낮은 강도가 요구된다. B 필러(1)의 하부(1b)도 고강도를 가지게 되면 측면 충돌시 충돌에너지의 흡수가 이루어지지 않아 다른 구조재에 충격이 전달되기 때문이다.

구체적인 요구 강도는 차량의 종류나 형태에 따라 다르겠지만, B 필러(1)의 상부(1a)의 경우 약 1500MPa의 인장강도가 요구되는 반면에, B 필러(1)의 하부(1b)의 경우에는 약 440MPa 수준의 인장강도가 요구된다.

종래에는 저강도의 소재로 부품을 형성한 후, 고강도가 요구되는 부분에 별도의 보강재를 부착하는 방식을 사용하기도 하였으나, 차량의 경량화를 위하여 단일 부품으로 제조할 필요성이 대두되고 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명은 경화능을 가지는 소재와 경화능을 가지지 않는 소재를 접합한 후, 핫 스탬핑 공정을 수행함으로써 국부적으로 강도가 상이한 부품을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 국부적으로 강도가 상이한 성형체 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 테일러 웰디드 블랭킹과 핫 스탬핑 방법을 함께 적용하는 성형체 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 국부적으로 이종강도를 가지며 전체 중량을 감소시킨 성형체를 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 해결하기 위한 본 발명은 경화능을 가지는 블랭크 소재(소재 A)와 경화능을 가지지 않는 블랭크 소재(소재 B)를 각각 마련하는 소재 마련 단계; 상기 소재 A 및 소재 B를 레이저 용접으로 접합하는 레이저 용접 단계; 상기 접합된 소재를 성형온도로 가열하는 가열 단계; 상기 가열된 소재를 프레스 금형으로 열간 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계; 및 상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 급냉 단계;를 포함하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑(Taylor Welded Hot Stamping) 성형공법을 제공한다.

상기 급냉 단계 이후에, 상기 소재 B에 형성된 산화스케일을 제거하는 숏 블라스팅 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 소재 A는 보론강판으로 형성되고, 소재 B는 냉연강판으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 가열 단계의 성형온도는 768~1000℃ 인 것이 바람직하며,

상기 냉각 단계의 냉각속도는 -20℃/sec ~ -100℃/sec 인 것이 바람직하다.

본 발명은 테일러 웰디드 블랭킹 공법과 핫 스탬핑 공법을 병행 적용하여, 이종 소재를 접합하여 성형체를 제조함으로써, 국부적으로 다른 강도를 가지는 차량용 부품을 제조할 수 있는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명은 국부적으로 다른 강도를 소재의 차별화로 달성함으로써 종래의 보강부재를 사용하는 방식에 비하여 전체적인 중량이 감소됨으로써, 차량 경량화와 차량의 연비 향상에 도움을 주는 성형체를 제공하는 효과를 가져온다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형방법 및 이를 이용한 국부적으로 이종강도를 지니는 성형체에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정도이고, 도 4는 필러 부품의 블랭크 소재들을 나타낸 평면도이고, 도 5는 레이저 용접으루 두 소재가 접합된 상태를 나타낸 평면도이고, 도 6은 성형이 완료된 필러 부품을 나타낸 평면도이다.

먼저 도 2를 살펴보면, 본 발명의 실시예에 따른 테일러 웰디드 핫 스탬핑(Taylor Welded Hot Stamping) 성형방법은 경화능을 가지는 블랭크 소재(소재 A)와 경화능을 가지지 않는 블랭크 소재(소재 B)를 각각 마련하는 소재 마련 단계(S-21)와, 상기 소재 A 및 소재 B를 레이저 용접으로 접합하는 레이저 용접 단계(S- 22)와, 상기 접합된 소재를 성형온도로 가열하는 가열 단계(S-23)와, 상기 가열된 소재를 프레스 금형으로 열간 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계(S-24)와, 상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 급냉 단계(S-25)와, 상기 소재 B에 형성된 산화스케일을 제거하는 숏 블라스팅 단계(S-26)를 포함한다.

숏 블라스팅 단계(S-26)는 반드시 필요한 공정은 아니다. 두 가지의 소재가 모두 산화스케일이 발생하지 않는 경우에는 숏 블라스팅 단계(S-26)는 생략될 수 있다.

도 3을 함께 참조하면, 소재 마련 단계(S-21)에서는 도면의 좌측에 도시된 바와 같이 이종 소재를 각각 정밀하게 블랭킹 하여, 소재 A(30)와 소재 (B)를 마련한다. 이 때 고강도가 요구되는 부분은 보론강을 사용하여 블랭킹하며, 상대적으로 낮은 강도가 요구되는 부분을 일반 냉연강을 사용하여 블랭킹한다.

다음으로, 소재 A(30)와 소재 B(40)를 서로 맞대어 정렬한 후, 레이저 용접기(50)를 사용하여 하나로 접합한다. 이 때 소재 A(30)와 소재 B(40)는 서로 상이한 두께를 가질 수도 있다. 고강도가 요구되는 부분은 상대적으로 두꺼운 두께가 필요하기 때문이다.

다음으로 접합된 소재는 가열 장치(60)에서 성형 온도까지 가열한다. 1500MPa 급 부품은 일반적인 프레스 성형으로 가공이 어렵기 때문에, 소재의 성형성을 확보할 수 있는 성형 온도 까지 가열하여 프레스 장치(70)로 공급하게 된다.

프레스 장치(70)는 내부에 냉각채널을 구비하여, 냉각채널에 공급되는 냉매에 의하여 금형이 급속하게 냉각될 수 있는 것을 사용한다.

가열된 소재를 프레스 장치(70)에 로딩 한 후, 프레스 장치(70)를 닫아 성형체를 형성한다. 이 때 성형체는 아직 높은 온도를 유지하고 있으므로 프레스 장치(70)를 즉시 개방하고 성형체를 냉각할 경우 예상치 못한 변형이 발생할 수 있으므로, 프레스 장치(70)를 닫은 상태에서 성형체를 구속한 상태에서 급냉 단계를 수행하게 된다.

고강도가 요구되는 구간은 소재 A(30)로 형성하고, 상대적으로 낮은 강도가 요구되는 구간은 소재 B(40)로 형성함으로써, 하나의 성형체가 구간 별로 다른 강도를 가질 수 있도록 함으로써, 별도의 보강부재를 사용하지 않고 단일 부품만으로 국부적으로 이종 강도를 가지게 하는 것이다.

예를 들어, 차량의 필러 부품을 제조하는 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 필러의 상부를 구성하는 블랭크 소재(30)는 경화능을 가지는 보론강판을 사용하여 마련하고, 하부를 구성하는 블랭크 소재(40)는 일반 강판을 사용하여 마련한다.

보론강(Boron steel)은 고가의 합금원소인 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 대신 보론(B)를 첨가하여 경화능을 향상시킨 강이다. 보론강은 인성과 내충격성이 우수하며 특히, 고강도, 고경도, 내마모성이 우수하므로 자동차 및 건설 중장비의 부품 등에 주로 사용된다.

일반적으로 보론강은 제강공정, 주조공정, 압연공정, 단조공정, 열처리공정을 거쳐 제조된다. 여기서 제강공정은 스크랩을 용해하여 원하는 용강 성분과 온도를 얻는 공정으로 전기로용해 단계, LF(Laddle Furnace)정련 단계, 탈가스(Degasing)공정 단계로 이루어진다.

차량의 연비 향상과, 경량화 요구에 따라 차량에 적용되는 금속 성형체들의 요구 강도가 점점 증가하고 있다. 일부 구간의 경우 1500MPa 급의 고강도가 요구되는데, 이러한 강도를 가지는 경우 일반적인 프레스 성형만으로는 원하는 제품의 형상을 제조할 수 없다. 이러한 고강도의 소재는 경화능을 가지는 보론강 소재를 사용하여 성형온도까지 가열한 다음 급냉하여 강도를 향상시키는 방법으로 제조된다.

그런데, 보론강은 일반 냉연강판에 비하여 고가이고, 또한 배경기술에서 살펴본 바와 같이 차량의 일부 부품은 구간별로 상이한 강도가 요구되므로, 본 발명은 고강도가 요구되는 부분에는 보론강판을 사용하고, 상대적으로 낮은 강도가 요구되는 부분에는 일반 냉연강판을 사용함으로써, 차량 제조사에 요구하는 강도 기준을 충족시킴과 동시에 부품의 원가를 절감할 수 있도록 하기 위한 것이다.

경화능을 가지는 보론강 재질을 A 소재(30)와, 경화능을 가지지 않는 일반 냉연강판 재질의 B 소재(40)를 블랭킹 한 후, A 소재(30)와 B 소재(40)를 TWB(Tailored Weld Blank:맞춤용접재단)공법에 의하여 접합하여 도 5에 도시된 바와 같이 접합된 블랭크 소재를 마련한다.

또한, A 소재는 Al-Si 코팅층을 구비하는 것이 바람직하나 반드시 Al-Si 코팅층을 구비해야 하는 것은 아니다. Al-Si 코팅층은 핫 스탬핑 과정에서 소재의 표 면에 산화스케일이 발생하는 것을 억제한다.

일반 냉연 강판 재질의 B 소재에도 Al-Si 코팅층을 구비할 수 있으며, Al-Si 코팅층을 구비하지 않는 경우, 산화스케일을 제거하는 숏 블라스팅 공정이 필요하게 된다. 또한 B 소재로는 Zinc 코팅재인 GI 강판이나 GA 강판을 사용할 수도 있다.

마련된 소재 A와 소재 B는 레이저 용접 단계(S-22)에서 접합된다.

소재를 정밀하게 재단하여 레이저 용접으로 접합하는 공법을 TWB(Taylor Welded Blanking) 공법이라고 하며, TWB 공법은 복수의 동종(同種) 또는 이종(異種) 강판을 성형하기 전에 사용 환경에 따라 강판을 조합한 후, 강판의 대접부를 레이저 용접기로 용접하는 것이다.

상기 용접 단계(S-22)에서 접합된 소재는 가열 단계(S-23)에서 소정의 성형온도 까지 가열된 후, 가열된 상태에서 프레스 성형 단계(S-24)에서 성형된다. 이때 성형온도는 768℃ ~1000℃ 범위인 것이 바람직하다.

그 이유는 통상 강재가 오스테나이트 안정화 온도로 가열되어야 급랭 후 부품이 요구하는 강도를 확보할 수 있는 조직상태가 얻어지게 되기 때문이고, 1000℃ 초과일 때는 소재의 표면에 형성된 코팅층이 증발할 수 있기 때문이다.

구체적으로, 가열된 소재는 가열된 상태에서 프레스 금형으로 로딩되고, 프레스 금형이 닫히면서 성형된다. 다음으로 급냉 단계(S-25)를 거치게 되는데, 급냉 단계(S-25)는 프레스 금형을 닫은 상태에서 진행된다. 소재의 스프링 백 형상을 방지하고 원하는 형상을 유지시키기 위하여 프레스 금형을 닫은 상태에서 경화를 위 한 급냉을 수행하는 것이다.

이 때, 냉각속도는 -20℃/sec ~ -100℃/sec 범위인 것이 바람직하다.

그 이유는 마르텐사이트(martensite) 조직으로의 상변태가 용이하게 이루어지도록 하기 위함이다. 즉, 고온으로 가열된 상태에서 성형된 성형체가 -20℃/sec 미만의 냉각속도로 냉각되면 그 조직이, 펄라이트(pearlite) 또는 베이나이트(bainite) 조직을 가지게 되어 충분한 강도를 가질 수 없게 될 수 있다. 따라서, 급랭속도를 유지하여 성형체의 소지철 부분을 완전 마르텐사이트 구조로 상변태가 이루어 질 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

고온성형 후 급냉 과정을 거치게 되면, 표면에 Al-Si 코팅층을 구비하지 않는 소재의 경우에는 표면에 산화스케일층이 발생하게 된다.

이를 제거하기 위하여, 급냉 단계(S-25) 이후에 숏 블라스팅(Shot blasting) 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이러한 공정을 거쳐 성형체를 제조하게 되면, 경화능을 가지는 A 소재로 성형된 부분은 고강도를 가지게 되며, 경화능을 가지지 않는 B 소재로 성형된 부분은 상대적으로 낮은 강도를 가지게 된다.

이렇게 국부적으로 이종 강도를 가지는 부품은 대표적으로 차량의 필러가 있으며, 루프를 지지하는 상부는 고강도를 가지고, 충돌에 의한 충격 흡수가 요구되는 하부는 저강도를 가지는 성형체를 제조할 수 있게 된다. 이렇게 이종 강도를 가지는 차량의 필러 부품은 충돌시 상부는 변형량이 작고 하부는 변형되는 이상적인 S자형 변형을 하게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

도 1은 자동차의 차체 구조와 B 필러 부분을 확대해서 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정 순서도,

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형방법을 나타낸 공정도,

도 4는 필러 부품의 블랭크 소재들을 나타낸 평면도,

도 5는 레이저 용접으루 두 소재가 접합된 상태를 나타낸 평면도,

도 6은 성형이 완료된 필러 부품을 나타낸 평면도임.

Claims (9)

1. 경화능을 가지는 블랭크 소재(소재 A)와 경화능을 가지지 않는 블랭크 소재(소재 B)를 각각 마련하는 소재 마련 단계;

   상기 소재 A 및 소재 B를 레이저 용접으로 접합하는 레이저 용접 단계;

   상기 접합된 소재를 성형온도로 가열하는 가열 단계;

   상기 가열된 소재를 프레스 금형으로 열간 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계; 및

   상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 급냉 단계;를 포함하며,

   상기 소재 A 또는 소재 B는 Al-Si 코팅층을 구비하는 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 급냉 단계 이후에,

   상기 소재 B에 형성된 산화스케일을 제거하는 숏 블라스팅 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 소재 A는 보론강판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 소재 B는 냉연강판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 소재 A와 상기 소재 B는 두께가 상이한 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 가열 단계의 성형온도는 768℃ ~ 1000℃ 인 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 냉각 단계의 냉각속도는 -20℃/sec ~ -100℃/sec 인 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 핫 스탬핑 성형공법.
9. 제 1 항 내지 제 4 항, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 이종 강도를 지니는 성형체.

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