KR101638348B1 - 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크 - Google Patents

핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크 Download PDF

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Abstract

핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크가 개시된다. 본 실시예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법은 도금강판의 상호 용접 접합 시, 상기 도금강판의 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 상기 도금강판 수준으로 유지 또는 더 높거나 추가하도록 성분이 조성된 파우더를 운반가스와 함께 용접라인을 따라 단위용적당 정량으로 용융풀에 대하여 수직방향에 가깝게 공급하여 상기 용융풀에 용입되도록 레이저 용접하며, 이러한 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크는 적어도 2장의 도금강판을 상호 레이저 용접하여 접합하되, 각 도금강판의 레이저 용접 시, 철(Fe)을 베이스 원소로 하여 오스테나이트 안정화 원소가 성분으로 함께 조성된 분말형태의 파우더를 용융풀에 첨가하여 상기 도금강판의 각 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 유지 또는 더 높게 혼입되어 접합된다.

Description

핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크{WELDING METHOD FOR HOT STAMPING COATING STEEL SHEETS AND TAILOR WELDED BLANK USING THE SAME}
본 발명은 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도금층을 갖는 핫 스탬핑용 도금강판들 사이의 접합부 품질을 확보할 수 있도록 하는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 메이커에서 최초로 신차 개발 시에는 개발된 차량의 안전도를 검증하기 위하여 다양한 안전성 시험을 하게 되는데, 이는 일정한 기준을 마련하고 이 기준에 합당한지 여부에 따라 완성도를 체크하게 된다.
차량에 있어서의 안전성은 특히, 승차자의 생명과 관련이 있는바, 차량의 완성도에 가장 많은 영향을 미치는 요소라 할 수 있으며, 세계 여러 나라에서도 이와 같은 차량의 안전도에 가장 엄격한 기준을 적용시키고 있는 실정이다.
이와 같이 차량 안전도의 중요성이 대두됨에도 불구하고, 종래의 차체 부품은 보편적으로 스틸(Steel)계 강판 소재를 프레스 성형에 의해 구성함에 따라 차체의 안전성에 영향을 미치는 강성과 연비에 영향을 미치는 경량화를 동시에 만족하기에는 한계가 있었다.
이에, 최근에는 강성과 경량화를 동시에 만족시킬 수 있는 신 성형공법과 고 강도 초경량 신소재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
이러한 연구 개발의 일환으로, 차체 부품에 적용되는 신 성형공법의 사례로는 프레스 성형(press stamping) 공법을 대체한 롤 포밍(roll forming) 공법이 개발되어 고장력 강판의 성형을 가능하게 함으로써 적용소재의 두께를 낮추어 기존 프레스 성형품 대비 15%이상의 경량화를 가능하게 하였다.
또한, 서로 다른 재질, 두께, 강도 등을 갖는 소재를 이용하여 맞춤 블랭크를 제조하는 TWB(tailor welded blank) 및 TRB(tailor rolled blank) 기술, 및 일체화 성형기술인 액압 성형(hydroforming) 및 알루미늄 압출 성형 기술 등의 개발이 지속적으로 진행되고 있다.
도 1은 일반적인 핫 스탬핑 성형 공정의 개념도이고, 도 2는 강의 보론 첨가에 따른 효과를 나타낸 등온냉각 변태곡선(TTT: Time Temperature Transformation)이다.
특히, 최근에는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 보론강판(1)을 이용한 열간 프레스 성형 기술인 핫 스탬핑(hot stamping) 공법이 활발하게 연구되고 있다.
핫 스탬핑(hot stamping) 공법은 보론강판(1)을 적정온도(약 800℃ 이상)로 가열하여 프레스 금형(3) 내에서 프레스 성형으로 한번에 성형한 후, 급속 냉각하여 고강도 부품(5)을 제조하는 성형기술이다.
여기에 적용되는 보론강판(1)은 미량의 보론(B, boron)이 첨가된 강판으로, 도 2에 도시한 강의 보론 첨가에 따른 효과를 나타낸 등온냉각 변태곡선(TTT: Time Temperature Transformation)에서 알 수 있듯이 보론의 첨가로 마르텐사이트 금속조직의 생성을 지연하는 효과가 있다.
즉, 상기 적정온도 조건에서의 오스테나이트 결정입계에서 보론이 원자상태로 편석하여, 오스테나이트 결정입계의 자유에너지를 낮춤으로서 초석 페라이트 핵 생성을 억제시켜 강의 경화능(?칭(Quenching) 시, 마르텐사이트 형성으로 경화되는 강의 능력)을 현저히 개선하게 된다.
이러한 보론강판(1)의 물리적 특성을 이용한 핫 스탬핑 성형 공법은 기존의 고강도 강을 이용한 성형법과는 달리 성형 전 500~800MPa 정도의 인장강도를 가지는 페라이트 조직의 보론강판(1)을 열처리 온도인 약 800℃ 이상의 고온에서 오스테나이트화하여 고온 성형한 후, 급속 냉각시킴으로써 1300~1600MPa 정도의 고 인장강도를 갖는 마르텐사이트 조직의 성형품을 얻게 된다.
여기서 얻는 핫 스탬핑 성형품은 일반 강판 부품보다 강도가 4~5배 높으면서도 무게는 기존에 비하여 최대 40%까지 줄일 수 있어 상기한 바와 같은 차체 부품의 경량화와 강도 향상을 동시에 이룰 수 있는 이점이 있다.
이러한 핫 스탬핑 성형 공법의 이점에도 불구하고, 일반적으로 적용되는 핫 스탬핑 성형의 소재가 되는 보론강판(1)은 핫 스탬핑 성형공정을 거치면서 표면에 산화 피막(산화 스케일)을 발생시키는 단점이 있어, 이를 방지하기 위해 보론강판(1)의 표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판(1)을 핫 스탬핑 소재로 개발하여 사용된다.
한편, 최근에는 이러한 핫 스탬핑 소재의 소재절감 및 경량화에 더욱 적극적으로 대응하기 위해 핫 스탬핑 소재인 보론강판(1)을 맞춤 블랭크로 제작한 TWB(tailor welded blank)를 병행하여 적용하고 있다.
도 3은 종래 기술의 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법에 따른 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판의 접합부 단면도이다.
그러나 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기한 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)을 갖는 보론강판(1)을 핫 스탬핑 소재로 사용하기 위하여 테일러 웰디드 블랭크(TWB)로 제작할 경우, 레이저 용접에 의한 접합부(W) 내부에 용융풀의 대류현상으로 양 단면상의 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT) 성분계가 용융풀 내로 용입되어 접합부(W) 내에 대부분 백색의 금속간 화합물(M)로 존재하게 된다.
이러한 금속간 화합물(M)은 FeAl3 과 Fe2Al3 로 존재하게 되며, 이로 인해 접합부(W)의 인장 강도가 1,100Mpa 이하로 떨어지게 되며, 충격에너지에 의해 접합부 파단이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 종래에는 아래 선행기술문헌의 특허문헌1(코팅된 적층 시트로부터 매우 높은 기계적 특성을 갖는 용접 요소를 제조하는 방법)에는 레이저로 용접되는 용접부 주위의 도금강판에 대하여 도금층을 제거한 후 용접함으로써 도금층의 혼입을 방지하는 기술이 언급된 바 있다.
그러나 이러한 방법은 도금층 제거 공정이 추가됨으로써 그에 따른 설비 투자비 증가와 가공비 상승을 초래하여 전체적으로 부품의 제조 원가가 상승되는 문제점을 여전히 가지고 있다.
또한, 선행기술문헌의 특허문헌2(테일러 웰디드 블랭크, 그 제조방법 및 이를 이용한 핫스탬핑 부품)에는 도금강판의 성분계보다 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 높게 설계된 필러와이어를 접합부에 공급하여 용융풀에 도금층의 용입이 발생하더라도 핫 스탬핑 성형 시, 열처리 온도에서 페라이트가 공존하지 않고, 풀 오스테나이트 조직으로 존재하도록 하여 접합부의 품질을 향상시키는 기술이 언급된 바 있다.
그러나 이러한 접합방법 역시, 도금강판의 레이저 용접 시, 필러와이어가 그 재질상의 특징으로 접합부에 대하여 일정 이상의 경사각으로 공급이 이루어지기 때문에 중력, 경사각 등 여러 가지 주변 요인에 의하여 접합부에 수직이 아닌 곡선 또는 편심되어 공급될 수밖에 없으며, 이는 필러와이어가 용접라인 중심에서 이탈하여 공급되거나, 용접라인을 따라서 지속적으로 일정량이 공급되지 않음을 의미하며, 결과적으로는 접합부의 조성이 불균일하여 기계적 강도를 저하시키는 편석 발생을 초래하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2009-0005004호(2009.01.12.) 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0071581호(2014.06.12.) 상기에서 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 도금강판의 용접 접합 시, 도금강판의 성분계와 비교하여 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 비슷하거나 높게 조성된 파우더를 용접라인을 따라 용융풀에 대하여 수직방향에 가깝게 정량 공급되도록 하여 레이저 용접을 진행함으로써 접합부의 인장강도를 확보할 수 있도록 하는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시 예는 접합부에 공급되는 파우더의 성분에 레이저 흡수율을 높이는 니켈(Ni)을 오스테나이트 안정화 원소로 추가하여 다른 합금원소 간의 융착성을 증가시켜 접합부의 강성 특성을 향상시키는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 도금강판의 상호 용접 접합 시, 상기 도금강판의 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 상기 도금강판 수준으로 유지 또는 더 높거나 추가하도록 성분이 조성된 파우더를 운반가스와 함께 용접라인을 따라 단위용적당 정량으로 용융풀에 대하여 수직방향에 가깝게 공급하여 상기 용융풀에 용입되도록 레이저 용접하는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 도금강판은 표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 파우더는 상기 도금강판의 접합부 내의 Al의 조성이 1.56 중량% 이상 포함되면서, 핫 스탬핑 과정에 온도가 800℃ ~ 950℃ 사이에서 상기 접합부가 풀 오스테나이트 조직으로 존재하도록 분말형태로 성분이 조성되어 첨가될 수 있다.
또한, 상기 오스테나이트 안정화 원소는 탄소(C), 망간(Mn), 및 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 파우더는 철(Fe)을 베이스 원소로 하며, 탄소(C)의 함량이 0.2 ~ 1.0 중량% 범위 내에서 분말형태로 조성될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 상기 도금강판의 용접 시, 상기 도금강판에 함유된 망간(Mn)의 성분이 희석되지 않도록 망간(Mn)의 함량이 조성될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 철(Fe)을 베이스 원소로 하며, 망간(Mn)의 함량이 1.0 ~ 1.5 중량% 범위 내에서 분말형태로 조성될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 철(Fe)을 베이스 원소로 하며, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.8 중량% 범위 내에서 분말형태로 조성될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 철(Fe)을 베이스 원소로 하며, 탄소(C)의 함량이 0.2 ~ 1.0 중량% 범위 내이고, 망간(Mn)의 함량이 1.0 ~ 1.5 중량% 범위 내이고, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.8 중량% 범위 내에서 분말형태로 조성될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 규소(Si), 인(P), 및 황(S)을 분말형태로 더 포함하여 조성될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 상기 도금강판의 레이저 용접 시, 레이저빔의 초점 둘레 용접부에 운반가스와 함께 분말형태로 분사될 수 있다.
또한, 상기 운반가스는 헬륨 가스로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 도금강판의 레이저 용접은 용접부 둘레에 쉴드가스가 분사되는 상태로 용접이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 쉴드가스는 알곤 가스로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 적어도 2장의 도금강판을 상호 레이저 용접하여 접합하되, 각 도금강판의 레이저 용접 시, 철(Fe)을 베이스 원소로 하여 오스테나이트 안정화 원소가 성분으로 함께 조성된 분말형태의 파우더를 용융풀에 첨가하여 상기 도금강판의 각 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 유지 또는 더 높게 혼입되어 접합되는 테일러 웰디드 블랭크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 도금강판은 표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 파우더는 상기 도금강판의 접합부 내의 Al의 조성이 1.56 중량% 이상 포함되면서, 핫 스탬핑 과정에 온도가 800℃ ~ 950℃ 사이에서 상기 접합부가 풀 오스테나이트 조직으로 존재하도록 분말형태로 성분이 조성되어 첨가될 수 있다.
또한, 상기 오스테나이트 안정화 원소는 탄소(C), 망간(Mn), 및 니켈(Ni)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 파우더는 철(Fe)을 베이스 원소로 하며, 탄소(C)의 함량이 0.2 ~ 1.0 중량% 범위 내이고, 망간(Mn)의 함량이 1.0 ~ 1.5 중량% 범위 내이고, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.8 중량% 범위 내에서 분말형태로 조성되어 첨가될 수 있다.
또한, 상기 파우더는 규소(Si), 인(P), 및 황(S)을 분말형태로 더 포함하여 첨가될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 도금강판의 용접 접합 시, 오스테나이트 안정화 원소로 성분된 파우더를 운반가스와 함께 용접라인을 따라 용융풀에 대하여 수직방향에 가깝게 단위용적당 정량으로 공급되도록 하여 레이저 용접을 진행함으로써, 중력 등 요인에 영향을 받지 않으며, 용접라인을 따라 용융풀(MP)의 중심에서 지속적으로 정확하게 공급되어 접합부의 조성을 균일하게 할 수 있으며, 이는 핫 스탬핑 성형 이후, 접합부의 기계적 강도를 저하시키는 편석 발생을 최소화시킨다.
또한, 용융풀에 공급되는 파우더의 성분에 레이저 흡수율을 높이는 니켈(Ni)을 오스테나이트 안정화 원소로 첨가하여 다른 합금원소 간의 융착성을 증가시켜 핫 스탬핑 성형 이후, 접합부의 강성 특성을 향상시킨다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예는 접합부에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층의 성분인 알루미늄(Al)이 용융풀에 혼입되더라도 파우더에 첨가되어 있는 오스테나이트 안정화 원소에 의해 접합부의 미세 조직이 핫 스탬핑 성형 후, 풀 마르텐사이트 조직을 갖도록 하며, 접합부의 경도 및 강도를 확보할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 실시 예는 테일러 웰디드 블랭크의 제작 시, 도금층 제거 및 재도금 공정 등이 필요하지 않도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있으며, 원가를 절감하는 효과를 가져온다.
도 1은 일반적인 핫 스탬핑 성형 공정의 개념도이다.
도 2는 강의 보론 첨가에 따른 효과를 나타낸 등온냉각 변태곡선(TTT: Time Temperature Transformation)이다.
도 3은 종래 기술의 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법에 따른 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판의 접합부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 실현하기 위한 공정 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 적용되는 보론강판과 파우더의 조성표이다.
도 6은 본 발명의 실시 예와 관련하여 보론강판의 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소 함량 증가에 따른 변태곡선이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 적용되는 파우더의 첨가 유무에 따른 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 접합부 단면 조직, 및 각 접합부 내의 페라이트 분율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 적용되는 파우더의 첨가 유무에 따른 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 접합부에 대한 핫 스탬핑 성형 전,후의 경도 분포도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 통하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 실현하기 위한 공정 개념도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 적용되는 보론강판과 파우더의 조성표이고, 도 6은 보론강판의 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소 함량 증가에 따른 변태곡선이다.
단, 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법은 핫 스탬핑용 도금강판의 소재절감 및 경량화에 더욱 적극적으로 대응하기 위해 핫 스탬핑용 도금강판 소재를 맞춤 블랭크로 제작하는 테일러 웰디드 블랭크(TWB: tailor welded blank) 공법을 병행하여 적용하기 위하여 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)을 가지며 두께가 서로 다른 보론강판을 레이저 용접에 의해 상호 맞대기 접합하기 위한 접합방법이다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 설명하기 이전에 테일러 웰디드 블랭크(TWB)에 관하여 간단하게 설명하면, 테일러 웰디드 블랭크(TWB)는 이종 소재 또는 이종 두께를 갖는 블랭크를 레이저 용접으로 상호 맞대기 접합하여 국부적으로 다른 강성 또는 두께를 갖는 소재를 말한다.
본 발명의 실시 예와 관련한 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법은 상기 블랭크가 도금강판인 경우, 테일러 웰디드 블랭크(TWB)를 제작하기 위한 레이저 용접 과정에 도금층 성분이 용융풀에 용입되어 접합부의 인장강도를 저하시키는 현상을 해결하기 위한 일환으로 연구 개발된 기술이다.
이하, 본 발명의 실시 예에서는 도금강판의 예시로, 상기한 바와 같이, 최근 핫 스탬핑 성형의 소재가 되는 보론강판(1)을 적용하여 설명하며, 상기 보론강판(1)은 양측 표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)이 처리된다.
이와 같이, 표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)을 갖는 보론강판(1)을 소재로 하여 테일러 웰디드 블랭크(TWB)를 제작하게 되면, 레이저 용접 과정에 도금층(CT) 성분이 용융풀에 용입되어 접합부(W)는 모재인 보론강판(1)와 도금층(CT) 성분이 혼입된 성분계를 가지게 되어 모재인 보론강판(1)과는 다른 물성을 나타낸다.
이러한 모재와 도금층(CT) 성분이 접합부(W)에 혼입된 테일러 웰디드 블랭크(TWB)는 핫 스탬핑 성형 이후에 접합부(W)의 인장강도를 저하시키는 원인이 된다.
즉, 상기한 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 접합부(W)는 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT) 성분인 알루미늄(Al)과 규소(Si)함량이 증가하게 되고, 이로 인하여 접합부(W)는 핫 스탬핑 성형 후, 풀 마르텐사이트 조직을 가지지 못하고, 마르텐사이트 조직과 함께 다량의 페라이트 조직이 공존하여 강도가 저하되는 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법은 2장의 보론강판(1)의 레이저 용접 시, 용융풀(MP) 내에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT) 성분이 용입되는 것을 고려하여 접합부(W) 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 유지 또는 더 높이거나 추가하도록 성분이 조성된 파우더(PW)를 용융풀(MP)에 첨가하여 접합부(W)의 물성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법은 2장의 보론강판(1)을 상호 레이저 용접에 의해 접합하는 과정에 상기 보론강판(1)의 접합부(W) 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 유지 또는 더 높이거나 추가하도록 성분이 조성된 파우더(PW)를 운반가스(G1)와 함께 공급하여 첨가한다.
이러한 파우더(PW)의 공급은 용접라인을 따라 단위용적당 정량으로 용융풀(MP)에 대하여 수직방향에 가깝게 공급되어 상기 용융풀(MP)에 용입되도록 한다.
즉, 상기 파우더(PW)는 상기 보론강판(1)의 접합부(W) 내의 알루미늄(Al)의 조성이 1.56 중량% 이상으로 포함되면서, 핫 스탬핑 성형 과정에 열처리 온도인 800℃ ~ 950℃ 범위 사이에서 상기 접합부(W)가 풀 오스테나이트 조직으로 존재하도록 분말형태로 성분이 조성되어야 한다.
여기서, 미 설명 도면부호 "DM"은 "Deposited Material(용착금속)"을 지칭하며, "DZ"는 "Dilution Zone(희석영역)"을 지칭한다.
이때, 도 5와 같이, 상기 보론강판(1)이 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)을 가지며, 탄소(C):0.23 중량%, 규소(Si):0.24 중량%, 망간(Mn):1.19 중량%, 인(P):0.0015 중량%, 황(S):0.0015 중량%, 보론(B):0.0023 중량% 및 불가피한 불순물을 포함하며 잔량의 철(Fe)로 조성되는 SABC1470 강판인 경우를 예로 할 경우, 상기 파우더(PW)의 조성은 상기 오스테나이트 안정화 원소인 탄소(C), 망간(Mn), 및 니켈(Ni)을 포함하여 미세한 분말형태로 조성된다.
이때, 상기 파우더(PW)는 탄소(C)의 함량이 0.2 ~ 1.0 중량% 범위 내이고, 망간(Mn)의 함량이 1.0 ~ 1.5 중량% 범위 내이고, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.8 중량% 범위 내에서 분말형태로 조성될 수 있다.
이때, 상기 탄소(C)는 오스테나이트 안정화 원소로써, 보론강판(1)의 탄소(C) 함량보다 높을수록 핫 스탬핑용 성형의 열처리 온도에서도 접합부(W) 내에 100% 오스테나이트 조직이 형성되나, 탄소(C)의 함량이 상기 범위보다 낮으면, 도 6에서 도시한 바와 같이, 오스테나이트 루프의 확대량이 작아 열처리 온도가 800℃ ~ 950℃에서 접합부(W) 내에 페라이트 조직이 공존하게 된다.
반면, 탄소(C)의 함량이 상기 범위보다 높으면, 접합부(W)의 과도한 경도, 및 강도 상승에 따라 충돌 시 충격흡수성능이 저하되고, 접합부가 파단되는 등의 문제점을 야기시키는 바, 파우더(PW) 내에 탄소(C)의 함량은 0.2 ~ 1.0 중량% 범위로 조성하는 것이 적절하다.
또한, 망간(Mn)은 탄소(C)보다는 오스테나이트 안정화 역할이 부족한 오스테나이트 안정화 원소로써, 용접공정 시에 고르게 분포되기보다는 망간(Mn) 원소끼리 서로 결합하려는 특성이 강하여 고함량의 망간(Mn)은 오히려 접합부 내에 편석의 원인되는 바, 망간(Mn)의 함량은 모재인 보론강판(1)의 망간(Mn)의 조성비 정도를 유지하도록 1.0~1.5 중량% 범위로 조성하는 것이 적절하다.
즉, 망간(Mn)의 함량이 상기 범위보다 낮으면, 도 6에서 도시한 바와 같이, 오스테나이트 루프의 확대량이 작아 열처리 온도가 800℃ ~ 950℃에서 접합부(W) 내에 역시 페라이트 조직이 공존하게 된다.
반면, 망간(Mn)의 함량이 상기 범위보다 높으면, 용융풀(MP)의 점성 하락과 액상에서 고상 변태 시 팽창 계수의 확대에 따라서 접합부의 불균일한 형상 및 크랙 등의 용접 품질을 저하시키는 문제점이 발생한다.
이와 같이, 탄소(C)에 비해 오스테나이트 안정화 역할이 부족함에도 불구하고, 파우더(PW)에 망간(Mn)을 조성하는 것은 보론강판(1)의 레이저 용접 시, 상기 보론강판(1)의 접합부(W)에 함유되는 망간(Mn)의 성분이 희석되지 않도록 접근하는 것이 유리하다.
또한, 니켈(Ni)은 모재인 보론강판(1)의 성분에 포함되어 있지 않은 오스테나이트 안정화 원소로써, 이러한 니켈(Ni)은 레이저 흡수율을 극대화시켜 다른 합금원소 간의 융착성을 증가시키는 특성이 있어 레이저 용접 시에 망간(Mn)의 단점을 보완하여 용접부 특성을 향상시킨다.
이에, 상기 니켈(Ni) 함량은 망간(Mn)의 함량과 유사한 1.0~1.8 중량% 범위로 조성하는 것이 적절하다.
이러한 파우더(PW)는 상기 오스테나이트 안정화 원소 이외에, 규소(Si), 인(P), 및 황(S)을 분말형태로 더 포함하여 조성될 수 있다.
즉, 상기한 바와 같은 조성을 갖는 파우더(PW)를 보론강판(1)의 레이저 용접 시, 그 용융풀(MP)에 용입하여 첨가함으로써, 그 접합부(W)에 오스테나이트 안정화 원소(예를 들면 탄소(C), 망간(Mn), 니켈(Ni) 등)의 함량이 유지 또는 증가하면, 도 6의 변태곡선과 같이, Ac3온도가 낮아지면서 변태 곡선이 오른쪽으로 이동하여 오스테나이트 루프가 확대된다.
또한, 도 4를 참조하면, 이러한 파우더(PW)는 상기 보론강판(1)의 레이저 용접 시, 옵틱헤드(20)로부터 조사되는 레이저빔(LB)의 초점 둘레에 대응하는 용융풀(MP)에 상기 옵틱헤드(20)로부터 분사되는 운반가스(G1)와 함께 분말형태로 분사되어 용입된다.
이때, 운반가스(G1)로는 헬륨 가스가 사용될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 용접에 방해되지 않으며, 상기 파우더(PW)를 안정적으로 운반할 수 있는 종류의 가스이면, 적용이 가능하다.
또한, 상기 보론강판(1)의 레이저 용접 시에는 용융풀(MP) 둘레에 쉴드가스(G2)를 분사하여 쉴드가스(G2)가 분사되는 상태로 용접이 이루어지도록 할 수 있다.
즉, 상기 쉴드가스(G2)는 옵틱헤드(20)로부터 용융풀(MP)로 분사되어 용접부를 차폐하는 기능을 하며, 이러한 쉴드가스(G2)의 차폐기능으로 용융풀(MP)에 분사되는 정량의 파우더(PW)는 외부로 분산되지 않고 용융풀(MP)에 용입된다.
여기서, 상기 쉴드가스(G2)로는 알곤 가스가 사용될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 이용하여 두께가 서로 다른 2장의 보론강판(1)을 상호 레이저 용접하여 테일러 웰디드 블랭크(TWB)를 제작하게 되면, 접합부(W)에는 핫 스탬핑 성형 시, 열처리 온도에서 작용하는 오스테나이트 안정화 원소인 탄소(C), 망간(Mn) 및 니켈(Ni)의 함량이 유지 또는 더 높거나 추가로 혼입된 상태가 된다.
즉, 상기 보론강판(1)으로 제작되는 테일러 웰디드 블랭크(TWB)는 접합부(W) 내에 철(Fe)을 베이스 원소로 하여 오스테나이트 안정화 원소가 성분으로 함께 조성된 분말형태의 파우더(PW)가 레이저 용접 시, 용융풀(MP)에 첨가된다.
이때, 도 6에서와 같이, 상기 파우더(PW)는 상기 보론강판(1)의 접합부(W) 내에 도금층(CT) 성분인 알루미늄(Al)의 조성이 1.56 중량% 이상 포함된다는 조건에서 핫 스탬핑 성형 과정에 열처리 온도(800℃ ~ 950℃)에 의해 상기 접합부(W)가 풀 오스테나이트 조직으로 존재하도록 오스테나이트 안정화 원소를 함유하는 분말형태로 성분이 조성되어 첨가된다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법은 테일러 웰디브 블랭크(TWB)의 소재가 되는 보론강판(1)의 접합부(W)에 파우더(PW)를 바로 적용하여 레이저용접을 진행하였으나, 테일러 웰디브 블랭크의 소재를 준비하는 과정에, 보론강판(1)의 접합부(W) 상의 약 40um의 두께를 갖는 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)를 약 2mm 정도의 폭으로 선행가공을 통하여 제거한 후에 진행할 수 있다.
즉, 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)의 선행가공은 그라인딩(grinding) 또는 스크레이핑(saraping) 등의 방법으로 진행될 수 있으며, 이러한 과정을 통하여 각 접합부(W) 상에 절단 등에 의해 발생된 버(burr)를 함께 제거할 수 있으며, 무엇보다도 접합부(W) 상의 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)의 부분적인 제거를 통하여 레이저 용접 후, 접합부(W) 내에 페라이트 분율을 더욱 낮출 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 적용되는 파우더의 첨가 유무에 따른 테일러 웰디드 블랭크의 접합부 단면 조직, 및 각 접합부 내의 페라이트 분율을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하여 파우더(PW)의 첨가 유무에 따른 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 접합부(W) 단면 조직을 살펴보면, 도 7의 (A)와 같이, 레이저 용접 시, 파우더(PW)를 첨가하지 않았을 경우에는 용융부(FZ; Floating Zone) 내에 다량의 알루미늄(Al)이 편석되어 다량의 페라이트 조직을 포함하여 페라이드 분율이 30% 이상으로 높으며, 이는 접합부(W) 강도 저하의 원인이 된다.
반면, 도 7의 (B)와 같이, 레이저 용접 시, 파우더(PW)를 첨가하는 경우에는 용융부(FZ) 내에 알루미늄(Al) 편석이 현격히 줄어들었음을 알 수 있으며, 페라이드 분율 또한 10% 이하로 현격히 감소하였다. 이는 접합부(W) 강도에 미치는 영향이 미미하게 된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 적용되는 파우더의 첨가 유무에 따른 테일러 웰디드 블랭크의 접합부에 대한 핫 스탬핑 성형 전,후의 경도 분포도이다.
도 8을 참조하여 파우더(PW)의 첨가 유무에 따른 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 접합부(W)에 대한 핫 스탬핑 성형 전,후의 경도를 비교하여 보면 다음과 같다.
즉, 도 8의 (A)와 같이, 핫 스탬핑 성형 전에는 파우더(PW)의 첨가 유무에 상관없이 접합부(W, 즉, FZ 및 HAZ; Heat Affected Zone)의 경도(약 450Hv 이상)가 모재(BM; Base Metal)의 경도(약 200Hv)에 비하여 높게 나타난다.
이때, 파우더(PW)의 첨가 유무에 따라 레이저 용접에 의한 용융부(MP) 또는 열영향부(HAZ)의 경도차이는 존재하나 모재(BM)에 비해서는 2배 이상의 경도(Hv) 분포를 나타낸다.
그러나 도 8의 (B)와 같이, 핫 스탬핑 성형을 거치게 되면, 모재(BM)의 경도(Hv)는 상승하나, 상기 파우더(PW)를 첨가하지 않은 접합부(W)는 모재(BM)의 경도(Hv)에 비하여 현격히 낮아지고, 파우더(PW)를 첨가한 접합부(W)는 오히려 모재(BM)의 경도(Hv)보다 상승하는 것을 알 수 있다.
결과적으로, 레이저 용접 시, 접합부(W)에 파우더(PW) 성분이 첨가된 테일러 웰디드 블랭크(TWB)는 핫 스탬핑 성형 공정을 거친 후에는 접합부(W)의 경도(500~560Hv)가 오히려 모재(약 500Hv)의 경도보다 높아짐을 알 수 있다.
따라서 본 발명의 실시 예에 따른 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법 및 이를 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크(TWB)의 접합부(W)는 레이저 용접에 의한 접합 시에 보론강판(1)의 성분계와 비교하여 오스테나이트 안정화 원소인 탄소(C)의 함량이 높게 조성되고, 망간(Mn)의 함량이 비슷하게 조성된 분말형태의 파우더(PW)를 용융풀(MP)에 대하여 수직방향에 가깝게 공급되도록 하여 중력 등 요인에 영향을 받지 않으며, 용접라인을 따라 용융풀(MP)의 중심에서 정확하게 공급할 수 있다.
또한, 쉴드가스(G2)의 분사에 의해 용접부가 차폐된 상태로, 상기 파우더(PW)를 운반가스(G1)와 함께 용접라인을 따라서 용융풀(MP)에 지속적으로 일정량이 공급되도록 하여 접합부(W)의 조성을 균일하게 할 수 있어, 핫 스탬핑 성형 이후, 접합부(W)의 기계적 강도를 저하시키는 편석 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 용융풀(MP)에 공급되는 파우더(PW)의 성분에 레이저 흡수율을 높이는 니켈(Ni)을 망간(Mn)의 함량과 비슷하게 오스테나이트 안정화 원소로 추가하여 다른 합금원소 간의 융착성을 증가시켜 핫 스탬핑 성형 이후, 접합부(W)의 강성 특성을 향상시키는 효과가 있다.
즉, 상기한 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크(TWB)는 핫 스탬핑 성형 시, 열처리 온도(800℃ ~ 950℃)에서 접합부(W)가 풀 오스테나이트 조직으로 존재하게 되고, 퀀칭시 풀 마르텐사이트 조직으로 변태하여 강성이 확보된다.
이는 접합부(W)에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층(CT)의 성분인 알루미늄(Al)이 용융풀(MP)에 혼입되더라도 파우더(PW)에 첨가되어 있는 오스테나이트 안정화 원소에 의해 접합부(W)의 미세 조직이 핫 스탬핑 성형 후, 풀 마르텐사이트 조직을 가지게 되는 바, 도금층(CT)을 제거하지 않고 맞대기 레이저 용접에 의해 접합부(W)를 형성하여 도금층(CT)의 성분이 접합부(W)로 혼입되더라도 경도나 강도의 저하를 방지할 수 있게 된다.
이로 인해 접합부(W)의 물성이 모재(BM)의 물성과 차이를 가지지 않게 되므로 접합부(W) 파단 현상을 방지할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 한정된 실시 예와 도면을 통하여 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
CT: 도금층
1: 보론강판
20: 옵틱헤드
PW: 파우더
LB: 레이저빔
W: 접합부
G1: 운반가스
G2: 쉴드가스
MP: 용융풀

Claims (29)

  1. 도금강판의 상호 용접 접합 시, 용접부 둘레에 쉴드가스가 분사되어 차폐가 이루어진 상태로, 상기 도금강판의 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량을 상기 도금강판 수준으로 유지 또는 더 높거나 추가하도록 성분이 조성된 파우더를 운반가스와 함께 용접라인을 따라 레이저빔의 초점 둘레 용접부에 단위용적당 정량으로 용융풀에 대하여 수직방향에 가깝게 분말형태로 공급하여 상기 용융풀에 용입되도록 레이저 용접하며,
    상기 파우더는 철(Fe)을 베이스 원소로 하며, 탄소(C)의 함량이 0.2 ~ 1.0 중량% 범위 내이고, 망간(Mn)의 함량이 1.0 ~ 1.5 중량% 범위 내이고, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.8 중량% 범위 내에서 포함하는 분말형태로 조성되는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도금강판은
    표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판으로 이루어지는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법.
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  10. 제1항에 있어서,
    상기 파우더는
    규소(Si), 인(P), 및 황(S)을 분말형태로 더 포함하여 조성되는 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법.
  11. 삭제
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  15. 적어도 2장의 도금강판을 상호 레이저 용접하여 접합하되, 각 도금강판의 레이저 용접 시, 철(Fe)을 베이스 원소로 하여 탄소(C)의 함량이 0.2 ~ 1.0 중량% 범위 내이고, 망간(Mn)의 함량이 1.0 ~ 1.5 중량% 범위 내이고, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 1.8 중량% 범위 내에서 포함하는 오스테나이트 안정화 원소가 성분으로 함께 조성된 분말형태의 파우더를 용융풀에 첨가하여 상기 도금강판의 각 접합부 내에 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 유지 또는 더 높게 혼입되어 접합되는 테일러 웰디드 블랭크.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 도금강판은
    표면에 알루미늄-규소(Al-Si) 도금층을 갖는 보론강판으로 이루어지는 테일러 웰디드 블랭크.
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  20. 제15항에 있어서,
    상기 파우더는
    규소(Si), 인(P), 및 황(S)을 분말형태로 더 포함하여 첨가되는 테일러 웰디드 블랭크.
  21. 적어도 2장의 도금강판을 상호 레이저 용접에 의해 접합하되, 오스테나이트 안정화 원소가 성분으로 함께 조성된 분말형태의 파우더가 레이저 용접 시에 용융풀에 첨가되어 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 유지 또는 더 높게 혼입된 접합부를 갖도록 청구항 1 또는 청구항 2 또는 청구항 10 중, 어느 하나의 항에 의한 핫 스탬핑용 도금강판의 접합방법을 이용하여 제작되는 테일러 웰디드 블랭크.
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