KR100467487B1 - 자동차용 강판의 강성강화 방법 및 그 성형품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고강도 강판의 적용이 어려운 자동차의 정밀성형품의 경량화를 꾀하고 강도를 향상시킬 수 있는 레이저 강화법(Laser strengthening)을 이용하여 자동차의 부품을 경량화시키기 위한 강판모재 강성강화 방법 및 그 성형품에 관한 것이다.

본 발명은 강성이 요구되는 강판모재의 특정부위에 강성을 강화시키기 위하여 패턴 형성수단을 통해 강판모재에 Nd:YAG 레이저 빔에 의해 용입되는 1차원 또는 2차원 비균질 밀도 선형 형태의 패턴을 형성하고, 용입수단을 통해 상기 패턴을 강판 두께 방향으로 완전용입시켜 강성을 향상시키는 방법과 이를 통해 제작된 성형품을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 강판모재에 강성을 강화시키기 위해 별도의 부재를 덧대지 않더라도 강판 자체에 1차원 또는 2차원 비균질 밀도 선형 형태의 용입된 패턴을 형성하여 강성을 강화시킴으로 강판의 경량화효과를 가질 수 있는 것이다.

Description

자동차용 강판의 강성강화 방법 및 그 성형품{Method for strengthening of Steel Sheets for Automobile and thereof Products}

본 발명은 고강도 강판의 적용이 어려운 자동차의 정밀성형품의 경량화를 꾀하고 강판모재의 강도를 향상시킬 수 있는 레이저 강화법(Laser strengthening)을 이용한 자동차용 강판의 강성 강화방법 및 이를 통해 제작된 성형품에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차를 구성하는 부품의 약 70% 이상은 철강재료로 이루어져있다. 따라서, 차량의 경량화측면에서 도 1과 같은 테일러드 용접 블랭크(TWB, Tailored Welded Blank) 소재(100)가 채용되는 추세이다.

참고로, 본 명세서에서 테일러드 블랭크(Tailored Blank)라 함은, 이종의 두께 또는 재질을 갖는 2개 이상의 평판이 서로 용접되어 있는 부재를 의미한다.

일 예로 용접 블랭크 소재(100)를 롤 포밍하여 도 2의 자동차용 범퍼 레일1 (201)과 레일2 (202)에 적용하고 있다. 상기한 바와 같은 예는 대한민국 특허번호 제269775호(2000년 7월 24일)에 상세히 개시되어 있다.

상기한 선행기술에 따른 강성을 강화하고 경량화시킨 강판모재를 통해 자동차용 범퍼를 제작한 경우 도 1에 도시된 바와 같이 중간 강판(102)은 양단의 강판들(101)에 비해 두께가 두꺼우며 이는 범퍼레일 중앙부의 충돌강성을 유지하면서 보강재를 제거하여 경량화 하고 원가도 절감시킬 수 있었다.

도 1를 보면 중앙강판(102)의 두께를 줄이고 고강도 강판을 사용하게 되면 충돌강성의 저하없이 경량화 측면에서 훨씬 유리해 질 수 있을 것이다. 그러나, 강판이 고강도화 될수록 프레스 성형성이 저하되기 때문에 고가의 금형이 손상되거나 정밀한 성형이 매우 어려운 문제가 있다.

또한 롤 포밍하는 경우에는 고강도 강판을 적용해도 성형이 가능하나 10단 20단의 롤 금형들이 필요하고 단면형상 변경의 유연성이 없을 뿐만 아니라 자동차 범퍼와 달리 단면형상이 일정하지 않은 일반적인 차체 부품(주로 프레스 성형)의 성형이 불가능하다.

한편 도요다 자동차에서는 기존의 프레스 성형부품을 고주파 유도강화(Induction Hardening)하여 부품의 강도를 향상시킬 수 있는 방법을 자동차의 FPI(Front Pillar Inner), FFC(Front Floor Cross), CPR(Center Pillar Reinforcement) 부위의 강판 성형품 등에 적용한 예를 제시하고 있으나, 고주파 유도 경화법에 의한 강성강화법의 경우는 입열량이 크기 때문에 미리 강판의 변형량을 예측하여 그 변형량에 따른 열변형을 보상해 주어야 하며, 별도의 열변형을 방지하기 위한 수냉장치를 갖추어야 하는 문제가 있고, 또 코일을 감은 고주파장치를 사용하여야 함으로 표면처리강판, 복잡한 형상에는 적용하기가 어려운 매우 불리한 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명은 적은 입열량을 사용하여 부품의 변형을 최소화시킬 수 있으며, 자체 냉각으로 수냉장치가 필요하지 않는 방법으로 자동차의 강판모재를 강화시키고 경량화를 꾀할 수 있는 효과를 제공하며, 손쉽게 다양한 강판모재에 적용할 수 있는 자동차용 강판모재의 강성강화 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 부재를 덧대지 않더라도 기존의 프레스 성형된 강판모재 자체에 직접 강성 강화를 부여할 수 있으며, 고강도 강판 테일러드 용접블랭크를 사용하지 않더라도 성형품의 강성을 고강도 강판이 요구하는 수준의 강성을 갖는 성형품을 제공하는데 있다.

이와 같은 본 발명의 목적을 구현하기 위해 본 발명은:

자동차 강판의 특정부위의 강성을 강화시키기 위하여 패턴 형성수단을 통해 강판모재 표면에 Nd:YAG 레이저 빔에 의해 용입되는 1차원 또는 2차원 비균질 밀도 선형 형태의 용입패턴을 형성하여 강성을 부여함으로서 달성되어 질 수 있다.

상기의 패턴형성수단의 일 예로서는 Nd:YAG 레이저 빔의 집속력이 우수한 용접용 헤드를 통해 강판모재에 레이저 빔을 직접 조사하여 열에 의한 용입 패턴을 형성하거나, 집속력은 용접용 헤드에 비해 떨어지지만 상대적으로 넓은 면적에 용입패턴을 형성할 수 있는 용접용 헤드를 통해 강판모재의 표면에 용입패턴을 형성함으로서 강성을 강화시킬 수 있다.

따라서, 본발명은 자동차의 강판모재에 직접 열을 가하여 국부적으로 용입패턴을 형성함으로서 용입패턴 부분이 다른 부분에 비해 조직이 강화되면서 강성이 향상됨으로 별도의 부재를 사용하지 않더라도 강성을 강화할 수 있을 뿐만 아니라 무게를 경량화시키는 효과가 제공되는 것이다.

도1은 종래의 레이저 용접된 테일러드 용접 블랭크 소재를 나타내는 개념도,

도 2는 종래의 레이저 용접된 테일러드 용접 블랭크 소재를 사용한 자동차용

범퍼의 개념도,

도 3은 성형품의 기본 구조를 예시하는 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 빔이 조사된 부품을 나타내는 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 레이저 가공에 의한 용입부를 나타낸 사시도.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 레이저 빔 조사 강화장치를 도시하는

사시도,

도 7은 본 발명의 레이저 빔 조사후 탄소함량에 따른 경도를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명의 시편의 화학성분중 탄소와 망간의 함량에 따른 인장강도에 미치는 영향을 나타낸 그래프,

도 9는 본 발명에 따른 T80과 S60의 경도분포를 나타낸 그래프,

도 10은 본 발명에 따라 레이저 빔을 조사하여 다양한 용입패턴이 성형된 강판모재들의 사시도,

도 11은 도 10의 강판모재를 굽힘시험을 한 결과를 나타낸 그래프,

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

100:테일러드 용접 블랭크 101, 102 :강판

200:범퍼 빔 201:범퍼레일 1

202:범퍼레일 2 203:차체 연결부

300:차체부품 기본구조(모자형 구조) 301:외부패널

302:내부패널 304:내부보강재

400:레이저 빔이 조사된 차체부품 401:레이저 빔 패턴

501:완전 용입부

600:3차원 레이저 빔 조사강화장치

603:로봇 604:광케이블

이하, 상기 목적을 실현 할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

참고로, 본 발명에 따른 레이저 강화법을 이용한 강판의 강성강화의 예로서 자동차용 범퍼에 사용되는 강판재에 적용한 예를 통해 설명되어질 것이나 이는 단지 이해를 돕기 위한 목적으로 설명되어지는 것일 뿐 강판재를 성형하는 다양한 성형품 제작에 널리 적용될 수 있음을 이해하게 될 것이다.

도 3은 일반적인 강판의 강성강화를 위한 자동차용 범퍼 빔의 구조를 나타낸 것으로, 강판성형품은 강성을 부여하기 위해 기본 구조가 모자형(Hat type)구조를이루어져 있다. 이 모자형 강판모재는 외부패널(301)과 내부 패널(302)로 구성되어 있으며, 저항 점용접(303)에 의해 서로가 접합되어 제작된다. 상기한 패널들(301, 302)는 각각 일정한 두께를 가지고 있으므로 국부적으로 강성을 키우는 경우, 종래에는 그 속으로 내부보강재(304)을 삽입하였다.

그리고 경량화 측면을 고려할 경우 위에서 언급한 바와 같은 선행 특허문헌에 개시되어 있는 바와 같이 내부보강재(304) 부위를 고강도 강판 또는 두께를 달리하는 소재로 이루어진 테일러드 용접 블랭크 소재(100)를 사용할 수 있으나 전술한 바와 같이 성형성이 떨어지게 되어 정밀한 성형이 어렵게 된다.

그러나, 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 부재를 사용하지 않고, 외부패널(301)과 내부패널(302)로만 조립된 상태에서 레이저 빔을 국부적으로 조사하여 레이저 빔 패턴(401)을 형성하여 강성을 강화시킬 수 있도록 하여 기존의 성형부품을 그대로 사용하여 강도를 향상시킬 수 있다.

패턴 형성수단에 의해 형성되는 용입패턴(401)은 충돌시 강성이 유지되어야 할 부분의 위치를 해석 및 계산하여, 충돌 시뮬레이션(프로그램으로 작동됨)을 통해 강성이 요구되는 부위에 레이저 빔에 의해 1차원 또는 2차원 비균질 밀도 선형 형태로 형성된다.

상기 패턴 형성수단의 구체적인 수단의 일 예로서는 레이저 용접용 헤드 혹은 열처리용 헤드를 선택적으로 사용할 수 있다. 상기한 레이저 용접용 헤드는 레이저 빔을 집속시켜 협소한 부위를 용융시킬 때 주로 사용되는 헤드이고, 열처리용 헤드는 금속의 표면을 비교적 넓은 면적으로 가열할 때 사용되는 헤드로서, 열처리용 헤드를 이용하여 레이저 빔 패턴을 형성할 경우 용입(용융) 면적이 용접용 헤드에 비하여 면적이 넓기 때문에 레이저 조사선 수를 줄일 수 있는 잇점이 있다.

도 4의 성형품의 절단한 면을 나타내는 도 5을 보면 국부적으로 완전 용입부(501)를 형성하는 용입패턴(401)이 포함된다. 용입패턴 형성수단에 따라 레이저 빔이 강판에 조사되면 용입열이 강판내부로 전도되어 강판 두께 방향으로 완전히 용입되는 완전용입부(501)를 형성시킨다.

이는 부분용입의 경우가 오히려 완전용입에 비해 변형이 크기 때문이다. 강판(400)의 용입부는 급속냉각되어 타 부위에 비해 조직이 변태하여 경도가 2배이상 높게되며 이로 인하여 강도가 상승하게 된다.

따라서, 용입수단에 있어 용입부가 넓을 수록 강도향상 효과가 크게 되므로 여러줄의 완전용입선으로 된 용입패턴(401)을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

아울러, 레이저 용접용 헤드를 사용하는 경우에는 레이저 빔을 작게 집속함으로서 용접과 같은 원리로 용입패턴을 형성할 수 있으므로 작은 면적이나 국부적인 표면에 집중적으로 용입패턴을 형성할 수 있는 잇점이 있다.

열처리용 헤드를 사용하는 경우에는 용입면적이 용접헤드를 사용하는 경우에 비해 넓으므로 레이저 조사선 수를 줄일 수 있으나 용접용 헤드에 비해 상대적으로 많은 에너지가 소요된다.

본 발명의 레이저 빔 패턴 형성수단을 자동차용 범퍼와 같이 곡면의 경우나 일반 차체부품과 같이 3차원 형상 부품(601)에 적용하는 경우에는 도 6과 같이 Nd:YAG레이저(602)와 로봇(603)을 접목한 3차원 구동장치로 구성할 수 있다.

Nd:YAG레이저(602)에서 레이저 빔은 광케이블(604)로 로봇(603)의 용접 또는열처리 헤드에 전송되므로 로봇이 3차원 구동을 원할하게 한다.

상기와 같이 제작된 강판성형품을 시험을 통해 그 결과를 확인하였다.

시험조건으로서 시험 재료는 냉연강판 S60, S80, 열연강판 S38, 석출강화형 강판S35, T60(Trip강), T80(Trip강)의 인장강도 40㎏f/㎟ ∼ 90㎏f/㎟의 범위를 갖는 강판소재를 사용하였다. 이 강판들의 화학조성비 및 레이저 강화 전후의 인장강도와 경도는 아래의 표와 같다.

모재	화학조성비(wt%)	레이저 조사 강화전	레이저 조사강화 후
		인장강도(㎏f/㎟)	경도(Hv)	인장강도(㎏f/㎟)	경도(Hv)
	C					Si	Mn
S60	0.09	0.52	1.75	63.7	215.6	73.8	365.5
S80	0,14	0.5	2.4	89.8	340.3	101.4	446
S38	0.08	.	0.6	41.4	214.4	47.5	280.8
T35	0.023	.	0.15	43.2	256.7	49.8	363.1
T60	0.084	0.97	1.52	64.3	266.8	72.9	432.2
T80	0.19	1.6	1.6	85.3	332.8	101.2	528.5

(실험조건 및 방법)

실험장치 및 실험방법으로는 레이저 빔 조사 실험은 테일러드 블랭크 레이저 용접 시스템을 활용하였으나 사용된 Nd:YAG레이저 발진기는 Hass사 HL40061모델로 4㎾급이다. 레이저 출력은 4㎾, 빔 조사속도는 5mm/min로 하여 강판모재에 조사하였다. 레이저 빔을 조사한 후 인장강도를 측정하기 위해 강판으로부터 인장시험편을 JIS 5호 규격으로 채취하였으며, 인장방향이 수평방향으로 3줄(한칸이 5mm)의 용입선을 가지도록 하였다.

인장시험에 사용된 장비는 시마츠(Shimadzu)사의 인장시험기(최대하중 25톤)를 사용하였으며, 인장속도는 2mm/min으로 하였다. 인장강도는 조건별로 3개 이상의 시험편의 실험결과를 평균하여 구하였고, 빔 조사부의 강도를 측정하기 위하여 비커스 경도계(JIM-122, Ahashi)를 이용하였으며, 이때 하중은 100g으로 하였다.

(실험결과)

도 7는 탄소 함량에 따른 강판들의 Nd:YAG 레이저 조사 강화 후의 강도 및 경도를 나타내고 있으나, S60강판의 경우 Hv=300∼394로 CO₂레이저의 경우와동등한 효과를 보이고 있으나, S35강판의 경우 Hv218이므로 Md:YAG레이저 빔 조사시 레이저의 경우에 비해 경도가 높게 나타났다. 이는 S35의 경우 Nd:YAG레이저 빔 조사가 CO₂레이저 빔 조사에 비하여 매우 크므로 냉각효과가 S60에 비하여 현저히 크게 나타나는 경우라고 볼 수 있다.

도 8은 시편의 화학성분중 탄소(C) 및 망간(Mn) 함량에 따른 강판들의 Nd:YAG 레이저 빔 3줄 완전 용입 조사한 후의 인장강도는 상승을 나타내고 있다. S60강판의 경우 ΔTS=9.9∼11.290㎏f/㎟, S35강판의 경우는 ΔTS=7.6㎏f/㎟이므로 CO₂레이저의 경우와 거의 동등한 효과가 있음을 알 수 있었다.

Nd:YAG레이저 조사강화시 입열량(Q)은 48kJ/m로 CO₂레이저 강화조사시의 입열량보다 작으나 동등한 강화효과가 나타남으로 Nd:YAG레이저 빔의 파장 1.06㎛이 CO₂레이저 빔의 파장 10.6㎛보다 짧아 강판 내부로의 빔 흡수율이 높기 때문에 나타나는 현상이다.

도 8에서 비슷한 탄소 함유량을 가진 S60, T60, S38의 3개의 강판을 비교해보면 Mn함량이 높을 수록 인장강도 증가(강화)가 큼을 알 수 있다.

도면 9은 T80과 S60의 경도 분포도를 나타낸 것으로 탄소가 많을 수록 경도가 상승하고, Mn이 많을 경우 경화변태조직(최대경도치 범위)넓음을 알 수 있다.

Mn은 최고 경도의 상승에도 기여하지만 강의 γ/α변태점을 크게 저하시키게 한다. 따라서, 동일한 온도분포를 주는 경우에도 Mn량이 많아지면 γ상이 되는 영역이 변화하여 경화폭이 증대한 것으로 판단된다.

따라서, Nd:YAG레이저 빔 조사와 CO₂레이저 빔 조사의 효과는 거의 같음을 알 수 있었다. 그러나 실험결과는 다소 차이를 보이고 있으나 이는 레이저 출력등의 실험조건의 차이로 인해 변태영역, 경도등의 차이에 기인한다.

본 발명의 Nd:YAG레이저 조사강화 결과는 강성강화의 실제 적용성을 평가하기 위해 모자 타입(Hat type)시편에 적용하였다.

굽힘실험을 위하여 S60, S80, S38, T35, T60, T80강판을 사용하여 출력 4㎾, 빔 조사속도; 5m/min, 조사라인 수; 3(피치 5mm)의 조건에서 Nd:YAG레이저 조사강화효과를 분석하였다.

실험조건으로는 시편을 스트로크(Stroke) 5m/mm으로 굽힘시험하고, 3포인트 시험조건으로 거리가 120mm이다. 굽힘시험은 Schimalzu사의 Autogranole를 사용하였다.

도 10은 본 발명에 따라 강판에 레이저 빔이 조사된 다양한 용입패턴들이 형성된 모재들이다. 상기의 모재를 위 실험를 통해 도 11과 같은 그래프를 구할 수있었다. 이 그래프를 보면 , 10dms L4와 L2의 혼합형태인 L6패턴의 경우 최대 굽힘 하중을 나타내며, 패턴이 없는 M에 비해 약 30%최대하중 증가율을 보인다.

따라서, 이를 종합해보면 첫째, S60, S38의 경우 CO₂레이저 빔 조사강화와 유사하였으며, 재료의 화학적 성분에서 C/Mn에 비례하여 레이저 강화효과가 큰 것을 알 수 있었다.

둘째, 표준 시편 대비 굽힘강도가 30% 증가하여 30%의 경량화가 가능함을 알 수 있었다.

셋째, 구부적인 레이저 조사 강화기술은 테일러 용접 블랭크의 적용이 어려운 자동차 부품의 경량화에 매우 효과적으로 사용될 수 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존의 프레스 성형품을 사용하여 고강도강판 수준의 강도향상을 얻을 수 있으므로 경량화 효과가 매우 클 뿐만 아니라 정밀성형이 요구되는 부품으로의 적용이 매우 용이한 효과를 제공하게 되는 것이다.

Claims (4)

1. 자동차 강판의 특정부위의 강성을 강화시키기 위하여 패턴 형성수단을 통해 강판모재 표면에 Nd:YAG 레이저 빔에 의해 용입되는 1차원 또는 2차원 비균질 밀도 선형 형태의 용입패턴을 형성하여 강성을 부여한 것을 특징으로 하는 자동차의 강판 강성강화 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 강판의 용입 패턴이 완전용입되도록 하여 제작되는 것을 특징으로 하는 자동차의 강판 강성강화 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 강판의 용입 패턴이 부분용입 패턴으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차의 강판 강성강화 방법.
4. 제 1항에 따라 제작된 것을 특징으로 하는 자동차용 강판 성형품.