KR101246909B1 - 핫 스탬핑 강판의 접합방법 - Google Patents

Abstract

핫 스탬핑 강판의 접합방법이 개시된다. 본 실시예에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법은 코팅층을 가지며 서로 두께가 다른 코팅 보론 강판을 핫 스탬핑 강판 소재로 하여 상호 맞대기 접합하기 위한 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 있어서, 상기 각 코팅 보론 강판의 전면을 일치시켜 지그 상에 전면이 위로 배치되도록 맞대어 규제하는 제1단계: 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 전면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판의 전면 용접라인 주위의 코팅층을 선행하여 제거하는 제2단계; 상기 각 코팅 보론 강판의 배면을 일치시켜 상기 지그 상에 배면이 위로 배치되도록 맞대어 규제하는 제3단계: 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 배면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판의 배면 용접라인 주위의 코팅층을 후행하여 제거하는 제4단계; 상기 제4단계에 이어, 상기 지그 상에서, 각 코팅 보론 강판이 각각의 배면을 위로하여 규제된 상태로, 두께가 두꺼운 코팅 보론 강판에 대하여 두께가 얇은 코팅 보론 강판을 두께차이만큼 아래로 내려 각각의 전면을 일치시키는 제5단계; 상기 제5단계에 이어, 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 배면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 조사하여 맞대기 레이저 용접을 진행하는 제6단계를 포함한다.

Description

핫 스탬핑 강판의 접합방법{WELDING METHOD FOR HOT STAMPING COATING STEEL SHEETS}

본 발명은 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Al-Si 코팅층을 갖는 핫 스탬핑 강판의 용접부 품질을 확보할 수 있도록 하는 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 메이커에서 최초로 신차 개발 시에는 개발된 차량의 안전도를 검증하기 위하여 다양한 안전성 시험을 하게되는데, 이는 일정한 기준을 마련하고 이 기준에 합당한지 여부에 따라 완성도를 체크하게 된다.

차량에 있어서의 안전성은 특히, 승차자의 생명에 관련하는 바, 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 성형하여 구성되어 차체의 안전성에 영향을 미치는 강성과 연비에 영향을 미치는 경량화를 동시에 만족하기에는 한계가 있었다.

이에 따라, 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 초고장력 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 맞춤 블랭크를 제조하는 TWB(tailor welded blank)및 TRB(tailor rolled blank) 기술, 및 일체화 성형기술인 액압 성형(hydroforming) 기술 등의 개발이 지속적으로 진행되고 있는 추세이다.

특히, 최근에는, 도 1에서 도시한 바와 같이, 보론 강판(1)을 이용한 열간 프레스 성형 기술인 핫 스탬핑(hot stamping) 기술이 활발하게 연구되고 있다.

즉, 핫 스탬핑(hot stamping) 기술은 보론 강판(1)을 적정온도(약 900℃)로 가열하여 프레스 금형(3) 내에서 프레스 성형으로 한번에 성형한 후, 급속 냉각하여 고강도 부품(5)을 제조하는 성형기술이다.

여기에 적용되는 보론 강판(1)은 미량의 보론(boron)이 첨가된 강판으로, 도 2에 도시한 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(담금질 시, 마르텐사이트 형성으로 경화되는 강의 능력)을 현저히 개선하게 된다.

이러한 보론 강판(1)의 물리적 특성을 이용한 핫 스탬핑 성형은 기존의 고강도 강을 이용한 성형법과는 달리 성형 전 500~800MPa 정도의 인장강도를 가지는 페라이트 조직의 보론 강판을 900℃ 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 성형기술의 이점에도 불구하고, 일반적으로 적용되는 핫 스탬핑 강판(일반 보론 강판)은 핫 스탬핑 성형공정을 거치면서 표면에 산화 피막(산화 스케일)을 발생시키는 단점이 있어, 이를 방지하기 위해 보론 강판의 표면에 Al-Si이 코팅 처리된 코팅층을 갖는 코팅 보론 강판을 핫 스탬핑 강판 소재로 개발하여 사용된다.

한편, 최근에는 이러한 핫 스탬핑 강판의 소재절감 및 경량화에 더욱 적극적으로 대응하기 위해 핫 스탬핑 강판 소재를 맞춤 블랭크로 제조하는 TWB(tailor welded blank) 공법을 병행하여 적용하고 있다.

그러나, 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기한 Al-Si 코팅층(C)을 갖는 코팅 보론 강판(P)을 핫 스탬핑 강판 소재로 하여 TWB 공법을 적용할 경우, 용융에 의한 용접부(W) 내부의 대류현상으로 양측 단면상의 Al-Si 코팅층(C)이 용접부(W) 내에 혼입되어 대부분 백색의 금속간 화합물(M)로 존재하게 된다.

이러한 금속간 화합물(M)은 FeAl₃ 과 Fe₂Al₃ 로 존재하게 되며, 이로 인해 용접부(W)의 인장 강도가 1100Mpa 이하로 떨어지게 되며, 충격에너지에 의해 용접부 파단이 쉽게 발생하는 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 핫 스탬핑 강판에 TWB 공법을 적용하기 위하여 두께가 다른 Al-Si 코팅층을 갖는 2장의 코팅 보론 강판의 맞대기 접합 시, 용접라인을 따라 레이저 어블레이션 공정을 통하여 Al-Si 코팅층을 선처리하여 제거한 후, 레이저 용접을 진행함으로써 용접부 인장강도를 확보할 수 있도록 하는 핫 스탬핑 강판의 접합방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법은 코팅층을 가지며 서로 두께가 다른 코팅 보론 강판을 핫 스탬핑 강판 소재로 하여 상호 맞대기 접합하기 위한 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 있어서,

상기 각 코팅 보론 강판의 전면을 일치시켜 지그 상에 전면이 위로 배치되도록 맞대어 규제하는 제1단계: 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 전면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판의 전면 용접라인 주위의 코팅층을 선행하여 제거하는 제2단계; 상기 각 코팅 보론 강판의 배면을 일치시켜 상기 지그 상에 배면이 위로 배치되도록 맞대어 규제하는 제3단계: 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 배면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판의 배면 용접라인 주위의 코팅층을 후행하여 제거하는 제4단계; 상기 제4단계에 이어, 상기 지그 상에서, 각 코팅 보론 강판이 각각의 배면을 위로하여 규제된 상태로, 두께가 두꺼운 코팅 보론 강판에 대하여 두께가 얇은 코팅 보론 강판을 두께차이만큼 아래로 내려 각각의 전면을 일치시키는 제5단계; 상기 제5단계에 이어, 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 배면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 조사하여 맞대기 레이저 용접을 진행하는 제6단계를 포함한다.

상기 제2단계 및 제4단계의 레이저 어블레이션 공정은 서로 맞대어 규제되는 각 코팅 보론 강판의 용접라인을 따라 코팅층 표면에 레이저 어블레이션 조건에 따른 펄스 레이저를 조사하여 연소시키면서, 일측방에서 노즐을 통하여 어블레이션 가스를 분사하여 연소된 코팅분진을 불어내고, 타측방에서 집진기를 통하여 코팅분진을 집진하도록 진행될 수 있다.

상기 레이저 어블레이션 조건은 레이저 출력을 1.0KW 이상으로 하고, 레이저 펄스조사시간을 50ns 이하로 하며, 레이저 펄스의 에너지는 100mJ 이상으로 할 수 있다.

상기 어블레이션 가스는 헬륨 가스로 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 의하면, 두께가 다른 Al-Si 코팅층을 갖는 2장의 코팅 보론 강판의 맞대기 접합을 위한 용접라인을 따라 레이저 어블레이션 공정을 통하여 양면의 Al-Si 코팅층을 선처리하여 제거한 후, 맞대기 레이저 용접을 진행함으로써, 용접부 내부에 Al-Si 코팅층이 혼입되지 않도록 하고, 이로 인해 FeAl₃ 과 Fe₂Al₃ 등의 금속간 화합물이 용접부 내부에 존재하지 않아 용접부 인장강도를 확보할 수 있다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 공정의 개념도이다.
도 2는 보론 첨가에 따른 효과를 나타낸 등온냉각 변태곡선(TTT: Time Temperature Transformation)이다.
도 3은 종래 기술의 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 따른 Al-Si 코팅층을 갖는 코팅 보론 강판의 용접부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 따른 공정도이다.
도 5는 펄스 레이저에 의해 Al-Si 코팅층에 나타나는 레이저 어블레이션 현상의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 의한 Al-Si 코팅층을 갖는 코팅 보론 강판의 용접부 단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 따른 공정도이다.

본 실시예에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법은 핫 스탬핑 강판의 소재절감 및 경량화에 더욱 적극적으로 대응하기 위해 핫 스탬핑 강판 소재를 맞춤 블랭크로 제조하는 TWB(tailor welded blank) 공법을 병행하여 적용하기 위하여 Al-Si 코팅층(C)을 가지며 두께가 서로 다른 코팅 보론 강판(P1,P2)을 상호 맞대기 접합하기 접합방법이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 핫 스탬핑 강판의 접합방법은 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 전면(F1)을 일치시켜 지그(10) 상에 전면(F1)이 위로 배치되도록 맞대어 규제한다.(S1)

이때, 지그(10) 상에서 두께가 서로 다른 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 각 전면(F1)을 위로하여 일치시키기 위해서는 지그(10) 상의 일측방에 액추에이터(A) 구동하는 높이 보정판(11)을 두고, 상기 높이 보정판(11) 상에 두께가 얇은 코팅 보론 강판(P1,P2)을 규제하여 각 코팅 보론 강판(P1,P2) 사이의 두께차이만큼 두께가 얇은 코팅 보론 강판(P2)의 높이를 보정할 수 있도록 한다.

이러한 상태로, 상기 지그(10) 상에 규제된 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 전면(F1)에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔(LB)을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 전면(F1) 용접라인 주위의 Al-Si 코팅층(C)을 선행하여 제거한다.(S2)

여기서, 레이저 어블레이션 공정은 서로 맞대어 규제되는 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 전면(F1)에 대하여 그 용접라인을 따라 Al-Si 코팅층(C) 표면에 레이저 어블레이션 조건에 따른 펄스 레이저를 조사하여 연소시키면서, 일측방에서 노즐(13)을 통하여 어블레이션 가스를 분사하여 연소된 코팅분진을 불어내고, 타측방에서는 집진기(15)를 통하여 코팅분진을 집진하여 진행된다.

한편, 도 5는 펄스 레이저에 의해 Al-Si 코팅층(C)에 나타나는 레이저 어블레이션 현상의 확대도이다.

이때, 상기 레이저 어블레이션 조건은 레이저 출력을 1.0KW 이상으로 하고, 레이저 펄스조사시간을 50ns 이하로 하며, 레이저 펄스의 에너지는 100mJ 이상으로 설정된다.

또한, 상기 어블레이션 가스는 헬륨 가스를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 상기 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 전면(F1) 상의 용접라인을 따라 Al-Si 코팅층(C)이 제거된 후에는 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 배면(F2)을 일치시켜 상기 지그(10) 상에 배면(F2)이 위로 배치되도록 뒤집어서 맞대어 규제한다.(S3)

이러한 상태로, 상기 지그(10) 상에 규제된 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 배면(F2)에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔(LB)을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 배면(F2) 용접라인 주위의 Al-Si 코팅층(C)을 후행하여 제거한다.(S4)

여기서, 상기 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 배면(F2)에 대한 레이저 어블레이션 공정도 상기한 전면(F1)에 대한 레이저 어블레이션 공정과 같이, 서로 맞대어 규제되는 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 배면(F2)에 대하여 그 용접라인을 따라 Al-Si 코팅층(C) 표면에 레이저 어블레이션 조건에 따른 펄스 레이저를 조사하여 연소시키면서, 일측방에서 노즐(13)을 통하여 어블레이션 가스를 분사하여 연소된 코팅분진을 불어내고, 타측방에서는 집진기(15)를 통하여 코팅분진을 집진하여 진행된다.

또한, 상기 레이저 어블레이션 조건과 상기 어블레이션 가스는 동일하게 적용된다.

이와 같이, 상기 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 전면(F1)과 배면(F2)의 용접라인을 따라 Al-Si 코팅층(C)이 제거된 후에는 상기 지그(10) 상에 각 코팅 보론 강판(P1,P2)이 각각의 배면(F2)을 위로하여 규제된 상태로, 두께가 두꺼운 코팅 보론 강판(P1)에 대하여 두께가 얇은 코팅 보론 강판(P2)을 두께차이만큼 아래로 내려 지그(10) 상에 아래로 위치된 각각의 전면(F1)을 일치시킨다.(S5)

즉, 액추에이터(A) 구동하는 높이 보정판(11)을 두께차이만큼 하강하여 두께가 두꺼운 코팅 보론 강판(P1)에 대하여 두께가 얇은 코팅 보론 강판(P2)을 하강시키게 된다.

이러한 상태로, 상기 지그(10) 상에 배면(F2)을 위로하여 규제된 각 코팅 보론 강판(P1,P2)의 배면(F2)에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔(LB)을 조사하여 맞대기 레이저 용접을 진행한다.(S6)

따라서 상기한 바와 같은 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 따라 상호 맞대기 접합된 Al-Si 코팅층(C)을 갖는 2장의 코팅 보론 강판(P1,P2)은 용접라인 주위의 양면에 Al-Si 코팅층(C)이 제거된 상태로 레이저 용접이 진행된다.

이에, 도 6에서 도시한 바와 같이, 그 용접부(W) 내부에는 Al-Si 코팅층(C)이 혼입되지 않아 FeAl₃ 과 Fe₂Al₃ 등의 금속간 화합물이 존재하지 않게 되며, 이로 인해 용접부(W)의 인장강도를 확보할 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.

C: Al-Si 코팅층
P1,P2: 코팅 보론 강판
F1: 전면
F2: 배면
10; 지그
A: 액추에이터
11: 높이 보정판
LB: 레이저빔
13: 노즐
15: 집진기
W: 용접부

Claims (4)

1. 코팅층을 가지며 서로 두께가 다른 코팅 보론 강판을 핫 스탬핑 강판 소재로 하여 상호 맞대기 접합하기 위한 핫 스탬핑 강판의 접합방법에 있어서,
   상기 각 코팅 보론 강판의 전면을 일치시켜 지그 상에 전면이 위로 배치되도록 맞대어 규제하는 제1단계:
   상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 전면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판의 전면 용접라인 주위의 코팅층을 선행하여 제거하는 제2단계;
   상기 각 코팅 보론 강판의 배면을 일치시켜 상기 지그 상에 배면이 위로 배치되도록 맞대어 규제하는 제3단계:
   상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 배면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 통한 레이저 어블레이션 공정을 진행하여 상기 각 코팅 보론 강판의 배면 용접라인 주위의 코팅층을 후행하여 제거하는 제4단계;
   상기 제4단계에 이어, 상기 지그 상에서, 각 코팅 보론 강판이 각각의 배면을 위로하여 규제된 상태로, 두께가 두꺼운 코팅 보론 강판에 대하여 두께가 얇은 코팅 보론 강판을 두께차이만큼 아래로 내려 각각의 전면을 일치시키는 제5단계;
   상기 제5단계에 이어, 상기 지그 상에 규제된 각 코팅 보론 강판의 배면에 대하여 용접라인을 따라 레이저빔을 조사하여 맞대기 레이저 용접을 진행하는 제6단계를 포함하며,
   상기 제2단계 및 제4단계에서, 상기 레이저 어블레이션 공정은 서로 맞대어 규제되는 각 코팅 보론 강판의 용접라인을 따라 코팅층 표면에 레이저 어블레이션 조건에 따른 펄스 레이저를 조사하여 연소시키면서, 일측방에서 노즐을 통하여 어블레이션 가스를 분사하여 연소된 코팅분진을 불어내고, 타측방에서 집진기를 통하여 코팅분진을 집진하도록 진행되며,
   상기 레이저 어블레이션 조건은 레이저 출력을 1.0KW 이상으로 하고, 레이저 펄스조사시간을 50ns 이하로 하며, 레이저 펄스의 에너지는 100mJ 이상으로 하며,
   상기 어블레이션 가스는 헬륨 가스인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 강판의 접합방법.
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