KR101287018B1 - A method for manufacutring laser welded boron sheet with hot stamping process - Google Patents
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Abstract
본 발명은 보론강판의 핫스템핑 제조방법에 관한 것으로서, 국부적으로 이종강도가 요구되는 부품을 제조하기 위해 서로 다른 블랭크 소재를 마련하는 소재 마련 단계; 서로 다른 상기 블랭크 소재를 서로 접합하는 용접 단계; 접합된 상기 블랭크 소재를 가열하는 가열 단계; 및 가열된 상기 블랭크 소재를 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하여 핫스템핑 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for producing hot stamping of boron steel sheet, the material preparation step of providing different blank material to manufacture a component that requires the local heterogeneous strength; Welding the different blank materials to each other; A heating step of heating the joined blank material; And hot forming the heated blank material at 650 ° C. to 700 ° C. to form a hot stamping step.
Description
본 발명은 레이저 용접된 보론 강판을 핫스탬핑 공정을 통해 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a laser welded boron steel sheet through a hot stamping process.
최근 자동차 관련 법규는 승객의 안전성 강화를 위해 엄격한 차체(body in white, BIW) 충돌 성능을 요구하고 있다. 또한 환경에 대한 인식이 높아지면서 배기가스 규제에 따른 연비 기준이 강화되어 이에 따른 차체 경량화에 대한 필요성이 지속적으로 높아지고 있다. 충돌성능향상과 경량화라는 요구 조건을 동시에 만족하기 위한 노력의 일환으로 고강도 강판의 차체 적용 양이 지속적으로 증가하고 있다. 그러나 고강도 강판의 경우 연신율이 낮기 때문에 높은 성형성을 요구하는 복잡한 형상 부품에 대해서는 그 적용이 제한될 수 밖에 없다. 이를 극복하기 위하여 고온에서 가열된 보론 첨가 소재(보론강판)를 프레스에서 성형한 후 냉각하는 열간 성형(핫스템핑(hot stamping), 핫프레스포밍(hot press fomring) 또는 프레스 하드닝(press hardening))기술이 1990년대 말부터 개발되었고, 핫스템핑 기술을 이용한 1400MPa급 차체 부품이 개발되어 다양하게 적용되고 있다. TWB 보론강판 핫스템핑 기술은 보론강판과 종류나 두께가 다른 소재를 용접(주로 레이저 용접)하여 블랭크를 제작하고 이를 핫스템핑 공법으로 부품을 성형하는 기술로 부품의 충돌 향상 및 경량화를 극대화 시킬 수 있는 장점이 있으나, 보론강판의 레이저 용접에 따른 파괴거동으로 인하여 레이저 용접된 맞춤용접판재(tailor welded blank, TWB) 보론 강판의 핫스템핑에는 종래 어려움이 있었다.Recently, automobile regulations require strict body in white (BIW) collision performance to enhance passenger safety. In addition, as the awareness of the environment increases, the fuel economy standards for exhaust gas regulations are strengthened, and the necessity for weight reduction is continuously increasing. As part of efforts to simultaneously satisfy the requirements of improving the collision performance and light weight, the amount of application of high-strength steel sheet to the body is continuously increasing. However, in the case of high strength steel sheet, the elongation is low, so the application is limited to complex shaped parts requiring high formability. In order to overcome this, hot forming (boron steel sheet) heated at high temperature is formed in a press and then hot formed (hot stamping, hot press fomring or press hardening). Technology has been developed since the late 1990s, and 1400MPa class body parts using hot stamping technology have been developed and applied in various ways. TWB boron steel sheet hot stamping technology produces blanks by welding materials of different types or thicknesses (mainly laser welding), and forms parts by hot stamping method to maximize the collision of parts and light weight. Although there is an advantage, there is a conventional difficulty in hot stamping a laser welded blank (TWB) boron steel sheet due to fracture behavior due to laser welding of the boron steel sheet.
종래의 대한민국 출원번호 제10-2009-0113386호의 "테일러 웰디드 핫 스탬핑 제조방법 및 이를 이용한 국부적으로 이종강도를 지니는 성형체"에는 이종 재질의 소재를 접합하여 국부적으로 상이한 강도를 가지는 성형체 및 그 제조방법에 관하여 개시하나 레이저 용접된 보론 강판의 파괴거동을 살펴 용접부위에서의 파괴가 일어나지 않는 핫스템핑 성형온도에 대해서는 개시하고 있지 않아 레이저 용접된 맞춤용접판재(TWB) 보론강판의 핫스템핑의 의한 성형시 용접부의 건전성을 보장할 수 없었고, 이로 인해 용접부에서 파단이 일어나는 문제점이 있었다. Conventional Republic of Korea Application No. 10-2009-0113386 "Taylor welded hot stamping manufacturing method and a molded article having a locally heterogeneous strength using the same" molded body having a locally different strength by joining a material of different materials and its manufacturing method The hot stamping molding temperature, which does not disclose the breakage behavior of the laser-welded boron steel sheet, is disclosed, but does not disclose the hot-stamping of the TWB boron steel sheet. The integrity of the welds could not be ensured, resulting in breakage in the welds.
본 발명은 보론강판과 종류나 두께가 다른 소재를 레이저 용접하여 블랭크를 제작하고 이를 핫스템핑 공법으로 부품을 성형함에 있어서, 부품의 충돌 향상 및 경량화를 극대화 시킬 수 있고 레이저 용접부의 건전성을 확보하기 위해 레이저로 용접된 맞춤용접판재 보론강판의 핫스템핑 제조방법을 제안하는데 그 목적이 있다. The present invention is to produce a blank by laser welding a material of different type or thickness with the boron steel sheet, and in forming the part by hot stamping method, it is possible to maximize the collision improvement and light weight of the part and to ensure the integrity of the laser welding portion The purpose of the present invention is to propose a hot stamping method for manufacturing a welded boron steel sheet welded with a laser.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 보론강판의 핫스템핑 제조방법은 이종강도가 요구되는 부품을 제조하기 위해 서로 다른 블랭크 소재를 마련하는 소재 마련 단계; 서로 다른 상기 블랭크 소재를 서로 접합하는 용접 단계; 접합된 상기 블랭크 소재를 가열하는 가열 단계; 및 가열된 상기 블랭크 소재를 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하여 핫스템핑 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Hot-stamping manufacturing method of the boron steel sheet according to the present invention in order to achieve the object as described above, the material preparation step of providing a different blank material for producing a component that requires a different strength; Welding the different blank materials to each other; A heating step of heating the joined blank material; And hot forming the heated blank material at 650 ° C. to 700 ° C. to form a hot stamping step.
본 발명에 따르면, 서로 다른 상기 블랭크 소재 중 하나는 보론 강판인 것을 특징으로 한다.According to the invention, one of the different blank material is characterized in that the boron steel sheet.
본 발명에 따르면, 상기 용접 단계에서의 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 한다.According to the invention, the welding in the welding step is characterized in that the laser welding.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 용접시 레이저 소스는 YAG 레이저 소스를 갖고, 레이저 빔의 출력은 3kW인 것을 특징으로 특징으로 한다.According to the present invention, the laser source in the laser welding has a YAG laser source, characterized in that the output of the laser beam is 3kW.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 소스와 상기 블랭크는 수직으로 조사된 것을 특징으로 한다.According to the invention, the laser source and the blank is characterized in that the vertical irradiation.
본 발명에 따르면, 상기 레이저 용접시 레이저 용접속도는 4.0m/min 인 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the laser welding speed during the laser welding is characterized in that the 4.0m / min.
본 발명에 따르면, 상기 용접단계에서 레이저 용접부 주위로 분사하는 보호 가스는 헬륨이 사용되고, 분사 속도는 20l/min인 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the protective gas to be sprayed around the laser welding in the welding step is characterized in that helium is used, the injection speed is 20 l / min.
본 발명에 따르면, 상기 보론강판의 성분은 0.18 wt%의 C, 0.21wt%의 Si, 1.27 wt%의 Mn,0.017 wt%의 P, 0.002 wt%의 S, 0.22 wt%의 Cr, 0.0028 wt%의 B, 및 잔부 Fe가 포함된 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the components of the boron steel sheet are 0.18 wt% C, 0.21 wt% Si, 1.27 wt% Mn, 0.017 wt% P, 0.002 wt% S, 0.22 wt% Cr, 0.0028 wt% B, and the balance Fe is characterized in that it is included.
본 발명에 따르면, 상기 보론강판은 Al-Si 합금을 도금한 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the boron steel sheet is characterized in that the plated Al-Si alloy.
본 발명에 따르면, 상기 보론강판의 9 wt% Si이 함유된 Al-Si 합금의 도금 부착량은 80g/m2 이고, 두께는 1.4mm 두께인 것을 특징으로 한다.According to the invention, the coating weight of the Al-Si alloy containing 9 wt% Si of the boron steel sheet is 80g / m 2 , characterized in that the thickness is 1.4mm thick.
본 발명에 따르면, 상기 가열단계에서 상기 블랭크 소재를 외부 가열로에서 950℃에서 5분간 가열하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, in the heating step, the blank material is characterized in that the heating for 5 minutes at 950 ℃ in an external furnace.
본 발명에 따르면, 상기 가열단계에서 상기 블랭크 소재를 외부 가열로에서 950℃에서 5분간 가열하는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, in the heating step, the blank material is characterized in that the heating for 5 minutes at 950 ℃ in an external furnace.
본 발명에 따르면, 상기 용접단계에서 레이저 용접부 주위로 분사하는 보호 가스는 헬륨이 사용되고, 분사 속도는 20l/min인 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the protective gas to be sprayed around the laser welding in the welding step is characterized in that helium is used, the injection speed is 20 l / min.
본 발명에 따른 보론강판의 핫스템핑 제조방법으로 제조된 이종 강도를 지니는 성형체를 제공하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that to provide a molded article having a heterogeneous strength produced by the hot stamping manufacturing method of the boron steel sheet according to the present invention.
본 발명에 따른 레이저로 용접된 맞춤용접판재 보론강판의 핫스템핑 제조방법은 레이저 용접된 TWB 보론강판을 핫스템핑 공정의 온도 이력 조건에서 용접선이 인장방향과 수평, 수직인 시편으로 고온 인장 시험을 수행함으로써, (1) 0.01/s 에서 타입 I 고온 인장 시험 결과 650, 700℃에서 용접부의 인장강도는 모재부 보다 높았으며, 800℃에서는 유사하였고, (2) 0.01/s 에서 타입 II 고온 인장시험 결과 용접부의 650, 700℃에서는 모재부에서 파단이 발생하고, 800℃에서는 용접부에서 파단이 발생했음을 보여주고, 이는 핫스템핑 제조단계에서 650 내지 700℃에서 성형해야만 용접부의 건전성이 유지되어 용접부의 파단이 일어나지 않는 효과가 있다.According to the present invention, a hot stamping method for manufacturing a welded boron steel sheet welded by a laser according to the present invention is a high-temperature tensile test of a laser-welded TWB boron steel sheet with a specimen in which the weld line is horizontal and vertical in the tensile hysteresis condition of the hot stamping process. (1) Type I high temperature tensile test at 0.01 / s showed that the tensile strength of the weld at 650 and 700 ° C was higher than that of the base material, similar at 800 ° C, and (2) Type II high temperature at 0.01 / s. The test results show that the fracture occurred in the base material at 650 and 700 ℃ of the weld, and that the fracture occurred in the weld at 800 ℃. There is no effect of breaking.
도 1은 본 발명에 따른 보론강판의 핫스템핑 제조방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명에 사용된 레이저 용접기에 관한 것으로서, 도 2(a)는 레이저 오실레이터, 도 2(b)는 6축 로봇 시스템, 도 2(c)는 보호가스 분사용 노즐을 나타낸다.
도 3는 본 발명에 따른 용접시편의 용접부 단면형상을 나타낸다.
도 4은 본 발명에 사용된 인장시험기로서, 도 4(a)는 가열로를 갖춘 인장시험기를 나타내고, 도 4(b)는 시현이 인장 시험기 그립(grip)에 고정된 상태를 도시한다.
도 5는 본 발명에 사용된 시험편의 형상을 나타낸다.
도 6는 본 발명에 사용된 인장방향과 용접선이 수평인 타입 I 시편과 인장방향과 용접선이 수직인 타입II 시편을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 핫스템핑 공정과 유사한 온도 이력조건을 위한 실험온도를 나타낸다.
도 8은 타입 I 용접시편과 모재시편에 대해서 도 8(a)는 온도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타내고, 도 8(b)는 변형율 속도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타낸다.
도 9(a)는 온도의 변화에 따른 인장강도(ultimate strength)와 연신율(elongation)을 나타내고, 도 9(b)는 변형율 속도에 따른 인장강도(ultimate strength)와 연신율(elongation)을 나타낸다.
도 10은 파단까지 인장 시험된 타입 I 용접시편의 형상을 나타낸다.
도 11(a)는 타입 II 용접시편과 모재시편에 대해서 온도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타내고, 도 11(b)는 변형율 속도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타낸다.
도 12(a)는 온도의 변화에 따른 인장강도와 연신율을 나타내고, 도 12(b)는 변형율 속도의 변화에 따른 인장강도와 연신율을 나타낸다.
도 13은 온도에 따른 타입 II 시편의 파단형상을 나타낸다.1 is a flowchart of a method for producing hot stamping boron steel sheet according to the present invention.
Figure 2 relates to a laser welding machine used in the present invention, Figure 2 (a) is a laser oscillator, Figure 2 (b) shows a six-axis robot system, Figure 2 (c) shows a nozzle for the protective gas injection.
Figure 3 shows a welded cross-sectional shape of the welded specimen according to the present invention.
Figure 4 is a tensile tester used in the present invention, Figure 4 (a) shows a tensile tester with a heating furnace, Figure 4 (b) shows a state in which the demonstration is fixed to the tensile tester grip (grip).
5 shows the shape of the test piece used in the present invention.
FIG. 6 illustrates a Type I specimen in which the tensile direction and the weld line are horizontal, and a Type II specimen in which the tensile direction and the weld line are vertical.
Figure 7 shows the experimental temperature for a temperature hysteresis condition similar to the hot stamping process according to the present invention.
FIG. 8 shows stress-strain plots measured at different temperatures and FIG. 8 (b) shows strain-strain plots measured at different strain rates for Type I welded specimens and substrate specimens. .
FIG. 9 (a) shows tensile strength and elongation according to temperature change, and FIG. 9 (b) shows tensile strength and elongation according to strain rate.
10 shows the shape of a Type I welded specimen that was tensile tested to failure.
FIG. 11 (a) shows the stress-strain plots measured at different temperatures for type II welded specimens and the base specimen, and FIG. 11 (b) shows the stress-strain plots measured at different strain rates.
12 (a) shows the tensile strength and elongation with the change of temperature, Figure 12 (b) shows the tensile strength and elongation with the change of strain rate.
FIG. 13 shows the fracture shape of Type II specimens with temperature. FIG.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선, 도면들 중 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위해 생략한다.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, it should be noted that the same components or parts among the drawings denote the same reference numerals whenever possible. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention.
TWB 보론강판 핫스템핑 기술은 보론강판과 종류나 두께가 다른 소재를 용접(주로 레이저 용접)하여 블랭크를 제작하고 이를 핫스템핑 공법으로 부품을 성형하는 기술로 부품의 충돌 향상 및 경량화를 극대화 시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 TWB 보론강판의 핫스템핑 기술을 확보하기 위해서는 TWB 보론강판의 고온 변형의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 레이저 용접된 보론강판을 핫스템핑 공정과 유사한 공정 이력에서 인장 시험을 수행하여 TWB 보론강판의 고온 인장 특성을 평가하였으며, 이를 통하여 TWB 보론강판의 고온 인장 물성과, 용접부의 건전성을 확인하였다.
TWB boron steel sheet hot stamping technology produces blanks by welding materials of different types or thicknesses (mainly laser welding), and forms parts by hot stamping method to maximize the collision of parts and light weight. There are advantages to it. In order to secure the hot stamping technology of the TWB boron steel sheet, it is very important to understand the characteristics of the high temperature deformation of the TWB boron steel sheet. Accordingly, in the present invention, the high temperature tensile properties of the TWB boron steel sheet were evaluated by performing tensile tests on the laser welded boron steel sheet in a process history similar to that of the hot stamping process. It was confirmed.
도 1은 본 발명에 따른 보론강판의 핫스템핑 제조방법의 순서도로서, 국부적으로 이종강도가 요구되는 부품을 제조하기 위해 서로 다른 블랭크 소재를 마련하는 소재 마련 단계(S100), 마련된 서로 다른 상기 블랭크 소재를 서로 접합하는 용접 단계(S200), 접합된 상기 블랭크 소재를 가열하는 가열 단계(S300); 및 가열된 블랭크 소재를 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하여 핫스템핑 단계(S400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
1 is a flow chart of a method for manufacturing a hot stamping of boron steel sheet according to the present invention, the material preparation step (S100) for preparing a different blank material for producing a component that requires a local heterogeneous strength (S100), the different blank provided Welding step (S200) for joining the materials to each other, heating step (S300) for heating the bonded blank material; And hot forming the heated blank material at 650 ° C. to 700 ° C. (S400).
본 발명에서는 용접된 블랭크 소재를 가열후 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하여 핫스템핑 단계(S400)를 거침으로써, 용접부위의 건전성을 확보할 수 있음을 보여주기 위해 아래와 같은 실험을 실시하였다.
In the present invention, by performing a hot stamping step (S400) by hot forming the welded blank material at 650 ℃ to 700 ℃ after heating, the following experiment was performed to show that the integrity of the welded portion can be secured.
아래의 표 1은 본 발명에 따른 실시예에서의 용접 조건을 나타낸다.Table 1 below shows the welding conditions in the embodiment according to the present invention.
본 발명에 따른 실시예로서 핫스템핑을 위한 보론강판은 고온 성형 시 산화와 부식을 방지하기 위하여 7~11 wt %의 Si를 함유하고 있는 Al-Si 합금을 도금을 하여 사용하는데, 본 발명에서는 Al-Si 합금(9 wt% Si)의 도금 부착량이 약 80g/m2인 1.4mm 두께의 22MnB5 보론강판이 사용되었다. 사용된 보론강판의 화학성분을 표 1에 정리하였다. TWB 보론강판은 레이저로 동종 두께 맞대기 용접되어 제조되었다. 도 1은 본 발명에 사용된 레이저 용접기에 관한 것으로서, 도 2(a)는 레이저 오실레이터, 도 2(b)는 6축 로봇 시스템, 도 1(c)는 보호가스 분사용 노즐을 나타낸다.레이저 용접은 도 2(a)에서 도시된 CW-ND:YAG 레이저 소스를 갖는 Trumpf사의 HASS HL3006D 용접기를 이용하였다. 레이저 빔의 출력은 3kW로 고정하였다. 용접은 도 2(b)에 도시한 Yaskawa 6축 로봇을 이용하였다. 보호 가스는 4mm 지름을 가진 구리 노즐(도 2(c))을 통하여 분사되었고, 용접 시 노즐과 시편과의 거리는 5mm로 유지되었다. 노즐은 조사되는 빔으로부터 60o를 유지한 채 레이저 빔과 함께 이동하였다. 레이저 빔의 직경은 0.6mm, 렌즈의 초점거리는 200mm 이다. 도 2를 통하여 측정된 레이저 빔의 프로파일을 확인할 수 있다. 건전한 용접 시편을 제작하기 위하여 표 1에 정리된 용접 변수에 대하여 용접을 수행하였으며, 외관상 키 홀, 언더컷, 내부기공 등이 적은 조건은 고온 인장 시험을 위한 시편 제조 조건으로 선정하였다. 레이저 빔은 판재의 수직방향 위에서 조사되었고, 용접속도는 4.0m/min로 하였다. 소재의 맞대기 부분은 밀링 가공하여 표면을 매끄럽게 하였고, 갭은 0.1mm이었다. 보호 가스로는 헬륨이 사용되었고, 20l/min의 속도로 분사되었다. 제조된 용접시편의 용접부 단면형상을 도 3에 도시되어 있다.
As an embodiment of the present invention, the boron steel sheet for hot stamping is used by plating an Al-Si alloy containing 7-11 wt% of Si to prevent oxidation and corrosion during high temperature forming. A 1.4 Mm thick 22 MnB5 boron steel sheet with an Al-Si alloy (9 wt% Si) plating amount of about 80 g / m 2 was used. The chemical composition of the boron steel sheet used is summarized in Table 1. TWB boron steel sheets were fabricated by laser butt welding of the same thickness. Figure 1 relates to a laser welding machine used in the present invention, Figure 2 (a) is a laser oscillator, Figure 2 (b) is a six-axis robot system, Figure 1 (c) shows a nozzle for the protective gas injection. Trumpf's HASS HL3006D welder with CW-ND: YAG laser source shown in Figure 2 (a) was used. The output of the laser beam was fixed at 3 kW. The welding used the Yaskawa 6-axis robot shown in FIG. 2 (b). The protective gas was injected through a 4 mm diameter copper nozzle (FIG. 2C), and the distance between the nozzle and the specimen was maintained at 5 mm during welding. The nozzle moved with the laser beam while keeping 60 o from the beam to be irradiated. The diameter of the laser beam is 0.6 mm and the focal length of the lens is 200 mm. It is possible to check the profile of the measured laser beam through FIG. 2. Welding was performed on the welding parameters listed in Table 1 in order to fabricate a healthy welded specimen. Appearance of the key holes, undercuts, internal pores, etc. were selected as the specimen manufacturing conditions for high temperature tensile test. The laser beam was irradiated on the vertical direction of the plate, and the welding speed was 4.0 m / min. The butt portion of the material was milled to smooth the surface and the gap was 0.1 mm. Helium was used as the protective gas and was injected at a rate of 20 l / min. 3 is a cross-sectional view of the welded section of the manufactured weld specimen.
본 발명에 따른 실시예에서 레이저 용접된 TWB 보론강판의 고온 인장 특성을 평가하기 위하여 온도와 변형률 속도를 달리하며 인장시험을 수행하였으며, 모재(base material, BM)와 그 결과를 비교하였다. 고온 인장시험은 도 4(a)에 도시된 가열로가 장착된 인장시험기(모델명: Shimadzu AG-100kNx)에서 수행되었다In order to evaluate the high temperature tensile characteristics of the laser-welded TWB boron steel sheet according to the present invention, a tensile test was performed at different temperatures and strain rates, and the results were compared with the base material (BM). The high temperature tensile test was carried out in a tensile tester (model name: Shimadzu AG-100kNx) equipped with a heating furnace shown in Fig. 4 (a).
도 4은 본 발명에 사용된 인장시험기로서, 도 4(a)는 가열로를 갖춘 인장시험기를 도시하고 있고, 도 4(b)는 시현이 인장 시험기 그립(grip)에 고정된 상태를 도시한다.4 is a tensile tester used in the present invention, Figure 4 (a) shows a tensile tester with a heating furnace, Figure 4 (b) shows a state in which the demonstration is fixed to the tensile tester grip (grip). .
도 5는 본 발명에 사용된 시험편의 형상을 나타낸다.5 shows the shape of the test piece used in the present invention.
도 5에 도시된 바와 같이 시편은 ASTME 8M 소형 크기 시편 형상을 고온 인장 시험에 적합하도록 수정하였으며, 수정된 시편이 체결될 수 있는 그립을 도 4(b)와 같이 제작하여 사용하였다. As shown in FIG. 5, the specimen was modified to conform to ASTME 8M small size specimen shape for high temperature tensile test, and a grip to which the modified specimen could be fastened was used as manufactured in FIG. 4 (b).
도 6는 본 발명에 사용된 인장방향과 용접선이 수평인 타입 I 시편과 인장방향과 용접선이 수직인 타입II 시편을 도시한다.FIG. 6 illustrates a Type I specimen in which the tensile direction and the weld line are horizontal, and a Type II specimen in which the tensile direction and the weld line are vertical.
도 6에 도시된 바와 같이 인장방향과 용접선의 방향이 다른 두 종류 즉, 인장방향과 용접선이 수평인 시편(타입 I)과 인장 방향과 용접선이 수직인 시편(타입 II)을 제작하여 고온 인장 시험을 수행하였다. 용접선이 인장방향과 수평한 시편의 경우 용접부의 인장물성을 평가할 수 있다. 반면, 용접선이 인장방향과 수직인 시편은 용접부의 건전성을 평가할 수 있으며, 용접부에서 파단이 일어나는 경우에 대해서는 용접부의 파단강도를 측정할 수 있다.
As shown in FIG. 6, two types of specimens having different tensile directions and weld lines directions, that is, specimens having a horizontal tension direction and a weld line (type I), and specimens having a tensile direction and a weld line perpendicular to each other (type II) were fabricated and subjected to a high temperature tensile test. Was performed. For specimens in which the weld line is parallel to the tensile direction, the tensile properties of the weld can be evaluated. On the other hand, specimens in which the weld line is perpendicular to the tensile direction can evaluate the integrity of the welded portion, and the breaking strength of the welded portion can be measured when the welded fracture occurs.
도 7은 본 발명에 따른 핫스템핑 공정과 유사한 온도 이력조건을 위한 실험온도를 나타낸다.Figure 7 shows the experimental temperature for a temperature hysteresis condition similar to the hot stamping process according to the present invention.
핫스템핑 공정 조건과 유사한 온도 이력 상태에서 TWB 보론강판의 변형거동을 살펴보기 위해서 도 7과 같은 온도 이력 조건에서 실험이 수행된다. 시험편을 외부 가열로에서 950℃, 5분간 유지시킨 후 가열로가 장착된 인장시험기에 이동하여 장착하고 약 20초 후 시편의 온도가 원하는 온도가 되었을 때 인장 시험을 실시하였다. 고온 인장 시험은 타입 I과 타입 II 시편 모두 동일하게 변형률 속도 0.01/s 에서 온도를 650, 700, 800℃로 달리하고, 온도 700℃에서 변형율 속도를 0.01/s, 0.1/s, 1.0/s로 달리하여 수행한다.
In order to examine the deformation behavior of the TWB boron steel sheet in the temperature history state similar to the hot stamping process conditions, the experiment is performed in the temperature history condition as shown in FIG. The test piece was kept at 950 ° C. for 5 minutes in an external furnace, moved to a tensile tester equipped with a heating furnace, and after about 20 seconds, a tensile test was performed when the temperature of the specimen reached a desired temperature. The high temperature tensile test is the same for both Type I and Type II specimens at temperatures of 650, 700 and 800 ° C at strain rates of 0.01 / s and at strain rates of 0.01 / s, 0.1 / s and 1.0 / s at temperatures of 700 ° C. Do otherwise.
도 8은 타입 I 용접시편과 모재시편에 대해서 도 8(a)는 온도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타내고, 도 8(b)는 변형율 속도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타낸다.FIG. 8 shows stress-strain plots measured at different temperatures and FIG. 8 (b) shows strain-strain plots measured at different strain rates for Type I welded specimens and substrate specimens. .
도 9(a)는 온도의 변화에 따른 인장강도(ultimate strength)와 연신율(elongation)을 나타내고, 도 9(b)는 변형율 속도에 따른 인장강도(ultimate strength)와 연신율(elongation)을 나타낸다.FIG. 9 (a) shows tensile strength and elongation according to temperature change, and FIG. 9 (b) shows tensile strength and elongation according to strain rate.
연신율은 인장강도와 파단에서의 연신율을 각각 비교하여 도시된다.
Elongation is shown by comparing tensile strength and elongation at break, respectively.
도 10은 파단까지 인장 시험된 타입 I 용접시편의 형상을 보여준다.10 shows the shape of a Type I welded specimen that was tensile tested to failure.
변형율 속도 0.01/s에서 온도를 달리한 고온 인장 실험 결과 온도가 증가할수록 인장강도와 인장강도 연신율은 타입 I 용접시편과 모재시편 모두 높아짐을 도 8(a)와 도 9(a)에서 확인할 수 있다. 용접시편의 파단 연신율은 온도에 따라서 증가하나, 모재시편의 파단 연신율은 650℃에서 700℃에서 높아지다가 800℃에서는 오히려 낮아진다. As a result of the high temperature tensile test at different strain rates at 0.01 / s, the tensile strength and tensile strength elongation of both the type I welded specimen and the substrate specimen increased as the temperature was increased in FIGS. 8 (a) and 9 (a). . The elongation at break of the welded specimen increased with temperature, but the elongation at break of the base specimen increased from 650 ° C to 700 ° C, but lowered at 800 ° C.
0.01/s에서 650, 700, 800℃모두에 대해서 인장강도는 용접시편이 모재시편 보다 높고 연신율은 용접시편이 모재시편보다 낮다. 또한, 용접시편과 모재시편의 인장강도와 연신율의 차이가 온도가 높아짐에 따라 작아지다가 800℃에서 용접시편과 모재시편의 인장강도와 연신율 차이가 거의 없어지는 경향을 보인다. 800℃에서 초기 변형율에서의 응력은 용접시편이 모재시편보다 높고, 약 40%이상 변형율에서의 응력은 오히려 용접시편이 모재시편보다 낮음을 확인할 수 있다. 혼합법칙(rule of mixture)을 고려한다면, 변형율 속도 0.01/s에서 온도 650℃와 700℃에서는 용접부의 인강강도가 모재부보다 높아지고, 용접부의 연신율은 낮아지는 반면 800℃에서는 용접부의 물성 변화가 크지 않음을 알 수 있다. 통상적으로 높은 온도에서는 강판에 함유되어 있는 탄소양에 따른 인장강도의 차이가 거의 없지만, 온도가 낮아질수록 탄소양에 따라 인장강도가 증가한다. 레이저 용접시 보론강판이 용융되고 급랭하면서 증가한 용접부의 탄소 함량 때문에 온도 650℃와 700℃에서는 용접부의 인강강도가 모재부보다 높아지는 것이다.
At 0.01 / s for all 650, 700 and 800 ° C, the tensile strength of the welded specimen is higher than that of the base specimen and the elongation of the welded specimen is lower than that of the base specimen. In addition, the difference between the tensile strength and the elongation of the welded specimen and the parent specimen decreases as the temperature increases, and the difference between the tensile strength and the elongation of the welded specimen and the parent specimen is almost disappeared at 800 ° C. It can be seen that the stress at initial strain at 800 ° C. is higher than that of the welded specimen and the stress at strain of about 40% or more is lower than that of the welded specimen. Considering the rule of mixture, at 650 ° C and 700 ° C strain rate is 0.01 / s, the weld strength of weld is higher than that of the base material and the elongation of weld is lower, while at 800 ° C the property of weld is not large. It can be seen that. In general, at high temperatures, there is almost no difference in tensile strength according to the amount of carbon contained in the steel sheet, but as the temperature is lowered, the tensile strength increases with the amount of carbon. Due to the increased carbon content of the welded portion during the laser welding, the boron steel sheet is melted and quenched, resulting in higher strength of the welded portion than the base metal portion at temperatures of 650 ° C and 700 ° C.
도 8(b)와 도 9(b)는 온도 700℃에서 변형율 속도를 달리한 고온 인장 시험 결과를 보여준다. 변형율 속도가 증가할수록 타입 I 용접시편과 모재시편의 인장강도는 증가하고 연신율은 낮아짐을 알 수 있다. 인장강도와 인장강도 연신율은 변형율 속도 0.01, 0.1, 1/s 에서 용접시편이 모재시편 보다 높다. 반면 파단연신율의 경우 0.01/s에서는 모재시편이 용접시편보다 높으나, 0.1/s과 1/s에서는 오히려 용접시편이 모재시편 보다 높다.8 (b) and 9 (b) show the results of the high temperature tensile test at different strain rates at a temperature of 700 ° C. It can be seen that as the strain rate increases, the tensile strength of the Type I welded specimen and the substrate specimen increases and the elongation decreases. Tensile strength and tensile strength elongation of welded specimens are higher than that of the parent specimen at strain rates of 0.01, 0.1, and 1 / s. On the other hand, in the case of elongation at break, the base specimen is higher than the weld specimen at 0.01 / s, but the weld specimen is higher than the base specimen at 0.1 / s and 1 / s.
이를 통해 볼 때 타입 I의 경우 고온 인장 시험 결과 650, 700℃에서 용접부의 인장강도는 모재부 보다 높았으며, 800℃에서는 유사한 것을 알 수 있다.
It can be seen that the tensile strength of the welded portion was higher than that of the base metal part at 650 and 700 ° C., and similar at 800 ° C. in the case of Type I.
따라서, 타입 I과 같이 인장방향과 용접선이 수평인 상태로 레이저 용접된 블랭크 소재는 가열후 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하는 것이 용접부의 인장강도가 모재부 보다 높기 때문에 서로 다른 두 강도의 블랭크 소재를 접합하여 모재의 강도를 요구하는 성형체에 있어서, 모재부보다 용접부의 인장강도보다 높아짐으로 인해 성형체의 원하는 인장강도를 확보할 수 있게 된다.
Therefore, as in type I, the blank material welded with the laser in a state where the tensile direction and the welding line are horizontal is blank material of two different strengths because hot forming at 650 ° C. to 700 ° C. after heating is higher than the base material part. In the molded body requiring the strength of the base material by joining, it is possible to secure the desired tensile strength of the molded body due to higher than the tensile strength of the welded portion than the base material portion.
도 11(a)는 타입 II 용접시편과 모재시편에 대해서 온도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타내고, 도 11(b)는 변형율 속도를 달리하며 측정된 응력-변형율 선도를 나타낸다.FIG. 11 (a) shows the stress-strain plots measured at different temperatures for type II welded specimens and the base specimen, and FIG. 11 (b) shows the stress-strain plots measured at different strain rates.
도 12(a)는 온도의 변화에 따른 인장강도와 연신율을 나타내고, 도 12(b)는 변형율 속도의 변화에 따른 인장강도와 연신율을 나타낸다.12 (a) shows the tensile strength and elongation with the change of temperature, Figure 12 (b) shows the tensile strength and elongation with the change of strain rate.
변형율 속도 0.01/s에서 온도를 달리한 고온 인장 실험 결과 타입 II 용접시편의 인장강도와 인장강도에서의 연신율은 온도가 증가함에 따라 증가하나, 파단연신율은 650℃에서 700℃에서 높아지다가 800℃에서는 급격히 낮아짐을 도 11(a)와 도12(a)에서 알 수 있다. 이는 650℃와 700℃에서는 파단이 모재부에서 일어난 반면 800℃에서는 용접부에서 파단이 일어나기 때문이다. 이는 도 13의 온도에 따른 타입 II 시편의 파단형상으로부터 명확히 알 수 있다. Tensile and tensile strength of Type II welded specimens increased with increasing temperature, but the elongation at break increased from 650 ℃ to 700 ℃ at 800 ℃. It can be seen in Figure 11 (a) and Figure 12 (a) that the sharp drop. This is because the fracture occurs at the base material portion at 650 ℃ and 700 ℃ while the fracture occurs at the weld portion at 800 ℃. This can be clearly seen from the fracture shape of the Type II specimen with temperature in FIG. 13.
이미 설명한 타입 I 용접시편에 대해서 설명한 용접부와 모재부의 인장강도 차이로 그 타입 II 용접시편의 파단 원인을 유추할 수 있다. 파단은 타입 I 용접 시편의 경우 등연신 조건(iso-strain condition)에 따라 모재와 용접부의 파단 연신율과 관련이 높고 타입 II 용접시편은 힘평형 조건에 따라 강도 및 두께와 밀접한 관계가 있다. 용접부의 인장강도가 650℃와 700℃에서는 모재부보다 높기 때문에 인장강도가 낮은 모재부에서 변형이 집중되어 모재부에서 파단이 일어난다. 반면, 800℃에서는 용접부와 모재부의 인장강도는 차이가 없으나, 인장강도 연신율이 용접부는 32.3%(±1.63)이고 모재부는 59.9%(±8.25)이므로 모재부의 인장강도 연신율까지 늘어난 이후 용접부에서 변형이 집중되어 파단이 일어난다. 이때 파단 연신율이 49.3%(±5.03) 이다. 따라서 TWB 보론강판으로 열간 성형시 800℃에서는 용접부의 파단이 일어나게 된다.
The difference in tensile strength of the weld and the base material described for the Type I welded specimens described above can be inferred from the cause of failure of the Type II welded specimen. In case of Type I welded specimens, the fracture is highly related to the elongation at break of the base material and the welded part, depending on the iso-strain condition. Type II welded specimens are closely related to strength and thickness depending on the force equilibrium conditions. Since the tensile strength of the weld is higher than that of the base material at 650 ° C. and 700 ° C., the deformation is concentrated in the base material part with low tensile strength, and fracture occurs at the base material part. On the other hand, at 800 ℃, there is no difference in tensile strength of the welded part and the base material, but since the tensile strength elongation is 32.3% (± 1.63) for the welded part and the base material part is 59.9% (± 8.25), the tensile strength of the base material is increased to the elongation of the base material. Concentration breaks. Elongation at break is 49.3% (± 5.03). Therefore, at 800 ° C. during hot forming with TWB boron steel, fracture of the weld occurs.
따라서, 타입 I과 같이 인장방향과 용접선이 수평인 상태로 레이저 용접된 블랭크 소재는 가열후 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하는 것이 용접부의 인장강도가 모재부 보다 높기 때문에 서로 다른 두 강도의 블랭크 소재를 접합하여 모재의 강도를 요구하는 성형체에 있어서, 모재부보다 용접부의 인장강도보다 높아짐으로 인해 성형체의 원하는 인장강도를 확보할 수 있게 됨이 명확하고, 타입 II와 같이 인장방향과 용접선이 수직인 상태로 레이저 용접된 블랭크 소재는 가열후 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하는 것이 용접부의 인장강도가 모재부 보다 높기 때문에 서로 다른 두 강도의 블랭크 소재를 접합하여 모재의 강도를 요구하는 성형체에 있어서, 모재부보다 용접부의 인장강도보다 높아짐으로 인해 성형체의 원하는 인장강도를 확보할 수 있고, 800℃에서는 용접부와 모재부의 인장강도는 차이가 없으나, 인장강도 연신율이 모재부가 용접부보다 크므로 용접부는 모재부의 인장강도 연신율까지 늘어난 이후 용접부에서 변형이 집중되어 용접부에서 파단이 이루어지므로 원하는 모재부 강도를 확보할 수 없게 된다.
Therefore, as in type I, the blank material welded with the laser in a state where the tensile direction and the welding line are horizontal is blank material of two different strengths because hot forming at 650 ° C. to 700 ° C. after heating is higher than the base material part. It is clear that in the molded body requiring the strength of the base material by joining, the desired tensile strength of the molded body can be secured by being higher than the tensile strength of the welded part than the base material part. In the blank material that is laser-welded in the state, hot forming at 650 ° C. to 700 ° C. after heating has a higher tensile strength of the weld than the base material, so that a blank material of two different strengths is bonded to each other to require the strength of the base material. Since the tensile strength of the welded part is higher than that of the base material part, the desired tensile strength of the molded body can be secured. At 800 ℃, the tensile strength of the welded part and the base material is not different, but since the tensile strength elongation is greater than that of the welded part, the welded part is increased to the tensile strength elongation of the base material, and then the deformation is concentrated at the welded part so that the fracture occurs at the welded part. The strength cannot be secured.
타입 I과 타입 II의 결과를 종합해 보면, 레이저 용접된 블랭크 소재를 가열후 650℃ 내지 700℃에서 열간 성형하여야만 용접부의 건전성이 용접방향과 무관하게 확보될 수 있음을 알 수 있다.
From the results of Type I and Type II, it can be seen that the integrity of the weld can be ensured regardless of the welding direction only when the laser-welded blank material is hot formed at 650 ° C to 700 ° C after heating.
이상에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변경, 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
While the invention has been shown and described in connection with specific embodiments thereof, it is conventional in the art that various changes, modifications and variations are possible without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the appended claims. Anyone who knows the knowledge of is easy to know.
Claims (14)
서로 다른 상기 블랭크 소재를 레이저 용접에 의해 인장방향과 용접선의 방향을 수평인 상태나 수직인 상태로 서로 접합하는 용접 단계;
접합된 상기 블랭크 소재를 외부 가열로에서 950℃에서 5분간 가열하는 가열 단계; 및
가열된 상기 블랭크 소재를 가열로가 장착된 인장시험기로 이동시켜 장착한 후 열간 성형하는 핫스템핑 단계를 포함하고,
상기 용접단계에서 레이저 용접부 주위로 분사하는 보호 가스는 헬륨이 사용되고, 분사 속도는 20l/min이며, 레이저 용접시 레이저 소스는 YAG 레이저 소스를 갖고 상기 블랭크 소재에 수직으로 조사되며, 레이저 빔의 출력은 3kW이고, 레이저 용접속도는 4.0m/min 이며,
상기 보론강판의 성분은 0.18 wt%의 C, 0.21wt%의 Si, 1.27 wt%의 Mn, 0.017 wt%의 P, 0.002 wt%의 S, 0.22 wt%의 Cr, 0.0028 wt%의 B, 및 잔부 Fe가 포함되고, 상기 보론강판은 Al-Si 합금을 도금한 것이며, 상기 보론강판의 9 wt% Si이 함유된 Al-Si 합금의 도금 부착량은 80g/m2 이고, 두께는 1.4mm 두께이며,
상기 핫스템핑 단계는,
가열된 상기 블랭크 소재를 650℃ 내지 700℃의 온도에서 열간 성형하여 용접부의 인장강도를 모재부의 인장강도보다 높임으로서 서로 다른 두 강도의 블랭크 소재가 접합된 성형체에 원하는 인장강도를 확보시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 보론강판의 핫스템핑 제조방법.
A material preparation step of preparing different blank materials, one of which is a boron steel sheet, in order to manufacture parts requiring locally different strengths;
Welding the different blank materials to each other in a horizontal or vertical state in a tensile direction and a direction of a welding line by laser welding;
A heating step of heating the joined blank material for 5 minutes at 950 ° C. in an external heating furnace; And
It comprises a hot stamping step of hot-molding after mounting the heated blank material is moved to a tensile tester equipped with a heating furnace,
In the welding step, helium is used as the protective gas sprayed around the laser welding part, and the spraying speed is 20 l / min, and during laser welding, the laser source has a YAG laser source and is irradiated perpendicularly to the blank material, and output of the laser beam. Is 3kW, laser welding speed is 4.0m / min,
The components of the boron steel sheet are 0.18 wt% C, 0.21 wt% Si, 1.27 wt% Mn, 0.017 wt% P, 0.002 wt% S, 0.22 wt% Cr, 0.0028 wt% B, and the balance Fe is included, and the boron steel sheet is plated with an Al-Si alloy, the coating weight of the Al-Si alloy containing 9 wt% Si of the boron steel sheet is 80 g / m 2 , the thickness is 1.4mm thick,
The hot stamping step,
By hot forming the heated blank material at a temperature of 650 ℃ to 700 ℃ to increase the tensile strength of the weld portion than the tensile strength of the base material to ensure the desired tensile strength to the molded body bonded to the blank material of two different strengths Hot stamping manufacturing method of the boron steel.
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