KR101586884B1 - 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치 - Google Patents

Abstract

강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치에 관하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치는, 핫 스탬핑 부품의 점용접을 실시하도록 전극을 구비하는 점용접유닛과, 점용접 도중 상기 핫 스탬핑 부품의 열영향부를 급속 냉각시키도록 냉각제를 분사하는 냉각제분사유닛을 포함한다.

Description

강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치{APPARATUS FOR SPOT WELDING HOT STAMPING MEMBER FOR IMPROVING OF STRENTH}

본 발명은 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 재가열, 냉각 등의 추가 공정을 배제하면서도 열영향부의 경도를 너겟(nugget)부나 모재와 동등한 수준으로 맞추어 응력집중을 최소화시킬 수 있는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치에 관한 것이다.

핫 스탬핑 기술은 기존의 프레스 성형이 냉간 상태에서 이루어지는 것과 달리 고온에서 이뤄진다.

특히, 고온에서는 소재의 연신율이 대폭 증가하기 때문에 성형성에 특별한 제약을 받지 않으며 또한 열처리효과에 의해 초고강도를 달성할 수 있는 장점이 있다.

이러한 이유에 따라, 최근 들어 핫 스탬핑 공정은 초고강도 부품을 성형하는 데 많이 이용되고 있다.

그런데, 상기 핫 스탬핑 부품은 점용접 시 용접부의 강도가 모재보다 열위하여, 충돌 시 모재보다 용접부가 먼저 파단 될 개연성을 지니고 있다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 부위 별 경도 값을 보여주는 그래프 및 사진이다.

도 1에 나타난 경도 값을 살펴보면, 점용접 후 핫 스탬핑 부품의 경우 다른 초고장력강과 달리 너겟부(N)와 모재(S)의 경도 값은 큰 반면, 열영향부(HAZ)에서는 경도가 상대적으로 매우 작은 값을 갖는 것을 확인할 수 있다. 이러한 연유로, 열영향부(HAZ)에서 응력집중이 발생한다.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 종래의 방안으로서, 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 용접부를 국부적으로 열처리하는 방법이 소개되고 있다.

도 2는 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 용접부를 국부적으로 열처리하는 방법을 나타낸 작업개념도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 핫 스탬핑 부품(S)의 점용접 후 용접부(W)만을 국부적으로 재가열하여 냉각시키는 열처리를 추가적으로 실시함으로써, 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 동등한 수준으로 바꾸어 인성을 부여해주었다. 미 설명된 도면부호 10은 열처리장치의 일 예로서 유도가열코일을 나타낸 것이다.

다만, 이와 같은 종래의 방법은, 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 재가열, 냉각 등의 추가 공정을 요구하므로, 공정 시간 증가 및 비용 증가의 문제가 있었으며, 나아가 기존의 부품 생산라인에 해당 공정을 추가하기에 어려움이 따랐다.

따라서, 이와 같은 재가열, 냉각 등의 추가 공정 없이 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 같은 수준으로 향상시켜 응력집중을 최소화할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.

관련된 선행기술로는 대한민국 등록특허 제10-1325871호(2013.10.30. 공고)가 있으며, 상기 선행문헌에는 핫 스탬핑 부품 용접성 개선방법에 관한 기술이 개시되어 있다.

본 발명은 재가열, 냉각 등의 추가 공정 없이 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 같은 수준으로 향상시켜 응력집중을 최소화시킬 수 있는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 핫 스탬핑 부품의 점용접을 실시하도록 전극을 구비하는 점용접유닛; 및 상기 점용접 도중 상기 핫 스탬핑 부품의 열영향부를 급속 냉각시키도록 냉각제를 분사하는 냉각제분사유닛;을 포함하는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 핫 스탬핑 부품의 점용접을 실시하도록 전극을 구비하는 점용접유닛; 상기 점용접 도중 상기 핫 스탬핑 부품의 열영향부를 급속 냉각시키도록 냉각제를 분사하는 냉각제분사유닛; 상기 냉각제분사유닛에 의해 급속 냉각되는 상기 열영향부의 온도를 검출하는 온도검출유닛; 및 상기 온도검출유닛의 검출 정보를 토대로 상기 열영향부의 냉각 정도를 판단하고, 상기 냉각제분사유닛을 통해 상기 열영향부 쪽으로 분사되어야 하는 냉각제의 유량 및 분사강도를 제어하는 냉각제분사제어모듈;을 포함하는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 핫 스탬핑 부품의 점용접을 실시하도록 전극을 구비하는 점용접유닛; 상기 점용접에 의해 상기 핫 스탬핑 부품의 용접부가 액상상태까지 급속히 가열되어 너겟부가 형성될 때, 상기 너겟부의 온도를 오스테나이트 상변태점 이하에서 마르텐사이트 상변태점까지 급속 냉각시키도록 상기 상하 전극 내부로 냉각수를 유동시키는 냉각유닛; 및 상기 점용접 도중 상기 핫 스탬핑 부품의 열영향부에 냉각제를 분사하여 상기 열영향부에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 냉각제분사유닛;을 포함하는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 핫 스탬핑 부품의 점용접을 실시하도록 전극을 구비하는 점용접유닛; 상기 점용접에 의해 상기 핫 스탬핑 부품의 용접부가 액상상태까지 급속히 가열되어 너겟부가 형성될 때, 상기 너겟부의 온도를 오스테나이트 상변태점 이하에서 마르텐사이트 상변태점까지 급속 냉각시키도록 상기 상하 전극 내부로 냉각수를 유동시키는 냉각유닛; 상기 점용접 도중 상기 핫 스탬핑 부품의 열영향부에 냉각제를 분사하여 상기 열영향부에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 냉각제분사유닛; 상기 냉각제분사유닛에 의해 급속 냉각되는 상기 열영향부의 온도를 검출하는 온도검출유닛; 및 상기 온도검출유닛의 검출 정보를 토대로 상기 열영향부의 냉각 정도를 판단하고, 상기 냉각제분사유닛을 통해 상기 열영향부 쪽으로 분사되어야 하는 냉각제의 유량 및 분사강도를 제어하는 냉각제분사제어모듈;을 포함하는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예 의하면, 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 동등한 수준으로 향상시킬 수 있다.

특히, 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 용접부에 대한 재가열, 냉각 등의 추가 공정 없이도 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 동등한 수준으로 향상시킬 수 있어, 공정 시간 단축 및 비용 절감의 효과를 가져올 수 있다.

이에 따라, 점용접 후 핫 스탬핑 부품의 열영향부에서 응력집중이 나타나는 현상을 최소화시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 부위 별 경도 값을 보여주는 그래프(a) 및 사진(b)이다.
도 2는 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 용접부(즉, 열영향부)를 국부적으로 열처리하는 방법을 나타낸 작업개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치에 이용한 용접부 온도 분포를 보여주는 그래프와 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 이용한 용접부 경도 분포를 보여주는 그래프와 사진이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

핫 스탬핑 기술은 기존의 프레스 성형이 냉간 상태에서 이루어지는 것과 달리 고온에서 이뤄진다. 고온에서는 소재의 연신율이 대폭 증가하기 때문에 성형성에 특별한 제약을 받지 않으며 또한 열처리효과에 의해 초고강도를 달성할 수 있는 장점이 있다.

점용접 후 핫 스탬핑 부품의 경우 다른 초고장력강과 달리 너겟부와 모재의 경도 값은 큰 반면, 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 경도가 상대적으로 매우 작은 값을 갖는 단점이 있다. 이 때문에 열영향부에서 응력집중이 발생되었다. 이를 개선하고자, 점용접 후 용접부만을 국부적으로 재가열하여 냉각시키는 열처리를 추가적으로 실시하는 방안이 소개되고 있으나, 공정 시간 증가 및 비용 증가 등의 문제를 초래하였다.

본 발명의 실시예들에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치는 상기한 문제를 해결하고자 안출된 발명에 해당된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 나타낸 개념도이다.

도 3을 참조하면, 도시된 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치(100)(이하, '핫 스탬핑 부품 점용접 장치'라 함)는 점용접유닛(110), 냉각제분사유닛(120)을 포함한다.

상기 점용접유닛(110)은 상, 하부에 전극(111: 111a, 111b)을 구비하며, 핫 스탬핑 부품(S)의 점용접을 실시해주는 장치를 말한다.

상기 점용접유닛(110)의 전극(111: 111a, 111b) 사이로 핫 스탬핑 부품(S)이 구비되고 설정된 구동 프로그램에 따라 점용접이 실시될 수 있다. 그리고 도면부호 N은 너겟부를 지칭한다.

또한, 상기 점용접유닛(110)에는 상기 점용접에 의해 상기 핫 스탬핑 부품의 용접부가 액상상태까지 급속히 가열되어 상기 너겟부(N)가 형성될 때, 상기 너겟부(N)의 온도를 오스테나이트 상변태점 이하에서 마르텐사이트 상변태점까지 급속 냉각시켜주는 냉각유닛(113)이 더 구비될 수 있다.

상기 냉각유닛(113)은 도시된 상, 하부 전극(111a, 111b)의 내부 유로를 따라 소정의 냉각수(W)를 유동시켜주는 방식으로 냉각 기능을 제공한다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 냉각유닛(113)에 의해 점용접 중 핫 스탬핑 부품의 너겟부(N)는 급속 냉각이 이루어져 마르텐사이트만의 조직을 형성하게 되는 것과 함께, 기존에 냉각되지 못하였던 열영향부는 상기 냉각제분사유닛(120)에 의해 급속 냉각될 수 있도록 구성된다. 그 결과, 상기 냉각제분사유닛(120)에 의해 상기 열영향부 역시 마르텐사이트 조직이 형성될 수 있다.

상기 냉각제분사유닛(120)은 상기 점용접유닛(111)에 의해 점용접이 실시되는 도중에 상기 핫 스탬핑 부품(S)의 열영향부를 급속 냉각시키도록 냉각제를 분사할 수 있다.

그리고, 상기 냉각제분사유닛(120)은 분사노즐(121a)과, 상기 냉각제저장부(123)를 포함할 수 있다.

상기 분사노즐(121a)은 점용접이 실시되는 열영향부 쪽으로 냉각제(C)를 분사하도록 구비된 구성이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 상기 분사노즐(121a)은 출구가 상기 점용접이 실시되는 열영향부 쪽으로 향하도록 상기 전극(111, 특히 111a)의 일측에 경사지게 배치되는 형태로 제공될 수 있다. 이와 함께, 상기 분사노즐(121a)은 경사지게 배치된 각도, 즉 경사 각도가 사용자의 설정에 따라 조절 가능한 형태로 제공될 수 있다.

상기 냉각제저장부(123)은 상기 분사노즐(121a)과 배관(129)을 통해 연결될 수 있는데, 상기 분사노즐로 공급될 냉각제(C)를 저장하도록 구성될 수 있다.

여기서, 상기 냉각제(C)로는 액체헬륨, 액체질소가 이용될 수 있으며, 또는 기체상의 헬륨가스, 질소가스가 이용될 수 있으며, 더 나아가 압축공기와 더 혼합된 것이 이용될 수 있다.

상기 압축공기와 혼합되는 방식의 실시예에 따를 경우, 상기 분사노즐(121a)과 상기 냉각제저장부(123)의 사이에 압축공기저장부(125)가 더 구비될 수 있다.

상기 압축공기저장부(125)는 상기 분사노즐(121a)과 상기 냉각제저장부(123)와 배관(129)을 통해 연결될 수 있다.

상기 압축공기저장부(125)는 상기 분사노즐(121a)을 통해 압축공기만을 냉각제로 분사되도록 개별적으로 공급해 줄 수 있으며, 이와 달리, 상기 분사노즐(121a)을 통해 분사되는 냉각제에 압축공기를 설정된 양만큼 혼합시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

이러한 냉각제 공급은 상기 분사노즐, 냉각제저장부, 압축공기저장부 사이의 배관 상에 구비된 밸브(V)의 개폐 조작에 따라 조절될 수 있다.

상기 밸브(V)는 도시된 배치 형태 및 위치에 제한되어 이용될 필요가 없으며, 이와 다른 개수 또는 위치 상에 배치되어도 무방하다.

나아가, 상기 밸브(V)는 사용자의 지령에 따라 전송된 전기적 신호를 입력 받아 배관 내부를 유동하는 상기 냉각제의 흐름을 개폐 제어하는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)가 이용될 수 있다. 여기서, 사용자의 지령은, 후술될 냉각제분사제어부(130) 또는 별도의 수동 조작 스위치에 따라 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 온도검출유닛(130)과 냉각제분사제어모듈(140)이 더 구비될 수 있다.

상기 온도검출유닛(130)은 상기 냉각제분사유닛에 의해 급속 냉각되는 상기 열영향부의 온도를 검출하는 역할을 담당한다.

그리고 상기 냉각제분사제어모듈(140)은 상기 온도검출유닛(130)의 검출 정보를 토대로 상기 열영향부의 냉각 정도를 판단한다. 그리고 상기 냉각제분사유닛(120)을 통해 상기 열영향부 쪽으로 분사되어야 하는 냉각제(C)의 유량 및 분사강도를 제어하도록 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 나타낸 개념도이다.

도 4를 참조하면, 도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 점용접 장치(100)가 개시되어 있는데, 도 3을 참조하여 전술한 제1실시예와 대부분의 구성이 동일하며, 분사노즐의 구조 및 배치위치에 차이가 있으므로 이점을 강조하여 설명하기로 한다.

도시된 본 발명의 제2실시예에 따른 분사노즐(121b)은 전술한 제1실시예의 분사노즐(121a)과 다른 형태로서, 상기 분사노즐(121b)은 상기 전극(111: 111a, 111b)을 둘러 감싸는 중공 파이프 형상의 몸체를 구비한다.

이러한 분사노즐(121b)은 상기 전극(111), 즉 상부 전극(111a)과 하부 전극(111b) 각각을 둘러 감싸는 형태로 배치되며, 내부 중공을 통해 출구까지 냉각제(C)를 분사한다. 분사된 냉각제는 점용접 중 핫 스탬핑 부품의 열영향부를 급속 냉각시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치에 이용한 용접부 온도 분포를 보여주는 그래프 및 사진이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치를 이용한 용접부 경도 분포를 보여주는 그래프 및 사진이다.

먼저, 도 5의 그래프 및 사진을 참조하면, 종래의 경우, 그래프 상에서 실선으로 표시된 것처럼 핫 스탬핑 부품의 열영향부(HAZ)의 온도가 너겟부(N) 및 모재에 비해 매우 높게 나타났다.

이와 달리, 본 실시예들에 따를 경우 점선으로 표시된 것처럼 상기 열영향부(HAZ)의 온도가 상기 너겟부(N) 또는 모재(S)와 동등한 수준으로 급속 냉각된 결과를 확인할 수 있다.

그리고, 도 6의 그래프 및 사진을 참조하면, 종래의 경우, 그래프 상에서 실선으로 표시된 것처럼 상기 열영향부(HAZ)의 경도가 너겟부와 모재에 비해 매우 낮게 나타났다.

이와 달리, 본 실시예에 따를 경우 점선으로 표시된 것처럼 상기 열영향부(HAZ)의 경도는 너겟부와 모재와 동등한 수준으로 향상된 결과를 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예 의하면, 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 동등한 수준으로 향상시킬 수 있다.

특히, 핫 스탬핑 부품의 점용접 후 용접부에 대한 재가열, 냉각 등의 추가 공정 없이도 열영향부의 경도를 너겟부나 모재와 동등한 수준으로 향상시킬 수 있어, 공정 시간 단축 및 비용 절감의 효과를 가져올 수 있다.

이에 따라, 점용접 후 핫 스탬핑 부품의 열영향부에서 응력집중이 나타나는 현상을 최소화시킬 수 있다.

이상으로 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품의 점용접 장치에 관하여 살펴보았다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

HAZ: 열영향부
N: 너겟부
S: 핫 스탬핑 부품(또는 모재)
V: 밸브
100: 핫 스탬핑 부품 점용접 장치
110: 점용접유닛
111(111a, 111b): 전극
113: 냉각유닛
120: 냉각제분사유닛
121(121a, 121b): 분사노즐
123: 냉각제저장부
125: 압축공기저장부
129: 배관
130: 온도검출유닛
140: 냉각제분사제어모듈

Claims (24)

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19. 핫 스탬핑 부품의 점용접을 실시하도록 전극을 구비하는 점용접유닛;
    상기 점용접에 의해 상기 핫 스탬핑 부품의 용접부가 액상상태까지 급속히 가열되어 너겟부가 형성될 때, 상기 너겟부의 온도를 오스테나이트 상변태점 이하에서 마르텐사이트 상변태점까지 급속 냉각시키도록 상기 전극 내부로 냉각수를 유동시키는 냉각유닛;
    상기 점용접 도중 상기 핫 스탬핑 부품의 열영향부에 냉각제를 분사하여 상기 열영향부에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 냉각제분사유닛;
    상기 냉각제분사유닛에 의해 급속 냉각되는 상기 열영향부의 온도를 검출하는 온도검출유닛; 및
    상기 온도검출유닛의 검출 정보를 토대로 상기 열영향부의 냉각 정도를 판단하고, 상기 냉각제분사유닛을 통해 상기 열영향부 쪽으로 분사되어야 하는 냉각제의 유량 및 분사강도를 제어하는 냉각제분사제어모듈;을 포함하며,
    상기 냉각제분사유닛은, 상기 점용접이 실시되는 상기 열영향부 쪽으로 냉각제를 분사하도록 구비된 분사노즐; 및 상기 분사노즐과 배관을 통해 연결되며, 상기 분사노즐로 공급될 냉각제를 저장하는 냉각제저장부;를 포함하고,
    상기 분사노즐은, 출구가 상기 점용접이 실시되는 상기 열영향부 쪽으로 향하도록 상기 전극의 일측에 경사지게 배치되되, 상기 분사노즐의 경사 각도는 사용자의 설정에 따라 조절 가능한 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치.
    
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22. 제19항에 있어서,
    상기 분사노즐은, 상기 전극을 둘러 감싸는 중공 파이프 형상으로 구비되며,
    출구가 상기 점용접이 실시되는 상기 열영향부 쪽으로 향하도록 배치되는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치.
    
23. 제19항에 있어서,
    상기 분사노즐과 상기 냉각제저장부와 배관을 통해 연결되어 냉각제의 유동을 개폐 조절하는 밸브를 포함하되,
    상기 밸브는, 사용자의 지령에 따라 전송된 전기적 신호를 입력 받아 배관 내부를 유동하는 냉각제의 흐름을 개폐 제어하는 솔레노이드 밸브(solenoid valve)인 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치.
    
24. 제19항에 있어서,
    상기 분사노즐과 상기 냉각제저장부와 배관을 통해 연결되며, 상기 분사노즐로 개별 공급시키거나 또는 상기 분사노즐에 공급되는 냉각제에 혼합시킬 압축공기를 저장하는 압축공기저장부를 더 포함하는 강도 향상을 위한 핫 스탬핑 부품 점용접 장치.

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