KR20160061560A

KR20160061560A - 테일러 웰디드 블랭크 제조방법

Info

Publication number: KR20160061560A
Application number: KR1020140163758A
Authority: KR
Inventors: 김소연
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-06-01
Also published as: US9873929B2; KR101714121B1; US20160144456A1; DE102015206318A1; CN106141433A

Abstract

본 발명은 도금강판을 이용하여 테일러 웰디드 브랭크 제조시 용접부의 품질을 향상시키면서 제조시간을 단축시킬 수 있는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 웰디드 블랭크 제조방법은 이종 두께 또는 강도를 갖는 한 쌍 이상의 이종 도금강판을 필러 와이어를 이용하여 레이저 용접하는 것을 특징으로 한다.

Description

테일러 웰디드 블랭크 제조방법{METHOD FOR TAILOR WELDED BLANKS}

본 발명은 이종 두께 또는 이종 재질의 강판을 연결하여 제조되는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도금강판을 이용하여 테일러 웰디드 브랭크 제조시 용접부의 품질을 향상시키면서 제조시간을 단축시킬 수 있는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법에 관한 것이다.

최근 환경 및 안전규제 강화에 따른 차량 요구조건이 지속적으로 강화되고 있다. 즉, 연비향상을 위한 경량화 요구와 충돌안전성 향상에 대응하기 위해, 예컨대 AHSS(Advance High Strength Steel)를 포함한 고강도강의 적용이 확대되고 있는 추세이다.

차체 제조시에는 측면 충돌을 보강하기 위해 고강도의 부품을 적용하며, 특히 전기자동차의 경우 배터리 보호를 위해 측면 충돌 필러의 역할이 기존 내연기관 차체보다 더욱 중요하다. 이를 위해, HPF(Hot Press Forming) 기술이 적용된 초고강도강의 사용이 확대되고 있다.

한편, 충돌 부재로 적용되는 부품은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

첫째, 에너지흡수 부재(Energy absorption part)로 외부에서 가해지는 충격을 변형을 통하여 흡수하는 부재이다.

에너지흡수 부재로는 대표적으로, 전방 사이드 멤버(Front side member)의 앞쪽, 후방 사이드 멤버(Rear side member)의 뒤쪽과 비-필러(B-pillar)의 아래쪽이 해당된다.

둘째, 비침투 부재(Anti-intrusion part)로 변형이 거의 발생하지 않는 부재이다. 예컨대, 충돌시 승객이 타고 있는 공간(Cabin zone)을 확보하고 있어야 하므로, 여기에 적용되는 충돌부재는 대부분 비침투 부재에 해당된다.

대표적으로, 전방 사이드 멤버의 뒷쪽, 후방 사이드 멤버의 앞쪽과 비-필러의 위쪽이 해당된다.

비침투 부재의 경우, HPF를 적용하여 충돌성능을 향상시키는 사례가 급격히 늘어나고 있으며, 충돌 흡수 부재는 상대적으로 연신율이 높은 AHSS를 적용하고 있다.

상기 전방 사이드 멤버, 후방 사이드 멤버 및 비-필러와 같은 부재의 경우 에너지흡수 부재와 비침투 부재가 결합되어 있는 형태로, 두 부재를 용접한 후 성형하여 제조된다.

이때, 주로 사용되는 테일러 웰디드 블랭크 공법(TWB; Tailor Welded Blank)은 마치 양복을 재단하는 것과 같이 두께, 강도 및 재질이 서로 다른 이종의 강판을 필요한 모양으로 절단하여 용접한 후 프레스 성형하여 부품을 제조하는 일련의 과정을 의미하며, 크게, 강판을 커팅하는 절단공정과 절단된 강판을 레이저로 용접하는 용접공정 및 용접된 강판 일체를 블랭킹 공정으로 구성된다.

이러한, 테일러 웰디드 블랭크 공법(TWB)은 이종의 두께 및 강종을 용접할 수 있어 부위별로 요구되는 특성을 갖도록 할 수 있으며, 강판에 비하여 보다 단단한 구조 및 긴 수명뿐만 아니라 정확한 치수로 제작이 가능하다는 장점이 있어, 자동차나 전동차 등의 차체 패널 등의 구조물 생산시 적용되고 있다.

특히, 고생산성, 저비용 및 저중량이 요구되는 자동차 산업 분야에서 종래 차체 패널의 구조물 생산시 강판를 절단하여 각각 성형한 후 점용접을 실시하여 부품을 제작하던 성형방법에 비하여 부품수 감소, 차체 경량화, 제조원가 절감, 품질향상, 충돌 안정성 향상 및 차체 구조의 단순화 등의 장점이 있다.

그러나, 도금층이 Al-Si 또는 Zn계로 이루어진 도금강판의 경우, 레이저 용접시 용접부에 도금층이 혼입되어 900~950℃의 온도로 가열하는 경우에도 오스테나이트 조직 확보가 어려워 급냉시 마르텐사이트 조직 확보가 어려워 용접부의 물성을 저하시키는 문제점을 가지고 있었다.

이에, 도금강판을 용접하기 위해서는 도금강판의 도금층 제거가 필수적이다. 그러나, 용접을 위해 도금층이 제거된 부위에 부식(Rust)이 발생되어 생산되는 제품의 품질이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 테일러 웰디드 블랭크 용접으로 도금강판 용접시, 도금층을 제거하지 않더라도 용접부의 품질을 향상시킬 수 있는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법을 제공한다.

또한, 핫스탬핑 작업 후 용접부가 풀 마르텐사이트 조직을 갖도록 하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법은 이종 두께 또는 강도를 갖는 한 쌍 이상의 이종 도금강판을 필러 와이어를 이용하여 레이저 용접하는 것을 특징으로 한다.

상기 필러 와이어는, 상기 도금강판의 도금층이 혼입되더라도, 용접부가 900 ~ 950℃에서 오스테나이트 조직으로 변태되는 성분계로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 필러 와이어는, 오스테나이트 안정화 원소로 C 및 Mn를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 필러 와이어는, 오스테나이트 안정화 원소로 Ni을 더 포함할 수 있다.

상기 필러 와이어는, C: 0.6 ~ 0.9 wt%, Mn: 0.3 ~ 0.9wt%, Ni 1.6 ~ 3.0wt% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 도금강판은 Al-Si 도금층을 포함하며, 모재는 C: 0.19 ~ 0.25wt%, Si: 0.20 ~ 0.40wt%, Mn: 1.10 ~ 1.60wt%, P: 0.03wt% 이하, S: 0.015wt% 이하, Cr: 0.10 ~ 0.60 wt%, B: 0.0008 ~ 0.0050wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 할 수 있다.

바람직하게 본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 웰디드 블랭크 제조방법은 상기 필러 와이어를 이용하여 레이저 용접된 테일러 웰디드 블랭크를 핫 스탬핑 성형한 후, 냉각 속도 40℃/s 이상으로 급냉시켜 상기 용접부의 조직을 마르텐사이트로 변태시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 테일러 웰디드 블랭크를 제조하기 위해 레이저 용접시 도금층 제거 및 재도금 공정이 필요하지 않아 생산시간을 단축시켜 생산성을 향상시키고, 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 용접부가 풀 마르텐사이트 조직을 갖도록 함으로써, 용접부의 품질을 향상시킬수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 알루미늄 함량과 온도에 따른 변태곡선을 보여주는 그래프이고,
도 2는 오스테나이트 안정화 원소 함량 증강에 따른 변태곡선의 이동을 보여주는 그래프이며,
도 3은 니켈 함량 증강에 따른 변태곡선을 보여주는 그래프이고,
도 4는 필러 와이어의 니켈 함량에 따른 인장시험 결과를 보여주는 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 웰디드 블랭크 제조방법은 이종 소재 또는 이종 두께를 갖는 한 쌍 이상의 이종 도금 강판을 레이저 용접으로 연결하여 국부적으로 서로 다른 물성을 갖는 테일러 웰디드 블랭크를 제조시, 도금층의 성분이 용접부에 혼입되어 발생되는 강도 저하 등의 문제점을 방지하는 것을 주요 사상으로 한다.

일반적으로 용접부의 도금층을 제거하지 않은 상태에서 도금강판을 레이저 용접으로 접합하는 경우 도금층이 용융되어 용접부에 혼입되면 용접부의 강도 저하 등 문제점을 유발하게 되는데, 이는 용접부가 도금강판의 모재와 도금층이 혼합된 성분계를 갖기 때문에 모재와 다른 물성을 나타내기 때문이며, 이는 용접부의 강도 저하를 유발한다.

핫 스탬핑 성형을 위한 테일러 웰디드 블랭크의 모재는 주로 경화능을 갖는 보론 강판을 이용하며, 도금층은 Al-Si이 주로 사용된다.

도 2는 종래 변태곡선을 나타낸 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 도금층이 용접부에 혼입되어 용접부의 Al 함량이 증가되면, 900 ~ 950℃로 가열하더라도, 풀 오스테나이트 조직 확보가 불가능하여, 핫스탬핑 성형 이후 급냉시키더라도 용접부가 풀 마르텐사이트 조직을 갖지 못하고 페라이트와 마르텐사이트가 공존하는 조직을 갖기 때문에 용접부의 강도 저하가 발생하게된다.

본 발명에서 사용된 테일러 웰디드 블랭크의 모재는 C: 0.19 ~ 0.25wt%, Si: 0.20 ~ 0.40wt%, Mn: 1.10 ~ 1.60wt%, P: 0.03wt% 이하, S: 0.015wt% 이하, Cr: 0.10 ~ 0.60 wt%, B: 0.0008 ~ 0.0050wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 사용하였으며, 도금층은 Al-Si로 구성된 것을 사용하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 테일러 웰디드 블랭크 제조방법은 레이저 용접시 필러 와이어를 이용함으로써, 용접부의 성분을 조절함으로써 900 ~ 950℃의 온도에서 용접부가 풀 오스테나이트 조직을 갖도록 하는 것이 바람직하다.

이에, 핫 스탬핑 성형 이후 급냉시켜 용접부를 풀 마르텐사이트로 변태시킴으로써 용접부의 강도를 향상시켜 원하는 물성을 갖도록 할 수 있는 효과가 있다.

도 2는 오스테나이트 안정화 원소 함량 증강에 따른 변태곡선의 이동을 보여주는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, C 및 Mn은 오스테나이트 안정화 원소로서 그 함량이 증가 될수록 공석온도(Ac3)를 낮춰 변태곡선이 오른쪽으로 이동되며, 오스테나이트 영역이 확대됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 필러 와이어는 오스테나이트 안정화 원소로 C 및 Mn을 포함하는 것이 바람직하다.

이에, 용접 후 핫 스탬핑 성형 중 900 ~ 950℃로 가열시, 용접부가 풀 오스테나이트 조직으로 존재하여, 핫 스템핑 성형 후 급냉시킴에 따라 용접부가 풀 마르텐사이트 조직으로 변태된다.

바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 필러 와이어는 오스테나이트 안정화 원소로 니켈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

도 3은 니켈 함량 증강에 따른 변태곡선을 보여주는 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 필러 와이어의 니켈 함량이 증가 될수록 공석온도(Ac3)를 낮춤을 알 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 필러 와이어는 C: 0.6 ~ 0.9wt%, Mn:0.3 ~ 0.9wt%, Ni 1.6 ~ 3.0wt% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 것이 바람직하다.

그 이유는, C의 함량이 0.6wt% 미만인 경우 오스테나이트 영역 증가율이 낮아 용접시 900 ~ 950℃의 온도에서 용접부에 페라이트 조직이 공존하며, 0.9wt%를 초과하는 경우 용접부의 경도 및 강도가 과도하게 상승함에 따라 충돌 등 충격발생시 용접부에 파단이 발생되는 문제점이 있기 때문이다.

또한, Mn 및 Ni도 상기의 조성범위를 벗어나는 경우, 900 ~ 950℃의 온도에서 용접부가 풀 오스테나이트 조직을 갖지 못하며, 핫 스탬핑 성형 후 완성된 제품의 용접부의 물성이 변화되어 용접부 파단 등 결함을 발생하는 문제점을 가지고 있었다.

도 4는 필러 와이어의 니켈 함량에 따른 인장시험 결과를 보여주는 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 필러 와이어 중 Ni의 함량이 1.6 ~ 3.0wt%인 경우 용접부의 강도가 향상됨에 따라 인장시험시 모재 파단이 발생된 반면, Ni의 함량이 1.6wt% 미만 또는 3.0wt%를 초과하는 경우 인장시험시 용접부 파단이 발생됨을 알 수 있다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 필러 와이어의 조성이 상기 범위를 만족하는 경우, 900 ~ 950℃의 온도에서 용접부가 풀 오스테나이트 조직을 갖도록 함으로써, 핫 스탬핑 성형 후 급냉시킴에 따라, 용접부를 풀 오스테나이트 조직으로 변태시켜 용접부의 강도를 증가시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 필러 와이어는 용접시 도금층의 Al이 용접부에 혼입되더라도 필러 와이어에 포함된 오스테나이트 안정화 원소에 의해 핫 스탬핑 성형 후 용접부가 풀 마르텐사이트 조직을 갖도록 함으로써, 도금층을 제거하지 않고 용접을 실시하더라도 용접부의 경도 및 강도 저하를 방지할 수 있어 용접부 파단을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 테일드 웰디드 블랭크 제조방법은 핫 스탬핑 성형 후 40℃/s 이상의 냉각 속도로 급냉시켜 용접부의 조직을 마르텐사이트로 변태시키는 것이 바람직하다.

본 발명에서, 핫 스탬핑 성형 후 즉시 (0.5 초 이내에) 냉각을 개시하고, 냉각 중의 평균 냉각 속도를 40℃/s 이상으로 하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 40℃/s 미만으로 냉각시키는 경우, 입자 성장에 따라 용접부의 조직이 미세화되기 어려워 냉각 후 용접부의 조직을 풀 마르텐사이트로 변태시키기 어렵기 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

이종 두께 또는 강도를 갖는 한 쌍 이상의 이종 도금강판을 필러 와이어를 이용하여 레이저 용접하는 것을 특징으로 하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 필러 와이어는,
상기 도금강판의 도금층이 혼입되더라도, 용접부가 900 ~ 950℃에서 오스테나이트 조직으로 변태되는 성분계로 이루어진 것을 특징으로 하는, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 필러 와이어는,
오스테나이트 안정화 원소로 C 및 Mn를 포함하는 것을 특징으로 하는, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 필러 와이어는,
오스테나이트 안정화 원소로 Ni을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 필러 와이어는,
C: 0.6 ~ 0.9 wt%, Mn: 0.3 ~ 0.9wt%, Ni 1.6 ~ 3.0wt% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 도금강판은 Al-Si 도금층을 포함하며,
모재는 C: 0.19 ~ 0.25wt%, Si: 0.20 ~ 0.40wt%, Mn: 1.10 ~ 1.60wt%, P: 0.03wt% 이하, S: 0.015wt% 이하, Cr: 0.10 ~ 0.60 wt%, B: 0.0008 ~ 0.0050wt%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성된 것을 특징으로 하는, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 필러 와이어를 이용하여 레이저 용접된 테일러 웰디드 블랭크를 핫 스탬핑 성형한 후, 냉각 속도 40℃/s 이상으로 급냉시켜 상기 용접부의 조직을 마르텐사이트로 변태시키는 것을 특징으로 하는, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.