KR20230144242A - 테일러 웰디드 블랭크 제조방법 - Google Patents
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Abstract
테일러 웰디드 블랭크 제조방법이 소개된다. 무빙 플레이트를 구비한 지그를 이용하여 2 이상의 블랭크가 서로 맞대어 정렬된다. 정렬된 블랭크들은 NiCr계, CrMn계 필러와이어를 이용하여 용접라인을 따라 레이저 용접된다. 블랭크는 Al 도금층을 가지며, 필러와이어를 이용하여 신속히 레이저 용접 가능하다. 일체화된 블랭크는 가열로 내에서 12℃/s 이상의 속도로 신속히 가열된 후, 프레스 포밍된다.
Description
본 발명은 테일러 웰디드 블랭크들(Tailor Welded Blanks: TWBs)의 제조를 위한 방법 및 장치, 그리고 접합된 일체의 블랭크를 핫스탬핑하여 차체 부품을 제조하는 방법과 관련된다.
전세계적인 환경규제 및 안전법규의 강화 추세에 따라 차량 산업 분야에서 경량화 및 고강도화 요구가 높다. 전통적인 내연기관 차량은 물론 전기차, 수소차 등 소위 친환경 차량에 있어서도 경량화는 필수이며, 경량화와 더불어 안전성 보장을 위해 부품들의 고강도화가 필요하다.
고강도 차량 부품의 제조를 위해 초고장력강이 사용되고 있으나, 초고장력 강판은 성형성이 열악하여 그 적용범위에 한계가 있다. 고강도와 고성형성의 동시 구현을 위해 핫스탬핑 기술이 개발되어 그 적용이 널리 확대되고 있다.
핫스탬핑은 강판을 오스테나이트화 온도(AC) 이상, 예로서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형 내에서 성형과 동시에 급냉시켜 1400Mpa급 이상의 고강도 부품을 얻고자 하는 기술이다. 핫스탬핑 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소(C)와 열처리 성능 향상 위해 망간(Mn), 보론(B)이 소량 함유된 이른바 보론강이 사용된다.
핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도가 우수하다. 또한 핫스탬핑은 초고장력 강판의 냉간 성형 시 특히 문제되는 스프링백이나 지연파괴를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
핫스탬핑 시 강판은 900℃ 이상의 고온으로 가열되므로, 비도금 강판 이용 시 강판 표면의 산화 및 탄화가 문제된다. 산화 및 탄화로부터 강판을 보호하기 위해 제안된 것이 Al, Zn 도금층을 갖는 강판이다. Al 도금강판에 관해서는 미국특허 제6296805호가 참고될 수 있다.
Al 도금강판의 대표적인 예는 Usibor® 강판이다. Usibor 1500은 간략히는 22MnB5 기재의 표면에 Al-Si 프리코팅(Pre-coating)이 된 강판이다. 기재 스틸은 예로서 C 0.24wt%, Mn 1.4wt%, Si 0.40wt% 및 Cr, Ti, B 등 성분들을 포함하며, 펄라이트-페이라이트의 복합상을 갖는다. Al-Si 프리코팅은 Al, Si 성분들이 포함된 도금욕에 기재 강판을 침지시킴에 의해 얻어진다. Usibor 1500은 880~930℃의 로에서 5~10분 가열하여 기재를 오스테나이트화 한 후, 30℃/s 이상의 속도로 급냉시킴에 의해 1500Mpa 수준의 강도를 갖게 된다.
최근 차량 바디 부품의 제조에 테일러 웰디드 블랭크(이하 'TWB') 기술이 활발하게 적용되고 있다. TWB 기술은 부품에 요구되는 다양한 특성을 충족시킬 수 있도록, 두께나 강도가 서로 다른 블랭크들을 서로 맞대기 용접하여 프레스 성형을 위한 블랭크들(TWBs)를 만드는 기술이다. TWBs를 핫스탬핑에 적용함으로써 바디 부품들의 경량화 및 충돌성능 향상이 가능하다.
TWB 기술은 도금층을 갖는 강판, 예로서 Al 도금강판에 적용하기 어렵다. 용접과정에 도금층 성분들이 용융부(fusion zone) 내로 혼입되어 용접부 품질을 열악하게 한다. 이 문제의 해결을 위해 한국특허 제1141994호에서는 기재 상의 금속간 합금층만을 남기고, 레이저빔을 이용하여 그 상부의 도금을 용접 전에 미리 제거하는 방안을 제안했다. 이 방안에 의하면 정밀한 레이저빔 컨트롤이 요구되며, TWB 공정 속도의 지연을 피하기 어렵다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 개선된 테일러 웰디드 블랭크 제조방법(TWB 방법), 특히 표면 도금층을 갖는 블랭크들 간의 개선된 TWB 방법 및 이를 위한 TWB 장치를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 미리 표면 도금층을 제거할 필요가 없는 개선된 TWB 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 개선된 TWB 방법에 의해 얻어진, 표면 도금층을 갖는 일체화된 블랭크를 이용한 차체 부품을 제공하고자 한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.
위 목적들은 청구범위에 기재된 발명들, 구성들에 의해 달성된다.
본 발명에 의하면 TWB를 위한 블랭크들은 지그 상에 올려져 정렬된 후 용접된다. 지그는 베이스 프레임 및 이 베이스 프레임 상에 마련된 로딩 플레이트를 포함한다. 로딩 플레이트는 그 위에 로딩된 블랭크를 구속하기 위한 고정요소; 분리되어 독립적으로 수평 이동 가능한 하나 이상의 무빙 플레이트를 구비한다.
상기 고정요소는 로딩 플레이트 상에 배열된다. 고정요소는 로딩 플레이트에 로딩된 블랭크를 1차로 고정하기 위한 제1 요소; 및 블랭크를 2차로 고정하기 위한 제2 요소를 구비한다. 제1 요소는 블랭크를 로딩 플레이트에 1차로 고정하기 위한 것으로, 일례로서 마그넷, 바람직하게는 자력의 온/오프 조절이 가능한 전자석석(electromagnet)이다. 마그넷은 용접라인을 따라 배열되며 블랭크의 직하부에서 블랭크를 자력으로 고정한다. 제2 요소는 블랭크를 로딩 플레이트에 기구적으로 고정한다. 바람직한 하나의 예로서, 제2 요소는 액츄에이이터에 의해 작동하는 클램핑 기구이다. 클램핑 기구는 블랭크의 주변부에 배치되어 블랭크 가장자리를 로딩 플레이트에 고정한다.
본 발명에 의하면 상기 로딩 플레이트 상의 블랭크는 마그넷에 의해 1차 고정(가고정)된 후, 2차로 클램핑 기구에 의해 견고히 고정된다.
상기 로딩 플레이트는 고정 플레이트와 무빙 플레이트들로 구성될 수 있다. 고정 플레이트가 기준 플레이트가 되고, 나머지 무빙 플레이트들이 이동하여 맞대기 용접을 위한 블랭크들의 정렬이 이루어진다. 다른 예로서 로딩 플레이트는 무빙 플레이트로만으로 구성될 수 있다. 1개의 무빙 플레이트가 기준 플레이트가 되고, 나머지 무빙 플레이트들이 이동하여 블랭크들이 정렬된다.
본 발명에 의하면 상기 블랭크들은 사이드 실 블랭크; 사이드 실 블랭크의 상부에 놓이는 센터 필러 블랭크; 사이드 실 블랭크의 전방에 놓이는 힌지 필러 블랭크; 및 센터 필러 블랭크와 힌지 필러 블랭크 사이에 놓이는 프론트 필러 블랭크를 포함한다. 용접라인은 사이드 실 블랭크와 힌지 필러 블랭크 간의 제1 라인; 힌지 필러 블랭크와 프론트 필러 블랭크 간의 제2 라인; 프론트 필러 블랭크와 센터 필러 블랭크 간의 제3 라인; 및 센터 필러 블랭크와 사이드 실 블랭크 간의 제4 라인을 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 블랭크들의 TWB 용접에 필러와이어가 사용된다. 이러한 필러와이어로는 NiCr계, CrMn계가 사용된다. TWB 과정에 용융부로 혼입된 표면 도금층의 Al은 핫스탬핑을 위해 블랭크를 850~950℃로 가열하는 과정에 연질의 페라이트 형성을 촉진한다. 완전히 오스테나이트화 되지 않고 부분적으로 페라이트를 갖는 블랭크를 프레스 성형 시, 목표로 하는 충분한 강도가 얻어지지 않게 된다. 필러와이어는 핫스탬핑 가열 공정 중 용접부에 페라이트가 형성되지 않도록 성분 설계된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면 도어링과 같은 큰 부품을 구성하는 블랭크들의 정밀한 정렬 및 맞대기 용접이 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, TWB 공정에서 작업 공수의 감소 및 공정 속도의 제고가 가능하다.
또한 본 발명에 의하면 TWB 공정 전 표면 도금층의 제거가 불필요하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 공정 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 블랭크들을 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블랭크들의 용접순서를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지그 및 용접장치를 보여준다.
도 5는 도 4에 도시된 지그의 다른 각도 뷰이다.
도 6은 도 4에 도시된 지그를 위에서 본 뷰이다.
도 7 및 도 8은 지그 위에 블랭크들이 로딩된 것을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 차체 부품을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 블랭크들을 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 블랭크들의 용접순서를 보여준다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 지그 및 용접장치를 보여준다.
도 5는 도 4에 도시된 지그의 다른 각도 뷰이다.
도 6은 도 4에 도시된 지그를 위에서 본 뷰이다.
도 7 및 도 8은 지그 위에 블랭크들이 로딩된 것을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제작된 차체 부품을 보여준다.
이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.
본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.
도 1은 실시예에 따른 차량 부품의 제조를 위한 공정 순서도를 보여준다.
도 1을 참조하면, 이 공정은 블랭크들을 정렬(S1) 후 용접(S2)하는 TWB 공정과, 용접된 일체의 블랭크(이하 '일체화된 블랭크')를 가열(S3)하여 프레스 성형(S4)하는 핫스탬핑 공정을 포함한다.
블랭크 준비
TWB 공정을 위한 블랭크로는 표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 강판이 사용된다.
강판은 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 급냉시킴에 의해 마르텐사이트 조직을 가질 수 있는 조성을 갖는다. 강판은 예로서 중량%로, C: 0.01~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, P: 0.001~0.05%, S: 0.0001~0.02%, Al: 0.001~1.0%, N: 0.001~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
실시예에 의하면, 강판은 Cr, Mo 중 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0중량%, Ti, Nb 및 V로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4중량%, 그리고 B: 0.0001~0.01중량% 중에서 하나 이상을 더 포함한다.
Cr 및 Mo는 경화능 향상, 석출강화 효과를 통한 강도 향상 및 결정립 미세화에 기여하는 원소들이다. Cr 및 Mo 중 1종 이상의 합이 0.01% 미만인 경우에는 상기 효과를 얻기 어렵고, 4.0% 초과인 경우에는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 용접성 저하 및 비용 상승의 문제가 있다.
Ti, Nb 및 V은 미세 석출물 형성으로 열처리 부재의 강도 향상, 결정립 미세화에 의해 잔류 오스테나이트 안정화 및 충격인성 향상에 기여하는 원소들이다. Ti, Nb 및 V 중 1종 이상의 합이 0.001% 미만인 경우에는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 비용 상승의 문제가 있다.
B은 소량의 첨가로도 경화능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구(prior)오스테나이트 결정립계에 편석되어 P 또는/및 S의 입계편석에 의한 열간성형 부재의 취성을 억제할 수 있는 원소이다. B 함량이 0.0001% 미만인 경우에는 효과를 얻기 어렵고, 0.01% 초과인 경우에는 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간압연에서 취성을 야기시킨다.
Al-Fe 합금화 도금층은 중량%로 Al: 40~60%, Si: 2~10%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 도금층 내 Fe 평균 함량은 35중량% 이상이며, 미합금화된 상의 분율이 1면적% 이하이다. 미합금화된 상의 분율이 1면적% 초과인 경우에는 저융점의 Al 상이 존재하는 것을 의미한다. 저융점의 Al 상은 저경도상을 형성함으로써 핫스탬핑 후 TWB 용접부에서 경도 편차를 크게 하고 용접부 특성을 저해한다.
일실시예에 의하면, Al-Fe 합금화 도금층은 기재 강판의 표면에 형성되고 Si을 0.5~12.0중량% 포함하는 확산층; 및 Si을 3.0~20.0중량% 포함하는 중간층을 포함한다. 확산층과 중간층의 평균 두께의 합이 1.0~10㎛이며, 합금화 도금층 상에는 2㎛ 이하의 산화층이 형성될 수 있다. 상화층의 두께가 2㎛ 초과하는 경우 용접성이 열악해진다.
일실시예에 의하면, Al-Fe 합금화층의 두께는 10~50㎛이다.
Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 강판의 제조방법은 상기된 강판 조성을 갖는 슬라브를 이용하여 냉연강판을 얻는 단계; 냉연강판을 중량%로 Si: 6~12%, Fe: 1~4%, 나머지 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지하여 도금하는 단계; 및 도금강판을 이슬점 온도 -10℃ 미만, 비산화성 분위기, 예로서 수소 및/또는 질소 분위기의 상소둔로에서 600~800℃ 범위의 온도로 0.1~100시간 합금화 열처리하는 단계를 포함한다.
냉연강판은 슬라브를 1000~1300℃로 가열하는 단계; 가열된 슬라브를 Ar3~1000℃로 마무리 열간압연하여 열연강판을 얻는 단계; 열연강판을 냉각하여 Ms 초과 750℃ 이하에서 권취하는 단계; 및 권취된 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 얻는 단계를 거쳐 제조된다.
도금 단계에서, Si함량이 6중량% 미만이면, 도금욕의 유동성이 저하되어 균일한 도금층 형성이 어려운 문제가 있다. Si함량이 12중량%를 초과하면 도금욕의 용융온도가 올라가서 도금욕 관리 온도를 상향해야 하는 문제점이 있다. 도금욕 중 Fe는 도금 과정에서 강판으로부터 도금욕에 용해가 되어 존재하게 된다. 도금욕의 Fe함량을 1중량% 미만으로 유지하기 위해서는 용해되어 나오는 Fe를 희석시키기 위해 과도한 제조 비용이 발생하는 문제가 있고, Fe 함량이 4중량%를 초과하면 도금욕에 드로스라고 하는 FeAl 화합물 형성이 용이하여 도금 품질을 저하시키기 때문에 4중량% 이하로 관리할 필요가 있다.
실시예에 의하면 도금 단계에서 강판의 도금량은 편면 기준 30~130g/m2이다. 도금량이 편면 기준 30g/m2 미만인 경우에는 핫스탬핑 부품의 내식성 확보가 어려우며, 130g/m2 초과인 경우에는 과도한 도금 부착량으로 인하여 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, 도금량이 코일 전폭 및 길이 방향으로 균일하도록 도금하기가 용이하지 않다.
상소둔 전의 도금층은 Al 주상에 Al-Si 공정상이 분포하는 조직을 갖는다. 상소둔을 통해 Fe와의 합금화가 이루어져 점차 도금층의 Fe함량이 높아지고 다양한 상이 형성된다. 합금화 도금층은 예로서 기재 강판 표면으로부터 확산층, Fe2Al5가 주를 이루는 층, 중간층(FeAl(Si)), Fe2Al5가 주를 이루는 층이 차례대로 형성된 구조를 갖는다. 확산층은 FeAl(Si)와 αFe를 주요구성으로 하여 Si 함량이 0.5~12.0중량%이고, 중간층은 FeAl(Si)를 주요구성으로 하여 Si 함량이 3.0~20.0 중량%일 수 있다.
상소둔은 이슬점 온도 -10℃ 미만의 비산화성 분위기, 예로서 수소 분위기, 또는 수소와 질소의 혼합분위기에서 수행된다. 이슬점 온도가 -10℃ 미만으로 관리되지 않는 경우, 취성 등 합금화 도금층의 품질 유지가 어렵다. 비산화성 분위기에서 상소둔 함을 통해 합금화 도금층 상부의 산화층 제어가 가능하다.
표면 도금층의 합금화 열처리가 완료된 강판은 TWB 공정을 위해 미리 설정된 크기들과 형상들을 갖는 블랭크들로 커팅(블랭킹)된다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 테일러 웰디드 블랭크 제조공정 및 장치에 관하여 살펴본다.
블랭크들 정렬(S1)
도 1의 S1 내지 S4 단계를 거쳐 얻어진 차체 부품에 대한 후공정 필요성 제거를 위해 일체화된 블랭크 및 이를 이루는 블랭크들(11,12,13,14)의 설계가 중요하다. 후공정의 한 예는 트리밍이다. 트리밍은 TWB 공정의 지연 및 스크랩 손실을 야기한다. 프레스 성형 후 트리밍 필요가 없거나 적어도 최소화하고 아울러 용접부의 품질 보장을 위해, 블랭크들(11,12,13,14)의 크기들, 형상들 등이 최적 설계된다.
도 2는 실시예에 따라 서로 맞대어 정렬된 블랭크들(11,12,13,14)을 보여준다. 실시예에 의하면 블랭크들(11,12,13,14)은 Al합금의 표면 도금을 갖는다. 예로서 블랭크들(11,12,13,14)은 Al-Fe 합금화 도금층을 갖거나, 또는 Al-Si 프리코팅을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 블랭크들(11,12,13,14)은 도어 링의 제작을 위한 것들로, 실 사이드 블랭크(11), 힌지 필러 블랭크(12), 프론트 필러 블랭크(13) 및 센터 필러 블랭크(14)를 포함한다. 특징적으로 설계된 4개의 블랭크들(11,12,13,14)을 서로 맞대기 용접하여 일체화된 블랭크를 얻고, 이 일체화된 블랭크를 프레스 포밍 또는 핫스탬핑함으로써 도어 링이 얻어진다. 블랭크들(11,12,13,14)은 최적 충돌 성능의 발휘할 수 있도록 두께, 재질 중 적어도 하나가 서로 다르게 설계된다.
도 2에서 지시된 L1 내지 L4는 용접라인들이다. L1은 실 사이드 블랭크(11)와 그 전방의 힌지 필러 블랭크(12) 간의 제1 용접라인이다. 제1 용접라인(L1)은 6시 위치에서 수직하게 연장된다. L2는 힌지 필러 블랭크(12)와 프론트 필러 블랭크(13) 간의 제2 라인이다. 제2 용접라인(L2)은 2시 위치에서 비스듬히 연장된다. L3는 프론트 필러 블랭크(13)는 센터 필러 블랭크(14) 간의 제3 용접라인이다. 제3 용접라인(L3)은 11시~12시 위치에서 수직하게 연장된다. L4는 센터 필러 블랭크(14)와 실 사이드 블랭크(11) 간의 제4 용접라인이다. 제4 용접라인(L4)은 9시 위치에서 수평하게 연장된다.
도어 링의 제작을 위한 블랭크들(11,12,13,14)의 신속하고 정밀한 정렬 및 맞대기 용접을 위해 특징적인 장치가 사용된다. 도 4 내지 도 8에 실시예에 따른 지그(2)가 도시되어 있다. 이 지그(2)를 이용하여 블랭크들(11,12,13,14)을 서로 맞대어 정렬하고 용접을 수행한다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 지그(2)는 베이스 프레임(2)과, 베이스 프레임(3) 상의 로딩 플레이트(20)를 구비한다.
베이스 프레임(3)은 로딩 플레이트(20)를 지지하며, 그 하부에 이동을 위한 바퀴(4)가 마련된다. 바퀴(4)에는 바퀴(4)의 구름운동을 제한하여 베이스 프레임(3)을 위치 고정하기 위한 스토퍼가 마련된다.
로딩 플레이트(20)는 서로 분리된 복수 개의 플레이트들(21,22,23,24)로 구성된다. 이들 플레이트(21,22,23,24) 상에 블랭크들(11,12,13,14)이 1:1 매칭되어 로딩된다. 1개의 플레이트에 1개의 블랭크가 로딩된다.
로딩 플레이트(20)는 그 위에 로딩된 블랭크를 고정하기 위한 요소를 갖는다. 실시예에 의하면 이 고정요소는 마그넷(7) 및 클램핑 기구(6)를 포함한다. 마그넷(7)은 전자력의 온/오프가 가능한 전자석으로서, 용접라인(L1,L2,L3,L4)을 따라 배열된다. 로딩 플레이트(20)에 블랭크 로딩 후, 마그넷(7)에 전원이 인가된다. 마그넷(7)에 의해 용접라인(L1,L2,L3,L4)을 따라서 블랭크가 로딩 플레이트(20)에 밀착 고정된다. 클랭핑 기구(6)는 블랭크 주변에 배치되어 블랭크의 가장자리를 로딩 플레이트(20)에 견고히 고정한다.
로딩 플레이트(20)는 베이스 프레임(3) 상에서 독립적으로 수평 이동 가능한 무빙 플레이트를 포함한다. 로딩 플레이트(20)를 구성하는 플레이트들 중 적어도 하나 이상은 무빙 플레이트이며, 하나의 예로서 모두 무빙 플레이트로 구성될 수도 있다. 로딩 플레이트(20)와 베이스 프레임(3) 사이에는 무빙 플레이트를 이동시키기 위해 레일(5)을 포함한 무빙 시스템이 마련된다. 무빙 시스템에는 공지된 기술을 포함하여 다양한 기술이 적용될 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하여 로딩 플레이트(20) 및 블랭크들(11,12,13,14)의 정렬 방법에 관해 구체적으로 살펴본다.
도 5 및 도 6에서 보듯이, 로딩 플레이트(20)는 제1 플레이트(21), 그리고 제1 플레이트(21)로부터 반시계 방향으로 배열된 제2 플레이트(22), 제3 플레이트(23) 및 제4 플레이트(24)를 구비한다.
실시예에 의하면 제1 플레이트(21)는 블랭크들(11,12,13,14)의 정렬을 위한 기준점이 되는 플레이트(이하 기준 플레이트)이다. 제2 플레이트(22) 내지 제4 플레이트(24)는 각각 무빙 플레이트로서, 전후좌우로 이동 가능하다. 무빙 플레이트의 대각선 방향 이동이 고려될 수 있으나, 무빙 시스템의 구성이 복잡해질 수 있다. 제1 플레이트(21)은 움직이지 않는 고정 플레이트이거나 또는 무빙 플레이트일 수 있다. 지그(2)의 활용도를 높이기 위해서는 제1 플레이트(21) 또한 무빙 플레이트인 것이 좋을 것이다.
로딩 플레이트(20) 상에 블랭크들(11,12,13,14)을 로딩하기 전, 제2 내지 제4 플레이트(22,23,24)는 각각 바깥쪽 방향으로 이동하여 플레이트들(21,22,23,24) 간 간격이 벌어진다. 예로서 도 6에서 보기에, 제2 플레이트(22)는 우측 이동 후 하방향 이동하고, 제4 플레이트(24)는 좌측 이동 후 상방향 이동하며, 제3 플레이트(23)은 상방향 이동한다. 바람직한 하나의 예로서, 제1 플레이트(21)는 맞대기 용접을 위한 최종 위치에서 움직이지 않고 제자리 고정된다.
제2 내지 제4 플레이트(22,23,24)가 완전히 펼쳐지면, 로봇에 의해 각 플레이트(21~24) 상에 블랭크들(11~14)이 로딩된다. 각 블랭크(11~14)의 로딩 위치 및 자세는 맞대기 용접을 위한 블랭크들(11~14) 최종적인 정렬 위치 및 자세가 타겟팅된다.
플레이트들(21~24) 상에 블랭크들(11~14)의 로딩이 완료되면, 마그넷(7)에 전원이 인가되어 블랭크들(11~14)이 각각의 플레이트(21~24)에 위치 고정된다. 마그넷(7)은 용접라인(L1~L4)을 따라서 블랭크들(11~14)을 플레이트들(21~24)에 밀착 고정할 수 있도록 각 플레이트의 적어도 2변에 가장자리를 따라 복수개 배열된다. 달리 표현하자면, 마그넷(7)은 용접라인(L1~L4)을 가운데 두고 그 양측에서 용접라인(L1~L4)을 따라 배열된다.
마그넷(7)에 의해 블랭크들(11~14)이 플레이트들(21~24)에 고정되면, 제2 내지 제4 플레이트(22,23,24)가 다시 안쪽으로 이동하여 블랭크들(11,12,13,14)을 맞대기 정렬시킨다. 예로서 도 6에서 보기에, 제2 플레이트(22)가 상방향 이동 후 좌측으로 이동하고, 제4 플레이트(24)가 하방향 이동 후 우측으로 이동하며, 마지막으로 제3 플레이트(23)가 하방향 이동한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 제1 플레이트(21)에 사이드 실 블랭크(11)가 로딩되며, 제2 플레이트(22)에 힌지 필러 블랭크(12)가 로딩되며, 제3 플레이트(23)에 프론트 필러 블랭크(13)가 로딩되고, 제4 플레이트(24)에 센터 필러 블랭크(14)가 로딩된다.
블랭크들(11,12,13,14)이 플레이트들(21,22,23,24)에 로딩되는 순서는 문제되지 않는다. 다만, 블랭크들(11,12,13,14)의 정렬 순서, 즉 무빙 플레이트(22,23,24)의 이동 순서는 주의가 필요하다. 사이드 실 블랭크(11)가 기준이 된다. 사이드 실 블랭크(11)에 센터 필러 블랭크(14) 및 힌지 필러 블랭크(12)가 정렬되며, 이후 마지막으로 프론트 필러 블랭크(13)가 정렬된다. 센터 필러 블랭크(14)와 힌지 필러 블랭크(12) 간의 정렬 순서는 서로 바뀌어도 무방하다. 이러한 순서로 블랭크들(11,12,13,14)이 정렬되지 않을 경우, 오정렬이 문제된다. 크기가 큰 블랭크들(11,12,13,14) 각각이 2개씩의 위치에서 인접 블랭크와 정렬되며, 정렬라인(즉 용접라인) 또한 여러 방향이기에, 정렬 순서에 따른 오정렬 민감도가 크다. 대각선 방향의 제2 라인(L2)을 갖는 프론트 필러 블랭크(13)의 형상 및 위치 조건 또한 정렬 순서를 제약한다.
로딩 플레이트(20)의 관점에서 보면, 제1 플레이트(21)를 기준으로 제2 내지 제4 플레이트(22,23,24)를 이동시켜 블랭크들(11,12,13,14)이 정렬되며, 제3 플레이트(23)가 마지막에 정렬 위치로 이동한다.
위와 같이 블랭크들(11,12,13,14)이 정렬되면, 비전센서 등을 이용한 블랭크들(11,12,13,14) 간 정렬 오차의 확인이 수행된다. 정렬 오차가 목표 수치 이내에 있는 경우, 클램핑 기구(6)가 작동하여 블랭크들(11,12,13,14)이 각 로딩 플레이트(20)에 견고하게 고정된다. 어느 플레이트 위의 블랭크의 정렬이 허용 범위를 벗어나 위치된 경우, 해당 플레이트의 마그넷(7)의 자력을 오프시킨 후, 수작업으로 해당 블랭크의 위치를 조정할 수 있다.
클램핑 기구(6)는 블랭크들(11~14)의 주변에 배치되며, 블랭크들(11~14)의 가장자리를 눌러 로딩 플레이트(20)에 고정한다. 마그넷(7)에 의해 블랭크들(11~14)이 용접라인(L1~L4)을 따라서 위치 고정되며, 클램핑 기구(6)에 의해 블랭크들(11~14)이 로딩 플레이트(20)에 전체적으로 견고하게 고정된다. 다른 하나의 예로서 클램핑 기구(6)는, 제2 내지 제4 플레이트(22,23,24)가 원위치로 복귀하기 전, 마그넷(7)과 함께 블랭크들(11,12,13,14)을 로딩 플레이트(20)에 고정하도록 구성될 수 있다.
도 6 및 도 8을 참조하면, 클랭핑 기구(6)는 블랭크들(11,12,13,14) 각각의 가장자리를 따라 그 주변에 배치된다. 용접라인(L1,L2,L3,L4)에서 블랭크들(11,12,13,14) 간에 갭이나 들뜸이 발생하지 않도록, 클랭핑 기구(6)는 특히 각 용접라인(L1,L2,L3,L4)의 양단에 집중 배치된다. 클램핑 기구(6)는 전기 모터 또는 공압에 의해 액츄에이팅되어 클램핑 위치 및 언클램핑 위치로 이동하는 클램프를 구비한다.
블랭크들 용접(S2)
도 3은 실시예에 따른 블랭크들(11,12,13,14)의 용접순서를 보여준다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 블랭크들(11,12,13,14)의 용접은 제1 라인(L1)에서 시작해서, 제2 라인(L2), 제3 라인(L3) 및 제4 라인(L4)의 순서로 진행된다. 블랭크들(11,12,13,14) 간 정렬 기준이 되는 사이드 실 블랭크(11)에 먼저 힌지 필러 블랭크(12)가 용접되며, 그 다음으로 사선 방향의 제2 라인(L2)을 따라 프론트 필러 블랭크(13)가 용접된다. 이러한 용접순서는 블랭크들(11,12,13,14) 간의 간격, 특히 제2 라인(L2)에서 목표보다 갭이 벌어지거나 틀어져 용접 불량이 발생되는 것을 방지한다.
신속한 용접 및 고품질의 용접부를 얻기 위해 용접라인(L1,L2,L3,L4)을 따라서의 용접 방향이 설정된다. 실시예에 의하면, 제1 라인(L1) 및 제4 라인(L4)는 바깥쪽에서 안쪽으로 향하며, 제2 라인(L2) 및 제3 라인(L3)은 안쪽에서 바깥쪽을 향하게 설정된다.
블랭크들(11,12,13,14) 간의 용접에 필러와이어가 사용된다. 블랭크들(11,12,13,14) 표면의 Al-Fe 합금화 도금층은 Al-Si 프리코팅에 비해 향상된 용접부 품질을 보장하나, 도금층에 포함된 Al이 용접 용융부에 유입되어 용접부 특성을 저해하게 되는 문제가 완전히 해결되지 않는다. 균일하고 우수한 용접부 품질을 보장하기 위한 필러와이어의 조성이 설계된다. 특히 핫스탬핑을 위해 일체화된 블랭크를 가열하는 과정에 용접부에서 페라이트가 형성되지 않도록, 필러와이어의 조성이 설계된다.
실시예에 의하면 필러와이어의 조성 설계에 오스테나이트 안정화 원소로 Ni, Mn, C이 고려되며, 추가적으로 Cr이 필수요소로 고려된다. 실시예에 의하면 필러와이어로 NiCr계, CrMn계 등의 금속이 사용된다. 우수한 용접부 품질의 보장을 위해, 필러와이어의 조성은 용접 후 용접부의 성분이 아래 수식 1) 및 수식 2)의 조건에 부합하도록 설계된다. 용접 조건에 따른 용융부 내의 필러와이어 희석율을 고려하여 필러와이어의 구체적인 조성이 도출된다. [수식 1] 및 [수식 2]에서 각 성분의 함량은 wt%이다.
[수식 1] 4.44[C]+0.355[Mn]+0.505[Ni]+0.148[Cr]-[Al]-1.388 > 0
[수식 2] 1.0<[Cr]<8.0
NiCr계 필러와이어는 Ni 및 Cr을 주요 성분으로 포함하는 필러와이어를 의미한다. 비제한적인 예로서, NiCr계 필러와이어는 중량%로, C: 0.15~0.4%, Ni: 40~50%, Cr: 30~40%, Mn: 4.5% 이하(0% 포함), Mo: 8% 이하(0% 포함), Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
CrMn계 필러와이어는 Cr 및 Mn을 주요 성분으로 포함하는 필러와이어를 의미한다. 비제한적인 예로서, CrMn계 필러와이어는 중량%로, C: 0.1~0.25%, Cr: 30~40%, Mn: 8~20%, Ni: 4~15%, Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
레이저 용접은 바람직하게는 출력 3~5kW, 용접속도 1.5~2.5m/min, 피딩 속도 0.2~0.6m/min의 조건으로 수행된다.
레이저 출력은 단위시간당 용접부에 조사되는 에너지량과 관계된다. 용접라인(L1,L2,L3,L4)을 따라 적정 깊이와 폭의 용융부 형성 및 접합을 위해서는 3~5kW 정도의 출력이 요구된다. 다만, 출력이 너무 큰 경우 주변 영역에까지 넓게 열영향을 미쳐 건전한 용접품질을 얻기에 어려움이 있다.
용접속도가 1.5m/min 미만인 경우, 과용융이 발생되어 용접부 품질이 저하된다. 용접속도가 2.5m/min를 초과하는 경우, 적정한 용접 품질을 얻을 수 없다. 필러와이어의 피딩 속도가 0.2m/min 미만인 경우, 용융부로의 필러와이어가 혼입량이 적어 용접부 품질의 저하가 문제된다. 피딩 속도가 0.6m/min 초과하는 경우, 용융부에 필러와이어가 과다하게 혼입되어 용접품질이 저해된다.
실시예에 따른 필러와이어들의 적용 예들을 살펴본다.
두께 1.6mm의 시트 A와 두께 1.0mm의 시트 B를 필러와이어들을 이용하여 맞대기 레이저 용접한 예들이 표 1에 정리되어 있다. 시트 A와 B는 Usibor 1500 Al 도금강판으로 제작되었다. 시험예 1~2, 5, 7~9는 CrMn계 필러와이어가 사용되었고, 나머지 시험예들에서는 NiCr계 필러와이어가 사용되었다. 용접 완료 후, SEM EDS를 이용하여 용접부의 금속 성분을 측정하였고, 그 결과(평균치)가 표 1에 기재되어 있다.
| 시험 예 |
용접부 성분 (wt%) | 수식1 값 |
수식2 값 |
경도 ΔMin |
경도 ΔMAX |
파단율 (%) |
||||||
| C | Mn | Ni | Cr | Al | Si | Mo | ||||||
| 1 | 0.22 | 2.97 | 0.76 | 2.99 | 0.99 | 0.46 | 0 | 0.47 | 2.99 | -8.9 | 12.1 | 0 |
| 2 | 0.21 | 3.03 | 1.07 | 4.84 | 1.17 | 0.41 | 0 | 0.69 | 4.84 | 17.7 | 62.7 | 0 |
| 3 | 0.22 | 2.01 | 3.2 | 2.93 | 1.05 | 0.41 | 0 | 1.30 | 2.93 | 2.6 | 49.6 | 0 |
| 4 | 0.22 | 1.96 | 3.42 | 4.02 | 2.28 | 1.04 | 0 | 0.32 | 4.02 | -25.0 | 28.3 | 0 |
| 5 | 0.22 | 2.21 | 1.32 | 3.22 | 1.04 | 0.53 | 0 | 0.47 | 3.22 | 55.0 | 65.0 | 0 |
| 6 | 0.22 | 1.93 | 6.83 | 6.6 | 1.23 | 0.46 | 0.59 | 3.46 | 6.6 | -27.0 | 29.0 | 0 |
| 7 | 0.21 | 2.13 | 0 | 2.78 | 1.31 | 0.39 | 0 | -0.59 | 2.78 | -20.0 | 37.6 | 100 |
| 8 | 0.19 | 4.93 | 1.44 | 8.07 | 1.15 | 0.53 | 0 | 1.99 | 8.07 | -5.0 | 23.0 | 100 |
| 9 | 0.22 | 1.45 | 0 | 0.33 | 1.73 | 0.5 | 0 | -1.58 | 0.33 | -92.0 | 39.0 | 33.3 |
| 10 | 0.21 | 2.07 | 12.82 | 11.44 | 1.1 | 0.41 | 0 | 7.36 | 11.44 | -196.4 | -68.4 | 100 |
| 11 | 0.22 | 1.38 | 1.36 | 1.25 | 1.12 | 0.55 | 0 | -0.17 | 1.25 | -123.2 | -2 | 70 |
표 1에서 보듯이, 시험예 1~6은 용접부의 금속 성분 조건이 [수식 1] 및 [수식 2]에 만족하며, 나머지 시험예 7~11은 만족하지 않는다. 그 결과 시험예 1~6은 용접부와 타부위 간의 경도 차가 크지 않고 인장시험에서 용접부에서 파단이 발생하지 않는 반면, 시험예 7~11은 경도차가 크고 용접부에서 파단이 발생한다. 이와 같은 결과들은 필러와이어의 조성 및 용접 조건은 [수식 1] 및 [수식 2]을 만족하도록 설계되어야 함을 보여준다.
일체화된 블랭크 가열(S3)
일체화된 블랭크는 오스테나이트화 온도 이상으로 가열된다. 가열에는 전기로, 가스로, 통전가열, 고주파 유도가열이나 이들의 하이브리드 타입의 가열방법 등이 사용될 수 있다.
도금층, 예로서 용융도금에 의한 Al-Si 프리코팅을 갖는 종래 Al 도금강판의 경우, 핫스탬핑을 위한 승온 속도에 제한이 따른다. 잘 제어되지 않은 승온 속도에서 용융된 프리코팅은 표면 불량을 발생시킨다. 반면에 실시예에 따른 블랭크들(11,12,13,14)의 각 도금층은 이미 열처리되어 있기에 일체화된 블랭크는 종래 Al 도금강판과 비교하여 상당히 신속히 가열될 수 있다. 실시예에 의하면 Al-Si 프리코팅을 갖는 강판에 비해 45% 정도의 가열시간 단축이 가능하며, 12℃/s 이상의 속도로 승온될 수 있다.
프레스 성형(S4)
일체화된 블랭크는 가열 후, 프레스 금형 내에서 성형된다. 금형은 블랭크의 열을 흡수하기 위해 내부 냉각채널을 갖는다. 900℃ 이상으로 가열된 용접 블랭크는 금형 내에서 30℃/s 이상의 속도로 급냉되며, 이에 의해 마르텐사이트 상을 갖는 고강도 부품이 얻어진다.
도 9는 실시예에 따라 제조된 도어 링(10)을 보여준다.
도 9에서 보듯이 도어 링(10)은 사이드 실(11'), 힌지 필러(12'), 프론트 필러(13') 및 센터 필러(14')을 구비한다. 실 사이드 블랭크(11)는 사이드 실(11')을 이루며, 힌지 필러 블랭크(12)는 도어 힌지가 장착되는 힌지 필러(12')를 이룬다. 프론트 필러 블랭크(13)는 프론트 필러(13')를 구성한다. 센터 필러 블랭크(14)는 실 사이드 블랭크(11)의 일부와 함께 센터 필러(14')를 구성한다.
이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.
보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소는, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.
1: 용접장치
2: 지그
3: 베이스 프레임 5: 레일
6: 클램핑 기구 7: 마그넷
11: 실 사이드 블랭크 12: 힌지 필러 블랭크
13: 프론트 필러 블랭크 14: 센터 필러 블랭크
21~24: 로딩 플레이트 L1~L4: 용접라인
3: 베이스 프레임 5: 레일
6: 클램핑 기구 7: 마그넷
11: 실 사이드 블랭크 12: 힌지 필러 블랭크
13: 프론트 필러 블랭크 14: 센터 필러 블랭크
21~24: 로딩 플레이트 L1~L4: 용접라인
Claims (7)
- 2 이상의 블랭크들을 서로 맞대어 정렬하는 제1 단계; 및
정렬된 상기 2 이상의 블랭크들을 용접라인을 따라 레이저 용접하여 일체화된 블랭크를 얻는 제2 단계를 포함하며,
상기 제1 단계에서 상기 2 이상의 블랭크들은 지그 상에 정렬되며, 이 지그는 베이스 프레임 및 이 베이스 프레임 상에 마련된 로딩 플레이트를 포함하고,
상기 로딩 플레이트는,
그 위에 로딩된 블랭크를 구속하기 위한 고정요소; 및
분리되어 독립적으로 수평 이동 가능한 하나 이상의 무빙 플레이트를 포함하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 고정요소는,
상기 용접라인을 따라 배열되며, 상기 블랭크를 그 직하부에서 고정하기 위한 마그넷; 및
상기 블랭크 주변에 배치되어 블랭크를 고정하기 위한 클램핑 기구를 포함하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 2 이상의 블랭크들은,
사이드 실 블랭크; 이 사이드 실 블랭크의 상부에 놓이는 센터 필러 블랭크; 상기 사이드 실 블랭크의 전방에 놓이는 힌지 필러 블랭크; 및 상기 센터 필러 블랭크와 상기 힌지 필러 블랭크 사이에 놓이는 프론트 필러 블랭크를 포함하며,
상기 용접라인은,
상기 사이드 실 블랭크와 상기 힌지 필러 블랭크 간의 제1 라인; 상기 힌지 필러 블랭크와 상기 프론트 필러 블랭크 간의 제2 라인; 상기 프론트 필러 블랭크와 상기 센터 필러 블랭크 간의 제3 라인; 및 상기 센터 필러 블랭크와 상기 사이드 실 블랭크 간의 제4 라인을 포함하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법. - 청구항 3에 있어서, 상기 로딩 플레이트는 상기 사이드 실 블랭크가 로딩되는 제1 플레이트; 상기 힌지 필러 블랭크가 로딩되는 제2 플레이트; 상기 프론트 필러 블랭크가 로딩되는 제3 플레이트; 및 상기 센터 필러 블랭크가 로딩되는 제4 플레이트를 포함하며,
상기 제1 플레이트를 기준으로 상기 제2 내지 제4 플레이트들을 이동시켜 상기 2 이상의 블랭크들을 정렬시키며, 상기 제3 플레이트가 마지막에 정렬되도록 하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법. - 청구항 4에 있어서, 상기 레이저 용접은 상기 제1 라인에서 시작되고, 그 이후 상기 제2, 제3 및 제4 라인의 순서로 진행되는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 2 이상의 블랭크들은 Al 도금층을 가지며, 상기 레이저 용접 시 필러와이어가 사용되며,
상기 필러와이어는 중량%로, C: 0.15~0.4%, Ni: 40~50%, Cr: 30~40%, Mn: 4.5% 이하(0% 포함), Mo: 8% 이하(0% 포함), Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 2 이상의 블랭크들은 Al 도금층을 가지며, 상기 레이저 용접 시 필러와이어가 사용되며,
상기 필러와이어는 중량%로, C: 0.1~0.25%, Cr: 30~40%, Mn: 8~20%, Ni: 4~15%, Si: 0.4% 이하(0% 포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 테일러 웰디드 블랭크 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220043279A KR20230144242A (ko) | 2022-04-07 | 2022-04-07 | 테일러 웰디드 블랭크 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220043279A KR20230144242A (ko) | 2022-04-07 | 2022-04-07 | 테일러 웰디드 블랭크 제조방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230144242A true KR20230144242A (ko) | 2023-10-16 |
Family
ID=88506488
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220043279A KR20230144242A (ko) | 2022-04-07 | 2022-04-07 | 테일러 웰디드 블랭크 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230144242A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117259985A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-22 | 凌云吉恩斯科技有限公司 | 一种激光拼焊门环及其生产工艺 |
-
2022
- 2022-04-07 KR KR1020220043279A patent/KR20230144242A/ko not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117259985A (zh) * | 2023-11-09 | 2023-12-22 | 凌云吉恩斯科技有限公司 | 一种激光拼焊门环及其生产工艺 |
| CN117259985B (zh) * | 2023-11-09 | 2024-03-12 | 凌云吉恩斯科技有限公司 | 一种激光拼焊门环及其生产工艺 |
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