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서규 남
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1 1 ISSN Online ISSN 겹치기용접후핫프레스포밍된보론강용접부의부식성평가 강민정 *,** 김철희 *, * 한국생산기술연구원용접접합그룹 ** 서울대학교재료공학부 Corrosion Assessment for Boron Steel Weldments Prepared by Overlap Welding and Successive Hot Press Forming Processes Minjung Kang*, **, and Cheolhee Kim*, *Joining R&D group, Korea institute of industrial technology, Incheon, 21999, Korea **Dept. of materials science and engineering, Seoul national university, Seoul, 08826, Korea Corresponding author : chkim@kitech.re.kr (Received August 11, 17 ; Revised September 13, 17 ; Accepted September 27, 17) Abstract The hot press forming process for steel forming has been widely applied in the body-in-white structure of automobiles. Usibor TM 1500P is a representative hot press forming (HPF) steel which has a tensile strength of 1.5 GPa after the hot stamping process. The HPF steel undergoes austenization inside a heating oven at a high temperature of 900~950 for a few minutes and then it is quenched for martensitic transformation. Therefore, the HPF steel sheet is often coated with an AlSi or Zn layer to avoid surface oxidation during the hightemperature process. For some cases, as like forming of the tailor-welded blanks or patched parts, the welding process is required prior to the HPF process and the coating layer is damaged near the welding heat source, which can detrimentally affect the corrosion resistance. In this study, corrosion characteristics were examined on the overlap-welded and subsequently hot pressed specimens. The welding processes selected were laser and resistance spot welding. Salt spray test was implemented up to 1000 hours. Tensile strength was measured and the cross-section was analyzed to investigate the effect of corrosion due to loss of the coating layer. Key Words : Welding, Hot press forming, Boron steel, Corrosion, Salt spray test, Crevice corrosion 1. 서론 자동차차체는차량중량의 30% 를차지하고있으며, 경량화에대한시대적요구를만족시키기위하여차체에적용되는소재가점차고강도화되는추세에있다. 특히센터필러는차체측면에위치하여차량측면충돌및전복할경우의충격과하중으로부터승객을안전하게보호하는중요한역할을하는부품으로높은강도및충돌흡수능이요구된다. 때문에고강도보론강을적용하여센터필러를성형제작하고, 보강재를내부조립하여측면충돌에대응하고있다 1). 패치워크기술은하나의금형을이용하여여러개의부품을동시에성형함으로써개별성형후조립하는공정에비해생산성및원가경쟁력이우수한성형공법이다 2). 여러종류의패치워크방법이존재하지만자동차센터필러부품에적용하기위해저항점용접으로겹치기용접후핫프레스성형하는방법을고려하고있다. 이경우에는핫프레스성형후용접시발생하는열연화부가발생하지않는장점을가지고있다. 그러나패치워크기술의적용을위해서는부식성평가등의신뢰성평가가수반되어야한다. 핫프레스포밍공정의경우상변태온도이상의고온까지가열후성형과냉각을동시에수행하기때문에고온분위기에서부 Journal of Welding and Joining, Vol.35 No.5(17) pp1-6

2 강민정 김철희 식을지연또는방지하기위하여보론강의표면을도금처리하지만용접중모재의융점까지가열되므로용접부및용접부의주변에서는도금층이제거되어내식성이저하된다. 틈부식은용액이그대로정체하고있는장소에생기는부식으로구멍들, 개스킷의표면, 표면위의침전물, 볼트나리벳머리부분아래의틈사이에등에쉽게형성된다 3-8).

부품을모사하기위하여열처리전판재를겹치어먼저용접한후핫프레스성형과동일한열처리를실시하였다. 다양한용접과실링을감안하기위해여러가지조건의시험편을제작하였다. 부식성을비교평가하기위한방법으로부식환경노출시간에따른접합부강도를측정하고단면검사를통한접합부부식진행을확인하였다. 2.

0번시험편의경우자동차조립시일반적으로사용되는저 Table 1 Chemical composition and mechanical properties of base material Chemical composition (wt.%) C Si Mn P S Cr Fe Boron alloy 0.24 0.30 1.21 0.014 0.003 0. Bal.

2 2 강민정 김철희 식을지연또는방지하기위하여보론강의표면을도금처리하지만용접중모재의융점까지가열되므로용접부및용접부의주변에서는도금층이제거되어내식성이저하된다. 틈부식은용액이그대로정체하고있는장소에생기는부식으로구멍들, 개스킷의표면, 표면위의침전물, 볼트나리벳머리부분아래의틈사이에등에쉽게형성된다 3-8). 겹치기이음부에는판재와판재사이에미세한틈이형성되어틈부식환경이조성되고부식이진행되면기계적강도와같은물성이크게저하된다. 특히두께가얇은자동차용강판의경우, 두께손실및결합부손실에의한물성저하가클것을쉽게예상할수있기때문에부식특성에대한평가는반드시수행되어야만한다. 본연구에서는센터필러의패치워크적용을고려하여초고강도겹치기용접부의부식성을평가하고자하였다. 부품을모사하기위하여열처리전판재를겹치어먼저용접한후핫프레스성형과동일한열처리를실시하였다. 다양한용접과실링을감안하기위해여러가지조건의시험편을제작하였다. 부식성을비교평가하기위한방법으로부식환경노출시간에따른접합부강도를측정하고단면검사를통한접합부부식진행을확인하였다. 2. 실험방법 보론을소량포함하고있는핫스템핑강을실험에적용하였으며적용소재의화학적성분및기계적특성은 Table 1과같다. 소재는 240 mm 350 mm 1.2 mm, 180 mm 190 mm 1.2 mm 크기로각각재단하여넓은판을하판으로배치시키어겹치기용접을수행하였다. 제작한시험편의종류를 Fig. 1에나타내었다. 0번시험편의경우자동차조립시일반적으로사용되는저 Table 1 Chemical composition and mechanical properties of base material Chemical composition (wt.%) C Si Mn P S Cr Fe Boron alloy Bal. Properties Mechanical properties Before hot press forming YS (MPa) UTS (MPa) El. (%) After hot press forming YS UTS (MPa) (MPa) El. (%) Boron alloy (a) Case 0 (b) Case I (c) Case II (d) Case III (e) Case IV (a) Case 0 - resistance spot welding without sealing (b) Case I - laser sealing welding (c) Case II - laser circle welding and laser sealing welding (d) Case III - resistance spot welding and laser sealing welding (e) Case IV - resistance spot welding and adhesive sealing Fig. 1 Specimen preparation 항점용접을적용한경우로다른조건과의비교를위하여제작하였다. 1번시험편의경우레이저용접선을외곽에배치시킨것으로서레이저용입을통해내부의용접점이부식환경에노출되지않도록밀폐하기위한방안의일환으로선정되었으며레이저단독으로적용한경우나타나는현상을확인하기위하여선정하였다. 2~ 4번시험편은조립공정을복합하여적용한시험편들로용접부를부식환경으로부터보호함과동시에넓은접합면적을확보하여강성의증대효과를나타낼수있을것으로예측하여제작하였다. 2번시험편은레이저용접을사용하여내부의용접타점및가장자리에용접선을넣은것이며, 3번은내부에는저항점용접공정을적용하여이음부를형성하고가장자리에는레이저를사용하여용접선을넣은것이다. 4번시험편은 0번시험편에서언급하였던저항점용접을적용하여내부에용접을수행하고차체에적용되는구조용접착제를사용하여틈새를실링하였다. 실험에적용한구조용접착제는 MS 9360(Teroson 社 ) 으로, 전착도장공정중에고상화될수있는제품을선택하여적용하였다. 염수가이음부로전파되는데있어외부환경과용접선까지의거리가중요하기때문에용접선으로부터 30 mm 의플랜지를형성시킬수있도록설계하였다. 실험에적용한시험편의모식도를 Fig. 2에나타내었다. 시료당 4개의인장시험편을채취할수있도록설계하였으며, 강도값은 4회실험의평균값을구하여나타내었다. 시험편은 Yb:YAG 를사용하여제작하였으며, 450 mm 의초점거리를가지고있는광학계를적용하였다. 레이저출력은 3 kw로고정하여공급하였으며, 공정점의 442 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 5, 17

3 겹치기용접후핫프레스포밍된보론강용접부의부식성평가 D 9502:09 ( 염수분무시험방법 - 중성, 아세트산및캐스분무시험 ) 과 ISO 9227:06 (Corrosion tests 90 0 in artificial atmosphere - Salt spray test) 의거하여진행되었다. 부식환경의실내온도는 35 이며, 시간당분무량은 2 ml 로유지하였다. 염수환경노출시간에따른영향을분석하기위하여노출시간은 0, 250, 500, 시간으로설정하였으며, 각각의조건에서강도평가및단면검사를실시하였다. 30 Welds line 180 Fig. 2 Dimension of salt spray test sample (unit: mm) 위치에따라용접속도에는다소차이를두었다. 겹치기용접부는 3 m/min 의용접속도를적용하였으며, 실링을위한필렛용접부는 6 m/min의용접속도조건에서제작하였다. 모든용접조건에서빔의초점은시험편의표면에맞추고수행하였다. 별도의보호가스는적용하지않았다. 사전실험결과, 폐곡선을형성하는레이저실링용접의끝점에서크레이터가과하게발생되었다. 이를방지하기위하여용접끝점근처에서용접출력을서서히감소시키도록설정하여끝점에서의크레이터을최소화할수있도록하였다. 이때끝점에서의레이저출력은초기설정출력 3 kw의 60 % 인 1.8 kw로설정하였다. 2번시험편의제작시에는저항점용접에서사용하는전극팁직경과같은 6 mm 직경의원을스캐너광학계를사용하여형성시키었다. 저항점용접은사전실험을통해 300 kgf/mm 2 의가압력, 8.5 ka의용접전류그리고 0 ms의통전시간조건에서수행하였다. 용접한시험편은패치워크제품을모사하기위하여평판금형을사용하여핫스템핑처리하였다. 이후전착도장을수행한후염수분무시험을실시하였다. Table 2에염수분무시험조건을나타내었다. 부식시험은 KS 90 Table 2 Salt Spray test conditions Operating temperature 35 Relative humidity 95 % Average collection rate for a horizontal collecting area of 80 cm 2 2 ml/hr Concentration of sodium chloride 5 w/v% ph ph 7 3. 결과및고찰 제작된시험편의외관사진을 Fig. 3에나타내었다. 4 번시험편의구조용접착제는열처리가된시험편에처리하였으며전착도장과정중에경화시키었다. 부식현상이확인된영역을노란색화살표를사용하여나타내었다. 염수노출이 250 시간이지난경우, 저항점용접조건 (0번 ) 과레이저용접적용한조건 (2 번 ) 에서부식현상이확인되었다. 이러한부식현상은염수노출시간이지남에따라가속화되며, 1000 시간이지난경우모든조건에서부식현상이관찰되었다. 저항점용접을적용한시험편의경우표면에서의부식은확인되지않고, 접합계면에서의부식만이진행되었다. 그러나레이저용접을적용한경우 Fig. 4(a) 와같이용융선을따라부식이진행되는것이확인되었다. 제작된시험편은 ISO/DIS , Preparation of steel substrates before the application of paints and related products 를기준으로, 브러싱을사용하여표면의오염물질을제거하고전착도장을실시하여준비하였다. 부식시험전육안검사결과에서는비드전체표면이빈틈없이도장된것으로확인되었으나, 부식시험후의비드표면을확인해본결과용융선을따라부식이시작되는것이확인되어도장이부분적으로완벽히밀착되지못하였음을예측할수있었다. 구조적이유로용접부주변에형성된오염이완벽히제거되지못하여도장이완벽히밀착되지못하고들뜸으로써틈부식환경이조성되었기때문으로판단된다. 그러나양산과정에서는산세등의보다다양한방법을적용하여용접부주변의오염을정리하기때문에, 실제제작과정에서는비드를따라발생하는부식정도가감소할것으로예측된다. 틈부식은금속의용해에의해틈내부에금속이온이농축되어틈내외의이온농도차에의하여형성되는부식작용으로처음부식이발생하면틈내부에서는양극반응 (M M + +e - ) 과음극반응 (O 2 +2H 2 O+4e - 4OH - ) 이진행된다. 부식이더욱진행됨에따라산소는고갈 대한용접 접합학회지제 35 권제 5 호, 17 년 10 월 443

4 4 강민정 김철희 Case 0 (spot) Case 1 (laser) Case 2 (laser + laser) Case 3 (spot + laser) Case 4 (spot + adhesive) welding after electrodeposition coating after 250-hour test after 1000-hour test Fig. 3 Specimens after salt spray test 3.1 염수분무노출시간증가에따른시험편의강도평가 (a) case 2 (b) case 4 Fig. 4 Specimens after 1000-hour test 되고음극반응이억제되어 OH - 의생성이감소되므로전기적중성이유지될때까지 Cl - 이온이틈내부로유입된다. Cl - 이온은금속과결합하여금속염 (M + Cl - ) 을형성하고이염이가수분해하여 MCl+H 2 O HCl 반응을통해 HCl 을형성하면서 ph가저하되므로이로인해부동태피막파괴에이르게된다 9). 이러한틈부식을방지하고자구조용접착제를사용하여용접부를밀폐시키었음에도 Fig. 4(b) 와같이부식의증거가확인되어, 구조용접착제로외부대기와의완벽한차단은불가능함을확인하였다. 염수분무시험을실시한각시험편에전단인장시험을실시하였다. Fig. 5와같이각경우에서는접합면적및구속조건이상이하므로하중의모드가동일하지는않다. 전단인장시험을통해측정된강도값을 Fig. 6에나타내었다. 시험을통해측정된저항점용접부 (0 번 ) 의전단인장강도는염수분무노출시간과상관없이 KS B 0850-B grade에서요구하는 kn 보다높은강도를나타내었다. 최저강도는레이저용접을단독으로시행한시험편 (1 번 ) 에서측정이되었는데레이저용접에의해접합계면이좁게형성되었고계면파단이발생하면서강도가낮게측정되었다. 복합공정을적용한경우에서상대적으로높은강도가측정되었으며이것은앞서언급한바와마찬가지로보다넓은면적이구속되었기때문으로판단된다. 시험결과에서 1000 시간까지 444 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 5, 17

겹치기용접후핫프레스포밍된보론강용접부의부식성평가 5 (a) Case 0 F Spot F 0 hour

(e) Case 4 Laser Laser O shape Spot Laser Spot

5 Schematic diagram of prepared tensile test specimen

8000 4000 0 Spot Laser Laser + Laser Laser + Spot Spot

depend on exposure time in corrosion environment

2 염수분무노출시간별이음부단면검사 조건별단면을채취하여 Fig. 7에나타내었다.

test 발생한변형으로인해판재사이에들뜸이발생하여염수가접근할수있는틈이형성되었기때문으로판단된다.

틈부식이발생하기위해서는틈이염수가침투할수있을정도로넓어야하고염수가정체될수있을정도로좁아야하는데,

5 겹치기용접후핫프레스포밍된보론강용접부의부식성평가 5 (a) Case 0 F Spot F 0 hour 250 hour 1000 hour (b) Case 1 (c) Case 2 (d) Case 3 (e) Case 4 Laser Laser O shape Spot Laser Spot Adhesive (Sealant) Case 0 Case 1 Case 2 Fig. 5 Schematic diagram of prepared tensile test specimen Case Case 4 Tensile shear strength (N) Spot Laser Laser + Laser Laser + Spot Spot + Adhesive 0 hour 250 hour 500 hour 1000 hour Salt spray test duration (hour) Fig. 6 Tensile-shear strength of corrosion test sample depend on exposure time in corrosion environment 염수에노출시켰음에도강도저하는크지않았다. 또한구조용접착제를사용하여밀폐시키었음에도 1000 시간이지난후에는부식흔적이확인되어구조용접착제로외부대기와의완벽한차단은불가능함을확인하였다. 3.2 염수분무노출시간별이음부단면검사 조건별단면을채취하여 Fig. 7에나타내었다. 이때 0, 3, 4번시험편에서는저항점용접부에서시험편을채취하였으며, 1번과 2번시험편에서는레이저용접부에서시험편을채취하였다. 외부와의접촉을레이저용접또는구조용접착제등으로차단하였을때, 내부의용접부가영향을받았는지를분석하기위함이다. 단면분석결과, case 0번시험편에서는염수노출시간이 250 시간이지난이후부터계면주변에부식의흔적이나타남을확인할수있었다. 용접또는열처리후 Fig. 7 Macro-section of the welds. Arrows indicate the corrosions during the salt spray test 발생한변형으로인해판재사이에들뜸이발생하여염수가접근할수있는틈이형성되었기때문으로판단된다. 부식이진행된위치는용융부주변으로서앞서언급한 Fig. 2의위치와같다. 틈부식이발생하기위해서는틈이염수가침투할수있을정도로넓어야하고염수가정체될수있을정도로좁아야하는데, 레이저용접시험편의경우, 저항점용접시험편과유사하게외부환경과접촉할가능성이있으나판재사이의틈이좁아 250 시간에서는부식흔적이발견되지않았다. 그러나그림에서와같이노출시간이길어지면서계면에서부식이진행을확인할수있다. 실험에서계면부식부의길이는 0.2 ~ 0.3 mm로저항점용접또는레이저용접으로형성되는접합계면너비에비해서는충분히작기때문으로강도에영향을미치지못한것으로판단된다. 레이저실링용접을수행한경우내부에위치한용접부에서부식이진행되지않았다. 즉, 레이저실링용접을수행할경우내부용접부의부식으로인한접합강도저하를방지할수있었다. 4. 결론 핫스템핑패치워크부품의경우중량과단가절감에유리하나성형중용접계면파단등문제가발생한사례가있다. 본연구에서는핫스템핑강을대상으로패치용접을모사하기위한여러조건의겹치기용접부를구 대한용접 접합학회지제 35 권제 5 호, 17 년 10 월 445

6 6 강민정 김철희 성하고염수분무실험을실시하여조건별부식특성을비교분석하였다. 1) 저항점용접또는레이저용접의단독공정보다레이저실링용접과본용접을복합적으로적용한조건에서높은전단인장강도가측정되었다. 이는접합면적이넓기때문이다. 2) 염수환경에서노출시간이 1000 시간까지증가할경우에도전단인장강도저하는뚜렷이나타나지않았다. 염수분무시험에의해계면에부식이발생하나두께또는비드계면에비하여상대적으로작은영역에서부식이형성되었기때문으로판단된다. References 1. S. Kim, H. Kong, Development of reinforcement side outer using TWB hot stamping process, J. of Welding and Joining, 33(6) (15), (in Korean) 2. M. Merklein, M. Johannes, M. Lechner and A. Kuppert, A review on tailored blanks-production, applications and evaluation, Journal of Materials Processing Technology, 214(2) (14), A. Betts and L. Boulton, Crevice corrosion: review of mechanisms, modelling, and mitigation, British corrosion journal, 28(4) (1993), Q. Hu, G. Zhang, Y. Qiu and X. Guo, The crevice corrosion behaviour of stainless steel in sodium chloride solution, Corrosion Science, 53(12) (11), G. F. Kennell and R. W. Evitts, Crevice corrosion cathodic reactions and crevice scaling laws, Electrochimica Acta, 54() (09), J. D. Kwon, W. H. Lee, K. S. Kim, S. S. Jang and Y. J. Jin, Corrosion Behavior Analysis of the Weld Joint between Stainless Steel and Carbon Steel, Journal of KWS, 17(3) (1999), (in Korean) 7. N. Laycock, J. Stewart and R. Newman, The initiation of crevice corrosion in stainless steels, Corrosion Science, 39(10-11) (1997), J. Walton, G. Cragnolino and S. Kalandros, A numerical model of crevice corrosion for passive and active metals, Corrosion Science, 38(1) (1996), S.-Y. Baek and E.-Y. Na, A study on the Mechanism of crevice corrosion for 430 stainless steel, Journal of the Korean Society of Marine Engineers, 27(3) (03), Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 5, 17

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[ ] w wz DOI: 10.3740/MRSK.2009.19.12.692 Kor. J. Mater. Res. Vol. 19, No. 12 (2009) y INCONEL 718w Gas Tungsten Arc Welding» p sƒ ½»y Á *Á *Á y** ( ) d lj p wœq, *w wœ» q **( ) d lj p t Mechanical Properties