7 특집 : 최근자동차용강재개발동향및용접기술 자동차용강재의접합기술동향 Trend of Joining Technology for Automotive Sheet Steels Du-Youl Choi and Young-Gon Kim 1. 서론 자동차의경량화및충돌안정성강화등의자동차산업에서의강력한요구에의해 DP, CP, TRIP, Martensite 강등의초고강도강 (Advanced High Strength Steel, AHSS) 의적용이급격히증가하고있는추세이다. 북미지역의조사결과에따르면, 차체에서의 AHSS 적용비율이 27 년약 1% 에서 215년이되면약 35% 로크게증가할것으로예측하고있다 1). AHSS 적용비율만늘어나는것이아니라, 모재강도또한점차고강도화되어최근에는충돌또는강성부재에기가 (Giga) 급강재가채택되고있다. 차체경량화와함께자동차소재측면에서이슈가되는것이내구성확보이다. 다시말해서수요가에대한차량의방청보증기간연장을위해서는내식성보증이필수적이다. 이와함께소재의고강도화에따라두께가얇아지면서내식성에대한요구가한층높아져서표면처리강판의적용이급격히증가하고있다. 자동차소재로사용되는대표적인표면처리강판은 GI(Galvanized), GA(Galvannealed), EG(Electro-galvanized) 의아연도금강판이지만, 보다우수한내식성또는용도에따른기능성을부여하기위하여아연도금강판에윤활처리, 수지피복등의후처리를한표면처리강판의사용이점차증가하고있다. 자동차조립에는다양한용접및접합방법이적용되고있다. 자동차를크게차체와샤시로구분하였을때, 차체는스폿용접, 샤시는아크 (MAG) 용접이가장널리이용되는용접법이다. 그러나최근에는앞서언급된기존의연강이나냉연강판에비해상대적으로용접성이떨어지는 AHSS, 표면처리강판의적용이증가하고, 또한 Al, Mg 합금, 플라스틱, 복합재료등의다양한소재의사용이증가하여레이저용접, 구조용접착제, 클린칭, 마찰교반점용접 (FSSW; Friction Stir Spot Welding) 2) 등다양한접합방법이채용되고있다. 본논문에서는최근적용이크게확대되고있는 AHSS 와표면처리강판의용접특성과문제점에대해살펴보고, 이러한문제점을해결또는차체의강성을증가시키기위해적용되고있거나개발되고있는접합기술에대해간단히소개하고자한다. Resistance (μω. cm ) 2. 자동차용강재의용접특성 2.1 초고강도강 (AHSS) 의용접특성 일반적으로 AHSS 의스폿용접은용접공정변수와용접성측면에서일반연강과다른특성을보인다. AHSS 는합금성분이높기때문에모재의고유저항이증가하므로합금성분이적은연강보다낮은용접전류가요구된다. 그림 1은합금성분 (Ceq) 에따른실온에서의전기비저항 (Resistivity) 를보여주는것으로, Ceq 가증가함에따라서저항이급격히증가함을알수있다. 그림 2는일정가압력에서연강, 39MPa급일반고강도강, 59MPa 급의 DP강에대한용접시간변화에따라서너깃경이 4 t (t : 모재두께 ) 인용접전류를나타내는하한전류와스패터발생전류를보여주는 Weld lobe이다. 모재의강도, 즉합금원소함량이높 5 45 4 35 3 25 2 15 Room temperature 1..1.2.3.4.5.6 Carbon equivalent (wt.%) Fig. 1 Effect of carbon equivalent on bulk resistivity at room temperature 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 29 年 4 月 125
8 Weld time (cycles) 2 15 1 Material thickness : 1.2 mm Electrode force : 3.5 kn AHSS(59DP) HSLA(39R) Mild steel(dq) 4 5 6 7 8 9 1 11 12 Weld current (ka) Fig. 2 Weld lobe diagram of AHSS, HSLA and Mild steel 아짐에따라하한전류및스패터발생전류모두감소하며, 특히하한전류의감소폭대비스패터발생전류의감소폭이커지므로 Lobe 폭또한모재강도가증가함에따라감소하고있다. 한편, 용접시간에따라서는모재강도와관계없이용접전류가용접시간이증가함에따라저전류측으로이동하였다. AHSS 의높은모재고유저항으로인하여스패터발생민감도가높기때문에, 스패터발생현상을줄이기위해서는높은가압력과낮은용접전류가요구된다. 한편, AHSS는일반적으로높은탄소당량으로인하여일반연강에비하여높은경화능을보인다. 강의용접부는화학조성과냉각속도에따라생성되는미세조직이다르며, 이는용접부의기계적성질에큰영향을미친다. 그림 3은용접방법및피용접재의두께에따른용접부의냉각속도를수치해석을통하여계산한결과로 Spot 용접이약 5, /sec 이상으로타용접법에비해냉각속도가매우큼을알수있다. 이는용접과정에서전극에계속적으로공급되는냉각수와판재가접촉하고있기때문이다. 탄소함량이높은 AHSS 는이와같은스폿용접의빠른냉각속도로인하여그림 4와같이용접금속 ( 너깃부 ) 와열영향부에는거의 1% 의마르텐사이트가생성되며, 따라서그림 5에서보듯이연강이나일반고강도강보다높은 4 Hv 이상의매우높은경도를나타낸다. 높은경도의미세조직은일반적으로균열전파가쉽게일어나는낮은인성 (Toughness) 을보인다. 그림 6은탄소당량 (Carbon Equivalent) 이증가함에따라서전단인장강도 (TSS, Tensile Shear Strength) 는직선적으로증가하지만, 십자인장강도 (CTS, Cross Tension Strength) 는크게증가하지않는다. 따라서스폿용접부의연성을나타내는지수인연성비 (CTS/ TSS) 가탄소당량이증가함에따라서직선적으로감소하는것을알수있다. 일반연강에서는 8% 이상의연성비 (Ductility ratio) 를보이지만, TRIP 강과같이탄소당량이높은소재의경우는 4% 이하로연강의절반수준을보이고있다. 모재에첨가된 C, Si, Mn 등의합금원소에의하여용접부에는경화조직이형성되고, P 및 S 등에의하여입계가취화된다. 따라서 DP98, 1.2mmt 1 1 GMAW LBM RMSW RSW Base Metal HAZ Weld Metal Fig. 4 Microstructure of DP98 spot weld Cooling rate(c o /s) 1 1 Hardness (Hv) 8 7 6 5 4 3 DQ 44E 59TRIP 78TRIP Electrode force: Weld time: Hold time: 3.5 kn 15 cycle 1 cycle 2 1.5 1 1.5 2 2.5 Sheet thickness(mm) -5-4 -3-2 -1 1 2 3 4 5 Distance from weld (mm) Fig. 3 Cooling rate with sheet thickness and welding process Fig. 5 Hardness distribution of spot welds 126 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 29
자동차용강재의접합기술동향 9 Weld strength (kn) 21 18 15 12 9 6 Material thickness : 1.2mmt Electrode force : 3.5kN Weld time : 15 cycle CTS TSS Ductility ratio 1..8.6 Material thickness : 1.2mmt Electrode force : 3.5kN Weld time : 15 cycle 3.4..1.2.3.4.5.6 Carbon equivalent (wt.%)..1.2.3.4.5.6 Carbon equivalent (wt.%) Fig. 6 Effect of carbon equivalent on weld strength and ductility ratio 8 1 7 9 Plug/weld diameter, mm 6 5 4 3 2 1 Plug/weld diameter, mm 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 Cool time, cycles Cool time, cycles Fig. 7 Effect of post-weld tempering parameters on spot weldability AHSS 의점용접부는연강이나일반고강도강에비하여너깃내파단, 즉계면파단이나부분계면파단이쉽게발생한다. 용접성을확보하기위하여 C, P, S 등의화학성분을규제하기도한다 3). 그러나합금성분의규제를통하여용접부취성을방지하는데는한계가있다. AHSS 의용접부취화를용접공정측면에서감소시키기위한다양한방법이제안되고있다. 그대표적인예가그림 7의 Post-weld tempering 4-6) 으로본용접이끝나고나서일정시간의냉각시간이경과한후, 본전류보다낮은전류로재통전하여용접부를템퍼링하여용접부취화를개선시키는방법으로, 템퍼링시간이증가함에따라서용접부파단형태가취성파단에서모재파단으로바뀌면서연성비가크게향상되었다. 그러나본용접과템퍼링사이에냉각시간이최소 5 cycle 과 3 사이클이상의템퍼링시간이추가됨에따라서총용접시간이크게증가하여실생산라인에적용하기에는어려운문제가있다. 그래서템퍼링전류를본용접전류보다높게하고, 템퍼링시간을 5 사이클내로줄여서하는 Spike tempering 이라는방법도제안되었다 7). 한편, 실제자동차생산라인에서는스폿용접후에도장공정에서소부 (Baking) 과정을거친다. 17, 2분가량의도장소부로인하여 AHSS 의파단특성과 접합강도가향상된다는보고도있다. 그림 8은그결과를보여주는것으로모재강도 6MPa 이상의 AHSS 에서소부에의한용접강도특성이크게개선됨을확인할수있다. AHSS 의아크용접의경우, 일반연강에서와유사한방식으로적용할수있다. AHSS 의용접부강도는모재강도가증가할수록, 입열량이적을수록증가한다. 마르텐사이트상분율이상대적으로높은 DP나 Martensite 강은열영향부의경도가모재보다낮은 HAZ 연화현상 L-shape tensile strength (kn) 5. 4. 3. 2. 1. As-welded Baked Hold time : 6cyc Nugget diameter : 4 t. 2 4 6 8 1 12 Tensile strength of base metal(mpa) Fig. 8 Effect of the paint baking on peel strength 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 29 年 4 月 127
1 Table 1 Effect of filler wire strength in MAG welding of DP steels Filler wire MIX-5 MGS-63B MGS-8 Steel plate (49MPa) (59MPa) (78MPa) 59MPa O [627] O [633] - 78MPa X [713] O [768] O [775] 98MPa X [81] X [851] O [96] Fracture point ; O : Base metal, X : Weld metal, [ ] : Tensile strength 이생길수있다. 따라서이들강을이용하여구조설계할경우에는 HAZ 연화를고려하여야할것이다. 한편, TRIP 이나 CP강에서는상대적으로높은합금원소량때문에 HAZ 연화현상이나타나지않는다. 78MPa급이상의 AHSS 강에대해서는고강도의용접재료를사용하는것이필요하다. 표 1은 59~ 98MPa 급 DP강의 MAG 용접에서 49~78MPa 급용접재료를사용하였을때의 Lap 용접부인장강도특성을보여주는것으로, 78MPa 이상의 AHSS 는기존의연강용용접재료 (49MPa) 을사용하였을경우모재보다낮은인장강도를보이며용접금속에서파단이일어났다. 98 MPa급모재와 59MPa급용접재료의조합에서도동일한현상을보였다 9). 2.2 표면처리강판의용접특성 고강도화와함께자동차용철강재료사용패턴의변화를주도하고있는표면처리강판에대한용접기술에대해서는고강도강과는다른관점에서보아야할것이다. 자동차용으로가장널리사용되고있는아연도금강판의스폿용접성은도금부착량, 합금화도등의도금물성에따라조금씩다르다. 그림 9는 DDQ 급의아연도금강판의 Weld lobe 를비도금재, 즉 CR 강판과비교한예이다. 일반적으로냉연강판 (CR) 에비해아연도금강판은높은용접전류가요구된다. 도금부착량이많 GI EG GA CR DDQ,.8t 6 mm tip diameter, Force 2.5kN Welding time : 13 cycle (6Hz) 4 5 6 7 8 9 1 11 Welding current (ka) Fig. 9 Effect of Zinc coating type on weld lobe 고순수한아연도금강판일수록 Weld lobe 는높은전류영역에서형성된다. 표면처리강판의용접에서가장중요하게요구되는특성이전극수명이다. 동일한용접조건에서반복하여연속적으로용접을하여도용접부특성이저하되지않고일정한품질기준이상을만족하도록하는것은용접생산성측면에서중요한일이다. 연속용접에의한전극의마모및변형과함께도금층의아연이용접중에전극표면에부착되어전극손모를가속시켜서도금처리가되지않은냉연강판에비해전극수명이크게감소된다. 전극수명역시도금물성에의해큰차이를보이고있다. 일반적으로도금부착량이많을수록, 합금화도가낮을수록전극수명이감소하는경향이있다. 아연도금강판중에서 GA 강판은가격이저렴하고내식성과용접성등이우수하기때문에국내및일본자동차사에서원가절감측면에서 GA 강판을선호하고있으나일반냉연강판에비하여프레스성형성이떨어지고전기도금강판에비하여도금층밀착성이나쁘다는결점이있다. 성형성개선을위해도금층표면에윤활물질을도포또는코팅한윤활강판이자동차사에공급되고있는데, 윤활물질에따라서용접성의차이가있다. GA 윤활강판은피막의두께가대부분수십나노의극박이기때문에피막의구성물질이절연체인경우를제외하고는스폿용접성을크게해치지는않으나 GA 강판위에 Fe-Zn, Fe-P, Fe-Mn과같은합금을전기도금법으로 3~5g/m 2 코팅한 Flash 강판이나 LM피막과같이순수금속을코팅한경우가용접성에서는매우유리하고유기수지와같이전도도가매우낮은물질이코팅되어있으면용접성은현저하게나빠진다. 최근 AHSS 를포함한고강도강의아연도금강판의적용이증가함에따라서액상금속취화 (Liquid Metal Embrittlement, LME) 현상이문제가되는경우가있다 1). 그림 1은 GA TRIP59강에서 LME 가발생한예를보여주는것으로, 균열이두께중심부까지진전되어서접합강도에영향을미칠것으로예상된다. LME 는과다한전류, 전극손상, 전극정렬불량등에의해발생할가능성이높다. 128 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 29
자동차용강재의접합기술동향 11 방법이가장효과적인것으로보인다 11). 3. 자동차접합기술동향 Fig. 1 Weld indentation and metallographic cross section of GA TRIP59 steel 한편, 아연도금강판의아크용접이나레이저용접에서가장주의해야할사항은기공결함이다. 특히겹침이음부 (Lap joint) 의용접시에는판재사이에서발생하는아연증기가외부로빠져나가지못하고용융금속내에포집되면서많은기공결함을발생시킨다. 그림 11는 HGI DP59 강의통상의용접조건에서실시한 MAG 용접부의 X선비파괴검사사진과단면사진을보여주는것으로기공결함이상당한것을알수있다. 이러한문제를해결하기위해서용접시발생한아연증기가용이하게빠져나갈수있도록이음부설계를해야하지만, 그렇게할수없는경우에는용접공정적으로접근해야한다. 예를들어, 파형제어를통하여펄스파형을인가하여용융지를진동시키거나, 보호가스에 O 2 를혼합함으로써승화점이높은산화아연 (ZnO 2 ) 을생성시켜서기공발생을억제할수있다. 그림 13은아연도금강판의 MAG 용접시기공저감방법별효과를정량화한것으로써용융지진동 (Molten pool vibration) 안전및환경에대한법규를만족시키기위해, 적용소재의변화뿐만아니라접합기술에도큰변화가진행되고있다. 차체의강성및내구성향상, 강재와알루미늄과의이종금속접합, 스폿용접이불가능한수지피복강판의접합등의복합적인이유로하여다양한접합방법이다각적으로검토및적용되고있다. 표 2는 BIW 조립에적용된접합기술의예로, 유럽자동차신규모델의경우를보여주고있다. 기존의스폿, MAG, 레이저용접외에다양한종류의접착제를이용한본딩법, 볼트체결등의기계적접합법, 스터드용접등이있다 12). 전반적으로스폿용접과 MAG 용접과같은전통적인접합공정의적용은감소하는추세이며, 레이저용접과접착제, 특히구조용접착제의적용은증가하는경향을보여주고있다. 여러가지접합공정중에서특히접착제의적용증가가두드러지게나타나고있다. 조사결과에따르면다른유럽자동차사의최신모델의경우차량당 194 m 에가까운접착제사용실적을보여주고있다 13). 실제구조용접착제를 122 m 사용한차체에대해서강성평가를한결과, 굽힘강성과휨강성이각각 34%, 2% 향상되어약 7% 의경량화효과를얻을수있다는보고가있다 14). 강성향상및경량화이외에접착제를적용할경우, 차체의진동과소음을감소시킬수있는장점도있다. 접착제단독으로도많이적용되고있 Pore by trapped Z Fig. 11 Weld cross section and X-ray image for MAG weld of HGI DP59 Table 2 BIW Joining Technologies in European Car Model Joining Methods Unit Latest model Old model Delta Spot welds [#] 4,337 4.799-462 MAG weld doors [m] 1.85 2.14 -.29 Number of blowholes (N /mm) 1..1 MAG weld other [m] 2.91 3.81 -.9 Laser weld [m] 9.95 3.56 6.39 Adhesive-epoxy [m] 25.35 3.27 22.8 Adhesive-rubber [m] 18.18 5. 13.18 Hotmelt [m] 15.2 38.82 23.62 Antiflutter [m] 2. 1.4.6 Weldstuds [#] 195 241-46.1.1.1.1 Number of pitting (N /mm) Fig. 12 Effect of countermeasures to porosity Weld nuts/bolts [#] 33 72-39 Bolts(mechanical) [#] 78 76 2 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 29 年 4 月 129
12 지만, 보다높은접합부정적, 동적강도를확보하기위하여 Weld-bonding, Clinch-bonding 등의하이브리드본딩 (Hybrid bonding) 적용도증가하고있다. 지금까지살펴본접합법외에자동차분야에는활발히적용되고있지는않지만, 타산업분야에서최근주목하고있는접합법중의하나가마찰교반용접 (Friction Stir Welding, FSW) 일것이다. 자동차분야에서는 FSW 의일종인점접합의 FSSW((Friction Stir Spot Welding) 가스폿용접을대체할수있을것이라는기대를가지고있다. 특히, Al 합금에대한접합방법으로서경제성과생산성이증명되어서상용적용되고있는예도있다 2). 최근에는스폿용접에의해용접성취성이큰 AHSS 및 HPF(Hot press forming) 강에대해 FSSW 적용에대한관심이높아지고있다 15). FSSW 는상대적으로저입열의고상접합공정으로용접부취성을크게개선하는것으로발표되고있으나, 툴 (Tool) 수명과접합후에홀 (hole) 이잔존하는등의철강소재에대해 FSSW 양산적용을위해서는아직해결해야할과제가많은것으로판단된다. 4. 맺음말 지금까지최근자동차용소재로사용이급격히늘어나고있는초고강도강 (AHSS) 와표면처리강판에대한자동차조립에서의주요용접공정인스폿용접과아크용접특성을살펴보았다. 그리고최근다양한소재적용과함께자동차접합기술도크게변화되고있는것을확인하였다. 향후강화된환경및안전규제등의요구조건을만족시키기위해서는소재의고강도화및경량화가지속적으로진행될것이며, 자연적으로용접성이나쁜소재의적용이증가하게되어서용접및접합기술발전이더욱필요로하게될것으로예상된다. 참고문헌 1. J. Hall : 5 Year Perspective of Automotive Engineering Body Materials and an Analysis of the Future, Great Design in Steel 28, Detroit, Michigan, 28 2. T. Gendo et al : Development of Spot Friction Welding, J. Japan Inst. Metals, 7-11 (26), 87 (in Japanese) 3. H. Oikawa et al : Resistance Spot Weldability of High Strength Steel (HSS) Sheets for Automobile, NSC Technical Bulletin, No. 385 26, 36 (in Japanese) 4. S. Shi and S. Westgate : Techniques for Improving the Weldability of TRIP Using Resistance Spot Welding, TWI report No. 798, 24 5. L. Cretteur et al : Heat Treatments to Improve Weldability of New Multiphase High Strength Steels, Material Science Forum, Vol 426-432 (23), 1225 6. W. Chuko and J. Gould : Development of Appropriate Resistance Spot Welding Practice for Transformation- Hardened Steels, Welding Research Supplement 22, 1-S 7. J. Gould : Progress on the development of welding AHSS, Great Design in Steel 25, Detroit, Michigan, 25 8. T. Okada et al : The Effect of Paint Baking Cycles on the Spot Weld Strength of AHSS and Consequences for Testing Procedures, Proceedings of the 8 th International Welding Symposium, 28 9. R. Suzuki and T. Nakano : Trends in MAG and MIG Welding Wire Related to Automobile Production, Kobe Steel Engineering Reports, 52-3 (22),74 (in Japanese) 1. C. Jiang et al : Observations of Liquid Metal- Assisted Cracking in Resistance Spot Welds of Zinc- Coated Advanced High-Strength Steels, Sheet Metal Welding Conference XIII, 28 11. H. Matsui : Technical Trends and Future Prospects of the Arc Welding in Chassis Parts, 제 42 회철강심포지움, 27 12. S. Nedic et al : The New Volvo XC6 Car Body, EuroCarBody 28 13. 손중식 : 접착제자동차시장관련현황, 제 3 회 PNU-I FAM JRC 국제심포지움 (in Korean) 14. M. Mirdamadi and G. Korchnak : Great Automotive Designs Enabled By Advances in Adhesive Bonding, Great Design in Steel 26, Detroit, Michigan, 26 15. Y. Hovanski et al : Friction Stir Spot Welding of Hot-stamped Boron Steel, Scripta Materialia, Vol 57 (27), 873 최두열 ( 崔斗烈 ) 1969년생 POSCO 기술연구원자동차가공연구그룹 용접야금 e-mail : ctoto88@posco.com 김영곤 ( 金永坤 ) 1972년생 POSCO 기술연구원자동차가공연구그룹 용접야금 e-mail : ygkim1@posco.com 13 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 29