김소연 공호영 대한용접 접합학회지제 33 권 6 호별책 2015. 12
36 연구논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 TWB 핫스탬핑공법적용을통한일체형사이드아우터부품개발 김소연 *, 공호영 * * 현대자동차자동차강판개발 TFT Development of Reinforcement Side Outer Using TWB Hot Stamping Process Soyoun Kim*, and Hoyoung Kong** *Hyundai Motor company, Sheet Metal Development TFT, Gyeonggi-do 445-706, Korea Corresponding author : bluelf0102@naver.com (Received October 4, 2015 ; Revised October 13, 2015 ; Accepted October 29, 2015) Abstract In the automotive industry, TWB hot stamping process is broadly adapted to reduce weight of the car and improve fuel efficiency. However, the process faces a problem of weakened strength of the welded zone after hot stamping process, due to the fact that Al-Si elements of the coating layer penetrating the welded zone. In this study, filler wires with high percentages of carbon and manganese is adapted during laser welding process to secure the strength of the fusion zone. In addition, wire feeding speed and laser welding speed are optimized by sample test. Key Words : Tailor welded blanks(twb), Laser welding, Filler wire, Hot stamping, Side structure, Crash test 1. 서론 최근각국정부의환경규제강화로 CO 2 감축및연비향상을위한자동차경량화에대한연구가많이진행되고있다. 더불어법규및상품성강화에따라안정성문제가급부상하고있다. 이러한문제를해결하기위해초고장력강사용이증대되고있다. 그러나초고장력강판의냉간성형성저하로인해적용에한계가있어이를극복하기위해고강도와고성형성을동시구현이가능한핫스탬핑공법이개발되었다 1,2). 핫스탬핑공법은보론 (B) 을소량첨가한강판 ( 이하보론강 ) 을오스테나이트변태온도 (AC 3 ) 이상인 900 이상의고온으로가열하고, 가열된강판을금형으로성형및급속냉각시켜 1MPa 급의고강도를확보할수있는공법이다. 또한, 경량화및충돌성능향상을목적으로부품요구특성에따라차등두께및차등강도소재를레이저용접한 TWB (Tailor Welded Blanks) 소재를적용하여핫스탬핑공법으로성형하는하이브리드기술이개발되었다. 본연구에서는핫스탬핑용 Al-Si 도금강판의레이저용접시도금층이용접부내부로혼입되어도용접부강도를저하시키지않도록고탄소고망간계의필러와이어를적용하여용접공정최적화에대한연구를진행하였다 3). 또한최적화된용접공정을활용한필러와이어 TWB 핫스탬핑공법을자동차부품에적용했을경우의용접부강건성에대해서도연구하였다. 2. 본론 2.1 이론적배경 TWB 핫스탬핑공법은성형이전에레이저용접을하게되므로, 열처리후용접부물성의신뢰성확보가중요하다. 특히, 열처리중산화및탈탄방지를목적으로미리도금된보론강표면의 Al-Si 도금층이용접공정중용접부내부로혼입되어용접부강도를저하시킨다는연구결과가있다 4). 아르셀로미탈社에서는레이저용접이전에 Al-Si 도금층을제거한후레이저용접을실시하여, 용접부의 Al-Si 도금층혼입을사전에방 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Journal of Welding and Joining, Vol.33 No.6(2015) pp36-41 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2015.33.6.36
37 Table 1 Chemical composition of filler wire (wt%) C Si Mn P S 1.5%Al 0.98%Si 0.59 ~0.66 0.15 ~0.35 0.30 ~0.60 0.040 Max. 0.040 Max. Tem. ( ) B steel B steel Fig. 1 Welded zone of Al-Si coated boron steel 1 1200 1000 800 Austenite Adding austenite stablization elements broaden the area of austenite TWB 용접을위해직경 600 μm, 최대출력 4kW Nd: YAG 사양의레이저발진기를사용하였으며, 15L/min 의 Ar보호가스분위기에서용접하였다. 레이저용접시적용한고탄소고망간계필러와이어성분계는 Table 1과같다. 핫스탬핑강판가열은 1,200 까지온도조절이가능한전기로를사용하였으며, 열처리조건은자동차에서사용하는핫스탬핑부품양산조건과동일하게 950 에서 300 초동안가열하였다. 성형공정을위해 1,000 톤프레스에서가압하여금형냉각시켰으며, 냉각시간역시양산조건과동일한 14초로유지하였다. 600 Austenite +Ferrite 2.3 필러와이어적용 TWB 용접공정최적화 0 1 1.5 2 3 4 5 Al (wt.%) Fig. 2 CCT (Continuous Cooling Transformation) 지하는공법을적용하고있다. 핫스탬핑소재의 Al-Si 도금층을제거하지않고레이저용접시, Fig. 1과같이 1.5wt.% Al-0.98wt.% Si 성분이용접부에혼입된다. Al성분이 1.5wt.% 포함될경우, 800 에서오스테나이트조직외에페라이트및베이나이트조직이생성되어급냉시에전체적으로균일한마르텐사이트를확보할수없다. 그러나용접시오스테나이트안정화원소인 C 및 Mn 성분의필러와이어를적용하면 Fig. 2와같이 CCT 곡선상오스테나이트안정영역이확장되고, 급냉시마르텐사이트변태에따른 1MPa 이상의강도확보가가능해진다. 2.2 실험방법 TWB 시편제작을위해핫스탬핑성형용으로보편적으로상용되고있는 Al-Si 도금이적용된 USIBOR 강판을사용하였다. 22MnB5 강종을베이스로한핫스탬핑용보론강인 USIBOR 는소입성이우수하며, Al- Si도금은고온열처리시강판의표면산화와탈탄현상을방지한다. 용접부강도에영향을미치는주요인자인소재이동시간, 필러와이어송급속도 5,6), 레이저출력및용접속도 7) 를실험을통해최적화하였다. 2.3.1 핫스탬핑시작온도에따른영향핫스탬핑공정에서소재가가열로에서나와프레스시작직전까지의소요시간을소재이송시간이라고한다. 소재이송시간이길어지면핫스탬핑성형시작온도가낮아져, 마르텐사이트조직외페라이트와베이나이트조직분율이증가한다. 소재이송시간에따른미세조직변화를 9초, 11초, 13초로각각변경하여분석하였다. 뉴턴의냉각식을통해계산한이송시간별소재의냉각속도에따른 CCT 곡선 8) 을 Fig. 3에도시하였다. 이송시간이 9초일경우, 가열영역인 800 에서오스테나이트조직이급랭되어전체적으로균일한마르텐사이트확보가가능한반면, 이송시간이 11~13 초로증가함에따라소재가공냉되어핫스탬핑시작온도가 800 이하로낮아지면서급랭후에마르텐사이트외, 페라이트및베이나이트가혼재하게됨을알수있었다. Fig. 4는실제시편제작을통해소재이송시간에따른조직및경도를측정한결과이다. 소재이송시간이 9초일경우, 마르텐사이트확보가가능하였고, 경도값도 500Hv 이상으로균일한값을보였다. 그러나소재이송시간이 11초이상으로증가함에따라페라이트와 대한용접 접합학회지제 33 권제 6 호, 2015 년 12 월 531
38 김소연 공호영 Tem. ( ) 800 250 9s 11s 13s Austenite M s M f Martensite Bainite Ferrite Pearlite Wire feeding speed Macro crosssection Failure location after tensile test 1.8m/min 2.2m/min 2.7m/min 3.3m/min Failure in welded zone (NG) Failure in base metal (OK) Non-melted area (NG) 1 10 Time (s) Fig. 3 CCT (Continuous Cooling Transformation) Transfer time Macro crosssection Hardness (Hv) 600 500 300 9s 11s 13s 500Hv(1500MPa) 320Hv (960MPa) Fig. 4 Microstructure and hardness 베이나이트가혼재하게되었고, 그에따라경도값이 500Hv 이하로낮아졌다. 2.3.2 필러와이어송급속도영향용접부내 Al-Si 도금층혼입에의한강도저하는고탄소고망간필러와이어를통해보상가능하며, 와이어송급속도는성분투입량을결정하는중요한영향인자이다. Fig. 5에서는필러와이어송급속도에따른시편을제작한후, 인장시험을실시한용접부단면사진을나타내었다. 인장시험편은 KS B 0801(JIS Z 2201) 의 13B 호로제작하였고, 인장시험편중간에 TWB 용접부를위치시켰다. 필러와이어송급속도를 1.8m/min 으로낮게설정하면필러와이어성분의용접부내도금층혼입으로인한강도저하보상효과가미미하여충분한용접부의강건성확보가어렵다. 필러와이어송급속도가 3.3m/min 으로과도하게높을경우, Fig. 5 에서보는바와같이모재부가미용융되어용접부의충분한접합강도를확보하기어렵다. 따라서필러와이어성분의안정적공급을위해서는 2.2~2.7m/min 이적정한수준임을확인하였다. 2.3.3 레이저출력및용접속도레이저출력및용접속도는용접부내필러와이어성분의균일한분포에영향을주는인자이다. 용접속도가 Laser power (kw) 1.8 2.2 2.6 3.0 Fig. 5 Macro-structure of welded zone Laser welding speed (m/min) 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Δt : 0.6mm Δt : 0.4mm 150K +150K 2.0t 150K 1.0t +150K 감소할수록용접부로의입열량이증가하여용융금속중 Al성분의편석발생이억제된다. 또한 TWB 블랭크간의두께차이에따라적정레이저출력및용접속도가변경된다. 블랭크간두께차이 ( t) 를 0~0.6mm까지 0.2mm 간격으로변경하여두께차이별최적레이저출력및용접속도를도출하였고, 상세데이터는 Fig. 6과같다. 두께차이가증가할수록용접속도를느리게하여야 Al 성분의고른분포를유도하여용접부강건성을확보할수있음을확인하였다. 2.4 자동차충돌부품적용 Δt : 0.2mm 150K 1.0t+150K Fig. 6 Laser power and Laser welding speed Δt : 0mm 150K () +80K () 본연구에서도출한필러와이어 TWB 핫스탬핑의최적화된공정조건을활용하여, 자동차측면충돌시승객의안전에중요한부재인사이드아우터보강재부품을제작및평가하였다. 2.4.1 최적 TWB 라인설정차체충돌에관한상품성규제항목은미국고속도로안전보험협회 (IIHS, Insurance Institute for Highway Safety) 에서실시하는시험법과유럽 EU에서실시하는 euro NCAP 시험법이대표적이다. 본논문에서는상대적으로가혹도가높은북미IIHS 시험법에근거하여측면충돌과스몰오버랩충돌평가해석을수행하였다. 532 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 6, 2015
39 북미IIHS 측면충돌시험법은 Fig. 7과같이중량 1,500kg의이동대차 (MDB : Moving Deformable Barrier) 가측면 90 방향에서 50kph 의속도로충돌하는시험법이다 9). 충돌해석은 LS-DYNA 프로그램으로진행하였으며해석결과 Fig. 8과같이센터필러하단부에응력집중부위가발생하였다. 해석결과를바탕으로응력집중부를회피하여 Fig. 9와같이센터플로어크로스멤버중앙부기준으로실사이드부 TWB 용접라인을설계하였다. 또한북미IIHS 스몰오버랩해석도진행하였다. 스몰오버랩평가는 Fig. 10과같이정면충돌시차량과베리어와오버랩양이 25% 로대부분의하중을사이드 스트럭처에서지지해야하는가혹한시험법이다. 스몰오버랩해석결과, Fig. 11과같이프런트필러상단부에일부꺽임이발생하였다. 이를극복하기위해꺽임발생부를회피하여 TWB 용접부를설계하였으며, 기존두께대비두꺼운강판을적용하여꺽임현상을개선하였다. 최종 TWB 용접라인은 Fig. 12와같다. 2.4.2 부품제작충돌해석을통해최적화된 TWB 용접라인기준으로성형해석을통해성형시 TWB 이동량에대한분석을실시하였다. 실사이드부 ( 하단부 ) 는단면형상이단순하여 Fig. 13(a) 과같이금형릴리프를 방향으로 5mm 설정하였다. 성형해석을실시한결과 Fig. 13(b) 와같이 TWB 이동량이최대 3mm 이동하는결과를얻었다. 그러나루프부 ( 상단부 ) 의형상은실사이드부형상대 Fig. 7 Moving Deformable Barrier Alignment with Test Vehicle Fig. 10 Small overlap barrier with test vehicle Buckling TWB line Fig. 8 Simulation of side impact test Fig. 11 Simulation of small overlap test Stress concentration TWB line Fig. 9 Simulation of side impact test Fig. 12 Final TWB line of side structure 대한용접 접합학회지제 33 권제 6 호, 2015 년 12 월 533
40 김소연 공호영 Upper mold Lower mold 5mm Fig. 13 (a) Design of mold relif Fig.15 Temperature of product before hot stamping and after hot stamping 3.0mm 2.3mm 0.5mm 0.5mm TWB SPEC Fig. 13 (b) Movement of TWB line Fig. 16 Final proto type of side structure Upper mold Lower mold 15mm Fig. 14 (a) Design of mold relif 13.2mm 0 4.8mm 12.5mm TWB SPEC Fig. 14 (b) Movement of TWB line 비복잡하여부위별 TWB 용접라인이동방향이상이하였으나, 성형시금형과소재사이에끼임발생이없도록 Fig. 14(a) 과같이모델데이터기준으로 방향으로 15mm 릴리프를동일하게적용하였다. 그결과 TWB 이동량은 Fig. 14(b) 와같이최대 13.2mm 발생하였다. TWB 이동에따른소재와금형간의 GAP 생성으로인하여용접부물성에미치는영향도에대해서는실제부품을제작하여평가하였다. 위조건으로양산공법을적용한테스트용금형을제작하여, 1,000 톤프레스장비로성형및제작하였다. Fig. 17 Tensile test result 핫스탬핑공정조건은 950 에서 300 초동안가열하였고, 금형내냉각시간은양산조건인 14초로유지하였다. 성형전의온도는 850 이고성형직후의온도는 80~150 로약 50~55 /S 의냉각속도로성형되었다. 핫스탬핑전후의소재온도분포는 Fig. 15과같다. Fig. 16과같이제작된프로토타입부품의용접부에서인장시험편을채취하여기계적물성을평가하였다. 인장시험결과는 Fig. 17과같이용접부에서의파단없이모재에서파단이되었고, 항복강도 1000MPa 이상, 인장강도 1MPa 이상의강도확보가가능하였다. 또한 Fig. 18과같이용접부주변경도값을측정한결과, 500Hv 이상의균일한값을얻었다. 3. 결론 Welding line 본연구에서는차량경량화를위해필러와이어 TWB 공법의공정인자를최적화하여, 그결과를자동차부품에실제적용하여핫스탬핑후용접부의강건성을검증하였다. 1) 高탄소高망간성분의필러와이어를적용할경우 534 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 6, 2015
41 Hardness (Hv) 550 500 450 TWB 용접부의 Al-Si 도금성분편석으로인한약화를방지할수있으며, 이를위한용접영향인자를선정하여최적의공정조건을도출하였다. 2) 충돌해석을통해사이드스트럭처핫스탬핑보강부품의최적 TWB 용접라인을설정하였고, 성형해석을통해성형시 TWB 이동량을고려하여금형내릴리프구간을설계하였다. 또한, 최적화된공정조건을바탕으로실부품을제작하여용접부강건성및강도확보하였다. References 500um Fig. 18 Hardness of welded zone after hot stamping 1. Taylan Altan, Hot-stamping boron-alloyed steels for automotive parts, Process method and uses, Stamping Journal, Part 1, (2006) 2. H. Karbasian and A.E. Tekkaya, A review on hotstamping, Journal of Mater. Proc. Technology, 210 (2010) 3. W. Ehling, L. Cretteur, A. Pic, R. Vierstraete and Q. Yin, Development of a laser decoating process for fully functional Al-Si coated press hardened steel laser welded blank solutions, Proceeding of the 5th Int. WLT- conf. on LIM, (2009) 4. M.S.Kwon, Y.G.Kim, M.B.Moon, J.P.Kong and C.Y.Kang, Development of the New Technology for TWB and Hot Stamping Hybrid Process, 6 th International Conference on Tube Hydroforming, (2013) 5. F.Briand and O.Dubet, hybrid Arc/Laser-Welding Method for Aluminized Steel Parts Using Gammagenic Elements and a Gas Containing Less Than 10% of Nitrogen Or Oxygen, Patent, US 2013-0098878 6. Nippon Steel and Sumitomo Metal Corporation, Tailored Blank For Hot Stamping, Hot Stamped Member, and Methods For Manufacturing Same, Patent, US 2015-0043962 7. M.Hiroshk, G.Hiroki, M.Yasuo, Weldment Produced By Beam Welding, Patent, US 5968672 8. S.Erturk, M.Sester, M.Selig, P.Feuser and K.Roll, A Thermo-Mechanical-Metallurgical FE Approach for Simulation of Tailored Tempering, Hot Sheet Metal Forming of High-Performance Steel CHS2,2011 9. IIHS, Side Impact Crashworthiness Evaluation Crash Test Protocol, Version 대한용접 접합학회지제 33 권제 6 호, 2015 년 12 월 535