69 연구논문 1000MPa 급 DP강의 Nd:YAG 레이저용접부의기계적성질과성형성에미치는용접속도의영향 장진영 *, 최우남 ** 정병훈 *** 강정윤 *,** * 부산대학교재료공학부 ** 하이브리드소재솔루션국가핵심연구센터 *** 성우하이텍기술연구소 Effect of Welding Speed on Mechanical Properties and Formability in Nd:YAG Laser Welds of 1000MPa Grade DP Steel Jin-Young Jang*,, Woo-Nam Choi**, Byung-Hun Jung*** and Chung-Yun Kang*,** *Dept. of Material Science and Engineering, Pusan National University, Pusan 609-735, Korea **National Core Research Center(NCRC) for Hybrid Material Solution, Pusan 609-735, Korea ***R&D Technical Institute of SUNGWOO HITECH Co., LTD, Pusan 619-961, Korea Corresponding author : wolpooh@hanmail.net (Received November 6, 2008 ; Revised December 22, 2008 ; Accepted April 6, 2009) Abstract The effects of welding speed were investigated on penetration characteristics, defects and mechanical properties including formability test in Nd:YAG laser welded 1000MPa grade DP steels. A shielding gas was not used and bead-on-plate welding was performed with various welding speeds at 3.5 kw laser power. Defects of surface and inner beads were not observed in all welding speeds. As the welding speed increased, the weld cross-section varied from the trapezoid having wider bottom bead, through X type, finally to V type in partial penetration range of welding speeds. The characteristic of hardness distribution was also investigated. The center of had maximum hardness, followed by a slight decrease of hardness as approaching to FZ. Significant softening occurred at the near BM. Regardless of the welding speed, the weld showed approximately the same hardness distribution. In the perpendicular tensile test with respect to the weld direction, all specimens were fractured at the softening zone. In the parallel tensile test to the weld direction, the first crack occurred at weld center and then propagated into the weld. Good formability over 80% was taken for all welding conditions. Key Words : Nd:YAG Laser welding, DP Steel, Welding speed, Hardness, Mechanical property 1. 서론 페라이트와마르텐사이트로구성되는 2상조직강 (dual phase steel) 은비교적적은합금원소를가지고도높은강도를확보할수있고유사강도수준의다른고장력강 (advanced high strength steel) 에비해가공성이월등히우수하기때문에자동차등수송기기분 야에서매우각광을받고있다 1-5). 한편레이저용접은타용접법에비해용접속도가빠르고입열량이작아열변형 (heating deformation) 이작은이점을가지고있고, 비드외관이미려할뿐만아니라정밀성 (accuracy), 안정성 (stability) 이높다 6). 이런특성으로인해레이저용접의중요성이확대되고있으며일본, 독일, 미국등자동차생산기술의선진국들은이미많은부분에레이저용접기술을도입, 응용하 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 187
70 장진영 최우남 정병훈 강정윤 고있다 7-8). 따라서인장강도 800MPa 급 DP강을비롯하여 TRIP, TWIP, 석출경화형강과같은고장력강판의 CO 2, Diode 및 Nd:YAG 레이저용접에관한연구는지속적으로진행되어왔다 9-15). 그러나최근차체용재료로각광을받고있는인장강도 1000MPa 급이상의고강도 DP강의레이저용접에관한연구는미진한실정이다. 관련연구로는인장강도 800, 1000MPa 급 DP강의마르텐사이트분율차이가인장시험, 딥드로잉시험등의기계적성질에미치는영향에대한소재연구 16) 가있다. 또한 980MPa급 DP 강을 Nd:YAG 레이저용접시연화기구에대한연구 17) 가보고되고있다. 그러나 1000MPa 급이상의 DP강 Nd: YAG 레이저용접부에대한연구결과는드물다. 따라서본연구에서는인장강도 1000MPa 급 DP강의레이저용접기술에대한기초연구로서 Nd:YAG 레이저비드용접부의용입특성, 결함, 경도및기계적성질에미치는용접속도의영향에대해검토하고자한다. 2. 실험방법 실험에사용된 DP(dual phase) 강은인장강도가 1000MPa 이고두께가 1.6mm이며, 화학조성을 Table 1에나타낸다. 본연구에서사용된레이저용접장치는최대출력이 4kW인 Nd:YAG 레이저를사용하였다. 용접은 50(W) 200(L) 크기의시편을압연방향에평행하게비드용접을실시하였으며, 보호가스를사용하지않고, 출력을 3.5kW, 초점위치를 0mm로고정시킨상태에서용접속도를 1.5 5.4m/min 로변화시켜행하였다. 용접부의미세조직은 4%-Nital 로상온에서 5초간부식시켜관찰하였다. 경도는마이크로비커스경도기를사용하여하중 300g(2.94N), 하중유지시간 15초의조건으로측정하였다. 인장시험편은박판재의인장시험에적합한 JIS 13B 호시험편으로용접선에수직한방향, 수평한방향으로가공하여사용하였고, 인장시험은만능시험기를사용하여크로스헤드스피드를 5mm/min의조건으로인장하였고, 연신율은신율계 (extensometer) 를부착하여측정하였다. 성형성은박판만능시험기를사용하여, 에릭슨 (Erichsen) 시험으로평가하였다. 시험편은에릭슨시험편 2호로, 펀치의상승속도는 7mm/min 로설정하였다. Table 1 Chemical compositions of material(wt%) Materials C Mn Si Ti P S Fe 3.1 용입특성 (a) (b) (d) 1mm Fig. 1 Appearance of bead with welding speed: (a)1.5m/min, (b)2.4m/min, 3.6m/min, (d)5.4m/min (a) (e) (g) 3. 실험결과및고찰 Fig. 1과 Fig. 2는각각용접속도에따른비드표면과횡단면을나타낸것이다. 본연구에서는보호가스를사용하지않았음에도불구하고모든용접조건에서기공및균열이관찰되지않았다. 다만고속의용접조건인 5.4m/min 에서스패터가관찰되었다. Fig. 2의비드단면으로부터 3.6m/min 의용접속도까지완전용입이발생하고, 그이상의속도에서는부분용입이발생함을알수있다. 또한완전용입조건내에 (b) (d) (f) (h) 1mm Fig. 2 Representative cross-sections of bead with welding speed: (a)1.5m/min, (b)1.8m/min, 2.1m/min, (d)2.4m/min, (e)3.0m/min, (f)3.6m/min, (g)4.5m/min, (h)5.4m/min DP 1000 0.11 3.19 0.17 0.01 - - Bal. 188 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
1000MPa 급 DP 강의 Nd:YAG 레이저용접부의기계적성질과성형성에미치는용접속도의영향 71 서저속용접비드모양은하부폭이상부폭보다넓은사다리꼴형상이지만, 용접속도가증가함에따라하부폭만이급격히줄어들어비드모양이 I자혹은 X자모양으로변화하는경향을보인다. 이상의결과로부터, DP 1000 강을보호가스를사용하지않고 Nd:YAG 레이저용접하여도전반적으로양호한비드를얻을수있음을알수있다. Hardness(VHN 300g ) 500 300 Quenched raw material Maximum hardness Fusion zone hardness 3.2 경도분포와미세조직 용접부근방의경도분포에미치는용접속도조건의영향을검토하기위하여, 용접부중심선에따라 150 μm간격으로비커스미소경도를측정하여상관관계를조사하여보았다. Fig. 3은용접속도를 1.5, 2.4, 및 3.6m/min 로변화시킨경우의경도분포를나타낸것이다. 경도분포는용접속도와관계없이, 거의동일한경향을보이고있다. 즉, 경도분포는본드라인근처의 경도가용융부보다높고, 에서모재쪽으로갈수록낮아지고, 모재쪽으로접근하는부분에서다시상승하는연화현상이나타나는특징을볼수있다. 시험한모든용접속도의경도분포가유사한경향을나타내었으므로, 용접속도에따른최대경도및용접금속중심부의경도변화만을비교하여보았다. 그결과를 Fig. 4에나타낸다. 여기서점선은고주파유도로를사용하여 1223K 까지급속가열후수냉한시편의경 500 300 200 100 Hardness(VHN 300g ) 0 500 Quenched raw material 300 200 100 0-3 Fusion zone Fusion zone -2-1 0 1 2 (a) Fusion zone -2-1 0 1 2-2 -1 0 1 2 Distance from weld centerline(mm) (b) 3 Fig. 3 Hardness distribution with welding speed: (a)1.5m/min, (b)2.4m/min, 3.6m/min 200 1.5 1.8 2.1 2.4 3.0 3.6 Welding speed(m/min) Fig. 4 Change of the maximum hardness and fusion zone hardness with welding speed 도값을나타낸것이다. 본드라인근처의 에서나타나는최대경도값은 1.5m/min를제외한모든용접속도의것이수냉한시험편의경도와동일한값을가지고, 용융부중심의경도값은 3.6m/min 의것을제외하고, 거의동일한값을갖는것을알수있다. 이와같은용접부의경도분포가나타나는원인을파악하기위하여, Fig. 5에나타낸경도분포모식도의각영역에해당하는미세조직을관찰하여보았다. I의영역이수냉시편의경도값과동일한값을갖는것은이영역의조직 (b) 이완전마르텐사이트조직으로구성되어있는것으로부터, A 3 이상의온도로가열되고, 수냉과동일한냉각속도로냉각되어형성된것으로생각된다. 용융부 (a) 와본드라인근처 I(b) 를비교하여보면, 용융부는응고조직의특징인주상정형태를유지한구오스테나이트로부터변태한마르텐사이트조직이고, I은다각형구오스테나이트조직에서변태된마르텐사이트조직으로이루어져있으며, 용융부의조직이훨씬조대함을알수있다. 따라서용융부의경도가본드라인근처 보다낮은이유는마르텐사이트조직이조대하기때문인것으로생각된다. 또한 I에서 II, III(d) 쪽으로갈수록경도가저하하는현상은페라이트양의증가때문이라것을알수있다. 한편 IV에서는모재보다더낮은연화현상이일어나는영역의미세조직 (e) 과모재조직 (f) 의비교로부터 IV 영역의마르텐사이트가모재의것보다더욱미세해진것을볼수있으며, 이것은공석변태온도 (A 1) 이상가열된것이아니라, 그이하의온도로가열이되어템퍼링효과에의한것으로추측된다. Mingsheng XIA 등의연구 17) 에서도 DP강레이저용접시발생하는연화부는마르텐사이트의템퍼링에의한탄화물석출때문이라고보고하고있다. 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 189
72 장진영 최우남 정병훈 강정윤 Illustration of hardness distribution 3.3 인장성질과성형성 (b) Ⅰ Hardness(Hv) BM Softening Zone (f) (e) IV (d) Ⅲ Ⅱ FZ Softening Zone BM Fig. 6은수직인장시험한경우, 용접속도에따른인장성질변화를나타낸것이다. 용접속도와관계없이모든시험편의파단부위는 Fig. 7에나타낸것처럼경도가가장낮게나타난 의연화부 (Fig. 5) 에서일어난다. 용접재의항복강도와인장강도는모재의것과거 의같거나조금높게나타나는것을볼수있다. 반면 연신율은모재보다낮게나타나지만, 용접속도가증가 함에따라연신율이약간증가하는경향을나타내고있다. 모든조건에서연화부에서파단되었음에도불구하 고, 연신율이용접속도에따라증가하는이유를알아보 기위하여파단된인장시험편의단면변화를살펴보았 다. Fig. 8 은저속인 1.5m/min 와고속인 3.6m/min 의시험편단면을비교한것으로, 1.5m/min 시험편은 경화부폭 ( 모재보다경도가높은영역의폭 ) 이넓어, 이 부분을중심으로어느한쪽에서만연신이일어나지만, 20 Elongation(%) 16 12 8 Raw material 4 1200 T.S Strength(MPa) 1000 800 600 Y.S 1.5 1.8 2.1 2.4 3.0 3.6 Welding speed(m/min) Fig. 6 Properties of the perpendicular tensile test with welding speed Fig. 5 OM, SEM microstructures from center of FZ to base metal: (a)center of FZ, (b) I, II, (d) III, (e) IV(Softening zone), (f)base metal Fig. 7 Appearance of fractured specimens after perpendicular tensile direction: (a)1.5m/min, (b)2.4m/min, 3.6m/min 190 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
74 장진영 최우남 정병훈 강정윤 Table 2 Comparison of forming height, fracture type and width of hardened zone with welding speed Welding 1.5 1.8 2.1 2.4 3.0 3.6 speed(m/min) Forming height (mm) 7.35 7.23 8.11 8.29 8.2 8.26 Fracture type A A B B B B Width of 4.22 hardened zone (mm) 3.76 2.98 2.83 2.14 2.14 Type A는성형높이가낮고, Type B는모재의성형성과거의동등한경향이있으며, 경화부폭이아주넓으면, 연화부에서균열이발생하여성형성이낮아지는것으로추측된다. 4. 결론 본연구에서는 1000MPa 급 DP강을 Nd:YAG 레이저를사용하여보호가스없이 3.5 kw의출력으로비드용접한용접부의특성에미치는용접속도의영향을검토하였고그결과를요약하면다음과같다. 1) 완전용입조건 (1.5m/min 3.6m/min) 에서보호가스를사용하지않고도기공과균열이없는건전한용접부를얻을수있었다. 2) 용접부근방의경도분포패턴은용접속도에관계없이거의동일하였다. 즉, 본드라인근처에서용융부보다높은최고경도를나타내고, 에서모재쪽으로갈수록저하하며, 모재근방의 에서모재경도보다낮은경도를나타내는연화가일어나는패턴을보였다. 의최고경도값과용융부의경도값은용접속도의영향을받지않았다. 3) 본드라인근처의 영역과용융부의미세조직은모두마르텐사이트이지만, 의조직이더미세하여경도가높고, 에서모재쪽으로갈수록경도가감소하는것은페라이트양의증가때문이며, 모재근처 에서발생하는연화부는템퍼링효과에의한것으로생각되어졌다. 4) 수직인장시험한경우, 용접속도와관계없이모든시험편이모재근처연화부에서파단되었고, 항복강도와인장강도는모재의것과거의같거나조금높게나타났다. 또한, 연신율은모재보다낮게나타나지만, 용접속도가증가함에따라연신율이약간증가하는경향을보였다. 5) 수평인장시험한경우, 인장강도는모재의것과동일하고, 항복강도는모재보다동일하거나높았다. 연신율은저속의용접재는모재의것보다낮지만, 2.4m/min 이상용접재는모재와동일한수준이었다. 6) 저속 (1.8m/min 이하 ) 의용접재는경화폭이아주넓어 연화부에서파단되고, 성형높이도모재보다낮으며, 2.1m/min 이상의용접재는용접부에서균열이발생하였고, 모재와동등한성형높이를가졌다. 후 기 본논문은부산대학교자유과제학술연구비 (2년 ) 에의하여연구되었음. 참고문헌 1. R. A. Kot, J. W. Morris: Structure and Properties of Dual-Phase steel, The Metall. Soc. Of AIME, Warrendale, Pa(1979) 2. A. T. Davenport: Formable HSLA and Dual-Phase Steels, The Metall. Soc. Of AIME, Warrendale, Pa (1979) 3. R. A. Kot, B. L. Broamfitt: Fundamentals of Dual-Phase Steels, The Metall Soc. of AIME, Warrendale, Pa(1981) 4. R. G. Davies: The Deformation Behavior of a Vanadium-Strengthened Dual Phase Steel, Metal. Trans. A, 9A(1978), 41-52 5. R. G. Davies: Influence of silicon and phosphorous on the mechanical properties of both ferrite and dual-phase steels, Metal. Trans. A, 10A(1979), 113-118 6. C. M. Banas: The industrial Laser Annual Handbook (Tulsa, Pennwell Publication, 1986) 7. J. Suh, Y. H. Han: Laser Welding in Automotive Industry, J. KWS, 12(1994), 49-63 (in Korean) 8. A. Ribolla, G. L. Damoulis, G. F. Batalha: The use of Nd:YAG Laser Weld for Large Scale Volume Assembly of Automotive Body in White, J. Mater. Process. Technol., 164-165 (2005), 1120-1127 9. T. K. Han, B. K. Lee, C. Y. Kang: Effect of Shield Gas on the Characteristics of CO₂ Laser Welded 600MPa Grade High Strength Steel, J. KSLP, 7(2004), 19-26 (in Korean) 10. T. K. Han, S. J. Kim, B. K. Lee, D. U Kim, C. Y Kang: Characteristics of CO₂ or Nd : YAG Laser Welded 600MPa Grade TRIP Steel, J. KWS, 24 (2006), 56-63 (in Korean) 11. H. Haferkemp, O. Meier, K. Harley: Laser beam Welding of New High Strength Steels for Auto Body Construction, Key. Eng. Mat., 344(2007), 723-730 12. M. K. Wibowo, I. M. Richardson: The Influence of Laser Beam Welding and Plasma Arc Welding Processes on Dual Phase Steel Microstructure, Adv. Mat. Res., 15-17(2007), 1020-1025 13. M. S. Xia, Z. Tian, L. Zhao, Y. N. Zhou: Metallurgical and Mechanical Properties of Fusion 192 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
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