이광복 hwp

50 연구논문 ISSN 1225-6153 Online ISSN 2287-8955 이광복 * 오승택 *, * 현대자동차연구개발본부재료개발센터자동차강판개발 TFT Development of Durability Enhancement Technology for Arc Weldings in Advanced High Strength Steel (AHSS) Chassis Parts Kwang ok Lee* and Seung Taik Oh*, **Sheet Metal Development TFT, Research & Development Division, Hyundai Motor Company, Gyeonggi-do 18280, Korea Corresponding author : geniusli@hyundai.com (Received August 12, 2015 ; Revised August 20, 2015 ; Accepted August 24, 2015) Abstract In general, discontinuity of metallurgical and structural points of weld zone could decline the fatigue strength. For the lightweight trend, the AHSS application in automotive chassis is in-progress. However, there are few research reports on AHSS welds fatigue strength in especially automotive chassis parts. Therefore, in this study, we evaluated the effects of the factors affecting the AHSS welding fatigue strength. As the result, the stress concentration of weld bead is the most important factor for welding fatigue strength. For the enhancement of welding fatigue strength, we focused on reducing the stress concentration of the welding beads. So, we applied and proved the plasma welding process and GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) dressing method. It was verified by uniaxial fatigue specimen, fatigue performance increased from 40 to 60% by applying TIG dressing method compared to the conventional GMAW (Gas Metal Arc Welding). These results could be recommended the enhancement of fatigue performance of AHSS. Key Words : AHSS, Chassis System, Arc Welding, GMAW (MAG), GTAW (TIG), utt Joint, Lap Joint, Durability Enhancement Technology, Post Treatment, Plasma Welding, GTAW (TIG) Dressing 1. 서론 지구온난화와자원고갈, 유가상승등의외부요인에의해전세계자동차산업의개발방향은에너지효율향상에맞춰져있다. 이를위해재료적인측면에서기여할수있는방법으로고장력강적용확대에의한차량경량화가있다. 현재당사에서도철강재전반으로고장력강적용확대를진행중에있다. 특히, 내구성능이만족되어야하는샤시부품도경량화의대상으로고장력강이대거적용되고있으며대부분용접에의해제작된다. 일반적으로용접부는구조적불연속점및야금학적불연속점으로작용하여피로강도를저하시키는것으로 알려져있다 1). 구조적인불연속점으로는형상에의한응력집중인자가대표적이며, 야금학적인불연속점으로는용접입열에의한모재, 용접부및열영향부간의물성차이가대표적인인자이다. 특히재료의강도가높은고장력강일수록열영향부의연화현상또는경화현상이강도가낮은연강대비크게나타나므로야금학적불연속부의영향이증대되는경향에대한많은보고들이있다. 그러나실제자동차샤시부품에적용되는고장력강들의용접부피로평가결과뿐만아니라어떠한인자가피로특성을저하에직접적인영향을끼치는지에대한연구결과는많지않은실정이다. 따라서본연구에서는샤시부품에적용되고있는대표적인고장력강인 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 급강종의모재강도및용접부형상에대한피로강도 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.4(2015) pp50-56 http://dx.doi.org/10.5781/jwj.2015.33.4.50

51 를정량화하여용접시편피로데이터를확보하였으며, 피로강도를저하시키는주요영향인자를확인하였다. 또한주요영향인자를최소화하는방향으로용접부수명향상방안을제시하였다. 2. 본론 2.1 실험방법 2.1.1 소재및용접방법본연구에서사용한소재는샤시부품에주로적용되고있는냉간성형용고장력열연강판 (SAPH440-P, SPFH590DP-P ; 각 2.0t) 과핫스탬핑용초고장력열연강판 (SPH1470-P ; 1.8t) 의세강종이며, 동종및이종재간용접을통해용접시편의기계적물성 ( 인장강도, 경도, 피로강도 ) 을시험하였다. 이종재간용접은실제부품의재질매칭조건을반영하여하판에 SPH1470-P, 상판에 SPFH590DP-P 를적용하였다. 각각의목적에맞게대표적인샤시용접부형상2) 인 1 맞대기용접 ( 형상의영향검증, A1) 2 맞대기용접후비드제거 ( 강도의영향검증, A2) 3 겹침용접 ( 형상의영향검증, ) 4 이중겹침용접 ( 응력집중계수측정, D) 의 4가지형상을제작하였으며, 각각을 Fig. 1에나타내었다. A1 A2 Table 3 Combination of welding specimens Material Types Type Met-hod Mark 590/ 590 440 1470 1470 utt MAG G-N No ead O O O MAG G-O One side ead O O O Lap MAG LG O O O LG-T TIG Dressing O LG-D Dissimilar steel O Plasma LP-W With wire O LP-NW Without wire O Double Lap MAG DLG O Plasma DLP O 현양산조건을반영한용접방법은샤시부품용접에가장많이사용되고있는 GMAW(Gas Metal Arc Welding, 이하 MAG) 용접법을적용하였다. 또한, 용접부응력집중을완화하여내구수명을향상시킬것으로예상되는플라즈마용접법과 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding, 이하 TIG) 드레싱법을적용하였으며, 겹침용접시편으로고주기피로수명을평가하여 MAG 용접결과와비교하였다. 최적용접조건은인장시험결과를통해도출되었으며그결과를 Table 1과 2에각각나타내었다. Table 3은본연구에서수행한용접부형태와강종및용접방법의조합을나타낸다. 각각의조합으로총 143개의시편이제작되었다. Fig. 1 Shape of Test specimens 3) Table 1 Welding conditions for MAG Current Voltage Speed Lap-Joint 170~180 A 18 V 70 cm/min utt-joint 140 A 19 V 63 cm/min Wire ER70S-6(YGW12), Φ 1.0 mm 2.1.2 피로시험및파면분석방법인장시험결과용접부의건전성이확보가확인된후각각 Table 1과 Table 2의용접조건으로용접시편들을제작하였다. 피로성능평가를위한시험편들은 ASTM E4662에의거하여 Fig. 1과같이제작하였다. 겹침용접용접부의피로시편은인장시험편과같이폭 25 mm 로가공하였다. 고주기피로시험은 MTS사의 810 Model 을이용하 Table 2 Welding conditions for Plasma welding and TIG dressing Current Voltage Speed Plasma 200 A 18 V 55 cm/min TIG Dressing 120 A 18 V 21 cm/min Wire ER70S-6(YGW12), 1.2 mmφ With or Without wire for Plasma welding Fig. 2 Fatigue test condition and test Equipment 대한용접 접합학회지제 33 권제 4 호, 2015 년 8 월 359

52 이광복 오승택 A. ead Ground. As welded 22mm Crack Initiation Did not fail Crack Initiation Fig. 3 Crack initiation points of 440 MPa grade butt welded specimens (A : ead ground, : As welded) 였고, 20 Hz, sine 파형의 R = 0.1 조건으로시험하였으며, 피로강도의기준은 N = 10 7 을만족하는최대응력으로설정하였다. 피로시험시의최대응력 (σmax) 은각용접시편의인장강도의 90% 부터 10% 씩부하응력을감소시키면서도출하였다. 겹침용접시편의피로시험에서입력하중에의한시편의회전모멘트를최소화하기위하여모재와동일한두께의판재를덧대어시편을장착하였다. 피로균열의시작위치와용접부의기하학적형상및야금학적불연속정도를판단하기위하여피로시편의표면및파단면을광학현미경과마이크로비커스경도계를이용하여다각적으로분석하였다. 2.2 MAG 용접조건시험결과 2.2.1 맞대기용접시편평가결과 Fig. 4는 3종의모재에대해 MAG 맞대기용접에대해용접비드가존재하는경우와용접비드를제거한경우의평가를비교한결과이다. 용접비드를제거하여용접부형상인자를배제한시편에서모재강도의영향을확인할수있었으며기존유사연구결과 3) 에서알려진바와같이모재강도가높을수록피로강도가높게나타났다. 파단시편의경도평가결과 3가지소재의용접시편모두미세조직상가장연화된부분 (440 : 모재, 590DP : 열영향부, 1470 : 용접부 ) 에서파단이발생하였으며, 이는인장시험에서 9 10 2 8 10 2 7 10 2 6 10 2 5 10 2 Did not fail 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 Number of cycles to failure(nf) Fig. 5 Results of the high frequency fatigue test for single lap-joint welded specimens 의파단위치와동일하다 (Fig. 3A). 440 소재는용접입열로인해용접부및열영향부의결정립미세화가진행되어모재부가가장연질부로나타났으며, 590DP 소재는열영향부조립역에서모재의마르텐사이트조직이페라이트로변태되면서연화되었다. 1470 소재의경우에는시험에서 600 MPa 수준의용가재 (ER70S-6) 를사용함에따라용접부가연질부로나타났다. 용접비드가존재하는경우이러한미세조직적인영향은응력집중효과에비해영향이크지않은것으로판단된다. 평가결과모재의강도가높아짐에도불구하고 440, 590, 1470 모두유사한피로강도를나타내었다. 또한, 3개강종모두용접비드부에서파단이시작되고전파되었다 (Fig. 3). 2.2.2 겹침용접결과실제샤시부품에주로적용되고있는겹침용접시편의고주기피로평가결과맞대기용접대비용접비드의응력집중효과가지배적으로나타나모재강도에의한차이를확인하기어려웠다. 겹침용접시편의경우파단위치는모재의강도에관계없이부하응력의인장강도에대한비율에따라나타났다. 피로강도가인장강도대비 50% 이상의고응력 10 7 4 10 2 440 Lap joint 3 10 2 A Lower plate Crack initiation Upper plate Upper plate Crack initiation Lower plate 60%(256.62MPa), 12.608 cycles 25%(106.9MPa), 2`12.509 cycles 2 10 2 10 4 10 5 10 6 10 7 Number of cycles to failure(nf) Fig. 4 Results of the high frequency fatigue test for butt welded specimens Fig. 6 Crack initiation points of 440 MPa grade single lap joint welded specimens. (A : High stress ratio;60% of UTS, Root crack : Low stress ratio;25% of UTS Toe crack) 360 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 4, 2015

53 비에서는루트부에서, 50% 이하의저응력비에서는토우부에서파단이시작되고전파됨이확인되었으며, Fig. 6에나타내었다. 이러한현상은겹침용접시편의피로시험시에 1축압축, 인장응력이외에도굽힘모멘트가작용하게되는데, 인장강도의 50% 이상의고응력비에서는루트부에서굽힘모멘트의영향이커지고, 저응력비에서는상대적으로굽힘모멘트의영향이작기때문에응력집중의위치가달라지는것으로판단된다. 200 150 100 GMA welded 590 Plasma welded No Wire With Wire Initiation point : Root 2.3 용접부피로수명향상방안 일반적으로샤시부품의내구시험은탄성영역이하의저응력비구간에서진행되며실제차량의응력이력도마찬가지이다. 실험결과에의하면이구간에서는용접토우부에응력이집중되어파단이일어나므로겸침용접시편토우부의응력집중을완화해주면, 피로수명향상효과를얻을수있을것으로예상되었다. 저자들은이를위해토우부응력집중완화에효과가있을것으로예상되는플라즈마용접법과 TIG 드레싱법을적용하여겹침용접시험편으로고주기피로평가하였다. Fig. 7에용접비드형상에따른응력집중정도를나타내었으며, 비드형상개선에의해응력집중정도가완화됨을보여준다. 2.3.1 플라즈마용접결과 (590 MPa용접시편 ) 플라즈마용접법은 TIG 용접법과유사한용접법으로녹지않는텅스텐전극을사용하므로안정적인아크를유지할수있다. 플라즈마용접장치는오리피스가스라 Acceptable Geometry Table 4 Welding conditions for Plasma welding and MAG MAG Plasma(wire) Plasma(nowire) Material 590DP 590DP 590DP Speed 55 cm / min 35 cm / min 40 cm / min Shielding Gas Ar 70%, CO 2 30% Ar 100% Ar 100% Orifice Gas - Ar 100% Ar 100% Wire ER70S-6 ER70S-6 - Apperance Improved Geometry Fig. 7 Stress concentration effect, which is determined by the geometric shape of the weld toe 4) 50 10 4 10 5 10 6 10 7 Number of cycles to failure(nf) Fig. 8 Results of the high frequency fatigue test for single lap-joint welded by plasma welding 고불리우는가스가고온아크를집중시켜플라즈마로변화되는원리이며, 열집중도가 TIG 대비 20배이상높아 (TIG : 50 W/ mm2, 플라즈마 : 1000 W/ mm2 ) 열변형이적고레이저용접수준의미려한외관이특징이다. 현재도어프레임등의일부차체부품에 TIG 용접을대체하여사용중이나, 샤시부품적용사례는없다. 플라즈마용접법은제살용접과와이어송급용접이모두가능하며, 본연구에서는두가지모두진행하였다. 상세조건과비드형상은 Table 4에나타내었다. 플라즈마용접의경우기존 MAG용접대비하여비드의형상이미려하여응력집중이완화되므로피로강도가 60 MPa 에서 95 MPa로 60% 향상되는결과를얻었으며이를 Fig. 8에나타내었다. 와이어의첨가여부는피로수명과큰관계는없었다. 또한, MAG 용접과달리저응력비에서도용접토우부가아닌루트부에서파단이일어난것으로보아플라즈마용접에의한응력집중완화로토우부에서는더이상응력집중이일어나지않음을확인할수있었다. 플라즈마용접이높은용접품질과피로성능을나타내지만양산에적용하기어려운몇가지문제점이있다. 첫째로장비가격이기존 MAG용접기대비 10배가량비싸며, 둘째로피용접물의갭에대한민감도가크고토치가커서자동화티칭이용이하지않다. 이에저자들은양산적용이용이한용접후처리법들에대해연구하였다. 2.3.2 TIG 드레싱결과 ( 상판 : 1,470 MPa, 하판 : 590 MPa, 겹침용접시편 ) 용접후처리에대한연구는주로후판을사용하는조선, 토목등의구조물분야에서발전하였다. 5-7) 후처리법은용접토우부의응력집중부의형상을기계적 ( 초음파충격처리 (UIT), 해머피닝, 버그라인딩 (G) 등 ), 10 7 대한용접 접합학회지제 33 권제 4 호, 2015 년 8 월 361

54 이광복 오승택 A As welded urr Grinding 2.5 10 2 Axial load fatigue test, 2 10 2 - Frequency : 20Hz - R=0.1 1.5 10 2 Did not fail Did not fail 10 2 UIT TIG Dressing Initiation point : Root 5 102 10 4 10 5 10 6 10 7 Number of cycles to failure(n f) 150K 60K TIG Torch Fig. 10 Results of the high frequency fatigue test for single lap-joint, post treated by plasma welding TIG 드레싱법은높은작업숙련도가요구되며오염에 취약한단점이있으나자동화공정이마련되면극복가능 할것으로기대된다. 150K 60K 2.4 응력집중효과분석 Fig. 9 A : Welding Post treatment methods 6) : Schematics of TIG Dressing 열적으로완화해주는방법 (TIG 드레싱법 ) 과용접부부근에압축잔류응력을인가해주는방법 ( 숏피닝 ) 등이대표적이다 (Fig. 9A). 저자들이위의여러가지방법들에대해양산가능성과효과에대해검토해본결과, 자동차샤시부품에는 TIG 드레싱법이가장적합한것으로판단되었다. TIG 드레싱법은먼저 MAG 용접으로피용접재를용접한이후에전주또는취약부에선택적으로 TIG 토치로용접비드를재가열및재용융해줌으로써비드토우부의응력집중을완화해주는기술이다.(Fig. 9) 이는플라즈마용접에비해피용접물의갭에대한민감도가작고 ( 양산용접과동일 ), TIG 토치의가격이 MAG 용접기보다저렴하며, 내구취약부에만국부적으로적용가능하므로자동화가용이하고원가상승이크지않은장점이있다. 8) Fig. 10에는 TIG 드레싱시편과 MAG 시편의피로시험결과를나타내었다. 플라즈마수준의미려한비드형상은아니지만, 토우부의응력집중이완화되어피로강도가 51 MPa 에서 72 MPa 로 40% 향상되었다. 플라즈마용접과마찬가지로저응력비시험하에서도루트부에서파단이일어난것으로보아토우부의응력집중은일어나지않았다. 저자들은 MAG 용접에서비드에의한응력집중을완화한플라즈마용접및 TIG 드레싱법의피로강도향상정도를고주기피로평가를통해정량적으로확인했다. 응력집중에의한피로수명저하를나타내는피로응력집중계수 (K f) 는직접구하기어렵기때문에 K f 와비례하며기하학적형상으로구할수있는응력집중계수 (Stress Concentration Factor, SCF : K t ) 를모재와용접비드가이루는각도와곡률등으로아래의식 19) 을이용해계산하였으며, Fig. 11에각각의용접법형상에따른 K t 값을나타내었다. 피로평가결과와마찬가지로플라즈마용접과 TIG 드레싱법에서토우부의비드각도가향상되고이에반비례하여 K t 값이감소함을확인했다. 저자들의시험결과 K t 가 4.410) 이상이면강종에무관하게피로강도가유사함을알수있었다. 현재샤시부품들의경우대부분 MAG용접으로접합이되며, K t 값이 4.0 이상수준으로고장력강적용에의한내구향상효과가거의나타나지않는다. 모재의강도효과를보기위해서는용접부형상에있어 K t 값을최대한작게할수있는용접법의도입 (TIG 드레싱법등 ) 이필요하다고판단된다. 2.5 실부품내구향상효과검증시편상태의피로강도향상효과검증을위하여초고장력강판이적용된부품을선정하였다. 대상부품은소형 362 Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 4, 2015

55 A exp exp form MAG TIG Dressing Stress Concentration Factor(K t)forweldbead : The radius of curvature : The angle between the toe and plate : Height of the bead : : Thickness of the material 128 MAG 156 Plasma 145 TIG Dressing Fig. 11 K t values and shape for various welding methods 차후륜서스펜션인 CTA(Coupled Torsion eam Axle) 로 1470 MPa 급핫스탬핑빔과 590 MPa 급트레일링암이용접된구조이며, 주로이두부품의용접부에서내구파단이시작되는것으로알려져있다. 기존의내구해석및내구시험결과로부터 Fig. 12A 에표시한부위가가장취약한부분임을확인하였으며, 이부위에국부적인 TIG 드레싱처리한부품과별도의처리를하지않은양산부품을내구평가하여결과를비교하였다. 부품의제작은양산라인에서 MAG용접된부품에시편상태에서얻은 TIG 드레싱최적조건을적용하여수동작업하였다. 내구시험모드는실차주행로드데이터를반영한모듈내구시험를시행하였으며, 일련의과정을 Fig. 12에각각나타내었다. Fig. 12D에서보듯이 TIG 드레싱처리이후의부품은외형적으로미려한형상은아니지만단면을확인한결과응력집중이완화된형상을보였으며실제내구평가에서도기준수명대비 5배이상에서크랙이발생하지않는무한수명을나타내었다. 3. 결론 고장력강의용접부피로평가결과모재강도와용접비드에의한응력집중에대한영향인자를확인할수있었으며, 다음과같은결론을얻었다. (1) 맞대기용접후비드를제거한시편에서모재 Crack initiation and propagation No Crack A. Weak points of the CTA. Part durability test equipment C. Cross-section of MAG welding and test result D. Cross-section of TIG dressing and test result Fig. 12 Actual part evaluation of CTA 강도와피로강도는서로비례함을확인할수있었다. (2) MAG 용접에서는용접비드가존재할경우비드의토우부가응력집중부로작용하여모재강도에관계없이유사한피로강도를나타내었다. 특히샤시에서가장많이적용되는겹침용접의경우 440 MPa, 590 MPa, 1470 MPa 세강종모두동일수준의피로강도를보였다. 즉, 고장력강의용접부피로물성은모재의강도보다용접비드토우부의응력집중에의해지배되며, 용접부의피로강도향상을위해서는응력집중을완화할수있는용접기술또는후처리법이필요하다고판단되었다. (3) 플라즈마용접법평가결과비드의응력집중계수완화효과로피로강도가기존 MAG 용접대비 60% 향상된것을확인할수있었으나, 용접조건등을양산사양에적용하기어려운문제가있었다. (4) 건축, 토목, 조선분야에서피로물성향상을위해사용되고있는 TIG 드레싱법평가결과, 응력집중계수와피로강도가기존 MAG 용접대비 40% 향상되는결과를시편상태에서확인할수있었으며, 부품상태 (CTA) 에서한계내구평가결과무한수명을나타냄을확인하였다. TIG 드레싱기술은용접부전주에적용하기도하지만취약부에만국부적으로적용가능하므로, 처리시간과비용상승이크지않은장점도가지고있다. 이러한연구결과들은향후고장력강용접부의내구문제개선에대한대안으로적용가능할것으로기대된다. References 1. annantine et al., Fundamentals of metal fatigue analysis, 1990, Prentice Hall 2. yeong-choon Goo, Jai-Hoon Kim, Fatigue Tests of 대한용접 접합학회지제 33 권제 4 호, 2015 년 8 월 363

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