나.기어부품 시편
기존 볼트체결 방식을 개선하기 위한 시트레일의 상부 브라켓과 상부 레일의 레 이저 용접 적용시 용접부의 단면 형상을 Fig.3-9에 나타내었다.Fig.3-9의 A-A, B-B,C-C 단면도에서와 같이 용접부는 모두 T 형상을 유지하고 있다.시트레일 용 접을 위한 선행실험을 위해 T 형상을 단순화하여 용접시편을 제작하였다.자동차 구조용 열간압연 강판 SAPH440의 T-형상 용접시 발생할 수 있는 기공이나 고온균 열 및 저온균열 등의 결함을 최소화 할 수 있는 최적의 용접조건을 규명하기 위한 시험편은 자동차 부품인 시트레일과 유사한 300mm (가로)× 50mm (세로)× 2 mm (두께)의 크기로 제작 하였으며 시험편의 크기 및 형상은 Fig.3-10과 같다.
그리고 T 형상 파이버 레이저 용접시편의 기존 볼트 체결 방식과의 기계적 강성 을 비교 분석하기 위해 용접부와 모재에 동시에 가해지도록 인장시편을 제작하였 으며 인장시험을 위한 시험편의 크기 및 형상은 Fig.3-11와 같다.이와 같은 용접 부의 인장시험 결과를 통해 레이저용접부의 건전성 및 T 형상부의 기계적 특성을 볼트 조립 방식과 비교 하였다.용접한 T 형상 용접부의 기계적 강도 특성을 확인 하기 위해 인장실험을 실시하였다.인장시험에 필요한 용접 시편은 연장선상에서 인장시험기의 클램프에 고정 할 수 있도록,T형상 용접 시험편과 동축상에 플랜지 를 가공하여 시편에 부착하였다.플랜지에는 레이저 용접한 부분과 볼트 체결한 부 위와의 인장력을 비교할 수 있도록 시편을 제작하였다.여기에 사용한 볼트 및 너 트의 규격은 기존에 볼트체결에서 사용하는 것과 동일한 사양의 M5볼트를 사용 하였다.인장시험은 T형상 용접부에 대한 건전성 평가 기준으로,자동차 시트 구조 적 강도에 대한 법규 규정은 FMVSS(FederalMoterVehicleSaftyStandard)에서 정한 법규를 기준으로 하였으며,특히 시트 구조물에 대한 강도 평가에 대한 법규 인 FMVSS 207에서 나타낸 것과 같이 시트 중량의 20배의 전방 하중인 373 kN/mm²에서 과도한 변형이 발생해서는 안 되며,슬라이더 레일 (sliderrail)에 사용된 취부 볼트 인장응력은 981N이다[99~101].
Fig. 3-9 Mechanical drawings of upper rail parts for fiber laser welding
Fig. 3-10 Dimension of seat rail welding test sample
Fig. 3-11 Dimension of tensile strength test sample
다.용접 후 시료 분석
레이저용접 후 각 시편의 용접단면 비드 모양과 단면의 조직을 관찰하기 위해 와이어 커팅으로 용접시편을 절단하고,채취된 시료를 Photo3-6에서처럼 핫 마운 팅 (hotmounting)작업을 통해 몰딩 (molding)처리후 채취된 시료을 Photo3-7에 서처럼 자동연마기 (표면연마:1㎛)로 연마 및 폴리싱 작업후 5% 나이탈 (nital) 용액인 5% 질산 +95% 메틸 알콜을 사용하여 에칭 (eching)하였다.
Photo 3-6 Hot mounting press
Photo 3-7 Automatic grinder / polisher
라.광학 및 전자현미경 분석
Photo 3-8에서 보는 바와 같이 광학금속 현미경은 최소배율 ×25에서 최대배율
×500을 사용하여 자동차 기어부품 및 시트레일 부품의 용접부 단면을 관찰하였다.
용접부 및 열영향부의 금속조직을 관찰하기 위해 전자현미경 (FESEM :Field Emission Scanning Electron Microscope)분석과 EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer)분석방법 (Linescan,spot,area)을 실시하였다.
Photo 3-8 Metallurgical microscope
마.경도분포 측정
Photo 3-9는 표면경화부와 용접부의 경도값을 측정하기 위해 마이크로 비커어스 경도시험기 (Simadzu : HMV-2series) 를 사용하였으며, 다이아몬드 인덴터 (diamond indenter)의 하중은 0.3kg(2.894N)을 적용시켰다.측정 위치는 용접비 드 상부에서 아래로 100㎛인 지점과 200㎛인 지점에서 가로방향으로 25㎛ 간격 으로 용접부의 표면경도를 측정하였다.
Photo 3-9 Micro vickers hardness tester
바.비파괴 X- Ra y분석
Photo 3-10은 자동차용 기어소재의 동일한 용융깊이를 갖는 전자빔 용접샘플과 레이저 용접 샘플의 정확한 용접부 분석을 위해 비파괴 검사 방법인 3차원 CT를 실시하였다.이 측정 장비는 산업용 Micro CT 장비 (Model:QRIX-TVX-IMT 160CT)로 용접샘플에 X-Ray를 조사하여 용접부의 단층촬영으로 용접부의 기공 및 결함의 존재 유무를 확인하였다.
Photo 3-10 3D micro X-Ray CT