그림 24부터 그림 26은 시편 레이저용접 시 평가되었던 조합과 동일한 소재조 합의 시트 백 프레임의 레이저용접부 조직 시험편의 단면과 미세조직을 관찰하 였다.
조직 시험편의 미세조직을 분석하면 No 1에서 No 12까지 미세조직에서 먼저 고강도강판일수록 레이저용접부 및 열영향부 영역이 명확하게 나타나고 있다. 특 히 No 1의 경우에서 상면의 SPFC 1180은 용융부 및 열영향부(흰색부분), 모재 부로 구분되며, SAPH 440-P의 경우는 용융부와 열영향부가 용융부 옆으로 약간 검게 나타날 뿐 열영향부 영역이 명확하게 보이지는 않았다.
또한 No 2와 No 3은 초기 출력이 높아 언더컷이 발생하여 레이저용접조건 수 정이 필요한 부분이며, 상면과 중면에 SPFC 1180 소재가 있어 열영향부 영역이 명확하게 나타났다. No 4과 No 7 및 No 8은 판넬간격의 갭이 존재하기 때문에 언더컷이 발생한 원인 될 수 있다,
No 5와 No 6 및 No 11와 No 12는 최적의 레이저용접부를 나타내고 있다. 이 는 SPRC 440 0.6 mm 소재를 클램프하여 갭을 최소화시킬 수 있어 레이저용접 조건의 최적화 가능하여 건전한 레이저용접부 구현이 가능한 것으로 사료된다.
또한 앞서 거론한 것처럼 레이저용접부의 용융부가 전체 마르텐사이트로 나타 났고, 모재부보다 경도가 높기는 하지만 No 2와 No 3 및 No 10의 경우는 상면 의 용접부의 용접영역이 모재부 두께보다 상대적으로 작기 때문에 인장시험의 경우는 상면이 파단된다. 그러나 시트 백프레임에서는 레이저용접부위가 많고, 서로 상호 보완적으로 작용하기 때문에 전반적인 충돌 특성을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 24. 시트 백 프레임 용접비드와 단면 및 조직(No 1∼4)
그림 25. 시트 백 프레임 용접비드와 단면 및 조직(No 5∼8)
그림 26. 시트 백 프레임 용접비드와 단면 및 조직(No 9∼12)
그림 27에서 그림 29는 고강도 소재와 낮은 강도 소재를 겹치기 용접하였을 시 용융부의 경도를 확인하기 위해 소재조합 No 6(SPRC 440 0.6mm, SPFC 980 1.0mm, SPFC 1180 1.0mm)에 대하여 비커스 경도기를 이용하여 경도를 측정한 결과이다. 그림 28는 상면(SPRC 440 0.6 mm)을 그림 29은 중면(SPFC 980 1.0 mm), 그리고 그림 30은 하면(SPFC 1180 1.0 mm)을 측정한 결과 그래프이다.
그림 27의 상면은 모재에서 열영향부(HAZ)를 지나 용융부로 갈수록 경도값이 커짐을 알 수 있다. 용융부 중앙에서 모재나 열영향부보다 경도값이 높게 나타났 다. 열영향부는 170 Hv에서 290 Hv의 경도값이 나타났고 용융부는 290 Hv에서 450 Hv의 경도값을 보였다. 이는 레이저용접을 했을 경우 용융부는 급냉에 의해 마르텐사이트 조직으로 이루어지고 열영향부에서도 모재부에서 용융부 방향으로 갈수록 마르텐사이트 조직이 많아지기 때문에 경도는 상승하고 용융부에서 최고 경도값을 나타낸다.12)
그림 28의 중면(SPFC 980 1.0 mm)의 모재부보다 모재부쪽 열영향부 시작위치 에서 경도값이 낮게 나타났다. 그리고 열영향부의 용융부쪽 방향으로 갈수록 경 도가 높게 나타났고 이후 용융부로 갈수록 경도값은 비슷하게 유지하였다. 따라 서 이러한 결과로 인장시험에서도 경도가 가장 낮은 위치에서 파단이 되는 것으 로 생각되며 레이저용접 열에 의해 모재조직의 마르텐사이트 조직이 변화되어
페라이트로 일부 변화된 것으로 생각된다.
그림 29의 하면(SPFC 1180 1.0 mm)는 모재부가 대부분 마르텐사이트 조직 및 베이나이트 조직으로 구성되어 열영향부 현상이 그림 28과 비슷한 현상을 나타 는 것으로 생각된다.
따라서 그림 28의 중면(SPFC 980 1.0 mm)과 그림 29의 하면(SPFC 1180 1.0 mm)의 경우는 열영향부의 경도값이 용융부와 비슷하거나 오히려 높게 나타나고 있다. 이는 SPFC 980과 SPFC 1180에서는 모재에 페라이트조직과 마르텐사이트 조직 및 베이나이트 조직으로 구성되어 있고 SPFC 1180으로 갈수록 페라이트 조직은 미세하게 존재한다. 모재쪽 열영향부에서는 페라이트와 마르텐사이트가 존재하기 때문이고, 용융부쪽으로 갈수록 페라이트조직은 보다는 마르텐사이트조 직으로 구성되어 최고 경도값을 나타내는 것으로 판단된다. 따라서 모재쪽으로 갈수록 페라이트 분율이 증가하기 때문에 경도값이 감소한 것으로 생각된다.
그림 27. 용접부 경도테스트 결과(No 6, 상면)
그림 28. 용접부 경도테스트 결과(No 6, 중면)
그림 29. 용접부 경도테스트 결과(No 6, 하면)
Ⅴ 결론
본 연구는 자동차 시트용 고강도강을 대상으로 레이저 용접을 실시하여 건전한 용접부를 확보할 수 있는 용접기술을 확립하고, 겹침부의 두께에 따른 레이저 출 력과 용접속도 등의 용접조건을 예측할 수 있는 에너지량을 얻었으며, 고강도강 의 파단형태를 개선하기 위한 용접 패턴을 개발하여 고강도강 레이저 용접의 이 론적 배경을 제시하고자 하였다. 연구를 통해 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같 다.
1. 겹침판넬의 레이저용접에서 완전용입이 일어나는 조건을 유도하기 위해서는 겹침부의 두께가 증가하면 용접부에 조사되는 에너지량도 증가해야 한다.
그러나 두께를 고려한 단위 면적에 대한 에너지값은 각 소재 조합별로 약 21 J/mm2 정도의 비슷한 값을 보였으며, 이는 레이저용접 조건 선정 시 기 초 데이터로 활용할 수 있다.
2. 직경이 큰 레이저 빔으로 용접한 용접부의 용입깊이는 상대적으로 얕아지나 겹침판넬의 계면에서의 용융면적이 넓어져 빔 직경이 작은 용접 대비 높은 인장하중 값을 나타내었다. 따라서 용접강도는 용입깊이 보다는 용융폭의 크기에 좌우됨을 알 수 있으며 용접강도 확보를 위해서는 용융면적을 넓힐 수 있는 용접형상 및 용접조건 설정이 요구된다.
3. 고강도강 레이저 용접부의 계면파단을 개선하기 ‘C'자 형상의 패턴, 원의 내 부를 채우는 ’●‘ 형상의 용접 패턴을 설계하였고 이러한 형상에 맞는 용접 조건을 도출하여 파단형태를 개선하였다.
4. SPFC980과 SPFC1180 소재의 열영향부에서 용융부와 유사하거나 높은 경 도값을 보였으며 모재쪽으로 갈수록 경도값이 낮아져 모재와 만나는 부근에 서 최소 경도값을 보이며 다시 상승하는 연화현상이 나타났다.
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