열간 프레스 성형 강판은 자동차 산업에서 널리 사용되는 고급 소재입니다. 이 연구에서는 Al-Si 코팅된 HPF 강판의 레이저 용접 공정을 개선하기 위해 나노초 펄스 레이저 세정과 파이버 레이저 용접을 결합한 하이브리드 공정을 제안했습니다. 열간 프레스 성형 강판을 통하여 높은 강도와 높은 연신율 성형을 함께 가져갈 수 있습니다. 그럼 상세 공정에 대해 알려드릴게요.
Al-Si 코팅 제거를 위한 레이저 세정 공정
나노초 펄스 레이저를 사용하여 HPF 강판 표면의 Al-Si 코팅을 제거했습니다. 레이저 출력이 증가하고 제거 속도가 감소함에 따라 코팅 제거 두께와 표면 거칠기가 증가했습니다. 60W 이하의 레이저 출력에서는 코팅 제거 효과가 없었으며, 이는 코팅 제거에 필요한 임계 출력이 존재함을 나타냅니다.레이저 세정의 주요 메커니즘은 플라즈마에 의해 생성된 충격파가 코팅을 기판에서 분리시키는 것입니다. 고속 카메라 관찰 결과, 레이저 작용 부위에서 밝은 플라즈마가 생성되고 Al-Si 코팅이 가열되어 기판 표면에서 벗겨지는 것을 확인했습니다.
다양한 Al-Si 코팅 두께에 따른 용접부 특성
Al-Si 코팅을 제거하지 않은 경우, 용접 과정에서 강한 금속 증기가 발생하여 용접 불안정성을 초래했습니다. 반면 코팅을 제거한 후에는 용접 과정이 안정화되어 표면 품질이 향상되었습니다.용접부 단면 분석 결과, 용접 금속(WM), 열영향부(HAZ), 모재(BM)로 구성된 전형적인 구조를 보였습니다. 열영향부는 담금질 영역, 불완전 담금질 영역, 템퍼링 영역의 세 가지 하위 영역으로 구분되었습니다.
열간 프레스 성형 미세구조 및 상 분석
용접 금속의 주요 미세구조는 마르텐사이트였습니다. Al-Si 코팅에서 유입된 Al 원소로 인해 Fe-Al 상이 형성되었으며, 주로 용접부 하단에 분포했습니다. 코팅 두께가 감소함에 따라 Fe-Al 상의 양이 감소했고, 5μm 두께에서는 Fe-Al 상이 거의 관찰되지 않았습니다.코팅 두께가 감소할수록 마르텐사이트 결정립이 조대화되는 경향을 보였습니다. 이는 코팅 두께 감소로 인해 용접 금속이 흡수하는 레이저 에너지가 증가했기 때문입니다.
열간 프레스 성형(Hot Press Forming)은 고강도 강판을 성형하는 첨단 공정으로, 자동차 산업에서 경량화와 안전성 향상을 위해 널리 사용되고 있습니다. 이 공정의 주요 단계와 장단점은 다음과 같습니다:
열간 프레스 성형 공정 단계
- 블랭크 가열
- 강판 블랭크를 오스테나이트화 온도(보통 900-950°C)로 가열합니다.
- 이송
- 가열된 블랭크를 프레스로 신속하게 이송합니다.
- 성형 및 급냉
- 냉각수가 순환하는 금형에서 블랭크를 성형하고 동시에 급냉시킵니다.
- 이 과정에서 마르텐사이트 변태가 일어나 강도가 크게 증가합니다.
- 냉각 유지
- 마르텐사이트 변태를 완료하기 위해 5-10초간 금형 내에서 냉각 상태를 유지합니다.
- 탈형
- 완성된 부품을 금형에서 꺼냅니다.
열간 프레스 성형 장점
- 초고강도 부품 제작 가능 (인장강도 1500MPa 이상)
- 복잡한 형상의 부품 성형 가능
- 스프링백 최소화
- 경량화와 충돌 안전성 향상에 기여
- 후가공 공정 감소로 생산성 향상
열간 프레스 성형 단점
- 고가의 설비 투자 필요
- 에너지 소비가 많음
- 금형 수명이 짧음 (열충격으로 인한 마모)
- Al-Si 코팅 등 특수 표면처리 필요
- 용접성 저하 문제
- 생산 사이클 타임이 길어 대량 생산에 한계
핫 프레스 포밍은 이러한 장단점에도 불구하고 자동차 산업에서 차체 경량화와 안전성 향상을 위한 핵심 기술로 자리잡고 있으며, 지속적인 연구개발을 통해 공정 개선이 이루어지고 있습니다.
열간 프레스 성형 기계적 특성 평가
미세경도 분포는 용접 금속에서 가장 높고 모재로 갈수록 감소하는 대칭적인 특성을 보였습니다. 코팅 두께가 감소함에 따라 용접부의 경도가 약간 감소했지만, 인장 강도와 컵핑 테스트 합격률은 향상되었습니다.인장 시험 결과, 코팅 두께가 감소할수록 인장 강도가 증가했으며 5μm 이하에서는 더 이상 큰 변화가 없었습니다. 파단면 관찰 결과, 모든 시편에서 준벽개 파괴 특성을 보였으나 코팅 두께가 감소할수록 딤플의 크기와 수가 감소했습니다.컵핑 테스트에서는 코팅 두께가 감소할수록 합격률이 꾸준히 향상되어 5μm 이하에서 100% 합격률을 달성했습니다.
결론
이 연구를 통해 나노초 펄스 레이저 세정과 파이버 레이저 용접을 결합한 하이브리드 공정의 효과를 확인했습니다. Al-Si 코팅 제거는 용접 과정의 안정성을 향상시키고 용접부 품질을 개선했습니다. 코팅 두께가 감소함에 따라 Fe-Al 상의 형성이 억제되어 기계적 특성이 향상되었습니다.최적의 결과는 5μm 코팅 두께에서 얻어졌으며, 이 조건에서 용접 금속의 평균 미세경도는 488.38 HV0.1, 인장 강도는 1435.05 MPa, 컵핑 테스트 합격률은 100%를 달성했습니다.이 연구 결과는 Al-Si 코팅된 HPF 강판의 레이저 용접 공정 최적화에 중요한 지침을 제공할 것으로 기대됩니다. 향후 연구에서는 다양한 강종과 코팅 조건에 대한 추가적인 실험과 분석이 필요할 것입니다.
이번 글을 통해 열간 프레스 성형 공정의 특징과 장단점에 대해 알아보았습니다. 좀 더 자세한 정보가 필요하신 분은 아래 글을 참고해보세요.
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