이중상 및 프레스 경화강의 레이저 용접 접합부는 자동차 산업에서 중요한 연구 주제 중 하나입니다. 이중상 강(Dual Phase Steel, DP Steel)과 프레스 경화강(Press-Hardened Steel, PHS)은 고강도 및 경량화의 장점을 제공하여 충돌 안전성을 높이고 차량 중량을 줄이는 데 기여합니다. 이중상 및 프레스 경화강의 레이저 용접은 이 강재들을 효과적으로 결합하기 위한 주요 기술로 사용됩니다. 이에 대한 미세구조와 특성은 다음과 같습니다:
1. 미세구조의 변화
a. 용융부(Fusion Zone, FZ)
- 레이저 용접에 의해 고온에서 급속 냉각되며, 이로 인해 용융부에 마르텐사이트(martensite)가 주로 형성됩니다.
- 냉각 속도에 따라 일부 베이나이트(bainite)나 페라이트(ferrite)가 관찰될 수도 있습니다.
b. 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)
- HAZ의 미세구조는 모재와 용융부 사이의 위치에 따라 다릅니다.
- 과열부(Coarse-Grained HAZ): 큰 결정립의 마르텐사이트 형성.
- 정상영역(Intercritical HAZ): 잔류 페라이트와 마르텐사이트 혼합.
- 변태구역(Subcritical HAZ): 기존 미세구조의 일부 복원이 이루어짐.
c. 모재(Base Material, BM)
- DP 강의 모재는 주로 페라이트와 마르텐사이트의 혼합, PHS는 균일한 마르텐사이트 구조를 가짐.
2. 기계적 특성
a. 경도 분포
- 용융부(FZ)의 경도는 마르텐사이트 형성으로 인해 모재보다 높습니다.
- 열영향부(HAZ)에서는 경도의 불균일성이 나타날 수 있으며, 특히 **연화 구역(soft zone)**이 발생할 가능성이 있습니다. 이 구역은 인장 강도에 영향을 미칠 수 있습니다.
b. 인성
- 용융부는 고경도로 인해 취성(fracture toughness)이 낮을 수 있으며, 이는 충격 하중에 대한 내구성을 감소시킬 수 있습니다.
- HAZ의 일부 영역에서는 상대적으로 낮은 경도로 인해 균열 전파가 일어날 가능성이 있습니다.
c. 인장 강도
- 적절한 용접 조건에서는 DP 강과 PHS의 인장 강도를 유지하거나 이를 초과할 수 있습니다. 그러나 열영향부의 약화로 인해 강도가 저하될 가능성도 있습니다.
3. 이중상 및 프레스 경화강의 레이저 용접
a. 레이저 용접 매개변수
- 레이저 출력: 출력이 높을수록 깊은 용입(depth of penetration)을 형성하지만, 과도한 출력은 결함(porosity, cracking)을 초래할 수 있습니다.
- 용접 속도: 너무 느리면 과열이 발생하고, 너무 빠르면 용접부 결함 발생 가능성이 증가합니다.
- 보조 가스: Ar, He와 같은 보호 가스는 산화 방지 및 용접 품질을 향상시킵니다.
b. 재료 특성
- DP 강과 PHS는 화학 조성 및 미세구조 차이로 인해 서로 다른 용접 조건을 요구할 수 있습니다.
- DP 강은 상대적으로 연성이 높아 HAZ에서의 연화에 민감하고, PHS는 열처리 후 균일한 마르텐사이트 구조를 가지므로 열 영향에 의한 변화가 적습니다.
4. 결함 및 해결 방안
a. 결함
- 균열(Cracking): 열응력 및 취성으로 인해 용융부에서 발생 가능.
- 기공(Porosity): 용접 속도나 보호 가스 부족으로 인해 형성.
- 연화(Softening): 열영향부에서 기계적 성질 약화.
b. 해결 방안
- 용접 조건의 최적화(출력, 속도, 보호 가스 조절).
- 후열처리(Post-Weld Heat Treatment, PWHT)를 통해 HAZ의 연화 문제 해결.
- 다층 용접 및 적층 제조 기술 활용.
5. 응용 및 연구 방향
- 자동차 구조용 강재: 레이저 용접을 활용해 차체의 강성과 경량화 극대화.
- 고온-고속 변형: DP 강 및 PHS 용접부의 충격 저항 특성 향상.
- 복합 접합 기술: 이종 재료(예: 알루미늄, 마그네슘)와의 접합 연구.
결과 및 논의
- 미세구조 분석
- 용접부(WS):
- Al-Si 코팅이 있을 경우: 래스 마르텐사이트(lath martensite)와 δ-페라이트(δ-ferrite) 생성.
- Al-Si 코팅 제거 시: 래스 마르텐사이트만 관찰됨.
- 용접 이음부(Fusion Line)에서 Fe-Al 금속간 화합물이 형성됨.
- δ-페라이트는 높은 냉각 속도(약 10³℃/s)로 인해 γ-페이즈로 완전히 변태하지 않고 잔류.
- 열영향부(HAZ):
- HAZ는 네 구역으로 나뉨: 조대결정(소성구역, CG-HAZ), 미세결정(정상구역, FG-HAZ), 상변태구역(IC-HAZ), 아임계구역(S-CHAZ).
- DP980 및 PHS 양쪽 HAZ 모두 비슷한 구조적 변화를 보임:
- CG-HAZ와 FG-HAZ: 래스 마르텐사이트.
- IC-HAZ: 마르텐사이트와 페라이트 혼합.
- S-CHAZ: 템퍼드 마르텐사이트와 페라이트.
- 용접부(WS):
- 경도 분포
- 용접부(WS) 경도: 약 429.56HV.
- 최고 경도: CG-HAZ 및 FG-HAZ(초고온 HAZ).
- 최저 경도: S-CHAZ(DP980 측).
- Al-Si 코팅 유무는 경도 분포에 큰 영향을 미치지 않음.
- 인장 특성
- Al-Si 코팅 유무와 관계없이 모든 용접 샘플에서 인장 파괴는 DP980의 모재에서 발생.
- 인장 강도: 약 975MPa (Al-Si 코팅 있음) 및 966MPa (Al-Si 코팅 없음).
- Al-Si 코팅으로 인한 Al-분리가 있었으나 용접부의 강도나 인장 특성에 큰 영향 없음.
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