자동차 산업에서는 연료 효율성, 탄소 배출 감소, 승객 안전성 향상을 위해 초고강도강(UHSS)의 사용이 증가하고 있습니다. 특히 DP1000급 듀얼 페이즈 강(UHSDP1000)은 우수한 강도와 연성으로 차세대 전기차 제조에 선호되고 있습니다. UHSDP1000강의 저항 점용접 미세구조와 레이저빔 점용접(LBSW) 공정이 미세구조, 하중 지지 능력, 열영향부(HAZ) 연화, 부식 저항성에 미치는 영향을 비교 분석하였습니다.
저항 점용접 실험 방법
재료 선정 및 용접 공정
1.20mm 두께의 UHSDP1000 강판을 사용하여 RSW와 LBSW로 겹치기 이음 형태의 시편을 제작했습니다. 용접 변수는 반응표면법(RSM)을 통해 최적화되었습니다.
저항 점용접 미세구조 및 기계적 특성 분석
광학현미경(OM)을 사용하여 용접부의 미세구조를 관찰하였고, 인장전단파괴하중(TSFL)과 십자인장파괴하중(CTFL) 시험을 통해 하중 지지 능력을 평가했습니다. 파단면은 주사전자현미경(SEM)으로 분석하였습니다.
경도 및 부식 저항성 평가
용접부 각 영역의 미세경도 분포를 측정하여 TSFL 및 CTFL 파괴와의 연관성을 분석했습니다. 동전위 부식 시험과 침지 부식 시험을 통해 부식 저항성을 평가했습니다.
저항 점용접 연구 결과
하중 지지 능력 비교
RSW 접합부가 LBSW 접합부보다 TSFL은 183%, CTFL은 62.79% 더 높은 하중 지지 능력을 보였습니다. 이는 LBSW 접합부의 하중 지지 면적이 작아 용융부(FZ)와 HAZ에 응력 집중이 발생하기 때문입니다.
파괴 모드 분석
RSW와 LBSW 접합부 모두 HAZ에서 버튼 풀아웃 파괴 모드를 보였습니다. 이는 마르텐사이트 템퍼링과 결정립 조대화로 인한 HAZ 연화 때문입니다.
미세구조와 경도 분포
RSW와 LBSW 모두 HAZ에서 연화 현상이 관찰되었으며, 이는 용접 중 발생하는 열로 인한 마르텐사이트 템퍼링과 결정립 조대화에 기인합니다.
부식 저항성 평가
LBSW 접합부가 RSW 접합부보다 낮은 부식 저항성을 보였습니다. 이는 LBSW 접합부에서 더 높은 마르텐사이트 함량으로 인해 피팅 부식에 취약한 부위가 증가했기 때문입니다.
스틸 저항 점용접의 장단점
점용접은 자동차 산업에서 널리 사용되는 용접 방법으로, 다음과 같은 특성을 가집니다:
- 빠르고 자동화가 용이하여 대량 생산에 적합합니다.
- 얇은 금속 판재의 접합에 효과적이며 변형이 적습니다.
- 용접 부위가 작고 국부적이어서 열영향부가 좁습니다.
- 다른 용접 방식에 비해 비용이 저렴합니다.
- 적절한 용접 조건에서 우수한 접합 강도를 제공합니다.
- 자동차 차체에 6,000개 이상 사용될 만큼 폭넓게 적용 가능합니다.
- 용접 열로 인해 열영향부 연화가 발생할 수 있습니다.
- 용접 자국이 남아 외관을 해칠 수 있습니다.
따라서 점용접은 자동차 산업에서 생산성과 품질을 모두 고려한 중요한 접합 기술입니다.
장점
생산성 및 비용 효율성
- 점 용접은 빠르고 자동화가 용이하여 대량 생산에 적합합니다.
- 다른 용접 방식에 비해 비용이 저렴합니다.
품질 및 강도
- 얇은 강판의 용접에 적합하여 변형이나 관통 문제가 적습니다.
- 적절한 용접 조건에서 우수한 접합 강도를 제공합니다.
다양한 적용성
- 자동차 차체의 다양한 부위에 6,000개 이상의 점 용접이 사용될 만큼 폭넓게 적용 가능합니다.
단점
열영향부 연화
- 용접 열로 인해 열영향부(HAZ)가 연화되어 강도가 저하될 수 있습니다.
부식 취약성
- 용접부위가 부식에 취약할 수 있어 내구성에 영향을 줄 수 있습니다.
제한된 접합 면적
- 점 용접의 특성상 접합 면적이 제한적이어서 하중 분산에 한계가 있습니다.
외관
- 용접 자국이 남아 외관을 해칠 수 있습니다.
따라서 자동차 산업에서는 점 용접의 장점을 최대한 활용하면서 단점을 보완하기 위해 최적의 용접 조건을 찾고, 필요에 따라 다른 용접 방식과 병행하여 사용하고 있습니다.
저항 점용접 결론
- RSW 접합부가 LBSW 접합부보다 우수한 하중 지지 능력을 보였습니다. 이는 RSW의 더 넓은 용접 면적으로 인한 것으로 판단됩니다.
- 두 용접 방법 모두 HAZ에서 연화 현상이 발생하여 이 영역에서 파괴가 일어났습니다. 이는 용접 열로 인한 마르텐사이트 템퍼링과 결정립 조대화 때문입니다.
- LBSW 접합부는 RSW 접합부보다 낮은 부식 저항성을 보였습니다. 이는 LBSW에서 형성된 높은 마르텐사이트 함량이 피팅 부식에 취약한 부위를 증가시켰기 때문입니다.
- 자동차 구조용 UHSDP1000 강의 용접에는 RSW가 더 적합한 것으로 나타났습니다. RSW는 우수한 하중 지지 능력과 상대적으로 높은 부식 저항성을 제공합니다.
- 그러나 LBSW도 좁은 HAZ와 빠른 용접 속도 등의 장점이 있어, 용접 변수의 최적화를 통해 성능 개선의 여지가 있습니다.
- 향후 연구에서는 두 용접 방법의 장점을 결합한 하이브리드 용접 기술의 개발이 필요할 것으로 보입니다. 또한 용접부의 피로 특성과 장기 내구성에 대한 추가 연구가 요구됩니다.
이 연구 결과는 자동차 산업에서 UHSDP1000 강의 효과적인 용접 방법 선택에 중요한 지침을 제공할 것으로 기대됩니다. 특히 경량화와 안전성 향상이 동시에 요구되는 전기차 제조에 있어 큰 의미가 있을 것입니다.
이번 글을 통해 저항 점용접에 대해 조금 더 알게 되셨다면 더 많은 용접법에 대해 관심이 있을 것 같습니다. 자동차용 중망간 스테인리스강의 레이저 용접 특성 연구가 궁금하시다면 아래 글을 함께 봐주세요.
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