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고출력의 레이저를 활용한 초고강도 TRIP강의 레이저 용접 및 열처리 특성에 관한 연구
남상우(Sangwoo Nam),유현정(Hyeonjeong You),이형원(Hyung Won Lee),김영민(Yonung-Min Kim) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.5
최근 자동차 업계에서는 환경 및 충돌법규 강화에 대응하여 고안전 경량차체를 개발하고 있으며, GIGA급 초고강도 강판 적용 비율을 지속적으로 증가시키고 있다. 자동차용 소재는 안전성 및 내구성을 확보하기 위해 높은 비강도뿐만 아니라 성형성을 위한 높은 연성을 동시에 확보해야 한다. TRIP강은 준안정상인 잔류오스테나이트에 응력을 가하면 변형 중에 마르텐사이트 변태가 일어나는 변태유기소성 현상에 의하여 우수한 강도 및 연성을 동시에 나타내는 소재이다. 또한, 레이저는 고밀도의 집속된 열에너지를 열원으로 하는 기술로서, 타 용접기술에 비해 속도가 빠르고 비접촉으로 사용이 가능하여 생산성이 높다. 따라서, 다양한 초고강도강에 대하여 최근 레이저를 활용한 용접 및 열처리 기술이 기대되고 있으나, 초고강도 TRIP강에 대한 레이저 기술은 체계적인 연구가 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 1.0 - 1.2 GPa의 TRIP강과 3 kW 급의 고출력 레이저를 활용하여 다양한 초점 거리, 용접 속도 및 출력에 대하여 Bead on plate 방식으로 실험을 진행하였다. 경도 및 강도를 측정하였으며, 인장 시험에서 레이저 공정 전후의 에너지 흡수를 계산하여 논의하였다. 또한, 파단면 및 열영향부의 미세조직을 관찰 및 분석하였다. 고출력 레이저를 통하여 용접 뿐만 아니라 국부연화를 통한 인성 향상이 가능함을 확인하였다. 따라서, 연구 결과는 초고강도 TRIP강의 추가적인 성형성 확보로 부품의 설계자유도를 향상시켜 차체 경량화에 기여할 것으로 판단된다.
기가급 초고강도 TRIP강의 기계적 특성에 미치는 고출력 레이저 입열의 영향
남상우(Sangwoo Nam),이형원(Hyung Won Lee),김철희(Cheolhee Kim),정철영(Chul-Young Jung),김영민(Yonung-Min Kim) 대한용접·접합학회 2021 대한용접·접합학회지 Vol.39 No.5
Welding and local heat treatment with a high-power laser for GPa-grade transformation-induced plasticity (TRIP) steel were studied. When the focal length and scan speed were controlled under a fixed laser power, defect-free full penetration conditions were achieved at various heat inputs. The effects of laser heat input on the mechanical properties of the steel were evaluated. The results showed that a softened zone was lowered to 350 HV of hardness by tempered martensite under all laser conditions. As the heat input increased, the zone became wider. When an appropriate heat input of 20-60 ㎜/J was irradiated, the tensile strength and elongation were improved as compared with the base material. Under these conditions, the softened zone was significantly narrowed by the TRIP effect under tensile stress, and base metal fracture occurred. In addition, the laser increased the hardness in the weld metal and further activated the TRIP effect of the retained austenite. However, at a heat input of 90 J/㎜, the TRIP effect was limited in the tensile test due to the wide softened zone and the increased hardness of sub-critical heat affected zone during the laser process. In this study, the effective heat input of the laser formed a full-penetration joint and locally enhanced strength and elongation simultaneously.
배터리 셀용 다층 Cu의 초음파 용접에서 품질 예측을 위한 센서 신호와 파괴 및 비파괴 검사 비교
남상우(Sangwoo Nam),신승민(Seungmin Shin),김동철(Dongcheol Kim),이형원(Hyung Won Lee),이희준(Huijun Lee),김영민(Yonung-Min Kim) 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11
최근 자동차 산업에서는 전기차의 수요가 급격히 증가하고 있으며, 이 차량들에 필요한 배터리 팩은 십여 개의 모듈로, 모듈 하나는 다시 수십 개의 셀로 구성된다. 배터리의 모든 접합부가 전체 시스템의 효율성과 안정성에 영향을 주기 때문에 접합부의 품질 관리는 중요한 이슈이다. 파우치형 배터리의 셀 용접에 초음파 용접이 이용되고 있으며, 이 용접에서는 접합 품질에 영향을 줄 수 있는 많은 변수가 있다. 일반적으로 평가되는 공정 변수인 가압력, 진폭, 시간 등 공정 조건 외에도 혼과 앤빌의 형상이나 정렬 등 표면 정보와 관련된 다양한 변수가 박판 다겹 용접의 용접성에 큰 영향을 미치기 때문에 품질 관리가 힘들다. 특히, 현재 양산라인에서 이뤄지는 비파괴검사와 파괴검사는 공정 센서 신호와의 뚜렷한 관계를 확보하지 못해 효과적인 실시간 품질 예측이 어렵다. 본 연구는 배터리 셀용 다층 Cu의 초음파 용접에서 발생하는 센서 신호들과 파괴 및 비파괴 검사 간의 비교를 통하여 효과적인 품질 예측에 기여하고자 한다. 본 연구에 초음파 용접 소재는 8 ㎛ 두께의 Cu포일 40겹과 0.2 mm 두께의 Ni-plated Cu strip 홑겹을 이용하였다. 이용된 센서는 혼 위에 LVDT 센서를 부착하여 변위 값을 측정하였으며, 전압/전류를 계측하여 용접 에너지를 계산하였다. 비파괴 검사로는 방사선 투과와 육안검사로 용접부 표면을 관찰하였으며, 파괴검사로는 용접부 단면의 이미지를 분석하였다. 혼/앤빌의 정렬상태를 포함한 초음파 용접 공정 변수들을 비교하였으며, T-peel 인장 시험 결과와 연관하여 접합 품질을 평가하여 분석 결과들의 상관관계에 대하여 논의하였다.