현대 자동차 산업에서는 경량화를 위해 고강도 강철(AHSS)을 많이 사용합니다. 그 중에서도 보론 합금 강철인 핫 스탬핑 강철은 1500 MPa 이상의 강도를 지니고 있어 매우 중요한 역할을 하고 있습니다. 본 연구에서는 Al-Si 코팅 핫 스탬핑 강철의 레이저 용접 특성과 메커니즘을 조사하였습니다. Al-Si 코팅 레이어가 용접 후 어떤 영향을 미치는지, 그리고 Al-Si 코팅이 없는 경우와 비교하여 어떤 차이가 있는지 분석하였습니다.
서론
지난 10년간 AHSS의 레이저 용접에 대한 연구가 활발히 진행되었습니다. AHSS는 기존의 연강보다 높은 강도를 지니고 있지만 성형성이 떨어지는 단점이 있습니다. 특히, 보론 합금 강철인 22MnB5는 완전히 마르텐사이트 구조를 가지며, 상업화된 AHSS 중 가장 높은 강도를 지니고 있습니다. 이를 극복하기 위해 핫 스탬핑 공정을 통해 성형하는데, 이때 고온에서 산화를 방지하기 위해 Al-Si 코팅이 사용됩니다. Al-Si 코팅은 고온에서도 높은 산화 저항성을 가지기 때문에 널리 사용됩니다.
레이저 용접 실험 방법
레이저 용접 실험은 3kW 출력의 섬유 레이저와 6축 로봇을 사용하여 진행되었습니다. 사용된 소재는 1.6mm 두께의 22MnB5 핫 스탬핑 강철로, Al-Si 코팅된 샘플과 코팅되지 않은 샘플을 준비하였습니다. Al-Si 코팅 레이어의 두께와 구성은 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 측정되었습니다. 레이저 용접은 겹치기 용접으로 진행되었으며, 용접 속도는 3m/min로 설정하였습니다.
상세 실험 방법
레이저 용접 실험은 섬유 레이저(Fiber Laser)와 6축 로봇을 이용하여 진행되었습니다. 사용된 레이저는 최대 출력이 3kW이며, 광섬유의 직경은 200μm, 초점 거리 300mm의 광학 시스템을 통해 빔이 전달됩니다. 실험에 사용된 소재는 1.6mm 두께의 22MnB5 핫 스탬핑 강철로, Al-Si 코팅된 샘플과 비코팅 샘플을 각각 준비했습니다.
먼저, 샘플의 Al-Si 코팅층의 두께와 구성을 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 측정하였습니다. 비코팅 샘플의 경우, 핫 스탬핑 공정 중 형성된 산화물 스케일을 기계적으로 제거한 후 용접을 진행했습니다.
레이저 용접은 겹치기 용접(overlap welding) 방식으로 수행되었으며, 용접 속도는 3m/min로 설정하여 완전 침투된 비드를 얻었습니다. 레이저 빔은 시편 표면에 수직으로 조사되었고, 빔 직경은 초점에서 0.36mm로 설정되었습니다.
용접 후, 인장 전단 시험을 통해 용접부의 강도를 평가했습니다. 각 조건에서 폭 25mm의 직사각형 시편을 세 번씩 시험하여 평균 강도를 비교하였습니다. 또한, 미세 구조 분석을 위해 2% nital 용액으로 에칭한 후 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 관찰했습니다.
마지막으로, 미세 비커스 경도 시험을 통해 용접부의 경도 분포를 측정했습니다. 이 과정에서 100gf의 하중을 10초 동안 가하여 경도를 평가했습니다.
이와 같은 절차를 통해 Al-Si 코팅이 레이저 용접 가능성에 미치는 영향을 종합적으로 분석할 수 있었습니다.
Al-Si 코팅 핫스탬핑 레이어의 거동
핫 스탬핑 공정 후 Al-Si 코팅 레이어의 거동을 분석한 결과, Al-Si 코팅은 확산되어 두께가 25μm에서 35μm로 증가하였습니다. 또한, 기지 금속 근처에서 알루미늄 함량이 급격히 감소하며, Fe-Al 금속 간 화합물 층이 형성되었습니다. 이 층은 5μm의 두께를 가지며 균일하게 형성되었습니다. 이러한 결과는 알루미늄과 강철의 열팽창 계수 차이로 인해 여러 균열이 발생했음을 보여줍니다.
AL-Si 코팅 특징
Al-Si 도금은 고온 산화 방지 특성이 뛰어나 핫 스탬핑 강철과 같은 고강도 철강의 표면 보호에 널리 사용됩니다. Al-Si 도금층은 열처리 과정에서 기지 금속에 확산되어 평균 두께가 증가하며, Fe-Al 금속간 화합물이 형성됩니다. 이 화합물은 높은 온도에서도 산화를 방지하지만, 용접 시 취성을 유발하여 용접부 강도를 저하시킬 수 있습니다. 또한, 열팽창 계수 차이로 인해 도금층 내부에 미세 균열이 발생할 수 있습니다. 이러한 특성으로 인해 Al-Si 도금은 고온 환경에서 금속의 산화와 부식을 효과적으로 막으면서도, 용접 후 적절한 기계적 성질을 유지하도록 설계됩니다.
용접 샘플 분석
용접 샘플의 단면을 관찰한 결과, 열영향부(HAZ) 중앙에 “흰색 밴드” 층이 발견되었습니다. Al-Si 코팅된 샘플의 경우, 용접 중 Fe-Al 금속 간 화합물이 형성되어 용접 접합부의 강도를 약화시켰습니다. 비코팅 샘플의 인장 전단 강도는 17.3kN, Al-Si 코팅 샘플은 13.4kN으로 나타났습니다.
미세 구조 및 경도 분석
용접부의 미세 구조를 관찰한 결과, 용접 과정 중 열 입력으로 인해 기지 금속의 마르텐사이트 구조가 변형되었습니다. 외부 HAZ는 낮은 경도의 템퍼드 마르텐사이트로 구성되었고, 흰색 밴드 영역은 베이나이트 구조가 형성되었습니다. 내부 HAZ는 마르텐사이트와 베이나이트가 혼합된 구조를 보였으며, 용융 존은 마르텐사이트 구조를 가졌습니다.
결론
본 연구를 통해 Al-Si 코팅이 레이저 용접 가능성에 미치는 영향을 조사하였습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다:
- 핫 스탬핑 공정 중 Al-Si 코팅은 기지 금속으로 확산되어 두께가 증가했습니다.
- 열영향부에서 마르텐사이트 구조는 템퍼드 마르텐사이트와 베이나이트로 변형되었습니다.
- 인장 전단 시험에서 파손 위치는 응력 집중과 취성 금속 간 화합물 때문에 인터페이스 또는 용융선에서 발생했습니다.
- Al-Si 코팅의 알루미늄과 실리콘은 주로 고용체로 용접부에 녹아들었으며, 일부는 금속 간 화합물로 형성되었습니다.
이 연구는 Al-Si 코팅 핫 스탬핑 강철의 레이저 용접 특성을 이해하고 개선하는 데 중요한 기초 자료를 제공합니다. 향후 연구에서는 이러한 결과를 바탕으로 용접 강도를 더욱 향상시킬 수 있는 방법을 모색할 수 있을 것입니다.