자동차 시트 프레임 3겹 고강도 강판 레이저 용접부 접합품질에 미치는 오실레이션 변수 최적화 연구
Research on the Optimization of Oscillation for the Joint Quality of Laser Welded Joints in Automobile Seat Frames
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Abstract
Abstract
The increasing adoption of high-strength steel in automotive manufacturing has made laser welding a preferred technique due to its ability to reduce thermal deformation and facilitate single-sided welding. Despite these advantages, challenges persist, particularly in achieving precise welds at the edges of seat frame assemblies. This study explores the application of laser weaving techniques to improve joint strength and penetration depth. The critical variables evaluated include defocusing distance and weaving parameters, which were assessed for their impact on penetration depth, effective joint width, and edge weld quality in a three-sheet stack of dual-phase (DP) steel. Results indicate that increasing the defocusing distance from 5 mm to 20 mm at a fixed oscillation frequency of 20 Hz leads to a corresponding increase in surface bead width. A significant correlation was found between the effective joint width and maximum tensile shear strength, with the highest strength of 34.6 kN observed at an 8 mm defocusing distance. Additionally, the use of oscillation in the welding process improved tensile shear strength by approximately 9 kN compared to line welding without oscillation. Oscillation also enhanced microstructural properties, demonstrating that optimal welding conditions can be achieved even with off-position welding. These improvements are attributed to minimized heat-affected zone (HAZ) effects, which contributed to increased joint strength and hardness.
1. 서 론
전 세계 자동차 산업에서는 차량의 충돌 안전 성능과 내구성 향상에 대한 요구가 점차 높아지고 있다. 이에 따라 자동차 차체 및 프레임에 고강도 강에 따라 자동차 차체 및 프레임에 고강도 강판을 적용하는 경우가 증가하고 있으며 저항 점 용접 (Resistance Spot Welding), 아크 용접(Arc Welding), 레이저 용접(Laser Welding)과 같은 용융 용접 공정의 활용이 확대되고 있다. 그 중에서도 레이저 용접은 편면 용접이 가능하고, 열 변형 문제를 최소화할 수 있어 충돌 강성 및 안전성이 요구되는 차 용접에서 주요한 해결책으로 부상하고 있다. 그러나 자동차 시트 프레임과 같은 일부 차체 부품에서는 여전히 어려움이 존재한다. 예를 들어, 시트 프레임의 리클라이너 부위인 Fig. 1에서 레이저 용접이 적용될 때, 용접 가능한 면적이 6.0 mm로 좁아져 가장자리에서 오프 포지션으로 용접될 가능성이 높아진다. 이는 용접 불량의 위험을 높이며, 특히 3겹 판재 구조에서는 하판까지 적정한 용입을 확보하고 전단 인장 강도를 유지하기 위해 충분한 유효 접합부 폭을 확보하는 것이 필수적이다.
Images of seat frame and recliner part
이러한 문제를 해결하기 위해 레이저 빔의 공간적 모듈레이션(Spatial Modulation)을 적용하는 레이저 빔 스캐닝 기술 Fig. 2 (a)이 대안으로 도입되었다1). 이 기술은 레이저의 기본적인 선형 용접에 진동 주파수(Oscillation Frequency)를 적용하여 위빙(Weaving) 용접 패턴을 구현하고, 이로 인한 용접 품질에 미치는 영향을 평가하는 방식이다. 본 연구에서는 파이버 레이저와 2D 스캐너 시스템을 사용하여 레이저 스캐너 용접 특성을 조사하였다2,3). 위빙 용접을 적용하면 용접부 표면의 폭(w1)이 증가할 뿐만 아니라 계면에서 유효접합부 폭 또한 증가되어 3겹의 판재 구조에서도 열영향부(HAZ)의 장점을 극대화할 수 있다. Wang 등은 진동 주파수가 증가함에 따라 용입 깊이가 감소하는 경향을 확인하였고, 이를 개선하기 위해 디포커싱 거리(Defocusing distance)를 조절하여 용입깊이를 보정하고자 하였다4).
(a) Geometry, and (b) dimensions of tensile shear test specimen
자동차 차체에 주로 사용되는 Dual Phase(DP) 강의 레이저 용접에 대한 연구에도 중요한 결과들이 도출되었다. Goulde5) 등은 DP980 강의 레이저 용접 시 미세조직의 변화와 기계적 특성을 평가하였고, 마르텐사이트 형성은 고강도 강(AHSS)의 요구 강도 수준을 달성하기 위해 특정 합금 성분에 더 의존할 수 있음을 주목했다6). Farabi 등은 DP600 및 DP980 강의 레이저 용접 시 미세조직 변화와 기계적 특성을 평가했다7). Jia 등은 DP600과 DP980 이종 접합에서 포커싱 및 디포커싱 레이저 빔을 사용한 용접 후의 미세조직 변화와 인장 특성을 비교 분석하였다8). 또한 Kundu 등은 YB:YAG 파이버 레이저로 생산된 DP780 강의 파단 메커니즘을 규명하며, 용접부 폭과 미세조직의 영향을 중점적으로 분석하였다9).
최근에는 레이저 용접에서 진동 주파수와 디포커싱 거리의 영향을 연구하는 사례가 늘어나고 있다. Pang등은 Al5056 소재를 대상으로 위빙 패턴이 용접 품질에 미치는 영향을 분석하였으며10), Khan 등은 레이저 빔 디포커싱이 공정 최적화에 미치는 효과를 검증하였다11). Kim은 레이저의 빔 위빙을 적용하여 용접 속도와 진동 주파수를 변수로 설정하고, 진동에 의한 용융풀 교반 효과를 통해 미세조직을 제어하고 온도 구배를 효과적으로 관리하여 용접 면적을 확보하였다1). 이러한 연구들은 위빙을 적용함으로써 다층 강판 용접 시 표면 비드폭과 유효 접합부 폭이 증가하여, 열영향부의 작은 장점을 최대로 활용할 수 있음을 시사한다. 하지만 위빙 주파수가 증가할수록 용입 깊이가 감소하는 문제도 존재하며, 이를 해결하기 위해 디포커싱 거리를 조절하는 연구가 보고되었다12). 이와 같이 대부분의 연구들은 자동차 차체에 적용되는 레이저 라인용접 및 오실레이션 용접의 품질 특성에 초점을 맞추고 있으며, 용입 깊이와 유효 접합부 폭의 확보하기 위한 변수 최적화 연구는 제한적으로 이루어지고 있다.
따라서 본 연구는 고강도 3겹 판재에서 위빙을 적용하여 넓은 용융부를 형성하면서 용접 품질을 개선하고자 한다. 첫째, 진동 주파수(Weaving)와 디포커싱 거리를 조합하여 최적의 공정 변수를 도출하고, 다양한 진동 주파수와 디포커싱 거리가 유효 접합부 폭, 용입 깊이 및 용접 면적에 미치는 영향을 분석하였다. 둘째, 도출된 최적 용접 조건에서 허용 범위 내(6.0 mm)에서 Edge distance에 따른 위빙 용접을 비교하였다. 최종적으로 디포커싱 거리, 진동주파수 및 Edge distance와 용접 형성 거동, 접합 강도, 경도 및 미세조직 간의 상관관계를 분석하여 기계적 특성에 미치는 영향을 정략적으로 평가하였다.
2. 실험 방법
2.1 소재 조합 정보 및 용접 공정 변수
본 연구에서 적용한 소재 조합은 3겹으로 구성되어 있으며, 상판 및 중판에는 두께 1.0 mm, 인장 강도 980 MPa 급의 소재를 사용하였다. 하부 판재는 두께 2.6 mm, 인장 강도 590 MPa 급의 자동차용 가공성 열간 압연 Dual Phase 강판을 사용하였다. 사용된 소재의 물리적 특성 및 화학적 조성은 Table 1에 제시하였다.
Mechanical properties and chemical composition of steel sheets
Fig. 1은 시트 프레임 리클라이너의 실제 형상을 보여주며, Fig. 2(a)는 레이저 용접 실험의 모식도를 나타낸다. 시험편의 크기는 100 mm × 50 mm이며, 겹침부 폭은 30 mm로 제작되었다. Fig. 2(b)에서는 용접 후 단면 형상을 모식도로 확인할 수 있다.
본 연구에서 수행한 용접 실험은 최대 출력 6 kW의 싱글 모드 파이버 레이저(CFL-6000, N-light, USA)를 사용하여 진행되었다.
2.2 레이저 용접부 품질 평가
본 연구에서는 상판에서 하판까지의 용입 깊이가 3.1 ~ 4.6 mm에 도달할 경우를 적정 용입 기준으로 설정하였다. Table 2에서 보여지듯이, 레이저 출력은 5.4 kW, 용접 속도는 33 mm/s로 고정하였으며, 공정 최적화를 위해 디포커싱 거리, 진동 주파수, Edge distance라는 세 가지 변수를 설정하였다. 이를 기반으로 총 11개의 용접 조건 조합과 Edge 용접 시편의 6가지 조합을 Table 3에 나타내었다.
Process variables of the laser welding experiment
List of specimens and its detailed laser welding parameters used in this research
실험에서는 3겹의 판재를 사용하여 중판 및 하판까지의 용입 깊이를 측정하였으며, Fig. 3에서 용접부의 단면을 통해 중판 및 하판의 유효 접합부 폭(Effective Joint Width), 용접 면적(Weld Area), 그리고 하판까지의 용입 깊이(Penetration)를 확인하였다. 이 외에도 금속학적 특성을 평가하기 위해 경도(Hardness), 전단 인장 강도(Tensile Shear Strength), EBSD (Electron Backscatter Diffraction)를 이용한 미세조직 분석을 진행하였다.
Penetration depth and effective joint width in cross section of weld cross-section interface
EBSD 분석을 위해 전계방출형 주사전자현미경(Quanta 200 FEG)을 사용하였다. 이 분석을 통해 레이저 용접부의 미세조직에서 각 결정의 방위차에 따른 상의 분율과 결정립 크기를 확인할 수 있다. 결정립의 방위차(Misorientation)는 고경각계(15° 이상의 방위차)와 저경각계로 구분되며, 15° 이상의 방위차를 가진 결정립 크기를 유효 결정립도라 일컫는다. 방위차 분포의 특성은 미세조직의 분율과 결정립 크기에 영향을 미치며, 가장 미세한 유효결정립도를 가진 경우 높은 분율의 고경각계 분포 특성을 나타낸다.
이러한 EBSD 분석을 통해 용접 품질을 평가하고, 공정 매개변수가 결정 방향과 미세조직 형성에 미치는 영향을 분석하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 디포커싱 거리 증가에 따른 레이저 용접부 특성 변화
디포커싱 거리가 증가함에 따라 레이저 빔의 초점이 판재에서 멀어지며, 이로 인해 빔의 직경이 커지고 에너지 밀도는 감소하게 된다. 이러한 방법은 레이저 용접에서 아연기화, 에너지 밀도, 그리고 용입 깊이를 제어하는 데 효과적이라고 보고된 바 있다. 본 연구에서는 레이저 파워와 용접 속도를 각각 5.4 kw와 33 mm/s로 고정하고, 디포커싱 거리만을 변화시켜 용접 후 용접부 단면을 관찰하였다. 그 결과는 Fig. 4에 제시되어 있다. 다양한 디포커싱 거리의 변수를 적용하여 단면 형상에서의 유효접합부 폭, 용입 깊이 및 용접부 단면 면적을 측정하였다. Gao 등의13) 연구 결과와 유사하게, 디포커싱 거리를 5, 8, 20 mm로 변경 시 표면 비드폭은 점진적으로 증가하였으나 용입 깊이는 감소하는 경향을 보였다. Fig. 4에서는 디포커싱 거리 5, 8, 20 mm 적용에 따른 용접부 단면에서의 측정값을 비교하였으며, 진동 주파수는 동일하게 20 Hz를 적용되었다. Fig. 5(a)에서는 디포커싱 거리가 증가함에 따라 용입 깊이가 3.5 mm에서 2.2 mm로 감소하고, 용접 단면적도 8.1 mm²에서 6.3 mm²로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 유효 접합부 폭은 1.5 mm에서 2.2 mm로 증가한 후, 다시 2 mm로 감소하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 디포커싱 거리가 증가하면서 빔의 에너지 밀도가 감소함에 따라 용입 깊이가 줄어들기 때문으로 판단된다. 특히, 디포커싱 거리가 20 mm를 초과하면 에너지 밀도가 급격히 감소하여, 판재의 Interface 2에서 유효 접합부 폭을 확보하기 어려워진다. 3겹 판재의 레이저 용접에서 가장 중요한 품질 기준은 Interface 2에서 유효 접합부 폭을 확보하는 것이다. Fig. 3에 제시된 바와 같이, Interface 2에서 유효 접합부 폭이 판재 두께의 기준(저항 점용접의 경우 4√t)을 초과해야 한다. 따라서, Interface 2에서 유효 접합부 폭을 확보하기 위해서는 디포커싱 거리 외에도 다른 공정 변수를 최적화하는 것이 필요하다. 이를 통해 디포커싱 거리가 증가하면 빔 직경이 커지면서 에너지 밀도가 감소하고 용입 깊이가 줄어들지만, 빔 직경 증가로 인해 유효 접합부 폭이 증가하여 전단 인장 강도가 약 1 kN 정도 향상됨을 확인할 수 있었다. 그러나 Fig. 5(b)에 제시된 바와 같이, 디포커싱 거리가 20 mm일 때처럼 Interface 2까지의 용입이 확보되지 않으면 전단 인장 강도를 확보하는 것이 어려워진다. 결과적으로, 디포커싱 거리에 따른 유효 접합부 폭과 전단 인장 강도 사이에 명확한 상관관계가 있음을 확인하였다.
Weld cross-section with effect of defocusing distance of 5, 8, and 20 mm (Oscillation frequency : 20 Hz)
(a) Effect of penetration, weld area, and effective joint width on defocusing distance, (b) maximum peak load with defocusing distance
3.2 진동 주파수 증가에 따른 레이저 용접부 특성 변화
Fig. 6에서, 위빙이 적용되지 않은 용접 (0 Hz)에서는 용융풀의 불안정한 거동으로 인해 용락이 발생하면서, 용입 깊이는 크게 증가하나 유효 접합부 폭이 급격히 감소하는 현상이 나타났다. 위빙이 적용되지 않은 경우, 레이저 파워와 빔 직경에 의해 용입 깊이와 유효 접합부 폭을 동시에 확보하는 데 한계가 있으므로, 위빙 공정을 적용하였다.
Weld cross-section with oscillation frequency of 0, 10, and 20 Hz (Defocusing distance : 8 mm)
Fig. 6은 33 mm/s의 용접 속도와 8 mm의 디포커싱 거리 조건에서 진동 주파수를 각각 0 Hz, 10 Hz, 20 Hz로 변경했을 때의 용접부 단면을 보여준다. 진동 주파수가 증가함에 따라 유효 접합부 폭과 용접 면적이 동시에 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 위빙이 적용되지 않은 경우(0 Hz), 하판을 관통할 정도의 깊은 용입이 관찰되었고, 주파수가 증가할수록 용입 깊이는 감소하는 반면 유효 접합부 폭은 증가하였다. 주파수가 증가함에 따라 볼륨 에너지가 감소하면서 에너지 밀도가 낮아져, 유효 접합부 폭이 증가하는 것으로 나타났다. Fig. 7에서는 동일한 조건에서 진동 주파수가 증가함에 따라 접합 강도가 용접 면적 및 유효 접합부 폭의 증가와 선형적인 상관관계를 보이는 것을 확인할 수 있다.
(a) Effect of penetration depth, weld area, and effective joint width with oscillation frequency, (b) comparison of maximum peak load with oscillation frequency
위빙이 적용되지 않은 경우, Fig. 6에서는 과도한 입열로 인해 용융이 발생하고 그 결과 용락이 발생하여, Fig. 8(b)에서처럼 표면 비드 폭(w1)이 감소한 것으로 판단된다.
Cross-section schematic diagram (a) with weaving (b) without weaving
3.3 디포커싱 거리와 진동 주파수 복합 변수 영향
Fig. 9에서는 디포커싱 거리와 진동 주파수를 복합적으로 적용한 레이저 용접부 단면 이미지를 비교하였다. 동일한 디포커싱 거리에서 진동 주파수가 증가함에 따라, 디포커싱 거리가 5 mm에서 15 mm까지는 용입 깊이가 감소하는 일관된 상관관계가 관찰되었다. 그러나 디포커싱 거리가 25 mm로 증가할 때, 진동 주파수가 0 Hz인 경우에는 Interface 2까지의 용입이 확보되지 않았다. 이는 과도한 디포커싱 거리와 빔 직경의 증가로 인한 에너지 밀도의 급격한 감소 때문으로 해석된다. 반면, 동일한 디포커싱 거리에서 진동 주파수를 15 Hz 및 50 Hz로 증가시킬 경우, 단위 레이저 용접 길이당 입열량의 증가로 인해 용입 깊이가 개선되었다. 이러한 결과는 겹겹이 쌓인 레이저 용접부의 전단 인장 강도를 높이기 위해 유효 접합부 폭을 확보하려면, 디포커싱 거리와 진동 주파수를 최적화해야 한다는 점을 시사한다.
Weld cross-section images with combination of oscillation frequency and defocusing distances in laser welding
Fig. 10에서는 디포커싱 거리와 진동 주파수의 조합을 기반으로 각각의 레이저 용접 시험편을 제작하여 전단 인장 강도 시험을 실시한 후, Peak Load를 도출하였으며 이를 두 변수에 대한 맵으로 표시하였다. 디포커싱 거리와 진동 주파수를 조합한 결과, 최적의 조건은 디포커싱 거리 8 mm와 진동 주파수 20 Hz로 결정되었다. 디포커싱 거리가 5 mm일 때 더 높은 접합부의 Peak Load가 도출되었으나, 이 조건에서는 용입 깊이가 용접 품질 기준을 초과하는 용락이 발생하여 최적 조건에서 제외되었다. 도출된 최적 용접 조건에서는 용접부 단면에서 유효 접합부 폭이 2.0 mm 이상, 용입 깊이가 3.1 mm 이상이었으며, 전단 인장 강도는 34.6 kN을 확보할 수 있었다.
Mapping of peak load in tensile shear test with oscillation frequency and defocusing distance
3.4 진동 주파수에 따른 미세조직 변화 및 경도 분석
마이크로 비커스 경도 시험을 통해 진동 주파수를 적용한 레이저 겹치기 용접부의 경도 분포를 분석하였다. Fig. 11에 따르면, 진동 주파수 20 Hz를 적용했을 때의 경도 분포는 위빙이 미적용된 경우와 대부분 일치하였다. 하지만, 위빙 적용 시 열영향부에서 경도가 일부 456 Hv까지 상승하는 현상이 관찰되었다. 이러한 경도 증가는 레이저 위빙 적용으로 인해 냉각 속도가 가속화되면서 상대적으로 등축의 미세 조직 형성이 촉진된 결과로 해석된다. 이는 위빙이 미적용된 경우보다 변형과 전위 이동에 대한 저항력이 향상되었고, 결과적으로 용융부의 경도가 증가한 것으로 판단된다.
Evaluating hardness values in relation to oscillation frequency variations
위빙이 미적용된 시험편(0 Hz)과 20 Hz의 위빙이 적용된 시험편 각각에 대해 EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 분석을 통해 미세 조직을 관찰하였다. 위빙이 적용되면 빔이 빠르게 이동함에 따라 용융풀의 유동이 증가하며, 이는 위빙이 미적용된 상태에 비해 더 균일한 용융풀을 형성하게 된다. 앞서 측정한 경도 결과와의 상관관계를 확인하기 위해, 위빙 용접에서 결정립 미세화 메커니즘을 기반으로 IPF(Inverse Pole Figure) 맵과 GOS(Grain Orientation Spread) 컬러 코딩된 결정립을 분석하였다. Fig. 12 (a)와 (d)는 각각 위빙이 미적용된 0 Hz와 위빙이 적용된 20 Hz에서의 전체 용접부 및 모재의 IPF 맵을 보여준다.
(a,b,c) : IPF map with oscillation frequency 0 Hz, (d,e,f) : GOS map with oscillation frequency 0 Hz (g,h,i) IPF map with oscillation frequency 20 Hz, (j,k,l) : GOS map with oscillation frequency 20 Hz
위빙이 미적용된 레이저 용접에서는 열이 집중되면서 냉각 속도가 매우 높아, 응고가 용융 경계에서 중심부로 자라는 Columnar(주상) 응고 모드가 주로 관찰된다. 그러나 20 Hz 위빙이 적용된 경우, 빔의 오실레이션으로 인해 발생한 용융풀의 강제적인 교반이 핵 생성 사이트를 증가시키고, 이를 통해 균일하게 분포된 등축 결정립이 생성된다. 특히, 위빙 적용 시 주기적인 교반으로 인해 용융 금속이 순환하면서 응고 방향이 표면을 향하는 현상이 관찰되었다.
Fig. 12에 따르면, 0 Hz 위빙이 없는 용접부의 중심부에서는 용접 방향을 따라 평균 Grain 크기가 약 79.6 ㎛로 측정되었다. GOS 분석 결과, high angle GOS(6°-8°)는 약 12%로 확인되었다. 반면, 20 Hz 위빙이 적용된 경우 high angle GOS(6°-8°) 비율은 22.1%로 증가하였고, 평균 Grain 크기는 17.1 ㎛로 측정되었다. 이때 high angle GOS 비율의 증가는 용융부 내에서 Martensite 분율이 높아졌음을 나타낸다. 이는 Martensite 변태 과정에서 국부적인 전단 변형이 발생하기 때문에 평균 Orientation spread가 더 높을 것으로 예상된다. 두 조건 간의 Grain 크기 차이는 약 60 ㎛였으며, 20 Hz 위빙이 적용된 경우 더 미세한 결정립이 관찰되었고, 약 10%의 GOS 차이도 이러한 결과를 뒷받침한다.
3.5 Edge Distance에 따른 레이저 접합부 품질 변화
시트 프레임 리클라이너 부품에서 레이저 용접이 적용되는 용접 허용 구간은 6.0 mm 미만으로 제한된다. 실제 양산 과정에서 레이저 용접부가 중심에서 엣지로 편향되는 상황이 자주 발생하며, 이는 용접 불량의 주요 원인으로 작용한다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 최적화된 디포커싱 거리와 위빙 주파수를 사용하여 엣지 거리별 용접 품질과 접합 강도를 평가하였다.
용접 허용 구간 6.0 mm를 기준으로, 엣지 거리 3.0 mm에서 정상적인 용접이 이루어지는 경우를 Normal Weld Position으로 정의하였으며, 엣지 거리가 2.5 mm에서 3.0 mm 구간에 속하는 경우도 정상적인 용접 위치로 간주하였다. 반면, 엣지 거리가 2.5 mm 이하로 줄어들 경우는 Off-weld Position으로 정의하였다(Fig. 13).
Schematic diagram according to edge distance
엣지 거리가 감소할수록 용접 형상에 현저한 변화가 나타났다. 엣지 거리가 1.5 mm에서 2.0 mm 구간일 때는 용융부가 판재 끝단을 초과하는 비대칭적인 비드 형상이 관찰되었다. 엣지 거리가 1.5 mm일 경우, 용융풀은 판재 끝단을 넘어가 비대칭 형상이 두드러졌으며, 이로 인해 플랜지 끝단의 과도한 용융이 발생하였다. 반면, 엣지 거리가 3.0 mm인 경우에는 용융되지 않은 부분이 판재 끝단에 남아 안정적인 용접 형상이 유지되었다(Fig. 14).
Comparing cross-sectional weld shape, (a) Normal position, (b) Off-position At different 6 edge distance
위빙 용접을 적용한 결과, 표면 비드 폭의 평균값은 약 4.6 mm로 측정되었으며, 엣지 거리 3.0 mm인 경우 비드 폭을 제외한 잔여 폭은 약 0.7 mm로 나타났다. 엣지 거리가 1.5 mm인 경우에는 용융풀이 판재 끝단을 넘어가 비대칭 비드 형상이 형성되었고, 이는 용접부의 구조적 안정성에 부정적인 영향을 미쳤다. 반면, 엣지 거리가 3.0 mm일 때는 용융되지 않은 영역이 확인되어 정상적인 용접으로 간주되었다.
또한, 위빙 용접을 적용한 엣지 거리 2.5 mm에서 3.0 mm 구간에서는 용입 깊이와 유효 접합부 폭이 충분히 확보되었으며, 이는 전단 인장 강도 향상에 기여하였다. 그러나 엣지 거리가 2.0 mm 이하인 경우에는 비대칭 비드 형성으로 인해 전단 인장 강도가 감소하는 경향이 관찰되었으며, 이는 플랜지형 맞대기 용접과 유사한 형상으로 변형된 결과로 해석된다.
결론적으로, 엣지 거리가 줄어들수록 용접 형상과 접합 강도에 큰 영향을 미치며, 특히 위빙 용접을 적용한 경우 정상적인 용접 구간(Normal Weld Position)에서는 품질이 향상되지만, 엣지 거리가 너무 작아지면 용접 불량이 발생할 가능성이 커진다는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 15에서는 엣지 거리별로 측정된 접합부 전단 인장 강도 결과가 도시되어 있다. 엣지 거리가 감소함에 따라 전단 인장 강도는 최대 41.7 kN까지 상승하는 경향을 보였다. 일반적으로 엣지 거리가 줄어드는 것은 용접 위치 오류로 인해 불량 용접이 발생할 가능성을 높이지만, 이번 실험에서는 위빙 용접을 적용함으로써 용접부의 비드 폭을 확보한 상태에서 엣지 거리 감소에 따른 접합부 전단 인장 강도를 평가한 결과, 강도가 증가하는 효과를 확인할 수 있었다.
Evaluating the peak load variations with changes in Edge distances
엣지 거리가 감소할 때, 특히 Interface 2에서 유효 접합부 길이가 증가하며 용입 깊이도 동시에 증가하는 현상이 나타났다. 이로 인해 정상 용접 위치를 기준으로 전단 인장 강도가 약 9.7 kN 증가한 것으로 분석되었다. 만약 선형 레이저 용접이 적용되었다면, 엣지 거리가 감소할수록 전단 인장 강도는 감소할 가능성이 크지만, 레이저 위빙을 적용한 경우에는 용접 비드 폭을 충분히 확보할 수 있어, 용접 위치 편차가 발생해도 유효 접합부 폭과 용입 깊이가 증가하면서 전단 인장 강도 역시 함께 증가하였다. 이러한 결과는 레이저 위빙 공정 변수를 최적화할 경우, 엣지 부위에서도 레이저 용접부의 품질을 효과적으로 확보할 수 있음을 시사한다.
경도 값을 비교하기 위해 Fig. 16에서는 (a) Normal Weld Position 3.0 m와 (b) Off-Weld Position 상태의 엣지 거리 1.5 mm에서 측정된 용융부(WZ, Weld Zone)의 평균 경도 값을 비교하였다. 엣지 거리가 1.5 mm로 감소한 경우, 약 28 Hv의 높은 경도 값이 측정되었다. 이는 엣지 거리가 짧아질수록, 즉 판재 끝단에 가까워질수록 열영향부(HAZ)가 판재 끝단과 더 가까워지면서 용융풀의 빠른 응고로 인해 더 미세한 구조가 형성되는 것으로 해석된다. 냉각 속도가 빠를수록 미세한 결정립이 형성되며, 이는 경도 증가로 이어진다.
Assessment of weld zone hardness under consistent welding conditions and varied edge distances
또한 엣지에 가까울수록 열 영향 구역이 작아지고, 용접 중 판재에 미치는 열적 영향이 감소하게 된다. 이로 인해 판재 내 열 확산이 줄어들고, 열처리 효과가 더욱 제어되어 접합부의 강도와 경도가 향상된 것으로 판단된다. 이러한 결과는 엣지 부위에서의 레이저 용접이 충분한 강도와 품질을 유지할 수 있음을 보여주며, 위빙 용접의 공정 변수 최적화가 중요한 역할을 한다는 것을 시사한다.
3.6 레이저 빔 포인트 에너지 분석 (Specific Point Energy)
위빙을 적용하여 용접부 계면의 유효 접합부 폭을 증가시키기 위해서는 레이저 파워를 증가시키거나 디포커싱 거리를 늘리는 방법이 필요하다. 두 경우 모두 적절한 레이저 파워 설정이 필수적이며, 유효 접합부 폭을 확보하기 위해서는 위빙의 적용이 필수적이다.
이를 확인하기 위해 Table 4에서는 용접 경로의 Vx는 선형 용접 속도를, Vy는 빔의 진동으로 인한 y축 이동을 나타낸다. 여기서 a는 진폭을, f는 주파수를 의미하며, Fig. 17에서는 Vx와 Vy의 결합된 이동을 수학적으로 표현한 Resultant velocity가 도식화되었다.
Formulas for calculating specific point energy, volume energy, and energy density based on oscillation frequency
Schematic diagram of the superposition of Vx without waving at 0 Hz and Vy with weaving applied at 10 Hz and 20 Hz
Specific Point Energy를 계산하기 위해, 레이저 파워 밀도, Resultant velocity, 그리고 Beam diameter를 적용한 공식이 Table 4의 (1), (2)식에서 유도되었으며, Volume energy는 (3)식을 통해 단면적, 용접 속도, 레이저 파워를 기반으로 계산되었다.
실험 결과, 위빙 주파수가 증가함에 따라 Volume energy는 감소하지만, Energy density와 Specific point energy는 증가하는 경향을 보였다. 주파수가 낮을 경우 용입 깊이는 증가하지만, 유효 접합부 폭은 감소하는 경향을 나타냈다. 반대로, 위빙 주파수가 증가하면 Fig. 18에서 확인할 수 있듯이, Volume energy가 감소함에 따라 키홀 모드에서 컨덕션 모드로의 전환이 발생하며, 이를 통해 유효 접합부 폭을 증가시킬 수 있음이 확인되었다.
Comparative analysis of calculated specific point energy, volume energy, and energy density with varying oscillation frequencies
4. 결 론
본 연구에서는 980 MPa급 DP강 2겹과 590 MPa급 DP강 1겹, 총 3겹을 레이저 용접하여 공정 조건을 최적화하였고, 엣지 거리에 따른 유효 접합부 폭, 용입 깊이, 전단 인장 강도 및 미세 조직을 평가한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 20 Hz의 위빙 주파수 조건에서, 디포커싱 거리가 5 mm, 8 mm, 20 mm로 증가함에 따라 표면 비드 폭이 각각 3.6 mm, 3.9 mm, 4.2 mm로 증가하는 경향을 보였다. 계면 유효 접합부 폭은 1.5 mm, 2.2 mm, 2.0 mm로 증가하다가 감소하는 경향을 확인하였다. 디포커싱 거리 8 mm에서 유효 접합부 폭과 최대 전단 인장 강도 34.6 kN 사이의 상관관계가 확인되었다.
2) 20 Hz의 위빙 주파수가 적용된 조건에서 전단 인장 강도는 위빙이 적용되지 않은 경우(0 Hz)보다 약 9 kN 증가하였다. 위빙이 적용된 경우, 용융풀의 이동이 가속화되고 응고가 촉진되어 약 60 ㎛의 입자 크기가 형성되었다. 또한, high angle GOS (6°-8°)에서의 마르텐사이트 분율은 위빙이 적용되지 않은 경우와 비교하여 약 10% 증가하였다.
3) 980 MPa급 2겹 강판과 590 MPa급 1겹 강판의 조합에서, 최적의 용접 조건은 디포커싱 거리 8 mm 및 진동 주파수 20 Hz로 확인되었다. 이 조건에서 유효 접합부 폭이 증가하면서 전단 인장 강도는 약 32 kN으로 측정되었다. 이를 통해 적절한 위빙 주파수와 디포커싱 거리를 조절함으로써 최적의 용입 깊이와 유효 접합부 폭을 확보할 수 있으며, 이는 전단 인장 강도의 향상으로 이어질 수 있음을 확인하였다.
4) 각 Edge distance에 대해 최적의 용접 조건이 적용될 경우, 용접 위치 오류가 발생하더라도 위빙 용접을 적용하면 유효 접합부 폭과 용입 깊이가 선형적으로 증가하며 전단 인장 강도를 확보할 수 있었다. 직선 용접에서는 비드 폭과 계면 유효 접합부 폭이 충분히 확보되지 않아 강도를 확보하는 데 어려움이 있었으나, 위빙 용접을 통해 이러한 한계를 개선할 수 있었다. Edge distance가 짧을수록 용접 시 열영향부가 모재에 가까워지면서, 용융풀이 빠르게 응고되어 미세한 조직이 형성되었으며, 이로 인해 열 확산이 줄어들어 판재의 경도와 강도가 향상되었다. 따라서 위빙 용접은 용접 위치 오류가 발생할 가능성이 있는 상황에서도 높은 강도를 유지할 수 있는 유리한 방법임이 확인되었다.
감사의 글
이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 지역지능화혁신인재양성사업임(IITP-2024-RS-2020-II201791).
