Application Technology for Tailored Blank

Tailored Blank의 적용 기술

1. 개 요

전세계적으로 연비 규제 및 배기가스 규제를 만족시키기 위해 차체 경량화가 주요 이슈로 대두되고 있다. 경량화를 위한 차체 부품 제조 시, 초고강도강을 적용하는 사례가 증가되고 있다[1]. 그러나 초고강도강을 이용하여 차체 부품을 제조할 경우, 연성이 부족하여 충돌에 취약하여 충격 흡수 부재에는 부적합하다[2].

이에 따라 충돌 성능 및 경량화 효과를 동시에 확보하기 위하여 Tailored Blank 기술을 이용한 차체 부품 제조 사례가 증가하고 있다. Tailored Blank는 용접, 압연, 열처리 등을 이용하여 하나의 판재 내에서 다양한 두께 및 물성을 가지는 소재를 만드는 기술이다. 이러한 기술을 적용할 경우, 소재 수율의 향상, 접합 공정의 간소화, 충돌 성능의 향상 등을 기대할 수 있다[3].

Tailored Blank 적용 기술은 크게 4가지 공법으로 분류할 수 있으며, 이를 Fig. 1에 나타내었다. Tailor welded blank는 두께 또는 물성이 상이한 소재를 레이저 용접을 통해 접합한 후, 성형하는 기술이다. 그리고, Patchwork blank는 강성이 요구되는 부분에 패치를 접합한 후, 모재와 패치를 동시에 성형하는 기술이다. 또한, Tailor rolled blank는 압연을 통해 소재의 두께 편차를 발생시켜 Tailored property를 구현하는 기술이다. 이와 같은 3가지 공법과는 다르게, Partial quenching는 열처리 조건 및 냉각 속도제어를 통해 소재의 물성을 국부적으로 변화시켜 Tailored property를 구현하는 기술이다.

Fig. 1Classification of tailored blank[4]

Tailored blank는 많은 이점을 가지기 때문에 다양한 차체 부품 제조에 적용되고 있지만, 일반적인 판재 성형과는 다른 성형 특성이 존재한다. 특히, 물성 변화에 따른 변형 집중, 불균일한 스프링백 특성, 두께 편차에 따른 금형 손상 등이 발생하기 때문에 많은 연구자들이 이와 관련된 연구를 활발히 진행하고 있다[4].

본 논문에서는 Tailored blank의 적용 기술에 대해 기술하고, 공법에 따른 연구동향 및 적용 분야에 대해 소개하고자 한다.

 

2. Tailor welded blank

Fig. 2에 Tailor welded blank의 성형 절차를 도식화하여 나타내었다[5]. Tailor welded blank는 용접 공정에 의해 두께 또는 물성이 다른 두 가지 이상의 판재를 접합하여 제작되게 되는데 주로 레이저 용접을 적용하지만, 마찰 교반 용접, Electron beam 용접, Induction 용접 등의 적용도 가능하다[6].

Fig. 2Principals of tailor welded blank[5]

2.1 성형 특성

Tailor welded blank의 성형 특성을 평가하기 위해서는 용접부의 물성을 반드시 측정하여야 한다. Lechler 등[7]은 용접부의 물성을 측정하기 위해 Fig. 3와 같은 시험편 형상을 제안하였다. 또한, Abdullah 등[8]은 혼합 법칙을 이용하여 용접부의 물성을 측정하는 방법을 제시하였다.

Fig. 3Tensile specimen for measurement of weld property[7]

Tailor welded blank는 용접선의 방향, 소재의 조합 및 두께비 등에 따라 성형 특성이 결정되기 때문에 많은 연구자들이 이와 같은 연구를 진행하고 있다. Abbasi 등[9]은 Tailor weld blank의 두께비가 증가할수록 성형성이 감소한다는 것을 증명하였다. 이는 불균일한 변형 및 강도 차이에 의한 응력 집중에 의한 것이며, 용접선의 방향이 성형성에 영향을 미치는 원인도 동일한 것으로 알려져 있다.

응력 집중 현상이 발생하게 되면 용접선이 이동하게 되어 금형 손상 및 용접부 파단을 발생시킬 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 Kinsey 등[10]은 Fig. 4와 같이 용접선의 변형을 제어할 수 있는 금형을 제안하였다.

Fig. 4Segmented die with adaptable controller[10]

2.2 유한요소해석

Tailor welded blank의 유한요소해석을 수행하기 위해서는 각각의 소재 및 용접부의 물성과 성형한계를 정확하게 입력하는 것이 중요하다. Lamprecht와 Merklein[11]은 미소경도 측정을 통해 소재 및 용접부의 물성을 도출하여 유한요소해석에 적용하였으며, Bulge 시험을 수행하여 검증하였다. 또한, Zadpoor 등 [6]은 이론적으로 Tailor welded blank의 성형한계선도를 도출하였으며, 실험으로 도출한 성형한계선도와 비교하여 이를 검증하였다. Qui와 Chen[12]은 Fig. 5과 같이 Tailor welded blank의 성형 특성을 반영한 유한요소해석을 수행함으로써, 스탬핑 공정에서 발생하는 결함에 대해 예측하였다.

Fig. 5Result of FE-simulation for stamping of tailor welded blank[12]

2.3 적용 분야

Tailor welded blank는 Fig. 6과 같이 다양한 차체 부품에 적용되고 있다. 또한, 냉간 스탬핑 공정 이외에도 Tailor welded tube 제조, 핫스탬핑 공정에도 적용되고 있다.

Fig. 6Application of tailor welded blank[13]

 

3. Patchwork blank

Patchwork blank는 하나 이상의 판재를 사용하여 부분적으로 모재를 보강하는 공법으로 Fig. 7에 성형 절차를 나타내었다[5]. 자동차 업계에서 사용하는 기존 보강 방법과 가장 큰 차이점은 성형공정 이전에 패치가 접합되어 모재와 패치가 동시에 성형 되는 것이다. 특히, 성형 공정의 감소에 따른 생산단가를 감소시킬 수 있고 치수정밀도가 더 우수하며 매우 작은 부분까지 보강이 가능하다[14]. 또한 Patchwork blank는 겹침용접으로 접합이 이루어지기 때문에 이음 용접으로 접합되는 Tailor welded blank보다 소재의 수율이 높은 것으로 알려져 있다. 하지만 용접부위에 발생하는 응력집중으로 인하여 성형성을 저하시킬 수 있으며 모재와 패치 사이의 두께 편차 때문에 성형이 어려운 단점이 있다[4].

Fig. 7Principals of patchwork blank[5]

Patchwork blank는 점 용접, 레이저 용접, 접착제 접합 기술을 적용하여 제작된다. 레이저 용접으로 접합된 Patchwork blank의 경우 표면이 완전이 접합되지 않기 때문에 두 판재가 불균일한 변형거동을 나타낼 수 있으며 점 용접으로 접합하는 경우 판재 사이에 부식이 발생할 수 있다. 반면에 접착제 접합 기술을 사용하여 접합할 경우 두 판재가 접착제로 인하여 완전히 접합되므로 높은 내식성을 가질 수 있으며, 판재 사이의 틈으로 인해 야기되는 소음 및 진동이 발생하지 않는다. 위와 같은 이유로 Patchwork blank 제작 시 접착제 접합 기술을 사용하여 접합하는 것이 더 효과적이지만 추가적인 표면처리가 필요하다는 단점이 있다[5, 14].

일반적으로 Patchwork blank의 제작 시, 점 용접을 적용하는 경우가 대부분이다. 점 용접을 이용한 Patchwork blank 제작 방법 중, 첫 번째는 두 판재가 정상적으로 동시성형 될 정도의 점 용접을 진행하고 성형 이후에 추가로 점 용접을 진행하는 방법이다. 이 같은 경우는 점 용접부의 최적강도를 구현할 수 있지만 성형 이후의 추가적인 점 용접 공정을 거쳐야 한다. 두 번째 방법은 성형 이전에 모든 점 용접을 진행하여 Patchwork blank를 제작하는 방법이다. 성형 이후에 추가적인 점 용접 공정이 필요 없지만 성형 시 발생하는 용접부의 두께감소로 인하여 성형성 및 강도가 저하될 수 있는 단점이 있다[15].

Patchwork blank는 예전부터 차체 부품 제조에 적용되고 있다. Fig. 11과 같은 Trunk lid, Door inner 부품이 대표적이며, Front frame rail, B-pillar 등에도 적용되고 있지만 다른 Tailored blank 공법에 비해 적게 적용되고 있다. 이는 공정 및 부품 설계의 난이도에 의해 기인한 것으로 판단되며 점 용접부의 결함 발생 가능성이 높기 때문인 것으로 알려져 있다. 하지만, 최근 접착제를 이용한 Patchwork blank 공법이 활발히 개발되고 있기 때문에 향후에 많은 차체 부품에 적용될 것으로 예상된다.

Fig. 8Application of patchwork blank[16]

 

4. Tailor rolled blank

Tailor rolled blank는 가변 압연 공정에 의해 두께를 변화시켜 Tailored property를 구현하는 공정이다. Tailor rolled blank는 Tailor welded blank나 Patchwork blank와 다르게 연속적인 두께 변화 구간을 가지며, 이에 따라 응력 집중이 적게 발생하여 성형성이 우수한 것으로 알려져 있다. 또한, 다른 공법에 비하여 표면 품질이 우수하며 두께 변화의 횟수가 제품의 가격에 미치는 영향이 적다는 장점이 있다. 그러나, Tailor rolled blank를 제작하기 위해서는 정밀한 압연 공정의 제어가 가능하여야 하며, 압연에 따른 물성 변화가 발생하기 때문에 이러한 문제를 공정 설계에 반영하여야 한다[4].

4.1 Tailor rolled blank의 종류

일반적으로 Tailor rolled blank는 Fig. 9과 같이 압연방향으로 두께 편차를 가진다. Tailor rolled blank의 제조 공정에서는 정밀한 압연 제어가 필수적이기 때문에 Hirt 등[18]은 폐쇄 회로 제어를 적용하였으며, 이를 이용하여 Mubea에서는 두께 허용 공차 ±0.05mm, 최대 폭 750mm의 판재를 제조하고 있다.

Fig. 9Tailor rolled blank with longitudinal thickness variation[17]

또한, 폭 방향으로의 두께 편차를 구현하기 위하여, Strip profile rolling 공정도 적용되고 있으며 판재의 제조 공정을 Fig. 10에 도식적으로 나타내었다. 이를 위해서는 폭 방향으로 소재의 유동을 제어하는 것이 중요하기 때문에 압연 롤의 형상 및 공정을 결정하는 것이 핵심 기술이다.

Fig.10Tailor rolled blank with latitudinal thickness variation[18]

4.2 성형 특성

Tailor rolled blank의 성형 특성은 Tailor welded blank와 유사한 경향을 보인다. 두께 편차에 따른 응력 집중이 발생하며 압연 과정에서 발생하는 물성의 편차를 고려하여 공정을 설계하는 것이 중요하다.

Meyer 등[19]은 천이부의 위치에 따른 드로잉 실험을 수행하여 성형 깊이에 따른 천이부의 이동에 대해 조사하였다. 그 결과로, Tailor rolled blank의 성형 공정 과정에서 천이부의 이동을 제어하게 되면 성형성을 향상시킬 수 있다고 주장하였다. 또한, Chatti 등[20]은 Air bending 공정에서 두께 편차에 따른 스프링백 특성을 보정하기 위하여 두꺼운 부분과 얇은 부분의 변형량을 제어하였다. Kopp 등[17]은 Tailor rolled blank의 변형을 제어하기 위하여 다층 구조의 Blank holder를 제안하였으며 이는 주름 방지 및 성형성의 향상 등의 효과를 보였다.

4.3 적용 분야

최근, Tailor rolled blank는 용접 공정이 불필요하다는 장점 때문에 Fig. 11와 같이 다양한 차체 부품에 적용되고 있다. 또한, Tailor welded blank와 마찬가지로 Tailor rolled tube 제조 및 핫스탬핑 공정에 적용되고 있으며, 그 수요가 점차적으로 증가하는 추세이다.

Fig.11Application of tailor rolled blank[21]

 

5. Partial quenching

Partial quenching은 앞서 소개한 공법과는 다르게 핫스탬핑을 이용한 다양한 열처리를 통해 Tailored property를 구현하는 공법으로 Fig. 12에 대표적인 적용 방법을 나타내었다. 일반적으로 핫스탬핑 부품은 1.5Gpa 이상의 강도를 가지기 때문에 충돌에 취약하지만 이 공법을 적용함으로써, 충돌 성능 및 경량화를 동시에 확보할 수 있다[2].

Fig.12Principals of partial quenching[2]

5.1 Tailored blank heating

Tailored blank heating 공정은 소재를 국부적으로 가열한 후 핫스탬핑하는 것으로, 연성이 요구되는 영역을 저온으로 가열하여 마르텐사이트의 생성을 억제하는 방법이다. 블랭크를 국부가열하기 위한 설비가 요구되나, 이후 공정은 기존 핫스템핑과 동일하여 현장 적용성이 높다[22].

하지만 Tailored blank heating 공정 시, 저온으로 가열되는 영역에서는 일반적인 핫스탬핑에 비해 성형성이 저하될 수 있으며 스프링백의 발생량도 크게 나타난다. 또한, 오스테나이트화되는 정도에 따라 저강도부의 물성이 결정되기 때문에 이를 정확하게 예측하는 것도 필수적이다[23].

5.2 Tailored tool heating

Tailored tool heating 공정은 국부가열된 금형을 활용하여 블랭크의 냉각 속도 조절을 통해 제품에 Tailored property를 부여하는 것이다. 고온으로 가열된 블랭크의 미세조직이 완전 마르텐사이트 조직으로 변태되기 위해서는 30℃/s 이상의 냉각 속도가 요구된다. 하지만 국부가열된 금형에 의해 냉각되는 경우, 해당 영역의 냉각 속도를 늦춰 마르텐사이트 생성을 억제하는 효과가 있다. 이러한 공정은 금형의 교체만 필요하기 때문에 현장 적용성이 높지만, 제품이 취출된 후에도 부분적인 온도편차를 가지기 때문에 열적 뒤틀림에 취약하다[23].

Tailored tool heating 공정은 Partial quenching 공법 중 가장 많은 연구가 진행되고 있으며 다양한 부품의 제조 공정에 적용되고 있다. 이는 일반적인 핫스탬핑 공정에 대한 유한요소해석 기술로 부품의 치수 및 물성 등의 예측이 가능하기 때문이다. 그러나 치수 정밀도를 확보하기 위한 금형 및 온도 제어 방법에 대한 연구는 미비한 실정이다.

5.3 기타 공정

Tailored blank heating 및 Tailored tool heating 공정뿐만 아니라 다양한 Partial quenching 공법들이 차체 부품 제조에 적용되고 있다.

Casas 등[24]은 일반적인 금형강에 비해 열전도도가 현저히 높거나 낮은 금형강을 개발하였으며, 이를 이용한 냉각 속도의 제어를 통해 Tailored property를 구현하였다. 그리고 Mori 등[25]은 금형과 소재의 접촉 조건에 따른 제품의 물성 변화에 대해 조사하였다. 또한, Merklein 등[26]은 핫스탬핑 제품을 후열처리하여 풀림 효과를 이용한 Tailored property를 구현하였다.

 

6. 결 론

차체 부품 제조 분야에서는 경량화와 충돌성능의 향상을 위해 Tailored blank의 적용이 활발하게 진행되고 있다. 최근, Tailored blank의 적용 기술로 다양한 공법들이 제시되고 있으며 그 적용범위도 넓어지고 있는 추세이다. 이에 따라 많은 연구자들이 연구를 진행하고 있으나 Tailored blank의 설계 기술 및 결함 대책 방안 등에 관련된 연구는 미비한 실정이다.

국내의 경우, 일부 대기업 및 대학에서 Tailored blank의 적용에 관련된 연구를 진행하고 있지만, 보다 적극적인 연구개발이 필요하다. 또한, Tailored blank의 경우 학문적 기반의 연구도 중요하지만 산업현장에서 적용 가능한 공정설계에 관한 연구가 더욱 필요한 실정이다. 이러한 다양한 연구들이 수행되면 그 기대효과가 매우 클 것으로 판단된다.