1. 서론
아연도금강판은 자동차 부품 중 차체 또는 샤시부품 등에 널리 사용되고 있으며 일반 무도금 강판 대비 적용률이 점차 증가하고 있다1). 자동차 차체에 적용되는 용접이음은 겹치기 이음(lap joint)이 주로 적용되는데 아연도금강판의 겹치기 이음부를 갭(gap)이 없는 형태로 레이저용접할 경우 용접부에 기공 등의 결함이 발생한다. 이는 강의 융점(약 1500 °C)보다 아연도금층의 비등점 (906 °C)이 낮기 때문에 강이 용융되기 전 기화된 아연이 계면에서 폭발하기 때문에 때문이다2). 계면에서 생성된 아연증기는 높은 압력을 가지기 있으며, 이음부에 갭이 없을 경우 용융풀을 통해 배출된다. 이 때 스패터가 발생하며 용접부 내부기공이나 피트(pit) 등의 결함이 많이 발생한다.
아연도금강판의 겹치기 이음을 레이저 용접할 때 이러한 용접결함을 방지하기 위해 다양한 방법이 제안되었다. 대표적인 방법은 이음부에 갭을 주어 아연증기의 통로를 확보하는 방법3,4)과 용접겹침면에 대하여 도금층을 제거한 후 용접하는 방법5,6), 레이저-아크 하이브리드 방법7,8) 등이 있다. 그러나 위에 소개된 공정들이 성공적으로 기공을 저감할 수 있음에도 불구하고 추가적인 별도 공정이나 장비가 필요한 단점을 가지고 있다.
보다 최근에는 별도의 열원 공정이 아닌 본용접에서 이용되는 레이저를 이용하여 전처리하는 방법이 제안되었다. H. Gu 등은 지그 조립전 겹침면의 하판 상면에 레이저를 조사하여 험핑비드를 형성하였다. 험핑비드 형상에 의해 이음부에는 갭을 조성되고 겹치기 용접에서 기공이 제거되었다9). 이와 유사한 형태로 K. Kagiya 등은 지그 조립 전 상판에 레이저 조사를 통해 완전용입 용접부를 형성하였으며 이면비드 형상이 본용접 시 갭을 조성하는 역할을 한다10). J. Ma 등은 일종의 2패스용접을 수행하였는데 첫 번째 패스로 디포커스된 레이저빔을 이용해 예열전처리를 수행한 뒤 두 번째 레이저빔 패스로 부분용입비드을 형성하면서 기공제거 특성을 평가하였다11). 이 방법은 Gu나 Kagiya가 적용한 방법에 비해 적용방법이 다소 간단하나 아직 산업적 이용이나 추가적인 적용성 검토는 되지 못하였다.
본 연구에서는 갭이 없는 아연도금강판의 레이저용접에서 2패스 용접의 적용성을 검토하고자 하였다. 적용소재로는 42 g/m2과 60 g/m2의 아연이 도금된 강판을 이용하였으며, 공정변수에 따른 기공의 양상과 기공감소 메커니즘을 고찰하고자 한다.
2. 실험장치 및 방법
본 연구에 사용한 강판은 590 MPa의 인장강도를 가지는 DP(Dual phase) 합금화아연도금(GA)강판 소재이며, 두께는 1.4 mm이다. 기초적인 공정변수평가는 도금량 42 g/m2인 GA강판에 대해 수행하였으며, 도금량의 차이에 따른 영향을 평가하기 위하여 최종 2패스용접결과는 60 g/m2의 도금량을 가진 GA강판에 대한 적용결과와 비교하였다. 시편의 화학적 조성은 Table 1에 나타내었으며, 시편의 길이는 100 mm, 폭은 30 mm이다.
Table 1
Chemical composition of base metal (wt. %)
| C | Si | Mn | P | S | Fe |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0828 | 0.118 | 1.697 | 0.0169 | 0.0031 | Bal. |
시편의 고정 장치는 시편 양쪽을 강하게 눌러서 단단히 고정하는 형식이며 겹치기 이음으로 부재간 갭이 없도록 시편을 고정하였다. 레이저용접을 위해 최대출력 4 kW 급 Yb:YAG 디스크 레이저를 사용하였으며 0.2 mm 직경 파이버로 전송한 후 초점거리 450 mm의 스캐너로 모재에 조사하였다. Primes사의 빔 프로파일 측정 장비를 이용하여 측정된 집속 빔의 최소 직경, 레일레리길이 (Rayleigh distance), BPP (Beam parameter product)는 각각 0.6 mm, 10.5 mm, 8.4 mm*mrad이다. Fig. 1은 2패스 레이저용접을 위한 실험 모식도를 나타내었다. 첫 패스 레이저조사에서 레이저 출력(P)은 4 kW로 고정 후 가변공정변수는 초점위치(Fd)와 용접속도(Vs)로 선정하였다. 초점위치는 70 mm와 80 mm 두 가지이며, 용접속도는 13 mm/s부터 23 mm/s의 범위에서 가변하였다. 첫 패스 레이저 조사 이후에 계면의 아연도금층 거동을 분석하였다.
Fig. 2
High speed images of autogenous laser lap welding of Zn coated steel sheets (P: 4 kW, Fd: 0 mm, Vs: 50 mm/s)
2번째 패스용접을 위해 선정한 용접조건은 완전용입 및 적절한 이면비드가 형성이 가능한 조건으로 가변하지 않고 하나의 조건에서 실험을 진행하였다. J. Ma의 실험11)에서는 최종패스용접으로 부분용입을 형성하였으나 부분용입에 비해 완전용입 시 용접부 내부 기공이 감소하고 현장품질관리적 측면에서 용입달성 여부와 비드폭의 확인이 용이하다. Table 2는 2패스 레이저용접조건을 정리하였다. 패스간에는 시간간격을 충분히 두어 첫 패스용접 후 시편을 상온까지 냉각시켰다. 따라서 첫 번째 패스 용접조건이 서로 다른 경우에도 동일한 시편온도에서 2번째 패스용접이 수행되었다.
Table 2
Welding parameters used for 2-pass laser welding
| 1st pass | 2nd pass | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Power, P (kW) | Focal position, Fd (mm) | Speed, Vs (mm/s) | Power, P (kW) | Focal position, Fd (mm) | Speed, Vs (mm/s) |
| 4 | +70 | 17 | 4 | 0 | 50 |
| 19 | |||||
| 21 | |||||
| 23 | |||||
| +80 | 13 | ||||
| 15 | |||||
| 17 | |||||
용접 중 용융풀의 안정성과 스패터 관찰을 위해 초당 2,000 프레임의 속도로 고속촬영을 수행하였다. 808 nm의 파장을 갖는 다이오드레이저를 조명으로 사용하였다. 용접 후 비드 표면 외관검사와 계면의 아연도금층 제거 영역에 대한 육안검사, X-ray를 이용한 내부의 기공 검사를 수행하였다. 경도시험으로 열영향부와 용접부의 강도를 확인하였으며, 단면 분석을 통하여 용입 형상 및 용접부와 모재의 성분분석을 수행하였다.
3. 실험결과
3.1 레이저 단독용접
갭이 없는 아연도금강판의 겹치기 이음부를 레이저 단독용접할 경우 발생하는 기공의 원인에 대해서는 선행연구로 원인을 규명한 바 있다8). 아연은 비등점이 모재인 강의 녹는점 보다 매우 낮다. 그러므로 레이저가 시편의 표면에 조사되고 상판의 모재가 용융됨과 동시에 계면의 아연도금층이 기화되기 시작한다. 이때 상판 상면과 하판 하면의 아연은 대기 중으로 날아가므로 용접결함 형성에 영향을 미치지 않는다. 하지만 겹쳐진 계면 사이에 존재하는 아연은 기화와 함께 그 부피가 급격히 팽창하면서 압력이 증가하고 상대적으로 압력에 약한 용융풀을 뚫고 대기 중으로 분출하게 된다. 아연증기가 대기 중으로 분출할 때 용융금속을 밀어내기 때문에 Fig. 2의 고속카메라 사진과 같이 다량의 스패터가 발생되고 스패터가 분출된 공간이 그대로 냉각되면서 기공이 발생한다. 또한 아연증기가 미처 빠져나오지 못하고 잔류하거나 아연증기의 폭발에 의해 대기가 유입되어 갇히는 경우에는 내부기공이 발생하게 된다. 이 두 가지 결함은 모두 계면에 존재하는 아연의 급격한 기화가 근본적인 원인이며 기공발생 메커니즘에 대한 모식도를 Fig. 3와 나타내었다.
3.2 첫 패스 레이저조사
첫 번째 패스 레이저조사의 목적은 계면의 아연도금층을 제거하는 것이다. 이를 위해 충분한 너비의 계면에서 아연층을 제거하면서도 상판의 완전용입이 발생하지 않는 조건을 선정하고자 하였다. Fig. 4는 초점위치 70 mm에 대해 선정된 조건 중 가장 느린 17 mm/s의 용접속도에서 실험한 표면비드와 계면의 외관사진을 나타내었다. 상판이 부분용입되면서 전체적으로 건전한 표면비드를 보이고 있으며 육안상으로 계면 아연층의 열영향이 확인된다.
첫 번째 패스용접에서는 일정수준 이하의 입열을 주어야만 계면의 아연도금층이 폭발하지 않고 제거될 수 있으며, 이후 두 번째 패스의 본 레이저용접 시 건전한 비드 형성이 가능하다. 만약 용접속도가 더 느린 경우에는 상판의 완전용입이 발생하여 Fig. 5와 같이 첫 패스 용접에서 이미 기공이 발생한다.
Fig. 6은 초점위치 70 mm에서 용접속도별로 계면에서 아연층이 열영향을 받은 영역의 폭을 측정한 결과이다. 결과는 하나의 조건에서 6개의 지점에서 육안으로 측정하여 평균하였다. 속도가 가장 느린 경우에는 입열이 많아 제거된 영역이 넓으며, 속도가 빠른 경우는 입열이 작아 제거된 영역이 좁은 것을 확인할 수 있다. 2번째 패스 레이저용접 시에 계면의 아연이 폭발하지 않기 위해서는 첫 번째 패스 레이저 조사를 통하여 충분한 영역의 아연도금층을 제거하여야 한다.
3.3 계면 아연도금층 분석
첫 번째 패스 레이저조사 후 계면인 상판 하면과 하판 상면에 대한 단면 분석을 실시하였다. 분석에 사용한 시편 제작 시 사용한 공정조건은 초점위치 80 mm, 용접속도 17 mm/s이다. Fig. 7은 모재와 첫 번째 패스 후 종단면이다. 레이저 조사 전 모재에는 약 10 μm 두께의 아연도금층이 존재하였으나 레이저 조사 이후에는 상판 하면의 경우는 아연도금층이 거의 제거가 되었으며, 하판 상면의 경우는 1~3 μm 두께의 아연도금층이 존재한다.
다음은 계면에 남아있는 Fe, Zn의 성분을 확인하기 위하여 EDS 성분분석을 실시하였다. 초점위치 70 mm에서 레이저 용접속도 21 mm/s, 23 mm/s의 조건에서 첫 번째 패스 용접을 수행한 후 상판하면에 대해 성분분석 한 결과는 각각 Fig. 8과 9와 같다. 용접속도가 21 mm/s일 경우에 아연도금층이 영향을 받은 폭은 약 4.0 mm로 확인되어 Fig. 6와서 확인한 값에 비교할 때 더 넓은 영역에서 아연층이 열영향을 받았음을 알 수 있다. Fig. 8과 9를 비교하면 더 빠른 속도에서는 입열이 감소하므로 열영향을 받는 아연층의 폭이 좁아지고 열영향을 받은 부위 내에서도 아연의 화학적 성분이 더 높게 나타난다.
3.4 2패스 레이저용접 결과
아연도금강판에 아크용접을 2패스 및 하이브리드 용접을 적용한 사례12,13)와 유사하게 레이저용접의 경우 2패스 용접에서 아연증기 폭발 없이 안정된 용접을 구현하기 위해서는 첫 패스를 통해 계면의 아연도금층이 충분히 제거되어야 한다. Fig. 10와는 두 번째 용접패스 시 고속촬영을 수행한 그림으로 Fig. 2의 레이저 단독용접과 비교하면 아연증기의 폭발 없이 안정적 용접이 수행됨을 확인할 수 있다.
Fig. 11은 각 조건에서 표면비드와 이면비드 형상을 보여준다. 첫 번째 패스의 용접조건과 무관하게 모든 조건에서 2패스 용접 후 양호한 비드외관을 보여준다. 그러나 X선 비파괴검사와 단면 검사에서는 하나의 조건(Fd: 70 mm, Vs: 23 mm/s)에서 불량이 발견되었다. Fig. 12와 13은 용접 품질이 양호한 조건과 용접불량이 발생한 조건에서 X선 촬영영상과 단면사진을 각각 보여준다. Fig. 9와서 확인한 것과 같이 첫 번째 패스의 레이저 조사를 통해 충분한 폭의 아연층을 제거하지 못한 것이 용접불량의 원인으로 판단된다.
3.5 도금량에 따른 용접특성 비교
3.6 레이저용접부의 특성 분석
2패스 레이저용접에 따라 용접부/열영향부의 연화발생 가능성을 검토하기 위하여 용접부에 대한 경도시험을 수행하였다. 시험에 이용된 시험편 제작 시 1 패스 조건은 초점위치 70 mm, 용접속도 19 mm/s이며 나머지 변수는 Table 2에 제시되었다.
경도 측정은 Fig. 15와 같이 상판과 하판에서 각각 측정되었다. 표면에서 0.2 mm 깊이에서 0.2 mm 간격으로 측정하중 500 g으로 측정하였다. 경도측정결과는 Fig. 16과 같다. 모재의 경도는 약 200 Hv로 측정되었으며 용접부의 경도가 모재보다 더 높은 것을 확인할 수 있다. 상판의 경우에는 첫 번째 패스 용접에서 의해 중심에서 2.2 mm 지점까지 경화가 된 후 다시 두 번째 패스 용접을 통해 1.4 mm 근처에서는 상대적으로 연화된 것을 알 수 있다. 그러나 상판 및 하판의 경도분포에서 모재보다 낮은 경도를 가지는 연화역은 발견되지 않았다.
아연층의 용접부 혼입여부를 확인하기 위하여 모재와 용접부에 대해 성분조사를 실시하였다. Fig. 17와서와 같이 용접부의 성분은 모재의 성분 결과와 거의 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 즉, 첫 번째 패스 레이저용접 후 일부 남아있던 아연은 두 번째 패스 레이저용접 도중 배출되었으며 용접부에 혼입되지 않은 것으로 판단된다.
4. 결론
갭이 없는 아연도금강판 겹치기용접부에 2패스 레이저용접에 대한 적용성을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 첫 번째 패스 레이저용접을 통해 아연도금층이 열영향을 받게 되며 충분한 영역에서 아연층을 제거할 경우 2패스용접에서 용접결함의 방지가 가능하였다.
2) 단위길이 당 입열이 너무 많을 경우 첫 번째 패스 용접에서 상판의 완전용입이 발생하면서 첫 패스에서 아연증기의 폭발 및 스패터가 발생하고 용접결함이 발생한다. 단위길이 당 입열이 너무 적은 경우에는 계면에서 충분한 아연층을 제거하지 못하고 2번째 패스의 본용접 시 기공과 같은 용접결함이 발생한다.
3) 45 g/m2와 60 g/m2 도금된 강판으로 평가를 수행한 결과 해당 소재에서는 도금량과 무관하게 동일한 적정 공정영역이 도출된다.
4) 2패스 용접 수행에 따라 기존 1패스 용접부와 다른 경도 분포가 계측되었으나 용접부와 열영향부가 모두 모재보다는 높은 경도를 가지고 있어 강도 확보에는 큰 문제가 없는 것으로 판단된다. 또한 기화된 아연층이 용접부로 혼입되는 현상은 발견되지 않는다.
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