Comparison of defect formation, mechanical strength and corrosion resistance of GTAW and LBW joints performed in pre-strained sheets of galvanized dual-phase steel

기술 요약: 사전 변형된 아연 도금 두 상(Dual-Phase) 강판의 GTAW 및 LBW 용접부의 결함 형성, 기계적 강도 및 부식 저항성 비교

문제 제기
자동차 산업은 차량 경량화와 제조 비용 최적화를 위해 테일러 용접 블랭크(TWB)를 점점 더 많이 활용하고 있다. 이러한 부품들은 종종 서로 다른 두께와 사전 변형 수준을 가진 판재를 접합하는 과정을 포함한다. 두 상(Dual-Phase, DP) 강판은 우수한 강도-연성 균형을 제공하지만, 아연 도금(galvanization)의 존재와 성형에 필요한 사전 변형(pre-straining)으로 인해 적용이 까다롭다. 사전 변형, 저융점 아연 도금, 그리고 용접 중 발생하는 열 사이클의 결합은 액체 금속 취화(LME), 가스 기공(gas porosity), 핫 크래킹(hot cracking)과 같은 결함의 발생 위험을 높인다. 또한, DP 강판의 열영향부(HAZ)는 마르텐사이트 템퍼링으로 인한 연화 현상에 취약하다. 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 레이저 빔 용접(LBW)이 흔히 사용되는 접합 방법이지만, 사전 변형 수준이 아연 도금된 DP590 강판의 열장(thermal fields), 결함 형성, 미세조직 진화 및 부식 저항성에 미치는 구체적인 영향은 아직 충분히 밝혀지지 않았다.

연구 방법
본 연구는 사전 변형된 아연 도금 DP590 강판(두께 0.89 mm 및 1.34 mm)에 대한 GTAW 및 LBW 공정을 평가하기 위해 수치 해석과 실험적 접근 방식을 결합하여 사용하였다.

• 실험 설계: 용접 공정(GTAW 대 LBW), 용접 전류/레이저 출력, 사전 변형 수준을 제어 인자로 하는 완전 요인 $2^3$ 실험 계획법(DoE)을 활용하였다.
• 특성 분석: 용융부(Fusion Zone, FZ)의 기하학적 형상, 종횡비 및 내부 결함(기공, 균열)을 평가하기 위해 거시 조직 및 미세 조직 분석을 수행하였다. 미세조직 분석은 광학 현미경, SEM 및 EPMA를 사용하여 상 분율과 아연 도금의 퇴화 정도를 정량화하였다. 모재(BM), 열영향부(HAZ) 및 용융부(FZ) 전반에 걸친 미세 경도 프로파일을 측정하였다.
• 부식 테스트: 3.5 wt.% NaCl 용액에서 격리된 FZ 및 HAZ 영역에 대해 전위 부식 측정(Potentiodynamic polarization tests)을 수행하여 부식 속도와 메커니즘을 결정하였다.
• 수치 시뮬레이션: 시트 변형으로 인해 수정된 FZ 형상을 반영하기 위해 서로 다른 열원 모델(GTAW용 이중 타원체 및 LBW용 타원 포물면)을 보정하여, 과도 온도 분포, 냉각 속도 및 열 축적을 예측하는 유한 요소(FE) 열 모델을 개발하였다.

주요 결과

• 결함 형성: 사전 변형은 FZ 형상을 타원형에서 사다리꼴 또는 직사각형 형태로 변화시켜 FZ 형상을 크게 변화시켰다. 이러한 폭의 확대는 아연 증기 기포의 탈출을 용이하게 하여 기공 발생을 효과적으로 억제하였다. 높은 냉각 속도는 응고를 가속화하여 핫 크랙을 방지하고, 응고된 금속과 잔류 액체 아연 사이의 상호작용 시간을 최소화하여 액체 금속 취화(LME)를 완화하였다. 모든 용접부에서 응고 균열은 발견되지 않았다.
• 미세조직 및 경도:
  • GTAW: 더 넓은 FZ는 열 축적과 중간 결정 온도 범위에서의 체류 시간 연장을 초래하여 페라이트 형성을 촉진하였다. 이는 불균일한 미세조직(주로 위드만스테텐 및 다각형 페라이트)과 더 낮고 불균일한 미세 경도(평균 ~326 HV) 및 국부적인 연화 현상을 야기했다.
  • LBV: 집중된 열원과 높은 냉각 속도는 페라이트 핵 생성을 억제하여, 더 높은 마르텐사이트 분율을 가진 정밀하고 균질한 베이나이트-페라이트 미세조직을 촉진하였다. 이는 FZ 전체에 걸쳐 더 높고 균일한 미세 경도 값(평균 ~398 HV)을 나타냈다.
• 부식 저항성:
  • GTAW: 불균일한 미세조직(페라이트와 베이나이트/마르텐사이트의 결합)은 수많은 미세 갈바닉 쌍을 생성하여 더 높은 갈바닉 부식 속도를 유발하였다. 아연 도금의 손실로 인해 균일 부식이 발생하였다.
  • LBW: 안정적인 부동태 피막의 부재로 인해 염화물 유도 피팅(pitting)에 취 susceptible(취약)했으나, 더 높은 분율의 마르텐사이트와 상부 베이나이트(더 귀한 전위적 거동을 보임) 덕분에 GTAW 접합부에 비해 전반적인 부식 속도가 낮았다. LBW의 HAZ는 미미하여 모재의 특성을 보존하였다.

의의 및 결론
본 연구는 저두께의 사전 변형된 아연 도금 DP590 강판에 대해 레이저 빔 용접(LBW)이 GTAW보다 더 적합한 접합 공정이라는 결론을 내렸다. LBW의 주요 장점은 높은 냉각 속도를 생성하여 미세조직을 미세화하고, 기계적 성질을 균질화하며, 갈바닉 부식에 대한 민감도를 낮추는 능력에 있다. 사전 변형이 FZ 기하학 및 열 축적에 상당한 영향을 미치지만, LBW 공정은 이러한 열적 효과를 효과적으로 관리하여 우수한 기계적 및 부식 성능을 가진 결함 없는 접합부를 생성한다. 본 연구는 입열량뿐만 아니라 각 용접 공정 고유의 열 사이클이 용접된 아연 도금 DP 강판의 상 변태와 그에 따른 성능을 결정한다는 점을 강조한다.