With the increased concerns of environmental and safety issues, demands for advanced high-strength steel sheets have drastically increased in the automotive industry. Nevertheless, a large amount of springback in advanced high-strength steel sheets has been an obstacle to their widespread use. Hot stamping can reduce springback of quenchable advanced high-strength steel sheets, such as boron alloyed steel. However, non-quenchable advanced high-strength steel sheets, such as dual-phase (DP) steel, do not have sufficient hardenability to be quenched by hot stamping. Other warm-forming methods have been studied in order to reduce springback of non-quenchable advanced high-strength steel sheets. However, the conventional warm forming methods, which heat the material as a whole, result in unnecessary energy loss, because only limited areas of the sheet material are subject to deformation in most of the sheet metal forming processes.
Local heating methods reduce heating energy and heat-affected zones (HAZs) with reduction of springback. In this study, a local heating method for forming of non-quenchable advanced high-strength steel sheet, especially DP 980, has been studied. IR local heating uses infrared ray (IR) lamps with reflectors. Elliptical and parabolic reflectors were used to control the heating area. To confirm the advantages of IR local heating, DP980 sheets were heated by two methods - IR local heating and furnace heating which heats the material as a whole. Then, V-bending and 2D-draw bending were conducted with heated DP980 sheets. Results show that IR local heating has advantages over the furnace heating in both shape accuracy and maintaining of microstructure and hardness. It is also shown that IR local heating drastically reduces the heating energy.
Numerical analyses were conducted in order to improve the understanding of IR local heating and the forming process. For the simulation of IR local heating, two numerical models were proposed. The numerical models are based on distribution functions. The normal distribution function was adopted as a distribution function in order to simulate the condensed IR radiation in the elliptical reflector, and the modified Fermi-Dirac distribution was adopted for describing the collimated IR radiation in case of the parabolic reflector. The numerical models have provided useful simulation results when compared with the experimental results. The simulation of the forming process after IR local heating was also conducted. Euler-backward stress integration method considering thermal strain and variation of mechanical modulus was newly implemented in the stress integration method. The numerical analysis provides reasonable springback prediction, and confirms that IR local heating reduces the level of stress in the deformation zone, although it heats only the limited areas, and then it reduces the springback. Additionally, the simulation gives a support for the experimental result that IR local heating has advantages over the furnace heating in shape accuracy.
Application of IR local heating for curved shapes was studied. Five target shapes (asymmetric shapes) were selected for the study. Every target shape had a circular arc wall at the left side, and a straight wall at the right side. The circular arc walls in respective target shapes had different radii. Heating area is dependent on the target shape. Appropriate heating areas were determined based on simulation results for respective target shapes. Then, The relation between the target shape and the heating area was studied. The experiment has shown that IR local heating can heat the curved shapes with curved lamps, thereby decreasing springback. Finally, IR local heating was applied to forming of the seat cross member which is an automotive part. Cold forming of the seat cross member led to a large amount of springback. IR local heating drastically reduced the springback of the seat cross member, and the shape of the seat cross member successfully reached the reference shape. The result has shown that IR local heating is applicable to industrial practices.
IR local heating has been studied through the experiments and the simulations. The results have confirmed that IR local heating has a potential to widen industrial application of non-quenchable advanced high-strength steels.
환경과 안전에 대한 관심이 증가하면서 초고장력강에 대한 산업전반의 관심이 증가하고 있다. 특히 자동차 업계에서는 무게를 줄이면서 차체의 강도를 유지하기 위하여 초고장력강 판재 적용을 위하여 많은 노력을 기울여 왔다. 하지만 초고장력강 판재의 경우 성형 후에 스프링백이 커서 적용에 어려움이 있다. 이에 판재 전체를 가열 후 성형하여 스프링백을 절감하는 성형기술에 대한 연구가 진행되었지만 판재성형의 경우 변형이 일어나는 영역이 한정되어 있어 소재 전체를 가열하는 것은 불필요한 에너지소모를 야기한다. 이에 본 논문에서는 DP 980판재에 적외선 국부가열을 이용하여 소성변형이 일어나는 영역만을 적외선으로 가열하여 성형하는 기술에 관하여 연구하였다.
적외선 국부가열은 다른 가열방식에 비하여 저렴할 뿐 아니라 가열온도가 높고, 반사판을 이용할 경우 가열너비를 조절 할 수 있다. 또한 소재 전체를 가열할 때에 비하여 에너지를 절감 할 수 있을 뿐 아니라 소재의 물성에 영향을 미치는 열영향부를 줄일 수 있다. 본 논문에서는 타원형 반사판과 포물형 반사판을 이용한 실험을 진행 하였다. 타원형 반사판의 경우 매우 좁은 영역에 적외선을 집광하여 가열 할 수 있고, 포물형 반사판의 경우는 비교적 넓은 영역을 가열 할 수 있다. 이 두 반사판을 이용하여 적외선 국부가열 후 행해진 V-bending 및 2D-draw bending 결과 적외선 국부가열로 초고장력강 판재의 스프링백을 충분히 절감시킬 수 있는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 적외선 국부가열과 가열로를 사용한 소재 전체가열을 비교하였다. 비교결과 적외선 국부가열 시 가열로를 이용하여 가열하는 경우보다 가열속도가 빨라 소재의 미세조직 변화와 경도변화가 매우 적었다. V-bending 의 경우 추가적으로 적외선 국부가열이 소재전체를 가열하는 경우보다 스프링백 후 형상정확도 측면에서 이점이 있다는 것을 실험적으로 확인 하였다. 또한 적외선 국부가열과 가열로 전체가열 시 각각 소재를 가열하는데 필요한 에너지를 비교하여 적외선 국부가열이 전체가열에 비해 크게 가열 에너지를 절감 할 수 있음을 확인 하였다.
타원형 반사판과 포물형 반사판을 사용하여 DP980 판재를 가열하는 경우를 수치적으로 해석 하기 위하여 각각의 열전달 모델을 제안하였다. 각 반사판의 가열특징을 측정하여 이 특징을 잘 묘사하는 분포함수를 이용하여 수식화를 진행하였다. 타원형 반사판의 경우 가우시안 함수를 사용하였고, 포물형 반사판의 경우는 페르미-디락 함수를 변형하여 사용하였다. 이 두 개의 제안된 열전달 모델은 포트란으로 제작된 비선형 열전달 코드에 추가되어 해석에 이용되었다. 해석결과는 실험결과와 비교하였고, 비교결과 제안된 두 열전달 모델은 실험결과를 매우 잘 예측 함을 확인 할 수 있었다. 가열 후 성형공정을 해석하기 위하여 열-탄소성 응력적분 수식화를 진행하여 FORMSYS-SHEET 코드에 추가하였다. 이를 이용하여 V-bending 및 2D-draw bending공정해석을 하였다. 해석결과 적외선 국부가열로 소재의 일부분만 가열하여도 성형 시 유동응력을 충분히 줄일 수 있으며, 이로 인해 스프링백이 줄어드는 것을 확인 하였다. 또 적외선 국부가열이 전체가열보다 V-bending 후 형상정확도 측면에서 유리한 이유를 수치적으로 확인하였다.
적외선 국부가열의 응용을 위하여 곡선형상의 가열 및 성형에 관한 연구 역시 진행 하였다. 5가지의 목표형상 (좌우 비대칭 형상)을 정하여 case study를 진행하였는데, 각 목표형상은 왼쪽측면에 곡선 형태의 벽, 그리고 오른쪽 측면에 직선형태의 벽으로 이루어져 있다. 왼쪽의 곡선형태 벽의 반지름은 목표형상에 따라 달라지는데 반지름이 작아질수록 성형의 이방성이 커진다. 수치적 해석을 통하여 각 목표형상의 가열형태를 정한 뒤에 성형형상과 가영영역과의 관계를 분석 하였다. 그 후 실험적으로 가열을 통해 곡선형상 역시 가열이 가능하며 스프링백도 줄일 수 있음을 확인 하였다. 또한 실 자동차 부품인 seat cross member 의 성형에 적외선 국부가열을 적용하여 실험하였다. 실험결과 적외선 국부가열을 seat cross member의 성형에 적용하였을 때 스프링백을 크게 줄일 수 있었고, seat cross member의 성형된 형상이 기준형상을 통과하였다. 이 결과로 적외선 국부가열이 실제 산업에 적용될 수 있음을 확인하였다.
본 논문의 연구를 통하여 적외선 국부가열이 초고장력강 판재를 bending 및 drawing성형할 때 스프링백을 줄일 수 있으며, 물성변화 및 가열영역을 줄일 수 있음을 확인하였다. 단순한 형상뿐 아니라 곡선과 직석이 결합 되어있는 형태로 성형 할 때도 가열이 가능하며 스프링백을 줄일 수 있음을 보였다. 이 결과를 토대로 적외선 국부가열이 초고장력강 판재의 산업응용에 도움이 되는 가능성이 충분히 있음을 알 수 있다.
