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1 92 연구논문 금속샌드위치판재대면적롤프로젝션용접에관한연구 : Part 2 - 수치해석 김종화 * 안준수 ** 나석주 **, * STX 조선생산기술연구팀 ** 한국과학기술원기계공학과 A Study on Large Area Roll Projection Welding for Metallic Sandwich Plate : Part 2 - Numerical Analysis Jong-Hwa Kim*, Junsu Ahn** and Suck-Joo Na**, *Production Technology Research Team, STX Shipbuilding, Changwon , Korea **Department of Mechanical Engineering, KAIST, Daejeon , Korea Corresponding author : (Received March 3, 2009 ; Revised March 30, 2009 ; Accepted June 2, 2009) Abstract Metallic sandwich plate has many good properties such as high specific stiffness, high specific strength, good impact absorptivity, effective thermal insulation and soundproofing. In our study, a new bonding method, 3-layer roll projection welding, is introduced to fabricate the metallic sandwich plate. The new method uses a pair of roll electrodes like the seam welding, and projection welding is made at two internal interfaces of the 3-layer weldment consisting of a structured inner sheet and a pair of skin sheets. During the welding process, skin sheet temperature are measured to produce metallic sandwich plate with uniform and good quality. But it is difficult to observe or measure the temperature at the welding points during welding process because the welding points exist at the internal interfaces. Therefore FEM numerical analysis using ABAQUS is conducted to estimate the generated heat at the welding points with different welding conditions. Key Words : Metallic sandwich plate, Resistance welding, Structured inner sheet, Rolling electrode, Numerical analysis 1. 서론 내부에 3차원형상의구조를가지고있어부피의대부분이비어있는금속샌드위치판재는비강성, 비강도가뛰어날뿐만아니라, 단열, 방음, 내충격성등에도뛰어난성능을보이는것으로알려져있다 1). 이러한장점을살리면서생산성또한높이고자롤전극을이용한연속저항용접으로판재를제작하는연구를수행하였다 2). 일반적인저항용접공정에서접합부에서의압력또는온도분포를예측하고분석하는연구는선행연구 자들에의해많은부분이행하여졌으나 3-5), 본연구와같은대면적금속샌드위치판재의제작공정은일반적인저항점용접과는달리 1회용접시수백개의여러접점이동시에용접되는차이가있다. 한편, Part 1에서는균일하고양호한용접품질을지니는금속샌드위치판재의제작을위해기존의저항용접에널리사용되는동저항측정과함께외판표면온도측정을새로운모니터링기법으로도입하였다. 그러나주발열원이외판재와내부구조재간의계면에존재하는관계로, 용접공정중에열발생부의거동을관측또는실측하는데에는많은어려움이있다. 이에본연

2 금속샌드위치판재대면적롤프로젝션용접에관한연구 : Part 2 - 수치해석 93 구에서는 FEM 수치해석을통하여각용접조건에따른용접부에서의온도를예측하고, 외판표면으로의열전달해석을통하여외판표면온도측정법의타당성및가치를확인하고자하였다. 2. 해석방법및모델링 본해석은범용해석프로그램인 ABAQUS를이용하였고, 시편형상의대칭성및주기성을고려한 3D모델을이용하였다. 돌기 (projection) 부의형상은실제실험에서사용한내부재돌기의형상을토대로하여돌기패턴간격은 2.4mm, 돌기의밑면에서정상부까지의높이는 0.75mm로모델링하였다. Fig. 1에내부구조재, Fig. 2에외판재와전극부를포함한전체모델을나타내었다. 한편, 실제와같은조건을부여하기위해서는열-전기- 응력해석이커플링된해석을수행하여야하나, 본해석에서사용한모델은 3차원형상이며매우복잡하기때문에위와같은해석을수행하는데에는해석시간및수렴성측면에서많은어려움이있다. 이에먼저가압을하고, 이로부터접촉면적과접촉압력등접촉저항의계산에필요한값들을추출하고, 이를이용해열-전기해석을수행함으로써용접부에서의발열량을모사하였다. 해석에있어서기본적으로모든물성치는상온에서부터 100 간격으로온도에따라측정된값과그중간값들은선형보간법으로구한값을이용하였다. 내부구 Fig. 1 Model shape of structured inner sheet Metal sandwich plate Rolling electrode Skin sheet Structured inner sheet Fig. 2 Whole model shape 조재의경우일반연강 (mild steel) 의물성치, 외판재는자동차용고장력강인 DP590의물성치, 전극은저항용접용구리전극의물성치를이용하였다. 2.1 응력해석실험에서와같이가압전의금속샌드위치판재의두께는 3mm로하였고, 전극에변위를부여하여각각 2.82mm, 2.84mm, 2.86mm, 2.88mm, 2.90mm가되도록가압하였다. 이때가압중에각계면에서의마찰에의한 Temp. ( ) Young s modulus (GPa) Poisson s ratio Density (kg/m 3 ) Table 1 Material properties table (mild steel) Thermal expansion coefficient (*10-5 / ) Specific heat (J/kg ) Thermal conduc-tivity (J/m sec ) Convec-tion coeffici-ent (J/m 2 sec ) Electrical conducti-vity (*10 5 S/m) Yield stress (MPa) Table 2 Material properties table (electrode) Temperature ( ) Young s modulus (GPa) Poisson s ratio Density (kg/m 3 ) Electrical conductivity (*10 5 S/m) Yield stress (MPa) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 2009 年 6 月

3 94 김종화 안준수 나석주 : heat transfer coefficient : density : internal energy : transform efficiency electric to heat : heat flux Current Fig. 3 Symmetric condition on intersection 발열은무시하였다. 그리고 Fig. 3에서 aegd 및 bfc로이루어진면, 즉대칭성을고려하여모델링하는과정에서생긴단면부에는대칭조건을부여하였다. 2.2 열 - 전기해석 전기해석은자기장의영향이없고, 내부전류원이없다고가정하여식 (1) 과같이맥스웰방정식을이용하였다. (1) : electrical potential : current density : electrical conductance Fig. 3에서 abcd로이루어진면, 즉상부전극의위쪽단면부에전위를 0으로주고, 하부전극의아래쪽단면부 efg에양의전류값을주어, 실험과같이하부전극에서부터상부전극으로전류가흐르도록하였다. 통전전류량은실제실험에서와같이최대 70kA를부여하였다. 전류파형은 Fig. 4에서실선으로나타낸실제실험에서의모니터링결과를이용하여, 점선파형과같이대입하였다. 열해석은식 (2) 와같이줄열에의한발열과전도, 대류, 복사를고려한열평형방정식을이용하였다. Real Simulation (2) 실제실험중에전극의내부로는냉각수가흐르고있어용접중에전극은약 100 를유지하게된다. 이에전극의온도는 100 로하였고, 대류현상은 27 대기의자연대류를, 복사에있어서방사율은 600 산화조건에서의강재 (steel) 의값 0.79를이용하였다. 2.3 접촉저항모델 접촉저항은저항용접시발열의주원인이므로저항용접을해석함에있어접촉저항의모델은매우중요하다. J. A. Khan 6) 이제시한모델은초기가압에의한접촉저항과고상선 (solidus) 에서의접촉저항도측정해야만하는단점을가지고있다. 기존에이루어진저항점용접시초기가압에의한접촉저항에대한대부분의연구에서는초기접촉저항을측정하여그평균치를계산에사용하였으나, 본연구에서는가압에의한접촉면이여러개가존재하고각각의접촉면에서의압력에차이가있기때문에위의결과들을적용시키기에는어려움이있다. 한편, J. A. Greenwood 7) 는단위면적당접촉저항을미시적관점에서두접촉면에서의미세돌기에의한실접촉면적의감소가접촉저항의주원인이라는식 (3) 을제안하였다. (3) : specific resistance : number of asperities : average radius of asperities : average of asperities 그러나본연구에서는이모델에서필요로하는접촉면에서의미세돌기의개수, 미세돌기의평균반지름, 접촉한미세돌기사이의평균거리에대한정보를얻을수없기에, 2001년 S. S. Babu 8) 가 Greenwood의식을변형시킨식 (4) 를이용하였다. Time Fig. 4 Current waveform (4)

4 금속샌드위치판재대면적롤프로젝션용접에관한연구 : Part 2 - 수치해석 95 : density of contacting asperities : pressure 3. 해석결과및고찰 본연구의 Part 1에서외판표면온도를측정한결과를각각의가압조건에따라 Table 3에정리하였다. 이와함께, 본해석을통해얻어진외판표면온도결과도함께나타내었다. 실험값보다는해석값이 가량낮은것을알수있다. 이는본해석에서는통전이이루어지기전의초기조건으로 27 를부여하였으나, 실제실험에서는이미용접이이루어진앞쪽돌기부에서의발열량중일부가미용접상태인뒤쪽부분으로열전달이일어나 27 보다는가열되어있기때문이라생각된다. 이는 Table 4에나타낸, 초기조건을 27 가아닌 100 와 200, 300 를부여하고해석한결과로부터확인할수있다. 이러한해석결과로부터판재두께가 2.84mm가되도록가압하고통전하는조건에서는기용접부로부터의열전달에의해용접이이루어지려고하는부분에서의온도가약 200 까지, 판재두께가 2.88mm가되도록가압하고통전하는조건에서는약 300 까지가열되어있을것임을역으로예측할수있다. 한편, 본연구의주목적인, 실제용접에서접합이이루어지는내부계면에서의통전직후발열량및온도예측에관한해석결과를 Fig. 5에나타내었다. 해석결 과를나타내는그림에서는시각적인측면을고려하여외판재와전극부는제외하고내부재의형상만을나타내었다. 이결과를정리하여각각의가압조건에따른용접부에서의최고온도를 Table 5에나타내었다. 실험결과와유사하게판재두께 2.82mm의가압조건에서는 inter-electrode : 2.82mm inter-electrode : 2.84mm inter-electrode : 2.86mm inter-electrode : 2.88mm Table 3 Skin sheet temperature comparison for initial temperature of 27 in simulations Inter-electrode Table 4 Interelectrode Experiment Numerical analysis 2.82mm mm mm mm mm Skin sheet temperature comparison for different initial temperatures in simulations Experiment 27 Numerical analysis mm mm inter-electrode : 2.90mm Fig. 5 Thermal-electric analysis result Table 5 Max. temperature at welding points Interelectrode 2.82mm 2.84mm 2.86mm 2.88mm 2.90mm Interface location Max. electrode & skin sheet 197 skin & inner sheet 1408 electrode & skin sheet 228 skin & inner sheet 1502 electrode & skin sheet 468 skin & inner sheet 1969 electrode & skin sheet 820 skin & inner sheet 2472 electrode & skin sheet 1716 skin & inner sheet 3100 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 3 號, 2009 年 6 月

5 96 김종화 안준수 나석주 지나친가압으로실접촉면적이증가하고그에따른전류밀도의감소및접촉저항의감소로인해용접부가용융점까지상승하지못하여냉접이일어나는것을유추할수있다. 판재두께 2.86mm이상의가압조건에서는실접촉면적의감소로인한전류밀도의증가및접촉저항의상승으로인해용접부가과열되어날림 (spatter) 이발생하고이로인한용융금속의소실이점차심해지는것을알수있다. 판재두께 2.90mm의가압조건에서 3000 를넘어서는해석결과에대해서는, 숫자그자체로서의의미보다는통전중과도한온도상승으로다량의날림이발생하여그전에통전경로가소멸되었을것이라는예상을할수있다. 4. 결론 Part 1에서는롤전극을이용한연속저항용접장치를이용하여전단형딤플 (sheared dimple) 형상의내부구조재를가지는금속샌드위치판재를생산하였다. 본연구에서는, 용접부가내부계면에존재하여실험에서는알수없었던용접중용접부에서의발열량및온도를알아보고자 ABAQUS를이용한수치해석을수행하였다. 이를통해다음과같은결과를얻었다. 1) 판재두께 2.82mm의가압조건에서는발열량이부족하여용접부가용융점까지상승하지못하고, 2.86 mm의가압조건에서는용융점이상상승하며, 2.90mm 의가압조건에서는다량의날림이발생하는것을확인하였다. 2) 용접중에기용접부에서미용접부로열전달이일어나, 가압조건에따라미용접부의용접전초기온도가다름을확인하였다. 2.84mm의가압조건에서는약 20 0, 2.88mm의가압조건에서는약 300 까지예열되어있음을확인하였다. 3) 본해석결과와 Part 1에서의외판표면온도모니터링결과와의비교를통해외판온도측정법이용접품질을예측하는데에있어서가치있는모니터링방식임을확인하였다. 후기 본연구는지식경제부중장기산업기술개발사업및 BK21 사업의지원으로수행되었습니다. 이에관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 1. A.G. Evans, J.W. Hutchinson, M.F. Ashby : Multifunctinality of Celluar Metal Systems, Progress in materials Science, Vol. 43 (1999), S.J. Na, J.S. Ahn, J.H. Kim : A study on 3-layer roll projection welding of large area, IIW Document III , X. Sun, P. Dong : Analysis of Aluminum Resistance Spot Welding Processes Using Coupled Finite Element Procedures, Welding Journal, 79 (2000), 215/s-221/s 4. Z. Feng, S. S. Babu, M. L. Santella, B. W. Riemer, H. E. Gould : An Incrementally Coupled Electrical- thermal-mechanical Model for Resistance Spot Welding, 5th International Conference on Trends in Welding Research, Pine Mountain, GA, June (1998), D. Richard, M. Fafard, R. Lacroix, P. Clery, Y. Maltais : Carbon to Cast Iron Electrical Contact Resistance Constitutive Model for Finite Element Analysis, Journal of Materials Processing Technology, 132 (2003), J.A. Khan, L. Xu, Y.J. Chao : Prediction of nugget development during resistance spot welding using coupled thermal-electrical-mechanical model, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 4 (1999), J.A. Greenwood : Br. J. Appl. Phys., 17 (1966), S.S. Babu, M.L. Santella, Z. Feng, B.W. Riemer, J.W. Cohron : Empirical model of effects of pressure and temperature on electrical contact resistance of metals, Science and Technology of Welding and Joining, Vol. 6 (2001),

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