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1 59 연구논문 다축제어를이용한모듈형조향장치하우징의레이저용접에관한연구 김종도 * 이창제 ** * 한국해양대학교해사대학기관스시템공학부 ** 한국해양대학교대학원 Study on Laser Welding of Automotive Modular Steering Gear Housing by using Multi-Axis Control Jung-Do Kim* and Chang-Je Lee** *Division of Marine System Engineering, Korea Maritime University, Busan , Korea **Graduates School, Korea Maritime University, Busan , Korea *Corresponding author : jdkim@hhu.ac.kr (Received July 31, 28 ; Revised October 22, 28 ; Accepted December 1, 28) Abstract Recently, automobile parts progress with modularization, which a great many allied products are modularized. Therefore, the purpose of this study is to develope modular housing for modularization of steering gear. Generally, steering gear housing is composed of valve housing and rack housing, it is important to combine two housings. However, housing having the pipe shape is very sensitive to welding distortion, and welding trajectory is very complicated. In order to solve this subject, cooperative control by using robots was constructed. Further, we developed the dedicated system to suit modular housing based on it, and applied laser welding to there. Moreover, welding speed was controlled in the rapid curve section so that the defect in trajectory of housing was reduced to obtain sound weldment. Accordingly, produced housing by this way is presented enough withstanding pressure to 1 kg / cm2, and roundness and straightness are measured about 1/1 and.9/1 respectively. Key Words : Modular housing, SAE12 steel, Cooperative control system, Dedicated system, Laser welding, Welding speed control, roundness 1. 서론 국내자동차산업의발전은부품소재산업의견인차역할을하고있다. 그러나자동차시장의경쟁이날로치열해지면서제품의품질및가격을동시에만족시키고자하는요구가날로높아지고있다. 이를위해각부품의모듈화가진행되었거나진행중 1,2) 이며, 조향장치또한시대적흐름에발맞추어모듈화가진행되고있다. 모듈화의시작은케이스나하우징등을일체화하는것이다. 따라서본연구에서는조향장치의모듈화를위해 모듈형하우징을제작 5,6) 하는목표를두고있다. 조향장치하우징은랙하우징 (rack housing) 과밸브하우징 (valve housing) 으로이루어져있으며, 기존에는각각을조립하여하나의제품을완성하였다. 그러나모듈화를위해서는두하우징을하나로통합할필요가있으며, 이때가장문제시되는것은하우징결합부의용접궤적이복잡하다는것과용접시발생하는변형 3,4) 이제품의품질에매우민감하게작용한다는것이다. 특히, 하우징의형상이구형 ( 球形 ) 이기때문에용접변형의제어가난해하며, 두하우징이직교하지않고일정각을가지고교차하기때문에용접궤적또한단순하지 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 63

2 6 김종도 이창제 않다 7). 이러한문제점을해결하기위해본연구에서는모듈형하우징에최적화된다축제어시스템과저변형용접이가능한레이저를시스템 8,9) 에적용하여시제품을제작함으로써모듈형하우징의제조에관한토대를마련하고자하였다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에사용된재료는절삭성과내마모성이뛰어난기계구조용강재인 SAE12강을사용하였다. SAE1xx강은일반적인경질용탄소강으로써망간 (Mn) 이최대 1.% 까지첨가된다. Table 1은실험에사용된 SAE12강의화학적조성을나타낸다. 실험에서사용한시편은비드용접시 mmt, 필릿용접시에는 mmt 의크기로각각재단하여실험을행하였다. 다음으로비드용접시와마찬가지로 SAE12을사용하여 Fig. 1과같이랙하우징과밸브하우징으로인발가공 (drawing) 하였다. 가공된랙하우징의길이는 54mm, 밸브하우징의길이는 11mm 였으며, 두하우징의직경은 5mm 로제작되었다. 특히, 두하우징의교차부는직교하지않고 76.3 의기울기를가지고결합되므로각교차점마다원주율이변화하여용접형상이매우복합한양상을띠게된다. 2.2 실험방법 실험에는 CW Nd:YAG레이저를열원으로사용하였으 Table 1 Chemical compositions of SAE12 steel Element Material C Si Mn P S Fe SAE bal. Rack housing Valve housing 76.3 Fig. 1 Schematic illustration of monolithic. housing Fig. 2 Schematic of the cooperative controlled robot system with laser heat source 며, 우선재료와열원간의기초물성을파악하기위해비드용접을실시한후, 이를바탕으로모듈형하우징의용접부와유사한필릿용접을실시하여적절한가공인자를도출하였다. 다음으로모듈형하우징의용접궤적의분석및시세품제작을위해 Fig. 2에서와같이두대의로봇을동기한협조제어시스템을구축하여모듈형하우징을제작한후, 이를바탕으로모듈형하우징에적합한전용시스템을구축하였다. 이후, 전용시스템으로제작된모듈형하우징은 3차원스캐너를이용하여진원도 (roundness) 및직진도 (straightness) 를평가하였다. 3.1 비드용접특성 3. 실험결과및고찰 CW Nd:YAG레이저용접의주요가공인자인비초점거리 (f d ), 출력 (P) 및용접속도 (v) 에따른용입특성을검토하였다. 우선키홀이형성되는조건에서비초점거리에따른용입특성의분석결과, 초점거리에따른영향이크지않아실험은초점에서실시하였다. 다음으로출력및용접속도변화에따른용입특성을 Fig. 3에나타낸다. 출력은 1.kW 에서 2.kW 까지.5kW 간격으로하였으며, 용접속도 2mm/min 에서 5mm/min 까지 5mm/min의간격으로용접을실시하였다. 용입깊이의변화는 Fig. 3(a) 에서보듯이 1.kW 에서는속도와관계없이 2,μm였다. 1.5kW 에서는 3mm/min이하에서모두완전용입이되었으며, 35mm/min 부터 5mm/min 까지는약 2,8μm의용입을얻었다. 또한그래프에는표기하지않았지만 2.kW 에서는모두완전용입용접이되었다. 64 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28

3 다축제어를이용한모듈형조향장치하우징의레이저용접에관한연구 61 Penetration depth, D p ( μm ) Bead width, W b( μm ) Fig kW 1.5kW 2.kW Welding speed,ν(mm/min) (a) Penetration depth, D p( μm ) cd = mm ν = 5 mm/min, Shield gas: Ar (2 l/min) 1.kW 1.5kW 2.kW Welding speed,ν(mm/min) (b) Bead width, W b( μm ) Effects of power(p) and welding speed(ν) on bead size in bead welding 비드폭은 Fig. 3(b) 에서와같이 1.kW와 1.5kW 의경우에는 3~35mm/min 까지비드폭이서서히증가하였다. 또한 2.kW 에서는약 2,7μm의균일한비드폭을나타냈는데, 이는관통용접에의한영향으로판단된다. 따라서모듈형하우징의두께및형상을고려하여출력은 1.5kW, 용접속도는 5mm/min을선정하였다. 3.2 필릿용접특성 필릿용접은모듈형하우징의결합부와매우유사한형상으로판단되어실제적용을위한용접조건을도출하는데이용하였다. 필릿용접조건은비드용접에서얻어진결과를적용하였으며, 레이저필릿용접의주요가공인자인조사빔의입사각 (α) 과필릿루트부 (fillet root) 의간격 (l) 에대한용입특성을검토하였다. 필릿용접시모재와집광광학계헤드의각도 (α) 는 18 에서 45 까지 3 씩변화시켰다. 그리고필릿루트부와빔스폿과의간격 (l) 은 ~ 1,4μm까지 2μm씩증가시키면서용접을실시하였다. 필릿용접시조사각에따른용입특성은 Fig. 4에서보듯이조사각이 3 를넘어서면접합길이가비드폭보다작아졌으며, 18 에서최대약 2,5μm의접합길이를얻을수있었다. 그러나 18 에서는비드의외관에언더필과같은결함이종종발견되어, 약 2,3μm의접합길이를나타내는 21 ~27 의중간값인 24 를조사각으로선정하였다. 다음으로레이저빔의조사위치를필릿루트부에서 2μm간격으로 1,4μm까지이동시켰을때의용입특성을 Fig. 5에나타낸다. 필릿루트부와레이저빔의조사간격이멀어질수록접합길이는증가하였으며, 1,2μm를벗어나면용접비드가필릿의루트부를벗어나기때문이다. 그러므로경계값이 1,2μm보다비슷한접합길이를갖는 8μm ~ 1,2μm사이의중간값인 1,μm를필릿루트부와레이저빔과의조사간격으로선정하였다. Bead width, W b ( μm ) Joining length, L j ( μm ) P =1.5kW, f d = mm ν= 5mm/min, Shield gas: Ar (2 l/min) Bead width Joining length L j Angle of optic head Fig. 4 Welding properties with irradiation angle of laser beam in fillet welding Bead width, W b ( μm ) Joining length, L j ( μm ) f d P=1.5kW, = mm, α=24 ν= 5mm/min, Shield gas: Ar (2 l/min) Bead width Joining length L aser b eam Distance Clearance from root, I ( μm ) Fig. 5 Welding properties with clearance from fillet root in laser fillet welding 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 65

4 62 김종도 이창제 3.3 모듈형하우징의용접시스템구축 모듈형하우징은기존에생산되고있는제품과는달리 Fig. 6에나타낸것과같이피니언기어 (pinion gear) 와랙기어 (rack gear) 의기어이 (gear tooth) 물림이 76.3 로일정각을이루고있기때문에, 기어를지지하는밸브하우징과랙하우징의형상이제품의설계상직교하지않고 76.3 의기울기를갖는다. 따라서, 하우징간결합부의원주길이가위치마다달라용접선의궤적이매우복잡한형상을가지고있다. 이는직선이송이나단순회전운동을하는기존의전용지그로는모듈형하우징의용접이어렵하는것을뜻한다. 때문에 Fig. 2에나타낸것과같이두대의로봇을이용하여가공품이나용접기에상당한자유도를부여함으로써위치별로다른원주길이를추종할수있게협조제어시스템을구현하였다. 그결과 Fig. 6과같은용접궤적을추종할수있었다. 그러나이러한시스템은구축비용이고가일뿐만아니라, 제품의형상에따른로봇의교시 (teaching) 가어려워높은숙련도가요구된다. 이는실제제품의적용시설계변경에따른로봇제어의어려움으로현장의적용에많은어려움이따른다. 따라서, 이러한문제를해결하기위해모듈형하우징에최적화된전용시스템을구축하였다. 특히, 모듈형하우징용전용시스템은이미협조제어시스템에서확인한용접궤적을기준으로각축의운동성을검토 적용하여설계하였다. 전용시스템은각축별로직선이송및회전운동성을부여하였으며, Fig. 7에서나타낸것과같이용접축 Pinion gear Welding Jig Head transfer Head rotation Jig rotation Welding Jig Head lift Jig transfer Fig. 7 Setup of dedicated system for modular housing (welding ) 과지그축 (jig ) 으로나누어져있다. 용접축은용접헤드회전축 (head rotation ), 승각축 (head lift ) 및이송축 (head transfer ) 의총 3 축으로이루어져있으며, 지그축은하우징이송축 (jig transfer ) 과회전축 (jig rotation ) 으로구성되어있다. 그리고선반형 (shelf type) 으로용접시용접헤드가피용접재에대하여항상아래보기자세 (flat position) 를유지하도록하였다. 이렇게조합된축으로용접헤드의 3 차원원주용접이가능하였다. 이는협조제어시스템이두대의로봇에의해총 12 축을갖고있는데반해이를바탕으로새로이구성한전용시스템은 5축만을가지도록효율적으로설계하였다. 따라서제어해야할축이반수이상으로감소되어오퍼레이터의운용부담이다소해소될수있으며, 기기의정비또한효율적으로이루어질수있다. 이러한전용시스템의하우징용접시각축의이동경로는 Fig. 8에나태난것과같이 4축만으로용접이가능하였으며, 위빙 (weaving) 을하지않을경우에는헤드승강축을사용하지않기때문에 3축만으로도용접이가능하였다. Rack gear 76.3deg Welding trajectory Fig. 6 Inner structure and welding trajectory of modular housing Transfer distance of, mm 3,6 3,2 2,8 2,4 2, 1,6 1,2 8 4 Head rotation Head lift Jig rotation Jig transfer Teaching order number Fig. 8 Moving path with each in housing welding 8 4 Angle of rotation, deg 66 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28

5 다축제어를이용한모듈형조향장치하우징의레이저용접에관한연구 63 각축별이동경로값은용접헤드회전축이종료시까지 36 를회전하며, 지그회전축은 8 ~27 를반회전한다. 용접헤드승각축은제품의특성상 85mm의높이에서초점위치에고정되며, 지그이송축은 73~ 15mm를왕복하면서하우징의용접궤적을추종하도록하였다. 또한, teach-in 방식인본시스템은총 164 point 의 teaching point로용접궤적을추종할수있었다. 3.4 모듈형하우징의용접특성 전용시스템과레이저에의해용접된모듈형하우징은 Fig. 9에서보듯이접합부의주요부위를 8구간으로나누어서분석하였다. 모듈형하우징의레이저용접은에너지가집속되기때문에용접궤적에따른비드의제어가용이하지않다. 특히, 곡률반경이급격하게변하는 2, 4, 6 및 8의급커브구간에서는 Fig. 1에나타낸것과같이집광헤드의원주이동에대해레이저빔의초점은원주의중심축부근에있기때문에열축적에의한결함이발생하기쉽다. 따라서이러한커브에서는레이저파워나용접속도등을제어하지않으면험핑이나천공등과같은결함이유발된다. 특히, 결함이발생된부분은백비드 (back bead) 가형성되어제품의품질에많은영향을미칠수있다. 따라서레이저용접시곡률반경이급격히변하는커브구간의처리가매우중요하다. 우선전구간을동일한조건으로용접하였을경우에 Fig. 9 Measuring position of weldment in modular housing welding Sudden radius of curvature 2 4 Fig. 1 Effect of sudden radius of curvature in laser welding 는 Fig. 11에서보듯이원주용접이되는 1, 3, 5 및 7부분에서는별다른결함을발견하기어려우나, 곡률반경이급격하게변하는 2, 4, 6 및 8의급커브구간에서는험핑비드가관찰되었다. 또한, 단면사진에서보듯이 2, 4, 6 및 8의급커브구간은집광헤드의원주이동에의한과대입열로비드의관통도관찰된다. 따라서모듈형하우징의레이저용접시급커브구간이있는밸브하우징교차부의입열제어는건전한용접부를얻기위한중요한제어인자로판단된다. 따라서밸브하우징교차부의입열제어를위해전용시스템과레이저를동기하여용접속도를제어하였다. 용접속도의제어는 Fig. 12에서와같이 2, 4, 6 및 8구간에서의용접속도를 v=5~9mm/min 까지증속및감속을반복하였다. 이렇게형상에의해입열이축적되는하우징교차부는 Fig. 13에서보듯이용접속도의제어에의해서입열을제어함으로써건전한비드를얻을수있었다. 또한내부에작동부를고려하여부분용입이되도록하였다. 8 6 Measured position Photo Bead appear. 4mm Cross section 2mm Fig. 11 Bead appearance and cross section of weldment in housing welding 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 67

6 64 김종도 이창제 Hydraulic jack Pressure gauge 2 3 (a) Welding section 4 Digital indicator v (mm/min) mm (b) Various welding speed Fig. 12 Welding speed control in housing welding by using dedicated system Measured position Photo Rack housing (a) Setup of pressure test Weld 4mm 2mm 6mm (b) Measuring position of deformation Fig. 14 Experiment setup and measuring position in pressure test Bead appear. Cross section Fig. 13 Weldment of rapid curve section in welding speed control 유압식동력조향장치하우징의작동압력은약 25kg / cm2이며, 최대허용압력은 32.5kg / cm2으로설계되어있다. 때문에하우징의용접부또한설계압력을견딜수있는강도가요구된다. 이에따라, 본연구에서는용접된하우징의압력시험을실시하여, 용접부의누설정도및최대허용압력을측정하였다. 실험은제작된하우징을밀폐한후압력을가하면서압력에따른하우징외경의변화정도및누설을측정하였다. 압력에따른외경변화의측정위치는 Fig. 14에나타낸것과같이용접부에서 2mm 간격으로 6mm 까지측정하였다. 측정결과는 Fig. 15에서와같이작동압력인 25 kg / cm2에서는약 1μm정도의부피팽창을보였으며, 설계상의최대허용압력인 32.5kg / cm2에서는약 3μm정도의변형이측정되었다. 다음으로용접부의최대허용압력을측정하기위해지속적으로압력을증가시켰다. 그결과모재는 4kg / cm2부터서서히부피가팽창하기시작하여실험을위해설치한압력시험기의최대값인 1kg / cm2에서 4mm 2mm Deformation volume, μm Working pressure Weld 2mm from weld 4mm " 6mm " Target pressure Pressure, kg/cm 2 Fig. 15 Deformation of housing with various pressure 는약 38μm정도의변형이측정되었으며, 용접부는약 17μm정도의변형을나타냈다. 또한압력시험기의최대측정압력인 1kg / cm2까지누설없이충분한내압력을보여주었다. 이러한압력변화에따른모재와용접부간의변형량차이는 Fig. 16에나타낸것과같이용접부형상에기인한구속과경도차에따른것으로판단된다. 그러나경도분포에서보듯이용접부는전형적인레이저용접부의경도특성을나타내는데, 용접부의경도가모재대비약 6Hv 정도높으나그폭이매우좁고 HAZ부가작아서압력에따른응력차로용접부가파괴될가능성은희박한것으로사료된다. 또한, 실제작동환경인 25kg / cm2에서는변형률의차이가 1μm이하로매우작기때문에압력에의한변형정도는무시해도될것으로판단된다. 68 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28

7 다축제어를이용한모듈형조향장치하우징의레이저용접에관한연구 65 8mm 9mm Valve Housing Rack Housing Measuring course Fig. 17 Measuring position of roundness 35 (a) Measuring position Measured position Roundness 8mm from rack housing edge 9mm from rack housing edge Load=5g 3 Hardness, Hv Base metal HAZ Weld HAZ Distance, (mm) (b) Hardness Base metal Roundness profile 12/1 3/1 Fig. 18 Roundness of housing in laser welding Fig. 16 Hardness distribution of weldment.3 모듈형하우징은내부유압피스톤의실린더역할을겸하고있기때문에하우징의진원도및직진도에따라오링 (o-ring) 등과같은습동부 (sliding apparatus) 의마모수명이결정되므로, 하우징의진원도및직진도는제품의품질평가에있어서매우중요한요소이다. 따라서, 본연구에서는진원도 ±15/1 그리고직진도 ±2/1 를목표로하여용접전과후의변형량차이를 3D 스캐너로측정하였다. 진원도는 Fig. 17에나타낸것과같이밸브하우징의용접부끝단으로부터 8mm와 9mm의위치에서용접부의진원도를측정하였다. 용접전 8mm와 9mm 위치에서의진원도는 5/1 였으나, Fig. 18에서와같이용접후 8mm는 12/1, 9mm 는 3/1의진원도가각각측정되었다. 또한직진도도 Fig. 19에서보듯이용접전 후의측정값은약.9/1로나타나, 용접전의변형값보다약 1배이하의극히미미한변형량을나타냈다. 이는레이저용접이하우징의변형에미치는영향이거의없다는것을의미한다. Straightness, (mm).2.1. Before After Welding process Fig. 19 Straightness of housing in laser welding 4. 결론 조향장치하우징의모듈화를위한연구는아직까지보고된사례가전무한실정이다. 또한하우징용접의대부분은아크용접에의존하고있어용접변형에많은문제를격고있다. 이와같은문제를해결하기위해전용시스템의구축및레이저용접을적용함으로써용접부의품질및변형을획기적으로개선할수있었다. 이러한연구결과를정리하면다음과같다. 1) 모듈형하우징의결합부는 76.3 의기울기를가지고있기때문에각교차점에서의곡률반경이상이하므로협조제어시스템으로용접궤적을추종한후그에따른특성을평가하였다. 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 69

8 66 김종도 이창제 2) 협조제어시스템에서얻어진용접궤적의특성을바탕으로전용시스템은직교하는회전축을갖는총 5 축의장치로구현하였다. 3) 하우징의레이저용접시급격한곡률반경변화에따른입열의축적으로결함이발생하기쉬운급커브구간은전용시스템의용접속도제어로결함을제어할수있었다. 4) 전용시스템으로제작된하우징은 1kg / cm2에서도충분한내압력을보여주었으며, 최대허용압력인 32.5kg / cm2에서압력에따른치수변화가 3μm로매우미미하였다. 5) 레이저용접된하우징의진원도및직진도는약 1/1과.9/1로변형이매우적은용접품질을나타내므로, 실제적용시매우우수한결과를얻을것으로기대된다. 후기 본연구는산업자원부지역산업중점기술개발사업 ( 과제번호 :118271) 의지원으로수행되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 2. Ki-Chan Kim : Empirical Study on the Modurization and its Effects in the Automobile Industry, Journal of Commodity Science&Technology, Vol.3(23), Kyung-Ho Jang, Sung-Chul Yang and Hung-Woong Park : The Deformation Generated by Multi-Pass Welding in Steel Pipe, Proceeding of 21 Annual Meeting of KWS, Vol.1, (in korean) 4. Jee-Seok Wang : A Study on the Stress and the Strain in Welding of Pipe, Lournal of KSME, 4-2, 63-69(in korean) 5. Jong-Do Kim and Chang-Je Lee : A Study on Welding Distiortion in Processing of Modular Steering Gear Housing for Automobile(Ⅰ), Proceeding of 26 Spring Annual Meeting of KWS, 53-55(in korean) 6. Jong-Do Kim and Chang-Je Lee : A Study on Welding Distiortion in Processing of Modular Steering Gear Housing for Automobile(Ⅱ), Proceeding of 26 Autumn Annual Meeting of KWS, (in korean) 7. Jong-Do Kim and Chang-Je Lee : A Study on Welding Distiortion in Processing of Modular Steering Gear Housing for Automobile(Ⅲ), Abstracts of 28 Spring Annual Meeting of KWS, 41(in korean) 8. Kyoung-Don Lee : 3D Laser welding and System Technology for Frame Structure, KOSEF(22)(in korean) 9. Hee-Shin Kang and Jeong Suh : Development of 3D Laser welding system, Abstracts of 25 Spring Annual Meeting of KSPE, 41(in korean) 1. Wan-Suk Yoo : Automotive Manufacturing Technology Module Assembly in Automotive Industries, Transaction of the KSAE, 24-4(22),14-21(in korean) 61 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28