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1 9 연구논문 레이저용접에의한박판구조물의용접변형해석에관한연구 김충기 * 김재웅 ** 김기철 *** * 영남대학교대학원 ** 영남대학교기계공학부 *** 포항산업과학연구원 A Study on the Distortion of a Thin Plate Panel by Laser Welding Choong-Gi Kim*, Jae-Woong Km** and Ki-Chul Kim*** *Dep. of Mechanical Eng., Graduate School of Yeungnam University, Kyung-san 71-79, Korea **School of Mechanical Engineering, Yeungnam University, Kyung-san 71-79, Korea ***Research Institute of Industrial Science and Technology, Pohang, Korea Abstract Prediction and control of the thermal distortion is particularly important for the design and manufacture of welded thin plate panel. In this study, experiments and computations are performed to analyze effect of a hole configuration and a specimen size on distortion. In addition, this study aims to develop a thermal elasto-plastic simulation using finite element method to predict distortion, with particular emphasis on buckling deformation generated in plates welded around hole. From the experiments, the severe distortion appeared in the weldments by the laser welding process, in which the specimen size plays an important role on the distortion but the hole configuration showed little effect. And the results of numerical analysis were corresponded well with the experiment ones. Thus, a thermal elasto-plastic analysis model for predicting the weld distortion of thin plate panel was successfully developed through this study. * Corresponding author : jaekim@yu.ac.kr (Received October 3, ) Key Words : Laser welding, Thin plate panel, Thermal distortion, Buckling deformation, Finite element method 1. 서론 박판구조물은자동차, 항공우주산업등많은분야에서사용되고있다. 최근소형화, 경량화를위해그사용이증가되고있는추세이다. 이러한박판구조물을접합하는데있어서근래레이저용접의적용이종종검토되고있다. 레이저용접은열영향부가작고, 냉각속도가빠르므로변형이작게발생된다. 또한고속용접이가능하며먼거리에너지전달이가능한장점도있다. 그러나고밀도에너지용접은용접부의냉각속도와온도구배가매우커서취성조직과구배가큰잔류응력 을형성할수도있다. 구조물의용접시온도의불균일로인해용접변형이발생되는데이는구조물의외관을해치고좌굴강도를저하시키며형상오차를유발하여생산성을저하시키므로최근구조물제조분야에서중요한문제로대두되고있다. 이러한용접변형을예측하여설계에반영하거나변형을제어함으로써막대한비용을절감할수있으므로용접변형의예측에관한많은연구들이수행되어왔다. 그러나용접은복잡한열탄소성과정을겪게되므로이론해석해를구하기가매우어렵다. 이러한어려움때문에수치적방법으로유한요소해석을통한열탄소성시뮬레이션이시도되어왔다 1). 大韓熔接 接合學會誌第 5 卷第 1 號, 7 年 月 9

2 (c)(d)(e)(f김충기 김재웅 김기철 5 용접변형을수치해석하기위해서는 3차원해석을해야하지만 3차원해석은계산시간이과도하게소요되어비효율적이므로과거에는주로단순화된 차원해석이수행되었다. 그러나근래컴퓨터의성능이좋아짐에따라점차적으로 3차원해석이시도되고있다 ). 면외변형은횡수축에의한각변형과종수축에의한좌굴변형으로나눌수있는데각변형은구조물의두께방향으로온도분포의불균일로인해발생한다. 구조물이박판이될수록두께방향으로의온도차이는줄어들게되고좌굴에대한저항성이떨어지므로박판구조물의용접시좌굴변형에비해각변형은매우작아서무시할수있다 3,). 이러한가정은 3차원쉘요소를사용할수있게한다. P.Michaleris 5,) 등은 차원해석을통해열응력을구하고이를 3차원쉘요소에하중으로가하여좌굴변형을예측하였다. 지금까지용접변형에대한연구는주로직선용접의경우에대해서이루어져왔다. 그러나레이저용접은다양하고복잡한구조물에도사용되고있다. 예를들면, 연료전지의제작시매니폴더구멍주위를용접해야한다. Fig. 1은발전용연료전지의분리판을나타낸것으로 3 장의스테인리스박판으로구성되는용접구조물이다. 3 장의박판을레이저용접으로접합하는데이때좌굴변형이심각하게발생된다. 단위전지를많이적층할수록연료전지의출력이좋아지는데분리판의레이저용접시발생되는변형으로인해적층과정에어려움을겪고있는실정이다. 본연구에서는시편크기의변화와매니폴더구멍의형상이용접변형에미치는영향을해석하기위한기초연구로써단순화한시편을설계제작하였으며, 레이저용접을시행한후변형량을측정하여실험적인해석을수행하였다. 또한각종용접공정인자들의영향을해석하기위해 3차원유한요소모델을구축하였다. 이렇게구축한수치해석모델은향후용접공정변수의최적조건선정, 용접지그설계및분리판설계의자료제공을위한 (기초수단으로활용할수있을것으로기대된다..1 용접모델 a). 용접실험 본연구의최종대상물인연료전지의분리판은 Fig. 1 과같이 1개의매니폴더구멍을가지고있다. 이매니폴더구멍은연료가스의입출구역할을하는것으로가장자리를밀폐용접하는것이요구된다. 즉, 3장으로구성된박판의외곽용접과아울러 장씩겹쳐지는각각의매니폴더구멍주위를순차적으로용접하여분리판을제작하게된다. 여기서선진개발된분리판의경우매니폴더의구멍형상이타원형과사다리꼴형인경우가조사되었다. 여러개의매니폴더구멍을순차적으로용접하므로우선하나의매니폴더구멍에대한변형메카니즘을해석하는것이필요하다. 용접변형의형태와변형량을분석하고용접변형에미치는제인자들의영향을해석하기위한수치해석방법의개발을위해, 실험모델로 Fig. 와같은시편형상을선정하였다. 분리판을개발하는현단계에서매니폴더구멍형상이용접변형에미치는영향을예측코자하며, 매니폴더구멍형상에따른용접변형을분석함에있어서자체구속조건인용접시편의크기를고려하였다. 두가지구멍형상설계에있어서연료가스유량유속을고려하여동일한면적을적용하였다. 시편 a, 시편 c, 시편 e 는서로같은크기의타원형매니폴더구멍을가진시편이고시편 b, 시편 d, 시편 f는서로같은크기의사다리꼴매니폴더구멍을가진시편으로이들의비교를통해매니폴더구멍형상이용접변형에어떠한영향을주는지알아보고자하였다. 또한시편 a, 시편 c, 시편 e 를비교하여시편의크기에따른변형양상을실험을통해비교하여시편의크기가용접변형에미치는영향을확인하였다. (b))fig. Specimen model for welding experiment Fig. 1 A separator of fuel cell for electric power 5 Journal of KWJS, Vol. 5, No. 1, February, 7

3 레이저용접에의한박판구조물의용접변형해석에관한연구 51. 실험방법 STS 31 재질의용접시편의두께는. mm이고, 매겹치기시편에대해 W의 Nd:YAG 레이저를열원으로용접을실시하였으며, 용접시편을고정시키기위해구멍주변을구속할수있도록타원형및사다리꼴의클램프를포함하는지그를설계제작하여사용하였다. 용접후충분히냉각된후에지그를탈착하여용접시편을탈취하였다. Fig. 3에서는용접되는부위를도식으로나타내었으며, Fig. 는용접후변형된시편의사진이다. 시편전체가비틀린모양의좌굴형변형이발생하였고, 모든시편이비슷한변형형태를나타내었다. 3차원측정기를이용하여구멍형상에상관없이각시편에대해 Fig. 5와같은직선부에서일정한간격으로높이방향좌표값을측정하였다. 시편외곽부근처에서세로방향 (length) 의두변과가로방향 (width) 의두변을측정하였다..3 실험결과및검토 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Fig. Deformed specimen after welding 용접한시편에대해 3차원측정기로측정한결과를 Fig. 와 Fig. 7에나타내었다. Fig. (a) 는시편 a와시편 b의변형모습인데매니폴더구멍주위를레이저용접했을때의전형적인변형양상을잘보여준다. 좌굴의모드에있어서중간위치를기준으로좌우대칭인경우를제 1모드, 중간점을기준으로 18 회전대칭인경우를제 모드의좌굴이라분류할수있다. Fig. (a) 에나타 Fig. 5 Measuring location weld line (3mm from hole) Fig. 3 Weld line of specimen 낸측정결과를보면변의중간점을기준으로 18 회전대칭인제 모드의좌굴이네변에서각각발생되었고, 또한 차원적인힘을받기때문에서로의간섭이작용하여비틀린형태의변형이발생되었다. Fig. 에서는매니폴더구멍형상에따른변형을각시편의크기별로비교하였다. 타원형구멍의시편과사다리꼴구멍시편의변형이형태와크기면에있어서모두비슷한결과를보였으나, 세밀하게살펴보면사다리꼴구멍시편에서의최대변형량이약간작은것을확인할수있다. Fig. 7은시편a와시편c, 그리고시편e를비교한그 大韓熔接 接合學會誌第 5 卷第 1 號, 7 年 月 51

4 5 김충기 김재웅 김기철 w1(ellipsoid) w1(trapezoid) w(ellipsoid) w(trapezoid) length(y), mm (a) Specimen a and b (a) Lengthwise(L1) distortion w1(ellipsoid) w1(trapezoid) w(ellipsoid) w(trapezoid) (b) Specimen c and d length(y), mm (b) Lengthwise(L) distortion w1(ellipsoid) w1(trapezoid) w(ellipsoid) w(trapezoid) (c) Specimen e and f Fig. Distortion according to the hole shape (c) Widthwise(w1) distortion 래프이다. 즉, 타원형이며동일한크기인매니폴더구멍에대해시편의크기가다를때의용접변형의차이를나타낸것이다. 여기서측정값의기준위치는중심축과구멍가장자리의교점으로하였다. 직사각형이정사각형에비해세로변의변형은작아지고가로변의변형은커진다. 또한시편의크기가커짐에따라세로변은변형이완만해지는데가로변은변형이심해지는것으로사료된다. Fig. 7(a),(b) 에서는시편a에비해시편c의 L1은완만하고, L는제 1모드의좌굴형상을나타내므로정사각형시편에비해직사각형시편의세로변의변형이작아진것을보여주고있다. 또한시편c에비해시편e의세로변의변형이완만해진것을볼수있다. Fig. 7(c),(d) 에서는시편의크기가커질때세장비가커짐으 (d) Widthwise(w) distortion Fig. 7 Distortion according to the specimen size 로인한좌굴모드의진전이발생하지않고변형량이포화된것을볼수있다. 이는자체구속의효과로인해변형이더이상일어나지않은결과라고사료된다. 5 Journal of KWJS, Vol. 5, No. 1, February, 7

5 레이저용접에의한박판구조물의용접변형해석에관한연구 열탄소성시뮬레이션 Fig. 8은시편a 의유한요소모델이다. 열원이곡선을따라이동을하므로용접방향으로준평형상태를가정한다하더라도열하중이 자유도를가진다. 따라서 차원해석을적용할수없으며, 입체적 (3차원) 변형량을예측하기위해서는 3차원해석모델이필요하다. 이러한점을감안하여본연구에서는 3차원쉘요소를사용하여해석모델을구성하였으며. 박판용접이고완전용입조건을적용하기때문에두께방향으로의온도변화가거의없으므로각변형은무시하고좌굴변형만을고려하고자한다. 3.1 열탄소성해석모델상용유한요소프로그램을사용하여 3차원비선형열탄소성해석을수행하였다. staggered method 를적용한연성해석을하였다. Fig. 8은해석모델a의요소분할로 39개의절점과 31개의 thin shell 각형요소로구성되었다. 용접과정에서발생되는열원은 Goldak 7) 의이중타구형모델이이동열원으로사용되었다. 여기서레이저빔의유효직경.8mm 에상응하는열원모델을적용하였다. 복사와대류경계조건은모든자유표면에부가하였고방사율은.로하였다 ). 온도에의존적인재료물성치로 Fig. 9(a) 는열전도도와비열을나타내고 8), Fig. 9(b) 는열팽창계수와탄성계수 8), 그리고항복응력을나타내고있다 ). 잠열은, 밀도는 으로하였으며 ), 변형해석시구멍주위를따라기계적구속을가하였다. k(w/m/ ) σ y (MPa) c p ( J/kg/ ) α(1/ ) k Temparature (a) Thermal conductivity and, specific heat.1e-5.e-5 1.9e-5 1.8e-5 1.7e-5 1.e-5 1.5e-5 1.e-5 E(MPa ).e+5.e+5 1.8e+5 1.e+5 1.e+5 1.e+5 1.e+5 8.e+.e Temperature( ) (b) Young's modulus, thermal expansion and yield strength Fig. 9 Temperature dependent material properties (a) at 1sec σ y c p α E (b) at sec Fig. 1 Temperature distribution contour line 3. 온도분포해석결과이동열원에의한온도분포해석결과를 Fig. 1에나타내었다. 각각의그림은용접시작후 1초, 초시점에서의시편의온도분포를나타낸다. 용접이진행됨에따라서누적된용접입열에너지가시편을통해확 산되고있는것을볼수있다. Fig. 11은레이저빔이조사된위치 (CL) 와그로부터 mm, 5 mm, 1 mm 떨어진위치에서의시간에따른온도이력을나타낸다. 레이저빔이조사된위치에서는약 까지급격하게상승하였다가냉각되는것을볼수있다. 그러나약 1 mm 떨어진위치에서는온도의상승이거의없는것을볼수있다. 3.3 용접변형해석결과및검토 Fig. 8 Finite element model Fig. 1는시편a 와시편b에대한 3차원열탄소성해석의결과를나타낸것으로좌굴형변형에의해비틀린형상을잘보여준다. 앞서설명한바와같이좌굴의형태는그변형의양상에따라각종모드로분류할수있으며, 수치해석결과는실험결과와같은제 모드의좌 大韓熔接 接合學會誌第 5 卷第 1 號, 7 年 月 53

6 5 김충기 김재웅 김기철 Temparature ( ) Time(s) Fig. 11 Temperature history on the vicinity of CL mm from CL 5mm from CL 1mm from CL (a) Specimen with ellipsoid (b) Specimen with trapezoid -hole -hole Fig. 1 Distorted shape of specimen welds 굴형태변형을나타내었다. Fig. 13은시편a와시편b의용접변형에대한실험에의한측정값과수치해석에의한계산값을비교한것이다. 두가지의변형분포및크기가서로잘일치하는것을볼수있다. 다른크기의시편들도잘일치하였다. 따라서본수치해석모델은실제의현상을잘모사할수있음을보여주고있다. 유한요소해석결과를통해시편크기에따른변형양상도분석하였다. 실험에서와마찬가지로 Fig. 1(a) 에서는폭방향의길이가길어질수록, 다시말해용접부에서멀어질수록세로변의변형은줄어든다. 폭방향에서봤을경우변형량은차이가없으나시편중심에서약 1mm 이상떨어지게되면용접에의한변형에영향을받지않는것을볼수있다. 이는용접구조물자체의구속이작용하는것으로사료된다. 분리판의경우구멍과구멍이인접해있으므로하나의구멍에서의용접변형이다른구멍주위의변형에영향을끼칠수있는데구멍의용접순서나냉각시간이외에도치수형상이변형에영향을미치는것을예측할수있다 L1(experiment) L1(computation) L(experiment) L(computation) Length(Y), mm (a) Distortion of specimen a (lengthwise) (b) Distortion of specimen a (widthwise) w1(experiment) w1(computation) w(experiment) w(computation) L1(experiment) L1(computation) L(experiment) L(computation) w1(experiment) w1(computation) w(experiment) w(computation) Length(Y), mm (c) Distortion of specimen b (lengthwise) (d) Distortion of specimen b (widthwise) Fig. 13 Comparison between experiment and computation 5 Journal of KWJS, Vol. 5, No. 1, February, 7

7 레이저용접에의한박판구조물의용접변형해석에관한연구 Length(Y), mm (a) Specimen with ellipsoid hole(l) (b) Specimen with ellipsoid hole(w) b(square) d(rectangle) f(rectangle) b(square) d(rectangle) f(rectangle) Length(Y), mm (c) Specimen with trapezoid hole(l) (d) Specimen with trapezoid hole(w) Fig. 1 Computational distortion according to the specimen size. 결론 구멍이있는박판에서구멍주위를레이저용접할경우에대해용접변형실험과 3차원유한요소해석을수행한결과다음과같은결론을얻었다. 1) 내부에있는구멍형상이용접변형에미치는영향을확인하기위해타원형구멍과사다리꼴구멍에대해레이저용접을시행한결과사다리꼴구멍시편이타원형구멍시편보다변형이약간작게일어나는것을확인할수있었다. 그러나그차이가전체변형량에비해매우작으므로매니폴더구멍형상의변경이용접변형에거의영향을끼치지않는다고볼수있다. ) 동일한구멍크기에대해크기가다른시편을비교하였다. 세로변은용접부에서거리가멀어지는효과를나타내는것으로좌굴모드의변화가발생되는치수를찾을수있었고, 가로변의변형에서는열하중의영향에서벗어남으로인해변형이더이상일어나지않고자체구속효과로나타남을알수있다. 3) 매니폴더구멍형상에따른용접시편에대한 3차원수치해석모델을사용하여실험치와비교를한결과 그경향이잘일치하는것을확인할수있었다. 결과적으로용접공정및설계인자들에대한변형해석을수행할수있는수치해석모델을구축할수있었다. 후 기 본연구는산업자원부에너지- 자원기술개발사업에서용융탄산염연료전지 (MCFC) 개발과제의일환으로수행되었음. 참고문헌 1. L.E. Lindgren : Finite Element Modeling and Simulation of Welding Part 1: Increased Complexity, Journal of Thermal Stresses, (1), P. Mollicone, T. Comlekci, T.G.F. Gray, D. Camilleri: Simple Thermo-elastic-plastic Models for Welding Distortion Simulation, Journal of Materials Processing Technology, 3. C. Conrardy and R. Dull : Control of Distortion in Thin Ship Panels, Journal of Ship Production, 13 (1997), D. Camilleri, T. Comlekci, and T.G.F. Gray: Thermal 大韓熔接 接合學會誌第 5 卷第 1 號, 7 年 月 55

8 5 김충기 김재웅 김기철 Distortion of Stiffened Plate Due to Fillet Welds Computational and Experimental Investigation, Journal of Thermal Stresses, 9 (), P. Michaleris and A. Debiccari : A Predictive Technique for Buckling Analysis of Thin Section Panels Due to Welding, Journal of Ship Production, 1- (199), P. Michaleris and A. Debiccari : Prediction of Welding Distortion, Welding Research Supplement, 7- (1997), Welding Distortion, Welding Research Supplement, 7- (1997), J. Goldak, A. Chakravarti, and M.Bibby : A New Finite Element Model for Welding Heat Sources, Metallurgy Transactions B, 18B (198), Stahl_Eisen-Werkstoffblaetter(SEW) des Vereins Deutscher Eisenhuettenleute Verlag Stahleisen mbh, Duesseldorf, Journal of KWJS, Vol. 5, No. 1, February, 7