79 연구논문 박판재변형의가열교정에서가열면적의영향 박준형 * 김재웅 ** 김기철 *** 전중환 *** * 영남대학교대학원기계공학과 ** 영남대학교공과대학기계공학부 *** 포항산업과학연구원 Effects of Heating Conditions in the Straightening of Sheet Metal Distortion Jun-Hyoung Park*, Jae-Woong Kim**, Ki-Chul Kim*** and Joong-Hwan Jun*** *Dept. of Mechanical Engineering, Graduate School of Yeungnam University, Kyongsan 712-749, Korea **School of Mechanical Engineering, Yeungnam University, Kyongsan 712-749, Korea ***Research Institute of Industrial Science and Technology, Pohang 79-33, Korea *Corresponding author ; jaekim@yu.ac.kr (Received May 19, 28 ; Revised June 1, 28 ; Accepted June 23 28) Abstract Use of sheet metal structure is increased in various fields such as automobile, aerospace and communication equipment industry. When this structure is welded, welding distortion is generated due to the nonuniformity of temperature distribution. Recently welding distortion becomes a matter of great importance in the structure manufacture industry because it deteriorates the product s quality by bringing about shape error. Accordingly many studies for solving the problems by controlling the welding distortion are being performed. However, it is difficult to remove all kinds of distortion by welding process, though various kinds of methods for reducing distortion are applied to production. Consequently, straightening process is operated if the high precision quality is requested after welding. The local heating method induces compression plastic deformation by thermal expansion in the heating stage and then leaves constriction of length direction in the cooling stage. Accordingly, in the case of sheet metal structure, straightening effect is expected by heating for the part of distortion. This study includes numerical analysis of straightening effect by the local heating method in distortion comes from production of welded sheet metal structure. Particularly straightening effect followed by dimensions of heating area is analyzed according to the numerical analysis. The numerical analysis is performed by constructing 3-dimensional finite element model for.4mm stainless steel-sheet metal. Results of this study confirm that straightening effect changes as heating area increases and the optimum value of heating area that proves the maximum straightening effect exists Key Words : Thermal straightening, Weld distortion, Numerical analysis, Finite element method(fem), Sheet metal 1. 서론 박판구조물은자동차, 항공우주, 전자통신장비산업 등많은분야에서사용이증가되고있다. 이러한박판구조물을제작하는데있어서근래레이저용접이종종적용되고있다. 레이저용접은입열량이적으므로변형이적게발생하며, 열영향부가좁고, 또한고속용접이 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 28 年 8 月 389
8 박준형 김재웅 김기철 전중환 가능하며먼거리에너지전달이가능한장점도있다. 이러한장점으로인해레이저용접은고비용공정이지만고품질용접이요구되는경우에적용이확대되고있다. 그러나구조물의용접시온도분포의불균일로인해용접변형이발생되는데이는구조물의외관을해치고좌굴강도를저하시키며형상오차를유발하여제품의품질을저하시키므로최근구조물제조분야에서중요한문제로대두되고있다 1,2). 따라서용접변형을제어함으로써최소화하기위한많은연구들이수행되어왔다. 이러한노력을통해용접변형을감소시킬수있으나추가적으로높은정밀도가요구되는제품의경우에는용접후교정 (straightening) 을시행함으로써요구품질을맞추게된다. Fig. 1은발전용연료전지에사용되는분리판의제작에서용접조립후생성된변형을보여주고있다. 이좌굴형 ( 파형 ) 변형은용접부의수축에따라용접부사이및가장자리에서생성되는변형이다. 분리판은단위전지간에설치되는것으로이를많이적층할수록연료전지의출력이향상된다. 그러나용접후변형은단위전지의적층을어렵게하므로이에대한대책이요망된다. 3) 이와같이용접변형을줄이기위해서용접조립을할때변형에대한강성을최대로할수있는형상으로설계하는방법, 용접순서제어법, 입열량을최소화하는방법, 그리고역변형을인가하여용접하는방법등을들수있다. 하지만이러한방법들을적용하여도용접에의한모든변형을제거할수는없다. 따라서용접후정밀도를높이는것이요구되는경우교정 (straigh- tening) 작업을실시하게된다. 교정방법에는크게기계적교정방법과가열교정방법으로나눌수있다. 기계적교정법에는프레스가압법, 롤교정 (roll straightening) 방법을들수있으며, 가열교정법에는전체 ( 로내 ) 가열법과국부가열법을들수있다. 여기서 Fig. 1에나타낸것과같은박판재구조물의경우는국부가열법을적용함으로써변형을교정할수있다. 국부가열교정은가열단계에서는열팽창에의해압축 소성변형을유도하고냉각단계에서는길이방향의탄성수축이일어나도록하는것이다 4,5). 따라서박판재구조물의경우변형이유발된부분에가열을하여교정효과를기대할수있다. 본연구에서는박판에서의파상변형영역에국부가열함에따른교정효과를해석하고자한다. 특히가열면적의크기에따른교정효과를수치해석을통해분석한다..4 mm 두께의스테인리스강박판재를대상으로하며, 3차원유한요소모델을구축하여수치해석을수행하였다. 해석결과교정효과를극대화할수있는조건을제시하고자한다. 2. 수치해석모델링 Fig. 1에나타낸분리판의경우매니폴더구멍은연료가스의출입구로써밀폐성을가지도록번갈아용접하는데, 용접한구멍간거리를한주기로하는파상 (wave) 의탄성변형을보이고있다. 이파상변형영역에국부가열함으로써교정효과를기대할수있다. 가열교정에서조건에따라교정효과에는차이가있다. 가열조건에는가열속도 ( 또는입열파워밀도 ), 최고도달온도및가열면적을들수있다. 그러나여기서는가열면적이교정효과에미치는영향을분석하자한다. 따라서가열속도 ( 입열파워밀도 ) 는고주파유도가열법을통해얻을수있는값인 4 W/cm 2 로, 최고온도는 535 6), 최고온도에도달하기까지의가열시간은 3.65 초로고정하고해석하였다. 먼저기초자료를확보하기위해 Fig. 2에나타낸바와같이 3가지가열면적에대한교정효과를해석하고자한다. 전체면적을모두가열하는경 25 (a) Case 1 Heating area 12 L (b) Case 2 W L Fig. 1 Weld distortion in a separator of fuel cell (c) Case 3 Fig. 2 Heating area conditions 39 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 28
박판재변형의가열교정에서가열면적의영향 81 우 (case 1), 중간부분에전체폭에대해가열하는경우 (case 2), 그리고일부영역을가열하는경우 (case 3) 를모델로하였고, 재료는.4 mm 두께의스테인리스강판 (STS 31) 을적용하였다. 가열면적은가열길이 (L) 와가열폭 (W) 으로나타내었다. 수치해석모델에서 3차원솔리드 (solid) 요소를적용하였으며, 요소의형태는완전적분형육면체요소 (full intergration-hexadic) 를선택하였고노드의수는총 9898 개로구성하였다. 재료의온도의존물성치는선행연구에서와동일하게적용하였다 3,7). 수치해석모델에서가열코일의크기는가열면적에해당된다고가정하였다. 초기의변형을파상변형의일부분을대상으로모사하기위하여, 초기조건으로시편양단에대해중심부를 5.822 mm 높게탄성변형시켰으며, 경계조건으로는시편양끝단을높이방향 (z축) 으로구속하는조건을적용하였다. 좌표축은판재평면의길이방향중심선과폭방향중심선을각각 x, y축으로하고이들에대해수직방향을 z축으로하였다. 여기서탄성변형을유도하기위해양끝단을 x방향으로변위를일으켜변형을유발한다음 x방향의구속조건을적용하였다. 초기상태의수치해석모델은 Fig. 3에나타내었다. 가열면적을 (LxW) 로나타낸것이다. 교정효과는높이감소량을나타낸것으로막대의높이가양의값으로큰것이교정효과가큰것에해당한다. 그림에서와같이전체가열 (case 1) 의경우는오히려높이가증가하였으며, 폭전체를가열하는경우 (case 2) 에는교정효과가거의나타나지않았지만가열폭이좁은경우에대해서는교정효과가두드러지게나타난다. 전체가열을했을때와폭전체를가열했을경우는가해지는열에의해가열되는동안은자유팽창을하게되어압축소성변형이생성되지않고, 냉각을하는동안가장자리에서의냉각속도가약간빠른것으로인해수축이제지되어높이가오히려증가하거나약간의교정효과만이나타난다. 반면좁은폭을가열했을경우는가열되는동안가열부위가팽창이되면서압축소성변형을 Temperature( ) 6 Center 5 Edge 4 3 2 1 3.1 가열영역에따른교정효과 Fig. 4 에가열교정에의한교정효과를나타낸것으로, 5 1 15 2 Time(s) (a) case 1 and case 2 Temperature( ) 6 5 4 3 2 Center Edge 1 5 1 15 2 Fig. 3 Initial condition of numerical model.6.4.2 -.2 -.4 25 12 12 12 12 1 12 8 -.6 -.8 Heating are(length Width) Fig. 4 Straightening result according to the heating area condition Temperature( ) 6 5 4 3 2 1 Time(s) (b) case 3 (b=1mm) Center Edge 5 1 15 2 Time(s) (c) case 3 (b=8mm) Fig. 5 Temperature histories during the process 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 28 年 8 月 391
82 박준형 김재웅 김기철 전중환 형성하게되고그후수축하므로교정효과가두드러지게나타나는것으로사료된다. 이는 Fig. 5에서와같이전체가열 (case 1) 및전체폭을가열 (case 2) 할경우에는중앙부와가장자리의온도이력이거의같게나타나는것을통해유추할수있다. 그러나좁은폭을가열할경우에는중앙부와가장자리의온도의분포가차이나는것을확인할수있다. 두가지중가열폭이더욱좁은경우 (b = 8 mm) 에교정효과가적었는데, 이는가장자리의낮은온도영역이너무넓으므로냉각시수축이많이일어나지않은것에기인한것으로사료된다. 따라서가열폭뿐만아니라가열길이에따라서도교정효과의차이가있을것으로예상할수있다. 3.2 가열폭과길이에따른교정효과온도분포및이력의차이는가열영역의차이에따라유발되기때문에가열폭에대해최적값이존재한다는것을예상할수있다. 가열폭에따른교정효과를알아보기위해가열길이를 12 mm로고정시킨후폭을변화시키면서해석을수행하였다. 해석결과교정효과를 Fig. 6에나타내었다. 여기서가열폭이 1 mm정도일때가장효과가크게나타나는것을확인할수있다..5 또한가열길이에따른교정효과를알아보기위해가열폭을 1 mm로고정시킨후길이를변화시키면서해석을수행하였다. Fig. 7에해석결과를나타내었는데, 교정효과는 18 내지 19 mm 영역에서가장큰효과를나타내었다. Fig. 6에서가열폭이지나치게넓은경우에교정효과가거의없는것은 3.1에서설명한바있다. 그런데 Fig. 7에나타난바와같이가열길이가과도한경우는폭방향 (y축) 강성이작아짐으로써압축소성변형이급격히줄어든것이원인으로사료된다. 따라서가열폭과아울러가열길이에대한최적값이존재하며, 본해석조건에서는가열을위한최적의영역으로폭 1 mm, 길이 18 mm를제시한다. 3.3 정방형판재에대한국부가열교정효과전술한해석결과를통해정방형판재에 2차원변형에대한가열교정에서도가열면적에따라교정효과가달라지는것이예상된다. 따라서이에대한해석을위해 Fig. 8과같이초기변형을가한후가열영역에따른교정효과를해석하였다. 여기서초기조건은 x, y-방향으로각각변위를일으켜중앙부의높이를 5.351 mm로변형시키고, 경계조건으로가장자리의높이를구속하였다. 정방형판재의크기는 2 2 mm로설정하였다..4.3.2.1 7 -.1 8 9 1 11 12 -.2 Width(mm) Fig. 6 Straightening result according to the heating area width Fig. 8 Initial condition of square model.8.6.4.2 1 -.2 -.4 -.6 12 14 16 18 2 22 24 Length(mm) Fig. 7 Straightening result according to the heating area length.5.4.3.2.1 -.1 1 12 14 16 18 2 -.2 -.3 -.4 -.5 Length(mm) Fig. 9 Straightening result of square model 392 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 28
박판재변형의가열교정에서가열면적의영향 83 해석대상물이정방형이므로가열영역도가열폭과길이를같게하여정방형으로설정하였다. Fig. 9는가열폭 (= 가열길이 ) 에따른교정효과를나타낸것이다. 결과는 Fig, 7에서와비슷한경향을보이고있다. 가열면적의크기가점점증가할수록교정효과는선형적으로증가하다가가열면적이어느크기이상이되면교정효과가줄어드는것을확인할수있다. 이경우도 Fig. 7에서와같이가열면적이과다한경우가열부주위의강성이부족하여구속력이약하게되고, 그에따라압축소성변형이적게발생되기때문인것으로사료된다. 가열 (a) 13 13mm 면적이 18 18 mm일경우가장좋은교정효과를나타내고있지만 14 14 mm이하에서는교정효과가없는것을확인할수있다. Fig. 1은두께 (z) 방향소성변형률분포를나타낸것으로밝은색부분이두꺼워진부분 ( 인장소성변형률 ) 을나타낸다. 여기서볼수있듯이가열면적 18 18 mm 인경우, 13 13 mm인경우에비해인장소성변형률을나타내는부분의넓이가더넓은것을볼수있다. 이는가열시평면방향 (x, y 방향 ) 으로압축이작용하는면적이넓은것을의미한다. Fig. 11은 Fig. 1에서 y축선상에서의가열면적에따른소성변형률을나타낸것으로가열면적이넓을수록인장소성변형률이작용하는면적이넓을뿐만아니라그크기도큰것으로인해교정효과가크게형성되는것으로볼수있다. 따라서정방형판재의국부가열교정에있어서도가열면적에대해최적의값이존재하는것을확인할수있었으며, 본해석조건에있어서는 18 18 mm로나타났다. 이러한수치적해석을통해가열조건에대한기초자료를구축할수있었으며, 향후실구조물을대상으로하는실험적해석이기대된다. 4. 결론 박판재의용접구조물제작시생성되는변형에대해서국부가열에의한교정효과를수치적으로해석하였다. 변형의크기와변형의형태, 구속조건에따라가열교정에대해분석할수있는수치해석모델을구축하였으며, 박판재의탄성변형에대한가열교정해석을통해다음과같은결론을얻을수있었다. (b) 18 18mm Fig. 1 Plastic strain distribution according to the heating area Plastic strain.4.3.2.1 -.1 -.2 -.3 2 4 6 8 1 1 1 13 13 18 18 12 14 16 18 2 -.4 Y-direction Fig. 11 Plastic strain distribution along the y-axis according to the heating area 1) 전체가열이나전체폭가열에서는교정효과가나타나지않았다. 2) 일부폭을가지는면적을가열한교정방법에서는교정효과를확인할수있었으며, 최대의교정효과를나타내는가열폭이존재함을확인하였다. 3) 정해진가열폭에대해가열길이에따라교정효과가다르게나타났으며, 가열길이의증가에따라교정효과는증가하였다가어느길이이상이될경우교정효과가감소하였고, 최대의교정효과를나타내는최적길이를구하였다. 4) 두방향 (2 차원 ) 변형에대한가열교정에서가열면적이증가할수록교정효과가달라지는것을확인할수있었으며, 이경우에도최대의교정효과를나타내는가열면적이존재하는것을알수있었다. 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 28 年 8 月 393
84 박준형 김재웅 김기철 전중환 후 기 본연구는산업자원부전력산업연구개발사업에서용융탄산염연료전지 (MCFC) 개발과제의일환으로수행되었음. 참고문헌 1. K.Y. Benyounis, A.G. Olabi, M.S.J. Hashmi : Effect of laser welding parameter on the heat input and weld-bead profile, Journal of Materials Processing Technology, 164-165(25), 978-985 2. P. Dong : Residual stress and distortions in welded structures, Journal of Science and Technology of Welding and Joining, 1-4(25), 389-398 3. C.-G Kim, J.-W Kim, and K.-C Kim : A study on the distortion of a thin plate panel by laser welding, Journal of KWS, 25-1(27), 49-56 (in Korean) 4. R. Richard Avend, J.-S Kim : Heat straightening, Journal of KSSC, 8-1(1996), 64-68 (in Korean) 5. P. Michaleis and A. Debiccari : A predictive technique for buckling analysis of thin section panels due to welding, Journal of Ship Production, 12-4(1996), 269-275 6. C.-I. Kim, et. al, Design and Fabrication of Weld Structures, Wonchang Press, (1996), (in Korean) 7. C.L. Tsai, S.C. Park, W.T. Cheng : Welding Distortion of a Thin-Plate Panel Structure, Welding Research Supplement, (1999), 156 -s-165 -s 394 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, August, 28