연구논문 김동윤 박영환 부경대학교대학원생산및자동화공학과 부경대학교기계공학과 The Design of Manufacturing Process Optimization for Aluminum Laser Welding using Remote Scanner Dongyoon Kim* and Young Whan Park**, *Dept. of Manufacturing and Automation Engineering, Pukyong National University, Busan 608-739, Korea **Dept. of Mechanical Engineering, Pukyong National University, Busan 608-739, Korea Corresponding author : parkyw@pknu.ac.kr (Received November 29, 2011 ; Revised December 12, 2011 ; Accepted December 16, 2011) A bstract In this study, we conducted laser welding by using remote scanner that is 5J32 aluminum alloy to observe the mechanical properties and optimize welding process parameters. As the control factors, laser incident angle, laser power and welding speed were set and as the result of weldablility, tensile shear tests were performed. ANOVA (Analysis of Variation) was also carried out to identify the influence of process variables on tensile shear strength. Strength estimation models were suggested using regression alnalysis and 2nd order polynomial model had the best estimation performance. In addition optimal welding condition was determined in terms with wedalility and productivity using objective function and fitness function. Final optimized welding condition was laser power was 4 kw, and welding speed was 4.6 m/min. Key Words : Aluminum laser welding, Remote scanner, Strength estimation, Process parameters optimization 1. 서론 최근자동차배기가스의규제가한층심하게강화되고있으며 자동차의연비효율을높이기위한연구의중요성이강조되고있다 그러므로최근자동차관련기술개발의동향은연비향상 공기저항감소를위한새로운차체디자인및재료의경량화등이있다 특히소재의경량화는엔진효율을높여자동차의성능향상을극대화시키고이를통해연비향상을도모할수있으므로 환경오염방지와연료절감에가장적합하고효과적인방법이다 그러므로알루미늄혹은마그네슘합 금과같은경량재료를차량에적용하는방법이주로사용된다 알루미늄합금의경우열전도도가크고녹는점이낮기때문에고에너지열원인레이저용접을실시하며 접합성개선및강도향상을위한연구가진행중이다 자동차재료뿐만아니라공정부분에서도많은연구를하고있다 자동차차체용접에서사용되고있는기존의저항점용접을기초로한자동차설계및생산방식에서저항용접기의기하학적구조와용접특성으로인해적용범위가한정적이며 용접효율이낮음에따라경제적 기술적한계에도달하였다 따라서자동차의경량화 안전도향상 생산성을달성하기위하여원격스캐너레이저용접기술이자동차업계의
핵심기술로대두되고있으며 원격스캐너레이저용 접시스템을구축하기위한연구가진행중이다 레이저용접에영향을미치는요인은다양하다 이러 한다양한인자들은서로복잡하게연관되어있으므로 최적의용접조건을얻는것은어려운일이다 그러나 생산현장에적용하기위하여생산성과용접성을모두 고려하여용접조건을최적화하여야한다 최적화하기 위해우선레이저가공변수들간의상관관계와예측모 델링이필요하며 예측모델링을통하여용접조건을최 적화하는과정이필요하다 최적화과정에대한많은 연구가진행중이다 본연구에서는알루미늄 합금의원격스캐너를 이용한겹치기용접을실시하였고 기계적특성을알아 보기위하여전단인장강도를살펴보았다 그리고전단 인장강도에대한예측모델인회귀모델을제안하였다 또한공정라인에적용하기위해용접성과생산성을고 려한적합도함수를이용하여최적화를실시하였다 2. 실험 실험에사용된레이저와용접헤드는모두 사의최대출력 인디스크레이저 와 스캐너 방식의원격용접헤드를사용하였 다 판재로는알루미늄합금인 두께 를 이용하였다 의합금은 계합금으로고용강 화와가공경화에의해강도가향상된재료이다 화학 적조성은 와같다 용접시편은 와같 으며 판재의크기는 로겹침의 길이가 이며용접길이는 로용접을실 시하였다 겹침길이는 로한이유는본용접 의대체공정인저항점용접의전단인장시험을수행 하기위해 규격에정한대로따르기위해서이다 100 Welding length 80 실험은실험계획법 에의하 여진행되었다 일반적으로실험계획법에의해사용되는방법은삼원배치법 을이용하 여전수실험을수행하였다 용접공정변수는조사 각 레이저출력 용접속도 를사용하여용접특성을확 인하였다 용접조건은 와같다 또한반복 회수는 회로총 개조건에 회실험을수행하 였다 3.1 전단인장강도 3. 실험결과및고찰 알루미늄 에대한원격스캐너레이저용접의 공정변수에대한기계적특성을알아보기위하여전단 인장시험을실시하였다 원격스캐너레이저용접은현 재생산라인에서사용되는저항점용접을대체하는공 정이며 알루미늄합금은탄소강을대체하는재료이므 로시험시편은기존의인장시험방법인 저항점용접및프로젝션용접이음의전단시험에 대한시험편치수및시험방법 으로시험시편을제 작하였고 용접부의강도적정성을판단하기위하여 규격 저항용접 비도금및 도금탄소강의점용접절차 을이용하여허용인장강도 를 으로선정하였다 는인장전단시험 의결과를나타낸것이다 레이저출력이커지고 용접 속도가감소할수록전단인장강도는증가하였다 그 이유는모재에대한입열량이충분하게되고비드의깊 이및폭이커지기때문이다 은인장전단시험 시파단형태이다 전단인장강도가 이상일경 우 와같은형태로용접부혹은 에서파단이발생하였고 미 만일경우에는 와같이계면파단이발생하 였다 125 Lap length 40 3.2 공정변수의분산분석 각공정변수가용접특성에얼마나큰영향을주는지
김동윤 박영환 Speed = 3m/min Speed = 4m/min Speed = 5m/min 11000 10000 Angle = 0 Angle = 8 Angle = 16 Tensile strength(n) 9000 8000 7000 6000 5000 4000 Allowable tensile strength Fracture at weld of HAZ 3 3.5 4 3 3.5 4 3 3.5 4 Laser power(kw) 를정량적으로파악하기위하여분산분석을수행하였다 분산분석이란실험결과의제곱합 을인자 오차 와교호작용을포함한요인 별로분해하고 오차에대한각용인간의비 를통하여결과에대한영향력을규명하는분석법이다 은조사각도 는레이저출력 는용접속도를나타낸것이다 그리고 는교호작용 을의미한다 는평균제곱의비로서에러의평균제곱에대한인자의평균제곱의비로서나타내고 이값이클수록영향력이크다는것을의미한다 그리고 은 검정 의유의수준 을나타내는것으로 의유의수준을의미한다 그러므로 가 보다큰경우 요인이결과에영향을주는인자라는것을통계적으로검증하게된다 은전단인장강도의영향을주는공정변수에대한분산분석을하였다 그결과레이저출력이전단 인장강도에가장큰영향을미쳤으며 그리고용접속도의 값이 보다크기때문에전단인장강도에유의한인자라고할수있다 또한레이저출력과용접속도에대하여교호작용도발생하는데그이유는레이저출력이증가하고용접속도가감소할수록강도가커지기때문이다 이외의요소들은강도에영향을미치지않는것을분산분석표에서알수있다
4. 전단인장강도예측모델 4.1 표준화 (normalizing) 실제의데이터로부터각각의값을계산하므로 이를이용하여모델을세우는경우각값들에대한중요도가변화된다 그러므로각입력인자의가중치를일정하게하기위하여각특정인자를 사이의값으로표준화를하여야한다 표준화를위한식은식 와같다 min max min 식 에서 은표준화된인자이고 는공정변수의 인자인조사각 레이저출력 용접속도이다 max 는각 요인의최대수준값이고 min 는각요인의최소수준 값이다 4.2 회귀모델 용접공정변수에따른전단인장강도를예측할수있 는 가지회귀모델을구성하였다 첫번째 은회귀선이선형이고표준화된입력인자들간의다중 선형회귀모델 식으로정의하였다 다중선형회귀모델로제안된모 델식은식 과같다 두번째 은회귀선 이선형이고입력인자들간의항이 차인 차다항회 귀모델 이며 식 로정의하였다 그리고 은회귀선 에대해서비선형이며입력인자들간의비선형회귀모델 이며식 과같다 ln ln ln 식 에서 는입력인자로서조사각 도 레이저출력 용접속도다 는출력인자로서각각의 모델에의해예측된전단인장강도이다 그리고 는 의절편이고 는입력인자의계수값이다 그리고 에서각각의회귀모델계수값을 표현하였다 각입력인자가전단인장강도에미치는 영향력으로는레이저출력과용접속도가중요한역할을 하고있음을알수있다 그리고조사각 레이저출력 은양의효과 용접속도는음의효과를나타내었다 4.3 각모델의예측성능비교 제안된 가지의회귀모델에대한결정계수 및평균오차율 을이용하여예측모델의성능을정량적으로평가 하여보았다 와같다 결정계수와평균오차율의식은 과 여기서 은결정계수이고 는데이터의번호이다 는데이터의총수이다 는실제측정된전단인장 강도값이고 는 의평균값이다 그리고 는예측모델에의해계산된값이고 는 의평균값이다 그리고결정계수의값은 에가까울수록예측성능이우수하며 평균오차율은 에가까울수록그러하다 에서각각의모델의예측성능을비교해본결 과제안된 가지모델은예측성능이우수한것을알수
있었다 그중 인 차다항회귀모델 의결정계수는 평균오차율은 로예측성능이가장우수 하였다 5. 공정변수최적화 알루미늄의모재가자동차차체에적용되기위해서는 용접성 성형성 그리고도장성이요구된다 용접성은 용접후기계적강도와밀접한관계를가지고있다 그 리고산업현장에서실제차체에적용되면가장중요한 부분은생산성이다 그러므로새로운모재가생산라인 에적용되기위해서용접성및생산성을고려해야된 다 하지만용접성을만족하기위하여레이저출력을 높이는것은한계가있어용접속도를줄여야한다 하 지만용접속도를감소하면생산성의문제를야기하므로 최적화가필요하다 최적화를하기위하여용접성을나타내는전단인장강 도와생산성을의미하는용접속도의목적함수 를이용하여적합도함수 를정의하였다 두개의목적함수의차수가다르기때 문에앞절에서살펴본표준화를실시하였다 그리고 전단인장강도의경우회귀모델중예측성능이가장 우수한 차다항회귀모델 을이용하였다 식 의경우 는강도와용접속도를나타낸목적함수이다 그리고식 에서가중치를곱하여적합도함수를정의하였다 식 는전단인장강도의목적함수이며허용인장강도 인 이상일경우중요치 를더곱하여표 현하였다 식 에서 는각목적함수에대한가중치 의값을나타내었다 본연구에서는전단인장강도에 의가중치를 생산성을나타내는용접속도의경우 의 가중치를두었다 그이유는생산공정라인에서생산성 이뛰어나도용접성을만족하지못하면제품으로써가 치가떨어지기때문에용접성의경우생산성보다 의 가중치를더두었다 Fittness value 140.1 140 139.9 139.8 139.7 139.6 139.5 Laser power=4(kw) 김동윤 박영환 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 Welding speed(m/min) 전단인장강도와용접속도의목적함수를이용한적합 도함수를 와같이나타내었다 에서 허용인장강도를만족할경우중요치를곱하였기때문 에비선형적으로증가하였다 적합도함수를살펴본결과용접성만고려할경우 에서전단인장강도가가장높았지만생산성 까지같이고려한경우 에서적합 도의값이가장높은것으로보아용접성과생산성두 가지를모두고려할경우의최적점이다 그때의적합 도함수로는 이었고 차다항회귀모델로얻어 진예측된전단인장강도의값은 이었다
6. 결론 차량경량화에사용되는알루미늄합금인 의원 격스캐너를이용한레이저용접을수행하였다 용접성의기계적특성을알아보기위하여전단인 장강도를측정해본결과레이저출력이높고용접속도가 낮으면입열량이많아져전단인장강도가증가하였다 그리고 이상일경우용접부파단이발생하였다 전단인장강도에영향을미치는요인을정량적으 로평가하기위하여분산분석을실시하였으며 가지의 요인중레이저출력과용접속도가전단인장강도에영 향을미치는요인으로판단하였고교호작용이발생하 였다 회귀모델을이용하여전단인장강도를예측할 수있는 가지모델링을제시하였고 그중 차다항 회귀모델의결정계수가 평균오차율은 로가장우수한것을판단하였다 생산성과용접성을고려하여적합도함수를이용 하여최적점을살펴본결과레이저출력이 용 접속도는 의경우적합도의값이 으로가장높았으며그때예측된전단인장강도는 이었다 후 기 본연구는 년정부 교육과학기술부 의재원으로 한국연구재단의지원을받아수행된기초연구사업임 참고문헌