연구논문 박준형 김재웅 영남대학교대학원기계공학과 영남대학교공과대학기계공학부 A Study on the Optimum Line Heating Condition for Straightening a Thin Plate Welded Structure Jun-Hyoung Park* and Jae-Woong Kim**, *Dept. of Mechanical Engineering, Graduate School of Yeungnam University, kyeongsan 712-749, Korea **School of Mechanical Engineering, Yeungnam University, kyeongsan 712-749, Korea Corresponding author : jaekim@yu.ac.kr (Received February 11, 2010 ; Revised April 2, 2010 ; Accepted Septemper 2, 2010) Abstract The purpose of this study is to establish the optimum line heating condition to straighten the excessive bending distortion of a thin plate welded structure. For it, the extensive FEA and experiments were performed to evaluate the effect of heat source, heating speed and position on the straightening of a thin plate welded structure. In accordance with the results obtained by FEA and experiments, the straightening effect of line heating was strongly depends on the variables used in this study. With the results, the optimum line heating condition was established by using the response surface method and verified through comparing it with the numerical analysis result. Key Words : Line heating straightening, Sheet metal, Weld distortion, Numerical analysis, Finite element method(fem), Optimal condition 1. 서론 박판구조물은자동차 항공우주 전자통신장비산업등많은분야에서사용이증가되고있다 이러한박판구조물을제작하는데있어서근래레이저용접이종종적용되고있다 레이저용접은입열량이적으므로변형이적게발생하며 열영향부가좁고 또한고속용접이가능하며먼거리에너지전달이가능한장점도있다 이러한장점으로인해레이저용접은고비용공정이지만고품질용접이요구되는경우에적용이점차확대되고있다 그러나구조물의용접시온도분포의불균일로인해용접변형이발생하는데이는구조물의외관을해치고좌굴강도를저하시키며형상오차를유발하여제품의품질을저하시키므로최근구조물제조분야에서중요한 문제로대두되고있다 따라서용접공정을제어함으로써변형을최소화하기위한연구들이많이수행되어왔다 일반적으로용접변형을제어하기위한방안은용접조립을할때변형에대한강성을최대로할수있는형상으로설계하는방법 용접순서제어법 입열량을최소화하는방법 그리고역변형을인가하여용접하는방법등이있다 하지만이러한방법들을적용하여도용접에의한모든변형을제거할수는없다 따라서용접후정밀도를높이는것이요구되는경우교정 작업을실시하게된다 박판재구조물에대해용접조립을실시하였을경우입열량이작은레이저용접을이용하여용접을시행하여도박판재구조물은변형에대한강성이작기때문에용접후변형이생성된다 특히박판구조물에서는용접부의수축에따라용접부사이및가장자리에서굽힘
변형또는좌굴형변형이생성된다 이러한용접변형에대한교정법으로는크게기계적교정방법과가열교정방법으로나눌수있다 기계적교정법에는프레스가압법 롤교정법을들수있으며 가열교정법에는전체가열법과국부가열법을들수있다 박판재구조물의경우는국부가열법을적용함으로써변형을교정할수있다 국부가열교정은가열단계에서는열팽창에의해압축소성변형을유도하고냉각단계에서는길이방향의탄성수축이일어나도록하는것이다 따라서기계적교정이힘든박판재구조물의경우변형이유발된부분에가열을하여교정효과를기대할수있다 본연구는박판에서의굽힘변형영역에국부가열을적용하는경우교정효과를해석하고자하였다 특히선상열원에따른교정효과를수치해석및실험을통해분석하였다 두께의스테인리스강박판재를대상으로선정하였으며 용접실험및가열교정에대한실험을실시하였고 차원유한요소모델을구축하여수치해석을수행하였다 또한수치해석과최적화기법을이용하여가열교정에서최적조건을선정하고자하였다 2.2 선상가열교정실험 2. 실험 2.1 용접실험 가열교정실험을위해서는용접변형실험이선행되어야한다 이를위하여본연구에서사용한용접시험편은 과같이단면형상이일정하고단면에비해길이가길어굽힘변형의발생이용이하도록고안하였다 그리고용접실험을통해생성된변형량을가열교정실험및해석의초기조건으로사용하였다 용접실험에사용된용접장비는 에보이는 레이저용접기로서출력은최대 이며 빔의초점거리는 이다 용접구조물의재질은스테인리스강 이며 에나타낸용접조건으로구조물에대해용접을실시하였다 Weld line 선상가열교정에서도가열조건에따라차이가있 다 선상가열교정에서의가열조건은열원의위치 열원의이동속도 열원의종류등이교정효과에영향 을미치는변수들이다 선상가열법에서각변수에따 라온도분포의차이가나타나기때문에교정효과의차 이를예상할수있다 은가열선의위치를나타내고있으며 중앙선 에서한쪽방향을가열하였을때와중앙선에서일정하 게떨어져대칭적으로가열한경우에대하여용접구조물의상판가장자리의교정효과를비교하였다 는실험결과로써레이저열원에의한선상가열에서 가열위치에따른교정효과를나타내고있으며 중앙선 에서한쪽방향으로가열했을때보다일정하게떨어져 대칭적으로가열하였을때교정효과가크게나타는것을확인할수있다 는열원으로레이저빔과가스화염을이용하 여선상가열을하였을때의교정효과를비교한것이 Line heating Line heating 10 10 20 50 100 300 y=0 z x y=0 z x y y
박준형 김재웅 1.4 가요구된다 은가스화염을적용한선상가열 Z-displacement [mm] Initial condition One path Two path 조건에서열원의이동속도에따른교정효과를나타내고있다 3. 수치해석모델 3.1 용접구조물수치해석모델 Z-displacement [mm] Initial condition Laser beam Gas flame 선상가열교정법에대한해석을위해서는우선적으로용접변형을일으킨용접구조물에대한해석이필요하다 이는용접변형량이구조물에분포되어있는잔류응력과관련이있기때문이다 일반적으로용접해석시두께방향으로온도분포가중요하므로 차원요소를이용한해석을실시하여야하지만본연구에서는박판용접이고완전용입조건을적용하기때문에두께방향으로의온도변화가거의없으므로쉘 요소를사용하였다 은수치해석모델로써요소분할은 개의절점과 개의박판쉘 각형요소로구성하였고 상용유한요소프로그램을사용하여열탄소성해석을수행하였다 이때열전달해석과기계적해석에대해교차연계법 를적용한연성해석을실시하였다 재료의물성치는각온도에따른변화값을적용하였으며 용접실험시기계적구속은가장자리완전구속을하였으며해석시에도동일한구속조건을가하였다 Z-dispalcement [mm] Intial condition 4mm/s 8mm/s 12mm/s 3.2 용접열원및가스화염열원모델정확한용접변형해석및가열교정해석을위해서는정확한온도분포해석이선행되어야한다 용접열원의모델링을위하여선행연구에서가장적합하다고알려져있는 의이중타구형열원모델 다 레이저빔보다상대적으로열원이큰가스화염을 이용하였을때교정효과가더크게나타나는것을확인할수있다 또한선상가열교정법은이동열원을사용하기때문에 열원의이동속도가중요한변수가된다 이동속도는입 열량을대변하기때문에박판에대해너무느린속도로 열원이이동할경우박판구조물의강성보다열에의한 변형이더크게나타나기때문에적절한열원이동속도
를채택하였다 이중타구형열원모델은레이저용접이나전자빔용접과같이용입이깊은용접에도적용할수있을뿐아니라열원이이동함에따른온도이력을잘나타낼수있다 용접열원의파라미터들은실제레이저용접을실행한모재의단면과해석을통한단면의비교를통해찾고자하였다 의이중타구형열원모델중전방사분원내의용접열속 의분포는식 과같으며 후방사분원내의용접유속의분포는식 와같다 exp exp 위식에포함된파라미터 은 에나타낸 값으로 각각독립적인값으로결정해주어야한다 이를 결정하기위해서 두께의스테인리스판재두장 을겹치기용접하여용접부단면으로부터용융부크기 를구하였고 이와동일한용융부크기를나타내는해석 결과를얻기위한반복적인해석을통하여파라미터값 들을구하였다 는해석모델의용융부크기와실 제용접부단면의용융부의크기를비교한것으로비교 적일치하는결과를얻었다 이렇게구한레이저열원 모델의파라미터값은 와같다 또한선상가열교정을위해열원은부탄을이용한 가스화염을사용하였다 선상가열법역시이동열원이 므로 의이중타구형모델을사용하였다 가스 화염열원을모델링하기위해 과같이이동영 역에서화염의중심이지나는선의위치를 로하 고 의일정한간격으로써머미터를설치하여 시간에따른온도이력을측정하였다 또한유한요소 해석프로그램을이용하여구한온도이력을 과같이비교하여가스화염이동열원의파라미터들을 구하였으며 그값들을 에나타내었다 C r C f Z 4. 실험계획법을이용한선상가열조건의최적화 a X 선상가열교정법에서가열위치와열원이동속도에 따라그교정효과가달리나타나고있어두변수에따 른최적조건이존재한다는것을예상할수있다 최적 C r C f Z b y
박준형 김재웅 Temperature [ ] 180 160 140 120 100 80 60 40 Experiment [x=0] Analysis [x=0] Experiment [x=5] Analysis [x=5] Experiment [x=10] Analysis [x=10] z-displacement [mm] Analysis result Experiment result 20 0 0 100 200 300 400 Time [s] 조건선정을위해실험계획법에따라유한요소해석프로그램을이용하여시뮬레이션을통해최적조건을선정하고자한다 최적조건을선정하기위해서표면반응분석법을적용하였으며 이분석에필요한실험적회귀모델을구하기위해실험계획법의하나인중심합성계획법을이용한다 중심합성계획법은심플렉스계획법이나 요인배치법의단점을보완하고적은횟수의실험으로곡면을추정하기위하여중심점과축점을 요인실험에추가시킨실험계획법이다 요인실험법에따라네개의점 이있고 개의축점 가있으며중심점으로 이하나이상있다 따라서 인경우에는중심합성계획이갖는최소의실험점은 개이다 여기서입력변수는가열위치와이동속도이며 출력변수는교정효과이다 우선시뮬레이션을하기위해서는실험과시뮬레이션값의비교가필요하다 실험결과와수치해석결과를비교하기위하여가열위치를중앙선에서대칭적으로 떨어진곳에두었고열원이동속도를 로하였다 또한열원은가스화염을이용하였으며 는실험결과와수치해석결과가유사한것을보여주고있다 따라서이렇게구축된유한요소모델을이용하여최적조건을도출하였다 는각입력변수의범위를 나타내고있다 여기서 은가열위치이며 중앙선을 으로하여 방향으로일정하게떨어진위치를나타 내고있다 는선상가열에서열원의이동속도이다 는각입력변수에따라시뮬레이션후교정효과 를나타낸것이다 의결과를이용하여관심영역에서입력변수 인열원의가열위치와이동속도에대한출력변수교정 효과 의회귀식을구하면다음식과같다
Straightening 0.3 0.1-1 0 Velocity [mm/s] 1 1 0-1 Position [mm] Z-displacement [mm] Initial condition straightening 회귀식에대한분산분석표를 에나타내었다 회귀식의 값과 α 와비교하였을때 값이 α 값보다크게나타나면회귀식이유의하다는것을알수 있다 이회귀식을이용하여반응표면을구하면 과같이반응표면그래프로나타낼수있으며 두변 수에대한최적조건은 에서코드변수와자연변 수로나타낸바와같다 는수치해석의결과로 써앞에서구한최적조건을적용하였을때의교정효과 를나타내고있으며 이와같이유한요소해석모델을 이용하여최적조건을제시할수있음을확인하였다 5. 결론 박판재의용접구조물제작시생성되는용접변형에 대해서국부가열과선상가열에의한교정효과를실험과 수치해석을통해알아보았다 가열교정의조건에따라 달라지는교정효과에대해분석할수있는수치해석모 델을구축하였으며 이를이용한최적조건의선정에관 한연구를통해다음과같은결론을얻을수있었다 용접실험결과를이용하여열원을모델링하였으 며 이를적용하여용접변형의해석을위한유한요소해 석모델을구축할수있었다 선상가열법은열원의종류 열원의가열위치 열 원의이동속도등여러변수에의해그교정효과가다 르게나타났으며 레이저빔보다는열원크기가넓은 가스화염에서더좋은결과를얻었다 가스화염을이용한선상가열법의해석을위한열 원모델을구축하였고가열교정해석을위한수치해석모 델을구축하였다 선상가열해석모델과반응표면법을이용하여열 원의가열위치와이동속도를입력변수로하고교정효과 를출력변수로하여우수한회귀식을구할수있었으 며 최적조건을선정할수있었다 참고문헌