[학위논문]레이저-아크 하이브리드 용접 공정 및 용접 후 차체부품 변형 예측에 관한 연구 Study of Laser-Arc Hybrid Welding Process and Prediction of the Deformation of Automotive Parts after Welding원문보기
하이브리드 용접기술은 브래킷과 같이 크기는 작지만 강성이 요구되는 부품에서, 성형 상태에 따라 용접면이 고르지 않아 용접품질이 떨어지는 문제 해결에 적합하다. 또한 레이저용접에 비해 더 넓은 모재간의 갭 여유, 고속 저입열에 따른 용접 변형 최소화, 그리고 생산 ...
하이브리드 용접기술은 브래킷과 같이 크기는 작지만 강성이 요구되는 부품에서, 성형 상태에 따라 용접면이 고르지 않아 용접품질이 떨어지는 문제 해결에 적합하다. 또한 레이저용접에 비해 더 넓은 모재간의 갭 여유, 고속 저입열에 따른 용접 변형 최소화, 그리고 생산 사이클 타임 감소효과 등의 장점을 갖춘 첨단공정으로 알려져 국내․외 자동차 제작업계에서 이를 적용하여 새로운 부가가치를 창출하고자 많은 시험을 진행하고 있다. 하지만 기존의 용접기술에 비해 훨씬 더 복잡하고 다양한 변수를 갖는 하이브리드 용접기술은 부품 제작 및 용접공정 개발 외에도 공정에 적합한 레이저 종류의 선택, 자동화 시스템 및 제어기술 등 많은 연구가 필요할 뿐만 아니라 차체의 최대 요구조건인 안전성을 만족시키기 위한 접합부의 인장, 피로 강도 및 기타 기계 금속학적 특성에 관한 정량적인 데이터도 요구된다. 본 연구에서는 레이저-아크 하이브리드 용접을 차체 용접 공정에 적용하기 위해 필수적 관리요소인 갭을 유지하면서 용접부 품질을 만족하는 용접 공정 변수에 대한 최적 조건 도출을 한다. 또한 도출된 용접 공정 변수를 이용하여 레이저-아크 하이브리드 용접 해석에 사용되고 있는 방식인 온도 사이클 적용법에 대해 차체 변형 해석 수행을 통하여 용접 프로세스를 제시하고, 제시된 프로세스에 따라 용접해석 수행 및 실 패널에서의 변형량 측정, 해석결과와의 비교, 분석을 통하여 해석의 신뢰성을 높이는 방안을 제시한다. 용접부 단면 형상을 참조하여 열원 피팅을 수행하고, 열원 피팅을 위해 용융부 및 열영향부의 실제 크기를 고려하여 레이저 및 아크 열원에 대한 초기 형상 변수 값을 제시한다. 특히, 3차원 해석모델에 대해 열 해석을 수행하고 열원 함수의 형상 변수 및 입열량을 조절하여 실제 시편에서 측정된 열영향부 및 용융부 크기와 유사한 온도분포를 얻는 형상 변수 값을 제시한다. 그리고, 성형 및 용접 변형 연계해석을 위한 단품해석 공정조건, 스프링백 구속조건 선정 방법 및 요소 타입 선정 등 연계해석을 위해 필요한 방법론을 제시한다. 실제 성형 및 용접 변형 연계해석 및 비접촉식 측정 결과 비교, 검토를 통하여 성형 이력을 고려한 해석과 고려하지 않은 해석과의 차이점을 확인한다. 특히 성형 이력을 고려한 용접 변형해석에 대한 연구는 처음 시도되는 것이므로 패널 비접촉식 측정을 통한 실제 결과와의 비교, 분석을 통하여 신뢰성을 확보한다.
하이브리드 용접기술은 브래킷과 같이 크기는 작지만 강성이 요구되는 부품에서, 성형 상태에 따라 용접면이 고르지 않아 용접품질이 떨어지는 문제 해결에 적합하다. 또한 레이저용접에 비해 더 넓은 모재간의 갭 여유, 고속 저입열에 따른 용접 변형 최소화, 그리고 생산 사이클 타임 감소효과 등의 장점을 갖춘 첨단공정으로 알려져 국내․외 자동차 제작업계에서 이를 적용하여 새로운 부가가치를 창출하고자 많은 시험을 진행하고 있다. 하지만 기존의 용접기술에 비해 훨씬 더 복잡하고 다양한 변수를 갖는 하이브리드 용접기술은 부품 제작 및 용접공정 개발 외에도 공정에 적합한 레이저 종류의 선택, 자동화 시스템 및 제어기술 등 많은 연구가 필요할 뿐만 아니라 차체의 최대 요구조건인 안전성을 만족시키기 위한 접합부의 인장, 피로 강도 및 기타 기계 금속학적 특성에 관한 정량적인 데이터도 요구된다. 본 연구에서는 레이저-아크 하이브리드 용접을 차체 용접 공정에 적용하기 위해 필수적 관리요소인 갭을 유지하면서 용접부 품질을 만족하는 용접 공정 변수에 대한 최적 조건 도출을 한다. 또한 도출된 용접 공정 변수를 이용하여 레이저-아크 하이브리드 용접 해석에 사용되고 있는 방식인 온도 사이클 적용법에 대해 차체 변형 해석 수행을 통하여 용접 프로세스를 제시하고, 제시된 프로세스에 따라 용접해석 수행 및 실 패널에서의 변형량 측정, 해석결과와의 비교, 분석을 통하여 해석의 신뢰성을 높이는 방안을 제시한다. 용접부 단면 형상을 참조하여 열원 피팅을 수행하고, 열원 피팅을 위해 용융부 및 열영향부의 실제 크기를 고려하여 레이저 및 아크 열원에 대한 초기 형상 변수 값을 제시한다. 특히, 3차원 해석모델에 대해 열 해석을 수행하고 열원 함수의 형상 변수 및 입열량을 조절하여 실제 시편에서 측정된 열영향부 및 용융부 크기와 유사한 온도분포를 얻는 형상 변수 값을 제시한다. 그리고, 성형 및 용접 변형 연계해석을 위한 단품해석 공정조건, 스프링백 구속조건 선정 방법 및 요소 타입 선정 등 연계해석을 위해 필요한 방법론을 제시한다. 실제 성형 및 용접 변형 연계해석 및 비접촉식 측정 결과 비교, 검토를 통하여 성형 이력을 고려한 해석과 고려하지 않은 해석과의 차이점을 확인한다. 특히 성형 이력을 고려한 용접 변형해석에 대한 연구는 처음 시도되는 것이므로 패널 비접촉식 측정을 통한 실제 결과와의 비교, 분석을 통하여 신뢰성을 확보한다.
In recent years, laser-arc hybrid welding method has begun to be adopted in the assembly process of automotive body parts, because lapped steel sheets having a larger gap which is allowed in the laser welding method can be welded using the hybrid welding method. However if the gap is wide, burn-thro...
In recent years, laser-arc hybrid welding method has begun to be adopted in the assembly process of automotive body parts, because lapped steel sheets having a larger gap which is allowed in the laser welding method can be welded using the hybrid welding method. However if the gap is wide, burn-through is occurred, and, if excessive, the two sheets cannot be welded together. For these reasons, the gap is very important factor in hybrid welding. The purpose of this study is deducing optimal conditions for the welding parameters that are qualified to be satisfactory in welded area which is allowed gap to apply laser-arc hybrid welding in the assembly process of automotive body parts. Considering deduced conditions for the welding parameters, simulations are performed using prescribed thermal cycle method. First of all, welding process is suggested. Next, according to suggested process, welding simulation is performed. After modeling for heat source as intended to be expressed with laser-arc hybrid welding method, heat source fitting is performed referring to welding conditions and a section of welded area obtained through specimen test. In case of heat source functions, conical function is used for laser source, and double ellipsoid function is used for arc source. Thermal analysis is performed especially for 3D models, through the control of heat capacity the parameter values of shape to have similar temperature distribution with welded area measured from the specimen are suggested. In addition, necessary methodologies for the coupling analysis of forming and welding deformation are suggested such as forming process conditions, boundary conditions of springback, changes of element types and so on. Through the comparison and consideration of results between the coupling analysis of forming and welding deformation and the deformation amount by 3D non-contact laser scanner, it is confirmed that the simulation consequence considering forming results is more similar than the outcome not considering forming results. Especially, the study on the coupling analysis considering forming results has not been done yet. To predict the twist deformations by laser-arc hybrid welding when brackets are welded in automotive parts, prescribed thermal cycle method is used and the results of simulation are compared with welded panels in this paper. For measuring the amount of deformations, the distances of automotive parts before and after hybrid welding are examined. To minimize the twist deformation of welded panels, this kind of coupling analysis can be used in jig design, suggestion of clamping conditions and welding order.
In recent years, laser-arc hybrid welding method has begun to be adopted in the assembly process of automotive body parts, because lapped steel sheets having a larger gap which is allowed in the laser welding method can be welded using the hybrid welding method. However if the gap is wide, burn-through is occurred, and, if excessive, the two sheets cannot be welded together. For these reasons, the gap is very important factor in hybrid welding. The purpose of this study is deducing optimal conditions for the welding parameters that are qualified to be satisfactory in welded area which is allowed gap to apply laser-arc hybrid welding in the assembly process of automotive body parts. Considering deduced conditions for the welding parameters, simulations are performed using prescribed thermal cycle method. First of all, welding process is suggested. Next, according to suggested process, welding simulation is performed. After modeling for heat source as intended to be expressed with laser-arc hybrid welding method, heat source fitting is performed referring to welding conditions and a section of welded area obtained through specimen test. In case of heat source functions, conical function is used for laser source, and double ellipsoid function is used for arc source. Thermal analysis is performed especially for 3D models, through the control of heat capacity the parameter values of shape to have similar temperature distribution with welded area measured from the specimen are suggested. In addition, necessary methodologies for the coupling analysis of forming and welding deformation are suggested such as forming process conditions, boundary conditions of springback, changes of element types and so on. Through the comparison and consideration of results between the coupling analysis of forming and welding deformation and the deformation amount by 3D non-contact laser scanner, it is confirmed that the simulation consequence considering forming results is more similar than the outcome not considering forming results. Especially, the study on the coupling analysis considering forming results has not been done yet. To predict the twist deformations by laser-arc hybrid welding when brackets are welded in automotive parts, prescribed thermal cycle method is used and the results of simulation are compared with welded panels in this paper. For measuring the amount of deformations, the distances of automotive parts before and after hybrid welding are examined. To minimize the twist deformation of welded panels, this kind of coupling analysis can be used in jig design, suggestion of clamping conditions and welding order.
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