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문제 정의
- 본 연구는 레이저 합체박판 용접부의 성형한계를 측정하고 용접부와 모재의 성형한계를 개별적으로 도시한 새로운 합체박판 성형한계도를 제안하였다. 또한 본 연구에서 제안된 합체박판 성형한계도의 유용성 및 타당성을 검증하기 위하여 사각컵 드로잉 시편의 변형률 측정 결과와 도어 인너 패널의 성형해석 결과를 새로운 성형한계도에 도시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구는 합체박판 성형한계도를 작성하기 위하여 3 단계로 연구를 수행하였다. 첫째, 용접비드와 열영향부를 포함하고 변형률 측정이 가능한 2.
제안 방법
- Siegert 등⑸은 일반박판의 성형한계도를 구하는 방법을 이용하여 동종두께 메쉬시임 합체박판의 돔 장출 실험을 수행하고 성형한계를 구하였다. 서대교 등⑹은 메쉬시임 합체 박판의 성형 한계를 구하기 위하여 시편 폭을 달리하는 돔 장출 실험을 수행하고, 동종 및 이종두께 합체 박판의 성형한계를 비교하였으며, 금영탁 등'"은 레이저 합체 박판의 성형한계도를 작성하기 위하여 비대칭 시편을 이용한 돔 장출 실험을 수행하고, 모재와 용접부를 분리하여 파단 시 변형률을 측정하였다.
- (1) 용접비드를 중심으로 좌우 폭이 각각 1.27mm 되는 용접부를 가정하고, 용접부의 파단 시 변형률을 측정하여 레이저 합체박판 용접부의 성형한계를 도출하고 레이저 합체박판 성형한계도를 구하였다.
- (2) 이종두께 합체박판(DDT)에서 강도가 큰 모재의 폭을 감소시켜 만든 비대칭 시편으로 용접부 파단을 유도하고 용접부가 폭방향으로 인장 되는 파단변형률을 측정하였다.
- Siegert 등⑸은 일반박판의 성형한계도를 구하는 방법을 이용하여 동종두께 메쉬시임 합체박판의 돔 장출 실험을 수행하고 성형한계를 구하였다. 서대교 등⑹은 메쉬시임 합체 박판의 성형 한계를 구하기 위하여 시편 폭을 달리하는 돔 장출 실험을 수행하고, 동종 및 이종두께 합체 박판의 성형한계를 비교하였으며, 금영탁 등'"은 레이저 합체 박판의 성형한계도를 작성하기 위하여 비대칭 시편을 이용한 돔 장출 실험을 수행하고, 모재와 용접부를 분리하여 파단 시 변형률을 측정하였다.
- 수행하였다. 그러나, DST조 합체박판은 일반 박판과 달리 폭이 180mm인 시편에서도 용접부 부 변형률이 양인 상태가 관찰되지 않았기 때문에, 성형한계 우측부 ( £2 > 0 )에서 용접부 성형한계에 대한 정보를 얻기 위하여 180mm 시편을 윤활한 상태에서 추가실험을 수행하였다. 이러한 추가실험으로부터 파단 시 용접부의부변형률이 5~8%인 상태를 얻을 수 있었다.
- 54mm 크기의 정사각형 그리드를 시편표면에 에칭한다. 둘째, 돔 장출 실험을 수행하고 용접부 변형률을 즉정하여 용접부 성형한계를 구한다. 마지막으로 용접부와 두 모재의 성형한계선 (FLC)을 합체박판의 성형한계도에 각각 도시한다.
- &)에 소성변형이 집중되어 얇은 모재에서 용접부에 나란하게 파단이 발생하였다. 따라서, 얇은 모재의 파단을 막고 용접부 파단을 유도하기 위하여, 두꺼운 모재의 자유로운 드로인을 허용하는 Fig.l과 같은 비대칭 시편을 제작하고 두꺼운 모재의 폭(W)을 변화시키며, 용접부 파단이 생길 때까지 추가실험을 실시하였다. DDT 조의 경우에는 W=60mm에서 용접부 파단이 발생하였다.
- 합체박판 성형한계도를 제안하였다. 또한 본 연구에서 제안된 합체박판 성형한계도의 유용성 및 타당성을 검증하기 위하여 사각컵 드로잉 시편의 변형률 측정 결과와 도어 인너 패널의 성형해석 결과를 새로운 성형한계도에 도시하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 장출실험을 실시하였다. 또한, 용접비드와 용접 열영향부를 포함하는 용접부(welded zone 혹은 WZ)의 성형한계를 구하고, 용접부와 모재의 성형한계선(FLC)을 하나의 성형한계도에 나타내는 새로운 합체박판 성형한 계도를 제안하였다. 측정된 사각컵 드로우 시편의 변형률과 유한요소 해석으로 예측된 자동차 도어 인너 패널의 변형률을 성형한계도에 도시하고 합체박판의 파단을 예측하여 제안된 합체박판 성형한계도의 타당성 및 유용성을 검증하였다.
- 먼저, 모재 및 합체박판의 기계적 물성을 파악하기 위한 인장실험을 수행하였다. 이를 위하여 용접비드가 시편의 중앙에 위치하고 주인장축과 나란한 시편을 제작하여 인장실험을 수행하였다.
- 본 연구는 동종두께-이종재질과 이종두-께-이종 재질의레이저 합체박판을 각각 제작하고, 시편 폭을 달리하며 돔 장출실험을 실시하였다. 또한, 용접비드와 용접 열영향부를 포함하는 용접부(welded zone 혹은 WZ)의 성형한계를 구하고, 용접부와 모재의 성형한계선(FLC)을 하나의 성형한계도에 나타내는 새로운 합체박판 성형한 계도를 제안하였다.
- 본 연구에서 제안된 합체박판 성형한계도의 유용성 및 타당성을 검증하기 위하여 사각컵 드로잉 시편의 변형률 측정 결과와 도어 인너 패널의 성형해석 결과를 새로운성형한계도에 도시하고 합체 박판의 파단가능성을 평가하였다.
- lt를 용접한 합체박판에 대해 용접비드가 주인장축과 나란한 인장실험을 수행하고, 전체 하중에서 모재에 부가되는 하중을 감해 용접부가 지지하는 하중을 계산하였다. 상업용 코드인 ABAQUS에 계산된 용접비드 물성치를 도입하여 축대칭 돔 장출 실험, OSU 성형성 테스트, 그리고 펜더의 축소모형 성형실험 등을 시뮬레이션하고 용접부 성형성을 관찰하였다.
- 시편에서 용접비드위치는 시편 중앙이며 용접비드 방향은 주인장 방향과 나란하다. 용접비드를 중심으로 2.54mm 폭으로 에칭된 그리드를 용접부라 정의하고, 이 부분의 성형한계를 구하기 위해 파단 주변부의 변형률을 안전(safe), 넥킹 (necking), 파단(fracture)의 3가지로 구분하여 측정하였다. 보다 정확한 변형률 측정을 위해 자동 변형률 측정시스템인 ASAME( Automated Strain Analysis and Measurement Environment) 와 GPA(Grid Pattern Analyser)를 사용하였다.
- 인장실험을 수행하였다. 이를 위하여 용접비드가 시편의 중앙에 위치하고 주인장축과 나란한 시편을 제작하여 인장실험을 수행하였다. 인장실험 결과는 Table 2에 나타내었다.
- 따라서, 판재 의주 변형률과 부변형률을 구하면 성형한계도를 이용하여 간편하게 판재의 파단을 예측할 수 있다. 지금까지는 합체 박판의 성형한계를 평가하는 방법이 정립되지 않았기 때문에, 일반박판의 경우와 마찬가지로 시편 폭을 달리하는 돔 장출 실험을 실시하고 파단시 변형률을 측정하여 합체박판의 성형한계를 나타내었다. 그러나, 합체 박판의 성형한계를 일반박판의 경우와 마찬가지 방법으로 측정한다면 합체박판의 파단 예측시 정확도를 유지할 수 없다.
- 8t는 두께는 같지만 제작회사가 다른 냉연강판이다. 최적의 성형성과 용접성을 얻기 위하여 Table 1과 같은 레이저 용접조건으로 합체 박판을 제작하였으며, DST조와 DDT조의 용접조건은 빔의 투사 각도를 제외하면 동일하다.
대상 데이터
- 돔 장출 실험을 위한 시편의 폭은 각각 10mm, 20mm, 40mm, 70mm, lOQmm, 그리고 180mm이며, 시편의 길이는 180mm로 모든 시편이 동일하다. 시편에서 용접비드위치는 시편 중앙이며 용접비드 방향은 주인장 방향과 나란하다.
- 유한요소 해석에 사용된 절점과 선형 삼각형 요소의 개수는 각각 1617개와 3072개이다. 용접부의 물성 및 성형특성을 해석에 반영하기 위하여 용접부를 32개의 용접요소(8)로 모델링 하였다 1개의 용접요소는 10개의 절점과 8개의 선형 사각형 요소로 구성되어 있다. Fig.
- 예측되는 패널이다. 유한요소 해석에 사용된 절점과 선형 삼각형 요소의 개수는 각각 1617개와 3072개이다. 용접부의 물성 및 성형특성을 해석에 반영하기 위하여 용접부를 32개의 용접요소(8)로 모델링 하였다 1개의 용접요소는 10개의 절점과 8개의 선형 사각형 요소로 구성되어 있다.
- 합체박판의 성형한계를 평가하기 위해 두께가 동일 한판 재를 레이저 용접한 DST조와 두께가 다른 판재를 레이저 용접한 DDT조의 2종류 합체박판을 제작하였다. DST조는 D-0.
이론/모형
- 54mm 폭으로 에칭된 그리드를 용접부라 정의하고, 이 부분의 성형한계를 구하기 위해 파단 주변부의 변형률을 안전(safe), 넥킹 (necking), 파단(fracture)의 3가지로 구분하여 측정하였다. 보다 정확한 변형률 측정을 위해 자동 변형률 측정시스템인 ASAME( Automated Strain Analysis and Measurement Environment) 와 GPA(Grid Pattern Analyser)를 사용하였다.
성능/효과
- (3) 동종두께 합체박판(DST)의 돔 장출 실험에서 용접부가 모재에 비해 강성이 크기 때문에 시편 폭이 180mm인 경우에도 용접 열영향부는 거의 평면변형률 상태로 성형되었다.
- (4) 용접부와 모재의 성형한계를 하나의 성형한 계도에 각각 표시한 합체박판 성형한계도에 변형률을 도시한 결과, 제안된 합체박판 성형한계도는 합체박판의 파단 예측에 효과적이었다.
- 따라서, 두 합체박판의 용접부 성형성이 모재에 비해 떨어지는 것을 알 수 있다. 또한, DDT조 용접부가 DST조 용접부보다 성형한계점이 더 높아 성형성이 더 좋다는 것을 알 수 있다.
- 점선(10% Safety Line)은 시간에 따른 윤활유의 점도변화, 금형 마모, 대기온도 및 금형 온도 변화 등의 다양한 공정변수에 대응하기 위해 성형한계선에서 10%의 안전을 고려한 것이다. 용접부의 성형한계점 (FLCo)은 DST조의 경우에 약 26%, DDT조의 경우 약 32%로 각각 측정되었다. 이들 합체박판을 구성하는 모재들의 성형한계점은 각각 D-0.
- 용접부의 성형한계점 (FLCo)은 DST조의 경우에 약 26%, DDT조의 경우 약 32%로 각각 측정되었다. 이들 합체박판을 구성하는 모재들의 성형한계점은 각각 D-0.8t의 경우 36%, Y-08t의 경우 36%, 그리고 D-1.5t의 경우 45%로서, DST조의 성형한계점은 두 모재의 성형한계점 평균값보다 약 28% 낮은 값을 가지며, DDT조의 성형한계점은 두 모재의 성형한계점 평균값보다 약 21% 낮은 값은 갖는다. 따라서, 두 합체박판의 용접부 성형성이 모재에 비해 떨어지는 것을 알 수 있다.
- 그러나, DST조 합체박판은 일반 박판과 달리 폭이 180mm인 시편에서도 용접부 부 변형률이 양인 상태가 관찰되지 않았기 때문에, 성형한계 우측부 ( £2 > 0 )에서 용접부 성형한계에 대한 정보를 얻기 위하여 180mm 시편을 윤활한 상태에서 추가실험을 수행하였다. 이러한 추가실험으로부터 파단 시 용접부의부변형률이 5~8%인 상태를 얻을 수 있었다.
- 이로부터 용접부와 모재의 성형한계를 각각 도시한 DST조와 DDT조의 성형한계도가 파단을 예측하는데 효과적임을 알 수 있다.
- 또한, 용접비드와 용접 열영향부를 포함하는 용접부(welded zone 혹은 WZ)의 성형한계를 구하고, 용접부와 모재의 성형한계선(FLC)을 하나의 성형한계도에 나타내는 새로운 합체박판 성형한 계도를 제안하였다. 측정된 사각컵 드로우 시편의 변형률과 유한요소 해석으로 예측된 자동차 도어 인너 패널의 변형률을 성형한계도에 도시하고 합체박판의 파단을 예측하여 제안된 합체박판 성형한계도의 타당성 및 유용성을 검증하였다.
- 합체박판은 용접부와 모재로 구성되며 각 부분의 금속조직 및 물성이 매우 다르기 때문에, 본 연구와 같이용접부와 모재의 성형한계를 독립적으로 구하여 성형한 계도를 작성하는 것이 일반 박판과 동일한 방법으로 성형한 계도를 작성하는 방법보다 합체박판의 파단 예측에 보다 효과적이고 타당성이 있음을 알 수 있다.
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