[논문]자동차용 컨트롤 링크 업셋 용접부의 용접성 및 피로강도 향상에 관한 유한요소 해석

조해용; 권혁홍; 이봉규

문제 정의

따라서, 본 논문에서는 현재 자동차의 컨트롤 링크에 적용되고 있는 업셋용접의 공정을 개선하고, 더 나아가 새로운 제품에 적용할 때, 보다 신속하고 합리적으로 최적의 용접조건을 설정하기 위한 연구를 수행 하였다.
그리고, 열전도해석에서 얻은 온도분포를 경계조건으로 하여 용접부 표면의 마찰상수에 따른 소재의 유동을 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM™ 2D'71 를 이용하여 용접조건과 용접부의 표면상태가 용접부에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 또한, 실제 업셋 용접을 행하여 열전도 해석과 유동 해석의 결과를 검증하고, NISA 0 의 피로해석 모듈인 ENDURE를 이용하여 용접부의 노치에 따른 응력집중이 용접부의 피로 강도에 미치는 영향을 조사하고자 한다.

가설 설정

최적의 용접조건을 찾기 위해 용접시간과 입열량을 공정변수로 하였다. 입 열은 봉과 링의 접촉부에 고르게 분포하는 것으로 가정하였다.
해석의 단순화를 위해 링은 강체로 하여 봉 부분만이 변형하는 것으로 가정하였다. NISA R 에서 얻은 온도분포를 경계조건으로 입력하여, 링의 변위를 1mm씩 4 mm 까지 증가시켜 용접부의 마찰상수를 변화 시키면서 입 열량에 따른 유동을 해석하였다.

제안 방법

해석의 단순화를 위해 링은 강체로 하여 봉 부분만이 변형하는 것으로 가정하였다. NISA R 에서 얻은 온도분포를 경계조건으로 입력하여, 링의 변위를 1mm씩 4 mm 까지 증가시켜 용접부의 마찰상수를 변화 시키면서 입 열량에 따른 유동을 해석하였다.
한다. 그리고, 열전도해석에서 얻은 온도분포를 경계조건으로 하여 용접부 표면의 마찰상수에 따른 소재의 유동을 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM™ 2D'71 를 이용하여 용접조건과 용접부의 표면상태가 용접부에 미치는 영향을 조사하고자 한다. 또한, 실제 업셋 용접을 행하여 열전도 해석과 유동 해석의 결과를 검증하고, NISA 0 의 피로해석 모듈인 ENDURE를 이용하여 용접부의 노치에 따른 응력집중이 용접부의 피로 강도에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
실제 업셋 용접에서는 가열과 동시에 가압 하여 접합이 이루어지지만, 해석에 있어 열전도와 유동을 동시에 해석하기 곤란하므로, 본 논문에서는 NISA Q의 열전도해석 모듈을 통하여 용접부의 온도분포를 해석한 후 해석 결과를 DEF0RMW2D의 경계조건으로 입력하여 용접부의 유동을 해석하였다. 또, 용접된 컨트롤 링크 용접부의 노치에 의한 응력집중이 피로 강도에 미치는 영향을 해석하였다.
본 연구에서는 컨트롤 링크의 최적의 용접 조건을 얻기 위해서 NISA D 와 DEFORM을 이용하여 열전달해석, 유동해석과 피로수명해석을 하고 실제 용접실험을 행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1과 같이 두 개의 링과 봉이 업셋용접에 의하여 접합되어 있다.실제 업셋 용접에서는 가열과 동시에 가압 하여 접합이 이루어지지만, 해석에 있어 열전도와 유동을 동시에 해석하기 곤란하므로, 본 논문에서는 NISA Q의 열전도해석 모듈을 통하여 용접부의 온도분포를 해석한 후 해석 결과를 DEF0RMW2D의 경계조건으로 입력하여 용접부의 유동을 해석하였다. 또, 용접된 컨트롤 링크 용접부의 노치에 의한 응력집중이 피로 강도에 미치는 영향을 해석하였다.
실험에서는 낮은 가압력 상태에서 전류를 높여가며 날림이 일어나기 전까지 실험을 행한 후 가압력을 증가시킨 다음 동일한 과정을 반복적으로 수행하였다. 제작된 용접 시편의 용접강도를 측정하고 용접부의 외관 및 접합상태를 관찰하여 최적의 가압력 및 전류 설정치를 산출하였다.
연구방법으로서는 상용 유한요소 해석 프로그램인 NISA 의 열전도해석 모듈인 HEAT III를 이용하여 각각의 입열량과 통전 시간에 따른 용접부의 온도분포를 예측하고자 한다. 그리고, 열전도해석에서 얻은 온도분포를 경계조건으로 하여 용접부 표면의 마찰상수에 따른 소재의 유동을 강소성 유한요소 해석 프로그램인 DEFORM™ 2D'71 를 이용하여 용접조건과 용접부의 표면상태가 용접부에 미치는 영향을 조사하고자 한다.
미치는 영향을 예측하기 위해 누적손상이론을 적용한 NISA E 의 피로해석 모듈인 “ENDURE” 를 이용하였다. 용접 후의 형상을 링과 봉 사이에 필렛이 없는 경우와 실제 용접부의 형상과 비슷한 필렛이 있는 두 가지로 선정하여 응력 집중계수를 증가시키며 해석을 수행하였다. 피로해석을 위한 재료의 물성치는 NISAD 의 data base값을 이용하였다.
용접실험을 위한 컨트롤 링크는 결합 역할을 하는 두 개의 링을 하나의 봉으로써 업셋용접하여 제작하였다. Fig.
동일한 과정을 반복적으로 수행하였다. 제작된 용접 시편의 용접강도를 측정하고 용접부의 외관 및 접합상태를 관찰하여 최적의 가압력 및 전류 설정치를 산출하였다.
컨트롤 링크의 용접부를 봉과 링으로 나누어 모델링하였다. 최적의 용접조건을 찾기 위해 용접시간과 입열량을 공정변수로 하였다. 입 열은 봉과 링의 접촉부에 고르게 분포하는 것으로 가정하였다.
온도분포를 해석하였다. 컨트롤 링크의 용접부를 봉과 링으로 나누어 모델링하였다. 최적의 용접조건을 찾기 위해 용접시간과 입열량을 공정변수로 하였다.
컨트롤 링크의 용접을 위한 가열조건을 찾기 위하여 NISA D 의 열전도해석 모듈인 HEAT III를 이용하여 용접부의 온도분포를 해석하였다. 컨트롤 링크의 용접부를 봉과 링으로 나누어 모델링하였다.

대상 데이터

해석에 사용된 봉의 재료(SM25C)와 링의 재료(SM10C) 를 물성치를 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

본 논문에서는 자동차용 컨트롤 링크의 업셋용접 공정을 개선하고 최적의 용접조건을 설정하기 위하여 유한요소법을 이용하였다. 컨트롤 링크는 Fig.
용접부의 노치에 의한 응력집중이 컨트롤 링크의 피로 강도에 미치는 영향을 예측하기 위해 누적손상이론을 적용한 NISA E 의 피로해석 모듈인 “ENDURE” 를 이용하였다. 용접 후의 형상을 링과 봉 사이에 필렛이 없는 경우와 실제 용접부의 형상과 비슷한 필렛이 있는 두 가지로 선정하여 응력 집중계수를 증가시키며 해석을 수행하였다.

성능/효과

(1) 용접시의 링 부분과 봉 부분의 온도분포를 열전도 해석한 결과 가열조건을 설정할 때 링 부분의 강도 및 봉의 유동성을 고려하여 용접시간이 0.3초이고 입열량이 2000 J인 경우를 컨트롤 링크의 업셋 용접을 위한 최적조건으로 설정할 수 있었다.
(2) 표면의 요철이 용접성에 영향을 미치지 않는 범위내에서 링 부분의 표면이 거칠수록 소재의 유동을 억제하여 노치 생성을 방지시킬 수 있음을 알 수 있었다.
(3) 용접부 응력집중계수를 2이하로 하는 것이 피로 강도 합격 기준에 적합함을 알 수 있었다.
이는 적당한 통전량에서 충분한 가압력에 의해 날림량이 제어되어 적절한 용접강도를 얻을 수 있음을 의미한다. 따라서 가압력은 2.5/3.5 bar, 용접 전류는 4.5/9 kA(약 2000-2500J)로 설정해야 가장 좋은 접합상태를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 이 열량의 환산은 열의 일당량과 기계효율 (50%)을 고려하여 계산하였다.
9 (b)에서와 같이 응력 집중계수가 2인 경우 200만회에서 파괴가 일어나므로 제품의 피로 파괴 합격기준에 적합하다고 생각된다. 따라서, 용접부 노치의 응력 집중계수는 2이하로 하는 것이 제품의 피로파괴에 대하여 안전함을 알 수 있었다.
최고온도는 각각 71012, 112512, 1338156812로써 링과 같이 봉부분의 경우에도 2500 J의 입열량을 준 경우 온도가 134012 부근까지 상승하여 소재의 유동성은 좋으나 링 부분과의 탈리가 예상되어 용접부에 노치가 생길 수 있다. 따라서, 용접시 링 부분의 강도 및 소재 의 유동성 을 고려 하면 입 열 량이 2000 J 인 경우 가장 이상적인 용접부의 상태를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
4까지 변화시킨 경우의 유동해석 결과이다. 링 부분의 표면의 요철이 용접성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 표면이 거칠수록 소재의 유동을 억제하여 용접부의 노치를 방지시킬 수 있음을 알 수 있었다. 링 부분의 마찰상수가 Fig.
(b)의 경우 입열량의 과다로 봉 부분의 강도가 약해져서 변형이 심하고 용접부 부근이 심하게 변색되었다. 실험 결과 가압력이 낮게 설정될수록 낮은 전류에서 날림이 발생하였다. 제 1 용접 전류 및 제 2 용접 전류를 각각 4.
열전도해석에서 용접시간을 0.3초, 입열량을 2000 J로 했을 때 가장 좋은 접합상태를 얻을 수 있었으며, 최고온도가 1117P이므로 해석결과가 실제 용접결과와 잘 일치함을 알 수 있었다. 또한, 유동해석에서 예측된 용접부 노치의 생성을 실험에서도 확인할 수 있었다.
8, 9를 보면 필렛이 없는 경우 보다 필렛이 있는 경우 피로강도가 증가함을 알 수 있었다. 이것은 용접으로 인하여 생긴 필렛이 제품의 피로강도를 증가시킴을 의미하는 것으로 실제 용접현상과 잘 일치함을 알 수 있었다. 필렛이 없는 경우 피로에 의해 파괴되는 부분이 링 부분과 봉부분의 접합부분이지만, 필렛이 있는 경우는 목부분에서 파괴됨을 알 수 있으며, 피로응력 집중계수가 증가할수록 파괴되는 부분이 노치부위로 접근함을 볼 수 있다.
실험 결과 가압력이 낮게 설정될수록 낮은 전류에서 날림이 발생하였다. 제 1 용접 전류 및 제 2 용접 전류를 각각 4.5 kA 및 9kA로 설정한 경우 가압력이 증가할수록 날림이 사라지고 전극의 이동량 즉 봉부분의 업셋길이가 증가하며, 양호한 용접부를 얻을 수 있었다. 가압력을 2.
7과 같이 소재의 유동이 너무 좋아서 봉과 링 부분의 탈리로 인하여 노치가 발생하여 응력집중으로 피로 수명에 영향을 줄 수 있다. 해석결과 입열량을 2000 J로 하고 마찰상수를 0.4로 한 경우 가장 좋은 용접부의 형상을 얻었다. 따라서, 입열량을 2000 J로 하고 쇼트 피닝 (shot peening)이나 샌드 블라스트(sand blast) 등의 표면처 리를 통하여 용접부의 마찰상수를 크게 하면 용접성 및 피로 특성, 인장 등의 기계적 성질을 향상시킬 수 있을 것이다.

후속연구

4로 한 경우 가장 좋은 용접부의 형상을 얻었다. 따라서, 입열량을 2000 J로 하고 쇼트 피닝 (shot peening)이나 샌드 블라스트(sand blast) 등의 표면처 리를 통하여 용접부의 마찰상수를 크게 하면 용접성 및 피로 특성, 인장 등의 기계적 성질을 향상시킬 수 있을 것이다.

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