[논문]듀얼 반응표면법을 이용한 V-그루브 GMA 용접공정 최적화에 관한 연구

박형진; 안승호; 강문진; 이세헌

doi:10.5781/kwjs.2008.26.2.085

듀얼 반응표면법을 이용한 V-그루브 GMA 용접공정 최적화에 관한 연구
A Study on the Optimization for a V-groove GMA Welding Process Using a Dual Response Method 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.26 no.2, 2008년, pp.85 - 91

박형진 (한양대학교 대학원 기계공학과) , 안승호 (한국철도대학 운전기전과) , 강문진 (한국생산기술연구원 정밀접합팀) , 이세헌 (한양대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In general, the quality of a welding process tends to vary with depending on the work environment or external disturbances. Hence, in order to achieve the desirable quality of welding, we should have the optimal welding condition that is not significantly affected by these changes in the environment or external disturbances. In this study, we used a dual response surface method in consideration of both the mean output variables and the standard deviation in order to optimize the V-groove arc welding process. The input variables for GMA welding process with the dual response surface are welding voltage, welding current and welding speed. The output variables are the welding quality function using the shape factor of bead geometry. First, we performed welding experiment on the interested area according to the central composite design. From the results obtained, we derived the regression model on the mean and standard deviation between the input and output variables of the welding process and then obtained the dual response surface. Finally, using the grid search method, we obtained the input variables that minimize the object function which led to the optimal V-groove arc welding process.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 목적함수를 이용하여 V–그루브 아크 용접공정 모델을 최적화하고자 하였다.
본 연구에서는 적은 횟수의 실험으로 반응량의 곡면 적인 변화를 감지하기 위해 중심점(center points)과 축점(axial points)을 2^k 요인배치법에 추가 시킨 중심 합성계획을 제안하였다. 중심합성계획은 Box와 Wilson 에 의하여 제안된 것으로서¹³⁾, 적은 실험 횟수로 2차 회귀모형을 유도 할 수 있는 장점이 있어 반응 표면분석법에서 많이 사용되고 있는 실험계획법이다.
일반적으로 용접공정은 작업환경의 변화나 외란에 의해 용접품질이 달라지며, 이러한 영향을 받지 않는 최적의 용접조건을 선정해야한다. 본 연구에서는 최적 용접조건의 선정기준으로 용접부의 기계적 성질과 밀접한 관계를 가지고 있는 용접부의 비드형상으로 표현하였다. 비드형상은 식 (1)의 용접품질함수 값(J)으로 표현하였으며, 함수 값이 클수록 용접품질이 좋아진다.
이 분석법은 F-값(F-value)을 산출하여 여러 평균치들의 ‘차의 유의도’를 검정한다. 이 분석법의 주요 기능은 세 개 이상의 집단에서 얻어진 평균치들의 차이가 모집단에 본질적으로 그러한 차이가 있기 때문에 나타난 차이인지 아니면 표본에 의한 우연한 차이인지를 검증하는데 있다. 그러므로 분석결과 어떤 유의도 수준에서 의미 있는 차이라면 ‘그 차이는 모집단에서 본질적으로 그러한 차이가 있기 때문에 표본에서도 그렇게 나타났다’, 반대로 의미 없는 차이라면 ‘그 차이는 표본에 의한 우연한 차이이지 모집단의 본질과는 관계가 없다’는 식으로 가설을 검증하게 된다.

제안 방법

격자 탐색법에 의한 최적조건은 용접전압 32.38 V, 용접전류 283.3 A, 용접속도 7.4 mm/s이며, 이를 검증 하기 위해 격자 탐색법에 의한 최적조건으로 실험하였다. 실험결과로 평균과 표준편차는 (#, #)= (4.
적은 횟수의 실험과 관심영역에서의 효과적인 회귀모델을 위해 중심합성계획을 설계하였으며, 용접실험을 수행한 후 얻어진 데이터를 사용하여 용접품질함수의 평균뿐만 아니라 표준편차에 대한 회귀 모델을 얻었다. 구해진 회귀모델을 이용하여 듀얼 반응 표면을 구하였으며, 격자 탐색법을 이용하여 용접공정의 최적조건을 결정하였다. 또한, 듀얼 반응표면에 의한 최적조건에서 실험을 통해 검증함으로써 양호한 용접품질을 보여주고 있음을 확인하였다.
실험에 이용된 보호 가스는 100% CO₂가스이며, 가스의 유량은 20ℓ/min이다. 그리고 용접에 사용된 용접전원은 정전압 특성의 용접기를 사용하였다.
첫 번째 단계로 관심영역에서 중심합성계획에 의해 용접실험을 수행하였고, 실험 후, 용접형상변수를 측정하였다. 두 번째 단계에서는 용접공정 입력변수와 용접형상변수인 출력변수 사이에서 평균과 표준편차에 대한 회귀모델을 얻어 용접공정의 모델을 유도하였으며, 마지막으로 격자 탐색법을 이용하여 반응표면을 분석하고 목적함수 값을 최소로 하는 입력변수를 구함으로써 V-그루브 아크용접 공정을 최적화하였다.
먼저, 관심영역에 대하여 직교중심합성계획 (orthogonal central composite design)^9-10)에 의해 실험을 수행하였고 둘째로, 실험결과에 근거한 회귀분석(analysis of regression)을 통해 출력변수의 평균및 표준편차에 대한 각각의 회귀모델을 획득하였다. 마지막으로 유도된 모델과 제한조건에 근거하여 V-그루브 아크용접 공정의 최적조건을 결정하였다.
본 연구는 V-그루브 탄산가스 메탈 아크용접 공정의 최적화를 위해 평균과 표준편차를 고려한 듀얼 반응표면을 이용하여 작업환경의 변화나 외란에 강건한 최적 조건을 구하였다.
본 연구에서는 V-그루브 아크용접 공정에서 외란에 의해 크게 영향 받지 않는 양호한 용접품질을 얻기 위해 듀얼 반응표면법을 이용하여 용접공정변수를 최적화 하였다. 먼저, 관심영역에 대하여 직교중심합성계획 (orthogonal central composite design)^9-10)에 의해 실험을 수행하였고 둘째로, 실험결과에 근거한 회귀분석(analysis of regression)을 통해 출력변수의 평균및 표준편차에 대한 각각의 회귀모델을 획득하였다.
용접공정의 입력변수는 용접전압, 용접전류, 용접속도이며, 출력변수는 용접비드 형상에 대한 용접품질함수를 사용하였다. 적은 횟수의 실험과 관심영역에서의 효과적인 회귀모델을 위해 중심합성계획을 설계하였으며, 용접실험을 수행한 후 얻어진 데이터를 사용하여 용접품질함수의 평균뿐만 아니라 표준편차에 대한 회귀 모델을 얻었다.
8mm의 연강재의 V-그루브 단층(single-pass) 용접부에 이상적인 비드 형상이 만들어지도록 전문가의 경험과 실험 데이터에 의해 선정되었다¹¹⁾. 용접속도(S)는 생산성에 대한 항목으로 용접속도가 빠르면 생산성이 높다고 할 수 있으므로 선형적 함수관계로 구성하였다.
용접공정의 입력변수는 용접전압, 용접전류, 용접속도이며, 출력변수는 용접비드 형상에 대한 용접품질함수를 사용하였다. 적은 횟수의 실험과 관심영역에서의 효과적인 회귀모델을 위해 중심합성계획을 설계하였으며, 용접실험을 수행한 후 얻어진 데이터를 사용하여 용접품질함수의 평균뿐만 아니라 표준편차에 대한 회귀 모델을 얻었다. 구해진 회귀모델을 이용하여 듀얼 반응 표면을 구하였으며, 격자 탐색법을 이용하여 용접공정의 최적조건을 결정하였다.
본 연구에서 사용한 듀얼 반응표면에 의한 용접공정 최적화 방법은 다음과 같다. 첫 번째 단계로 관심영역에서 중심합성계획에 의해 용접실험을 수행하였고, 실험 후, 용접형상변수를 측정하였다. 두 번째 단계에서는 용접공정 입력변수와 용접형상변수인 출력변수 사이에서 평균과 표준편차에 대한 회귀모델을 얻어 용접공정의 모델을 유도하였으며, 마지막으로 격자 탐색법을 이용하여 반응표면을 분석하고 목적함수 값을 최소로 하는 입력변수를 구함으로써 V-그루브 아크용접 공정을 최적화하였다.

대상 데이터

8mm 연강재의 V-그루브 단층 용접(single-pass welding)에서 양호한 용접품질을 얻기 위한 실험조건은 다음과 같다. 모재는 두께가 8.8mm인 연강이고, 이음 형태는 루트면 높이가 3mm 인 V-그루브 형이며, 외란을 고려하여 루트 간격의 변동을 주었으며 변동 범위는 0.8~1.2mm로 선정하였다. 전극 와이어는 AWS 규격 ER 70S-6이고, 이 전극 와이어의 지름은 1.
2 mm, CTWD(Contact tube to work distance)는 20mm 이다. 실험에 이용된 보호 가스는 100% CO₂가스이며, 가스의 유량은 20ℓ/min이다. 그리고 용접에 사용된 용접전원은 정전압 특성의 용접기를 사용하였다.
2mm로 선정하였다. 전극 와이어는 AWS 규격 ER 70S-6이고, 이 전극 와이어의 지름은 1.2 mm, CTWD(Contact tube to work distance)는 20mm 이다. 실험에 이용된 보호 가스는 100% CO₂가스이며, 가스의 유량은 20ℓ/min이다.

데이터처리

듀얼 반응표면에 대한 용접공정의 입력변수는 용접전압(X₁), 용접전류 (X₂), 용접속도(X₃)로 선정하였으며, 출력변수는 각 실험 조건에서 2회 용접 후, 시편의 4곳에서 비드의 단면형상을 측정하여 용접품질함수 값 (J)의 평균과 표준편차를 계산하였다.
본 연구에서는 V-그루브 아크용접 공정에서 외란에 의해 크게 영향 받지 않는 양호한 용접품질을 얻기 위해 듀얼 반응표면법을 이용하여 용접공정변수를 최적화 하였다. 먼저, 관심영역에 대하여 직교중심합성계획 (orthogonal central composite design)^9-10)에 의해 실험을 수행하였고 둘째로, 실험결과에 근거한 회귀분석(analysis of regression)을 통해 출력변수의 평균및 표준편차에 대한 각각의 회귀모델을 획득하였다. 마지막으로 유도된 모델과 제한조건에 근거하여 V-그루브 아크용접 공정의 최적조건을 결정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 듀얼 반응표면에 대한 실험계획법으로 직교중심합성계획을 사용하였다. 반응표면분석을 위하여 사용되는 실험 계획법의 대표적인 예는 2^k 요인배치법(2^k factorial design), 심플렉스 계획법(simplex design), 3^k 요인배치법(3^k factorial design)과 중심 합성계획법(central composite design)등이 있다¹²⁾.
식 (13)을 이용하여 관심영역에서 목적함수를 최소로 하는 입력변수를 구하기 위하여 격자 탐색법을 사용 하였다. 격자 탐색법(Grid-search method)은 관심실험영역을 작은 격자로 나누어 각 격자에서 목적함수 값을 구하는 방법이다.
는 반응표면분석법(response surface method)을 이용하여 다구찌 방법의 목적을 포함하는 방법을 제안하였다. 이 방법에서 그들은 Myers와 Carter⁸⁾에 의해 개발된 듀얼 반응표면법을 이용하였다. 다구찌 방법에서는 신호 대 잡음비(signal-to-noise, S/N ratio)에 근거하여 최적조건이 결정되지만, 듀얼 반응표면법은 출력변수의 평균(mean)과 표준편차(standard deviation) 에 대한 회귀모델을 유도하고, 이로부터 최적화 문제를 정의함으로써 외란에 의해 용접품질이 크게 영향을 받지 않는 최적 용접조건을 결정할 수 있다.

성능/효과

465이다. 격자 탐색법에 의해 예측된 목적 함수 값인 D(x) = 0.4570와 실제 실험을 통해 얻어진 목적함수 값인 D(x) = 0.465는 1.2%의 오차를 나타냄으로써 격자 탐색법에 의한 최적용접조건을 검증하였다. Fig.
즉, 식 (13)의 적합도 값에서 평균(μ)이 5에 가깝고, 표준편차(σ)가 0에 가까울수록 목적함수 값은 작아진다. 따라서 이 목적함수 값이 작을수록 용접품질함수 값의 평균이 크고 표준편차가 작은 값이 출력된다는 것을 의미한다.
구해진 회귀모델을 이용하여 듀얼 반응 표면을 구하였으며, 격자 탐색법을 이용하여 용접공정의 최적조건을 결정하였다. 또한, 듀얼 반응표면에 의한 최적조건에서 실험을 통해 검증함으로써 양호한 용접품질을 보여주고 있음을 확인하였다.
그림에서 보는 바와 같이 A 및 B점은 레벨 커브(level curve)상의 극점으로서 최적점에 해당한다. 이로부터 격자 탐색법으로 얻은 평균 및 표준편차의 최적 값은 전역적인 최적점임을 알수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스 메탈 아크용접에서의 용접부의 기계적 성질은 무엇과 밀접한 관계가 있나?	가스 메탈 아크용접은 용가재로서 작용하는 소모성 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 와이어와 모재 사이에 아크를 일으켜 용접하는 공정이다. 이러한 가스 메탈 아크용접에서의 용접부의 기계적 성질은 용접비드 형상과 밀접한 관계가 있다.
	가스 메탈 아크용접에서의 용접부의 기계적 성질과 용접비드 형상에 관한 연구로는 무엇이 있는가?	용접부의 기계적 성질과 용접비드 형상에 관한 연구로는 GMA 용접에서 용접공정변수와 비드형상의 관계를 규명한 연구1-2)와 용접비드 형상을 수학적 모델에 의한 예측 및 용접공정변수와 용접비드 폭의 상관관계를 규명한 연구3) 등이 있으며 이를 통해 용접부의 기계적 성질을 나타내는 용접비드 형상은 용접공정변수에 의해 결정됨을 알 수 있다4). 즉, 비드 폭(bead width), 비드 높이(bead height), 용입 깊이(penetration), 이면 비드 폭(back-bead width)등과 같은 용접비드형상은 용접전류, 용접전압, 용접속도, 심선 송급속도, 보호가스 등과 같은 용접공정변수(welding process parameters)에 의해 결정되며, 양호한 용접품질을 나타내는 용접비드 형상을 얻기 위해서는 적절한 용접공정변수의 선택이 필요하다.
	가스 메탈 아크용접이란?	가스 메탈 아크용접은 용가재로서 작용하는 소모성 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 와이어와 모재 사이에 아크를 일으켜 용접하는 공정이다. 이러한 가스 메탈 아크용접에서의 용접부의 기계적 성질은 용접비드 형상과 밀접한 관계가 있다.

참고문헌 (13)

J.B. Lee, Y.W. Bang, S.W. Oh and H.S. Chang : Control of Bead Geometry in GMAW, Journal of KWS, 15-6 (1997), 116-123 (in Koorea)
L.J. Yang, R.S. Chandel and M.J. Bibby : The effects of process variables on the weld deposit area of submerged-arc welding process, Welding Journal, 72-1 (1993), 11-18
C.E. Park, C.S. Li and I.S. Kim : Mathematical models for optimal bead geometry for GMA welding process, International Journal of KWS, 3-1 (2003)

상세보기
D.C. Kim and S.H. Rhee : Optimization of Welding process parameters for an arc welding process using a genetic algorithm, Welding Journal, 80-6 (2001), 184-189
I.A. Mc Connell and N.A. Mc Pherson : The application of statistical process design to a FCAW process, Welding Journal. 76-10 (1997), 412-416
Y.S. Tarng and W.H. Yang : Optimization of the weld bead geometry in gas tungsten arc welding by the Taguchi method, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 14 (1998), 549-554

상세보기
G.G. Vining and R.H. Myers : Combining Taguchi and response surface philosophies - A dual response approach, Journal of Quality Technology, 22 (1990), 38-45

상세보기
R.H. Myers and W.H. Carter : Response surface techniques for dal response systems, Technometrics, 15 (1973), 301-317

상세보기
D.C. Kim and S.H. Rhee : Modeling and optimization of a GMA welding process by a genetic algorithm and response surface methodology, International Journal of Production Research, 40-7 (2002), 1699-1 711

상세보기
D.C. Kim and S.H. Rhee : Optimization of a GMA welding process using the dual response approach, International Journal of Production Research, 41-18 (2003), 4505-4515

상세보기
ANSI/AWS D1.1-2006, Structural Welding Code - Steel, 20th Ed., American Welding Society., (2006)
R.H. Myers and D.C. Montgomery, Response surface methodology Process and product optimization using designed experiments, John Wiley & Sons, Inc., (1995)
G.E.P. Box and K.B. Wilson : On the experimental designs for exploring response surface, Journal of Royal Statistical Society, B13 (1951), 1-45

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증