[논문]영구연화거동을 고려한 마찰교반용접(FSW)된 DP590 강판의 탄성복원 예측

김준형; 이원오; 정경환; 박태준; 김돈건; 김대용

doi:10.5228/kspp.2009.18.4.329

영구연화거동을 고려한 마찰교반용접(FSW)된 DP590 강판의 탄성복원 예측
Springback Prediction of Friction Stir Welded DP590 Steel Sheet Considering Permanent Softening Behavior 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.18 no.4 = no.110, 2009년, pp.329 - 335

김준형 (삼성전자 DMC 총괄 무선사업부) , 이원오 (한국기계연구원 부설 재료연구소 융합공정연구본부) , 정경환 (포스코 자동차강재연구그룹) , 박태준 (서울대학교 재료공학부) , 김돈건 (서울대학교 재료공학부) , , 김대용 (한국기계연구원 부설 재료연구소 융합공정연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to better predict the springback for friction stir welded DP590 steel sheet, the combined isotropic-kinematic hardening was formulated with considering the permanent softening behavior during reverse loading. As for yield function, the non-quadratic anisotropic yield function, Yld2000-2d, was used under plane stress condition. For the verification purposes, comparisons of simulation and experiments were performed here for the unconstrained cylindrical bending, the 2-D draw bending tests. For two applications, simulations showed good agreements with experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 마찰교반용접 된 자동차용 고강도 DP590 강판의 탄성복원을 보다 정확하기 예측하기 위해서 영구 연화 거동을 모사할 수 있는 구성방정식을 정의하였다. 역 하중(reverse loading) 시 영구 연화 거동을 포함한 경화 거동을 효과적으로 모사하기 위해서 복합 등방-이동 경화 법칙(combined isotropic-kinematic hardening law) [4~6]을 수정하여 사용하였다.

가설 설정

0mm로 하였으며 블랭크 두께 방향으로 9개의 적분점을 사용하였다. 금형과 블랭크 사이의 마찰계수는 0.12로 가정하였다.
여기서 아래 첨자 WZ와 BM은 각각 용접부와 모재를 뜻하며, β는 용접 시 열에 의해 영향을 받은 부분의 용접 넓이에 대한 비율로서, 열에 영향받은 부위의 물성은 용접 부위와 같다고 가정하였다.
용접부는 등방 성질을 갖는 물질로 가정하였고, 항복함수의 지수 값은 모재와 같은 6을 사용하였다.
DP590 판재와 마찰교반용접 된 판재에 대해 경화 거동을 측정한 후, 혼합 법칙을 적용하여 용접 부위의 경화 거동 시물성을 구하였다. 이때 마찰교반용접 판재의 단면형상은 Fig. 1과 같이 원호라고 가정하였다.

제안 방법

2.0mm두께의 DP590 강판을 압연방향과 평행하게 하여 마찰교반용접하여 테일러블랭크를 제작하였다. 마찰교반용접은 Hitachi사의 11kW 서보모터가 장착된 3차원 마찰교반용접기(모델명: Hitachi GR-3DM10T)에 의해서 수행되었다.
2차원 드로우 벤딩 실험에서 탄성복원량을 정량화 하기위해서 Fig.10에서 도시된 펀치 코너부 각도 θ1와 다이 코너부 각도 θ2, 그리고 측벽 휨량을 나타내는 벽면 곡률 반경 ρ의 세 가지 변수를 사용하였다.
DP590 강판에 대하여 항복함수의 이방성 계수를 결정하기 위해 일축, 등 이축 응력 모드에 대해서 실험이 수행되었다. 일축 응력 모드에 대해서는 압연 방향에 평행, 45도, 수직인 방향으로 ASTM E-8 규격의 시편을 추출하여 일축 인장 실험을 수행하여 항복 응력 및 소성변형비 값을 추출하였다.
경화 거동 시 물성을 측정하기 위해 일축 인장/압축 실험을 수행하였다[4]. DP590 판재와 마찰교반용접 된 판재에 대해 경화 거동을 측정한 후, 혼합 법칙을 적용하여 용접 부위의 경화 거동 시물성을 구하였다. 이때 마찰교반용접 판재의 단면형상은 Fig.
Fig. 11과 Fig. 12에 탄성 복원 후 형상과 탄성복원 양에 대하여 해석한 결과를 실험과 비교하였다. Fig 6에서 볼 수 있듯이 영구 연화 거동이 탄성복원량에 미치는 구간은 역 벤딩(또는 역 하중)이 일어나는 구간이다.
경화 거동 시 물성을 측정하기 위해 일축 인장/압축 실험을 수행하였다[4]. DP590 판재와 마찰교반용접 된 판재에 대해 경화 거동을 측정한 후, 혼합 법칙을 적용하여 용접 부위의 경화 거동 시물성을 구하였다.
0mm두께의 DP590 강판을 압연방향과 평행하게 하여 마찰교반용접하여 테일러블랭크를 제작하였다. 마찰교반용접은 Hitachi사의 11kW 서보모터가 장착된 3차원 마찰교반용접기(모델명: Hitachi GR-3DM10T)에 의해서 수행되었다. 어깨부와 핀의 지름은 각각 10mm와 4mm이며 핀의 길이가 1.
6의 K_u)에 비례한다. 불구속 원통형 벤딩 실험의 경우 재료의 영구 연화 거동과 무관한 범위에서 변형 및 탄성복원이 일어남으로 영구 연화 거동을 고려한 해석 결과만을 실험과 비교하였다. 정의된 영구 연화 거동을 고려한 구성방정식은 실험결과를 적절히 예측함을 알 수 있다.
2절에서 정의된 구성방정식을 증분 변형 이론[11]에 근거하여 수치적으로 정식화 하였다. 아울러 이를 유한요소법에 이용하기 위하여 ABAQUS의 사용자 정의 서브루틴 UMAT과 VUMAT을 작성하였다. 수치 정식화 내용은 다음과 같이 정리될 수 있다.
앞 2.1과 2.2절에서 정의된 구성방정식을 증분 변형 이론[11]에 근거하여 수치적으로 정식화 하였다. 아울러 이를 유한요소법에 이용하기 위하여 ABAQUS의 사용자 정의 서브루틴 UMAT과 VUMAT을 작성하였다.
본 연구에서는 마찰교반용접 된 자동차용 고강도 DP590 강판의 탄성복원을 보다 정확하기 예측하기 위해서 영구 연화 거동을 모사할 수 있는 구성방정식을 정의하였다. 역 하중(reverse loading) 시 영구 연화 거동을 포함한 경화 거동을 효과적으로 모사하기 위해서 복합 등방-이동 경화 법칙(combined isotropic-kinematic hardening law) [4~6]을 수정하여 사용하였다. 항복 거동을 표현하기 위해서는 비이차 비등항 항복함수인 Yld2000-2d[7]를 사용하였다.
영구 연화 거동을 고려하기 위하여 정의된 구성방정식을 검증하기 위하여 비구속 원통형 벤딩 실험과 2차원 드로우 벤딩 실험를 수행하였다. 각각의 실험에서 사용된 마찰교반용접된 TWB 시편의 형상을 Fig.
DP590 강판에 대하여 항복함수의 이방성 계수를 결정하기 위해 일축, 등 이축 응력 모드에 대해서 실험이 수행되었다. 일축 응력 모드에 대해서는 압연 방향에 평행, 45도, 수직인 방향으로 ASTM E-8 규격의 시편을 추출하여 일축 인장 실험을 수행하여 항복 응력 및 소성변형비 값을 추출하였다. 이축 인장 모드에 대해서는 디스크 압축 실험을 통하여 등이축 응력 상태에서의 변형비를 추출하였고 등이축 응력 상태에서의 응력 비는 결정소성역학에 근거한 텍스쳐 모사법에 의해 추출하였다.
항복 함수로는 Barlat의 Yld2000-2d를 사용하였다. 정의된 구성 방정식을 수치 정식화하고 ABAQUS 사용자 정의 서브루틴을 이용하여 코드화하였다.

대상 데이터

효과적인 탄성복원예측을 위해서 성형해석은 외연 코드 사용자 정의 서브루틴 VUMAT와 함께 ABAQUS/explicit에서 수행되었으며, 탄성복원해석은 내연 코드 사용자 정의 서브루틴 UMAT과 함께 ABAQUS/standard를 이용하였다. 금형은 4절점 3차원 강체 요소인 R3D4를 사용하였으며, 블랭크는 4절점 쉘 요소인 S4R을 사용하였다. 블랭크 모재의 격자 크기는 1.
9에 도시하였다. 불구속 원통형 벤딩 실험과 마찬가지로 펀치와 다이 사이의 간격을3.2mm로 하였다. 실험은 50 톤 유압 프레스에서 1.
마찰교반용접은 Hitachi사의 11kW 서보모터가 장착된 3차원 마찰교반용접기(모델명: Hitachi GR-3DM10T)에 의해서 수행되었다. 어깨부와 핀의 지름은 각각 10mm와 4mm이며 핀의 길이가 1.8mm인 툴을 장착하여 사용하였다. 여러 번의 테스트를 거처 안정화된 마찰교반용접 조건은 툴의 회전속도와 이송속도가 각각 1000rpm, 300mm/min이었으며 핀의 이송 방향과 판재의 수직 방향이 이루는 각도는 3°이었다.
0mm로 하였다. 윤활제는 WD-40를 사용하였다.

데이터처리

Fig. 7과 Fig. 8에 탄성복원 후 형상과 탄성 복원양에 대하여 해석한 결과를 실험 결과와 비교하였다. Fig.
정의된 구성방정식을 사용자 정의 서브루틴으로 구현하였으며 이를 ABAQUS[8]에 적용하여 탄성복원을 예측하였다. 검증을 위하여 불구속 원통형 벤딩 실험(unconstrained cylindrical bending test)[9]과 2차원 드로우 벤딩 실험(2-d draw bending test)[10]를 수행하였으며 이를 해석 결과와 비교하였다.
정의된 구성 방정식을 검증하기 위하여 불구속 원통형 벤딩 실험과 2차원 드로우 벤딩 실험을 수행하였고, 그 결과를 탄성복원해석 결과와 비교하였다. 영구 연화 거동을 고려 하였을 때 탄성복원 예측을 보다 정확히 할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

이론/모형

역 하중 시 경화 거동에서 나타나는 바우싱거(Bauschinger) 효과와 전이 거동을 모사하기 위해서 다음 형태의 복합 등방-이동 경화 법칙(combined isotropic-kinematic hardening law)을 이용하였다.
일축 응력 모드에 대해서는 압연 방향에 평행, 45도, 수직인 방향으로 ASTM E-8 규격의 시편을 추출하여 일축 인장 실험을 수행하여 항복 응력 및 소성변형비 값을 추출하였다. 이축 인장 모드에 대해서는 디스크 압축 실험을 통하여 등이축 응력 상태에서의 변형비를 추출하였고 등이축 응력 상태에서의 응력 비는 결정소성역학에 근거한 텍스쳐 모사법에 의해 추출하였다. 항복 함수의 지수 값은 6을 사용하였다.
항복 거동을 표현하기 위해서는 비이차 비등항 항복함수인 Yld2000-2d[7]를 사용하였다. 정의된 구성방정식을 사용자 정의 서브루틴으로 구현하였으며 이를 ABAQUS[8]에 적용하여 탄성복원을 예측하였다. 검증을 위하여 불구속 원통형 벤딩 실험(unconstrained cylindrical bending test)[9]과 2차원 드로우 벤딩 실험(2-d draw bending test)[10]를 수행하였으며 이를 해석 결과와 비교하였다.
초기 응력의 비등방 항복 거동을 표현하기 위해 Barlat 등에 의해서 개발된 비이차 비등방 항복 함수 Yld2000-2d를 사용하였다. 평면 응력상태에서 정의된 항복 함수 Yld2000–2d의 형태는 다음과 같다.
효과적인 탄성복원예측을 위해서 성형해석은 외연 코드 사용자 정의 서브루틴 VUMAT와 함께 ABAQUS/explicit에서 수행되었으며, 탄성복원해석은 내연 코드 사용자 정의 서브루틴 UMAT과 함께 ABAQUS/standard를 이용하였다. 금형은 4절점 3차원 강체 요소인 R3D4를 사용하였으며, 블랭크는 4절점 쉘 요소인 S4R을 사용하였다.

성능/효과

2 (a)와 (b)는 각각 측정한 물성으로 계산한 모재와 용접부의 일축 인장/압축 거동을 실험 결과와 비교한 것이다. DP590 모재의 역 하중 시 경화 거동에 대해서는 본 연구에서 정의된 영구 연화 거동을 고려한 구성방정식이 보다 정확히 모사하는 것을 알 수 있다.
정의된 구성 방정식을 검증하기 위하여 불구속 원통형 벤딩 실험과 2차원 드로우 벤딩 실험을 수행하였고, 그 결과를 탄성복원해석 결과와 비교하였다. 영구 연화 거동을 고려 하였을 때 탄성복원 예측을 보다 정확히 할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰교반용접법은 어떠한 특징을 가지고 있는 용접 방법인가?	마찰교반용접법은 1991년 TWI 사[1]에서 개발된 고상 상태의 용접 방법으로 투자비가 적고, 용접 에너지 소모가 적을 뿐만 아니라 용접부 기공과 열변형 양을 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있어 최근 그 활용이 증가하고 있는 추세에 있다[2~3].
	역 하중(reverse loading) 시 영구 연화 거동을 포함한 경화 거동을 효과적으로 모사하기 위해서 무엇을 수정하여 사용하였는가?	본 연구에서는 마찰교반용접 된 자동차용 고강도 DP590 강판의 탄성복원을 보다 정확하기 예측하기 위해서 영구 연화 거동을 모사할 수 있는 구성방정식을 정의하였다. 역 하중(reverse loading) 시 영구 연화 거동을 포함한 경화 거동을 효과적으로 모사하기 위해서 복합 등방-이동 경화 법칙(combined isotropic-kinematic hardening law) [4~6]을 수정하여 사용하였다. 항복 거동을 표현하기 위해서는 비이차 비등항 항복함수인 Yld2000-2d[7]를 사용하였다.
	DP590 강판에 대하여 항복함수의 이방성 계수를 결정하기 위해 일축, 등 이축 응력 모드에 대해서 실험이 수행되었는데, 일축 응력 모드에 대해서는 압연 방향에 어떠한 방향들로 시편을 추출하였는가?	DP590 강판에 대하여 항복함수의 이방성 계수를 결정하기 위해 일축, 등 이축 응력 모드에 대해서 실험이 수행되었다. 일축 응력 모드에 대해서는 압연 방향에 평행, 45도, 수직인 방향으로 ASTM E-8 규격의 시편을 추출하여 일축 인장 실험을 수행하여 항복 응력 및 소성변형비 값을 추출하였다. 이축 인장 모드에 대해서는 디스크 압축 실험을 통하여 등이축 응력 상태에서의 변형비를 추출하였고 등이축 응력 상태에서의 응력 비는 결정소성역학에 근거한 텍스쳐 모사법에 의해 추출하였다.

참고문헌 (12)

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K. V. Jata, M. W. Mahoney, R. S. Mishra, S. L. Semiatin,, T. Lienert, 2003, Friction stir welding and processing II, A Publication of TMS, Warrendale
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상세보기
K. Chung, M. -G. Lee, D. Kim, C. Kim, M. L. Wenner, F. Barlat, 2005, Spring-back evaluation of automotive sheets based on isotropic-kinematic hardening laws and non-quadratic anisotropic yield functions, Part I: Theory and formulation. Int. J. Plasticity, Vol. 21, pp. 861-882

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J. Kim, W. Lee, D. Kim, J. Kong, C. Kim, M. L. Wenner, K. Chung, 2006, Effect of hardening laws and yield function types on spring-back simulations of dual-phase steel automotive sheets, Met. Mat. ？ Int., Vol.12, No.4, pp. 293-305
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NUMISHEET'93 Benchmark Problem, 1993. In: A. Makinouchi, E. Nakamachi, E. Onate and R.H. Wagoner (Eds), Proceedings of 2nd International Conference on Numerical Simulation of 3D Sheet Metal Forming Processes-Verification of Simulation with Experiment, Isehara, Japan
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K. Chung, O. Richmond, 1993, A deformation theory of plasticity based on minimum work paths, Int. J. Plasticity, Vol. 9, pp. 907-920

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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].

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