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문제 정의
- 본 연구에서는 관(tube)형태의 알루미늄 용접 구조물을 대상으로 변형해석을 수행하고자 한다. 수치적 해석을 위한 모델을 구축하기 위해 Al5052 sheet2)에 대하여 실험을 실시하여 열원 모델과 변형 해석 모델을 검증하였다.
- 수치해석 모델의 유의성을 확인하기 위해 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 장비는 독일 트럼프사의 Yb: YAG 레이저 용접기로써 최대 출력이 4 kW이며, 초점거리가 0.
- 구조물의 종류는 크게 단일 절곡판(single hat; 이하 SH라 칭함)구조와 양면 절곡판(double hat; 이하 DH라 칭함)구조로 나누었다. 이러한 대상을 선정한 것은 용접선의 위치가 단면의 중앙부에 있는 경우(DH)와 바닥면에 있는 경우(SH)에 각각 용접변형에 미치는 영향을 알아보기 위해서 이다. 또한 길이(L) 300mm의 SH와 DH구조에 대해서 각각 40mm와 20mm 높이에 대해서 해석을 수행하였다.
- 수치적 해석을 위한 모델을 구축하기 위해 Al5052 sheet2)에 대하여 실험을 실시하여 열원 모델과 변형 해석 모델을 검증하였다. 이렇게 구한 수치해석 모델을 이용하여 관형 구조물의 형상 및 크기, 용접선의 위치에 따른 용접 변형의 크기 및 양상을 분석함으로써 알루미늄 판재 구조물의 용접변형에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 구조물 높이에 따른 용접변형의 양상을 비교하기 위하여 SH구조 40, 20 mm와 DH구조 40, 20 mm 구조를 각각 비교한다. Fig.
- 구조물의 변형양상을 파악하기 위하여 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 좌표계를 정하였으며7), Y=0인 지점과 Y=L/2인 지점에서의 변위와 응력을 측정하여 구조물 형상에 따른 변형양상을 비교하고자 하였다.
- 변형해석시 경계조건은 네 모서리에 대해 높이방향 구속을 적용하였다. 구조물의 종류는 크게 단일 절곡판(single hat; 이하 SH라 칭함)구조와 양면 절곡판(double hat; 이하 DH라 칭함)구조로 나누었다. 이러한 대상을 선정한 것은 용접선의 위치가 단면의 중앙부에 있는 경우(DH)와 바닥면에 있는 경우(SH)에 각각 용접변형에 미치는 영향을 알아보기 위해서 이다.
- 이러한 대상을 선정한 것은 용접선의 위치가 단면의 중앙부에 있는 경우(DH)와 바닥면에 있는 경우(SH)에 각각 용접변형에 미치는 영향을 알아보기 위해서 이다. 또한 길이(L) 300mm의 SH와 DH구조에 대해서 각각 40mm와 20mm 높이에 대해서 해석을 수행하였다.
- 5와 같은 해석모델에서 요소분할은 7594개의 절점과 7543개의 shell 요소를 사용하였고 용접라인에서의 shell요소의 한 변의 길이는 1mm이다. 변형해석시 경계조건은 네 모서리에 대해 높이방향 구속을 적용하였다. 구조물의 종류는 크게 단일 절곡판(single hat; 이하 SH라 칭함)구조와 양면 절곡판(double hat; 이하 DH라 칭함)구조로 나누었다.
- Al5052 박판재를 사용한 용접구조물의 변형해석을 위한 수치해석 모델을 구축하였다. 본 해석 모델을 이용하여 크게 두 가지 형태의 관형 구조물을 대상으로 용접변형 해석을 수행하였다. 실험을 통해 수치해석 모델의 유의성을 검증한 후 두 가지 구조물의 일반적인 변형 양상과 구조물의 높이에 따른 변형량을 해석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 관(tube)형태의 알루미늄 용접 구조물을 대상으로 변형해석을 수행하고자 한다. 수치적 해석을 위한 모델을 구축하기 위해 Al5052 sheet2)에 대하여 실험을 실시하여 열원 모델과 변형 해석 모델을 검증하였다. 이렇게 구한 수치해석 모델을 이용하여 관형 구조물의 형상 및 크기, 용접선의 위치에 따른 용접 변형의 크기 및 양상을 분석함으로써 알루미늄 판재 구조물의 용접변형에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 실제 용융부의 크기를 알아내기 위해 100×300×2mm 크기의 Al5052 시편에 대해 YAG레이저 비드용접(bead on plate)을 수행하였다.
- YAG 단결정 내에 이터븀(Yb)을 첨가시킨 레이저로서 단결정 3준위로 효율이 낮으나 Nd와는 달리 많은 양의 Yb을 첨가시킬 수 있어 고출력에서 발진 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. 실험과 수치해석에서의 구속조건을 유사하게 만들기 위해 Fig. 8과 같이 네 모서리를 기계적으로 구속하고 용접을 시행하였다.
- 실험을 통해 검증한 수치해석 모델을 이용하여 구조물의 종류에 따른 용접변형의 양상 및 크기를 비교하였다. 본 수치해석에서도 열해석 및 변형해석에 대한 경계조건은 전술한 바와 같은 동일한 조건을 적용하였다.
- 본 해석 모델을 이용하여 크게 두 가지 형태의 관형 구조물을 대상으로 용접변형 해석을 수행하였다. 실험을 통해 수치해석 모델의 유의성을 검증한 후 두 가지 구조물의 일반적인 변형 양상과 구조물의 높이에 따른 변형량을 해석하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 용접 후 단면을 취하고 에칭작업을 하여 수치해석결과와 비교하였다. Fig.
- 용접변형에 미치는 구조물의 형상 및 크기, 용접선 위치의 영향을 해석하기 위해 비교적 단순한 구조물을 선택하였다. Fig.
- 용접열원을 모델링하기 위하여 3차원 열원모델에 가장 적합하다고 알려진 Fig. 1에 나타낸 이중 타구형 열원모델(Goldak’s double ellipsoidal shaped weld heat source)을3) 이용하였고 실제 실험한 용접부 단면사진과 일치하는 용융부 크기를 나타내는 열원 파라미터를 찾고자 하였다.
- 4에 나타낸 것과 같이 단면형상이 일정하며 길이가 긴 용접구조물을 대상으로 하였다6). 일반적으로 두꺼운 부재의 용접해석 시 두께 방향으로의 온도분포가 중요하므로 3차원 해석을 실시하여야 하지만 본 연구에서는 박판 용접이고 완전 용입 조건을 적용하기 때문에 두께 방향으로의 온도변화가 거의 없으므로 shell 요소를 사용하였다. Fig.
대상 데이터
- Al5052 박판재를 사용한 용접구조물의 변형해석을 위한 수치해석 모델을 구축하였다. 본 해석 모델을 이용하여 크게 두 가지 형태의 관형 구조물을 대상으로 용접변형 해석을 수행하였다.
- 용접변형에 미치는 구조물의 형상 및 크기, 용접선 위치의 영향을 해석하기 위해 비교적 단순한 구조물을 선택하였다. Fig. 4에 나타낸 것과 같이 단면형상이 일정하며 길이가 긴 용접구조물을 대상으로 하였다6). 일반적으로 두꺼운 부재의 용접해석 시 두께 방향으로의 온도분포가 중요하므로 3차원 해석을 실시하여야 하지만 본 연구에서는 박판 용접이고 완전 용입 조건을 적용하기 때문에 두께 방향으로의 온도변화가 거의 없으므로 shell 요소를 사용하였다.
- 일반적으로 두꺼운 부재의 용접해석 시 두께 방향으로의 온도분포가 중요하므로 3차원 해석을 실시하여야 하지만 본 연구에서는 박판 용접이고 완전 용입 조건을 적용하기 때문에 두께 방향으로의 온도변화가 거의 없으므로 shell 요소를 사용하였다. Fig. 5와 같은 해석모델에서 요소분할은 7594개의 절점과 7543개의 shell 요소를 사용하였고 용접라인에서의 shell요소의 한 변의 길이는 1mm이다. 변형해석시 경계조건은 네 모서리에 대해 높이방향 구속을 적용하였다.
- 구조물의 재료는 두께가 1mm인 알루미늄합금( Al5052)으로 하였으며, 용접부에서의 두께는 2 mm이므로 2mm 두께에 대한 완전 용입조건으로 수치해석을 수행하였다. Fig.
- 수치해석 모델의 유의성을 확인하기 위해 실험을 수행하였다. 실험에 사용한 장비는 독일 트럼프사의 Yb: YAG 레이저 용접기로써 최대 출력이 4 kW이며, 초점거리가 0.56mm, 초점에서의 빔의 직경이 1.064mm, 파장이 1040nm이다. YAG 단결정 내에 이터븀(Yb)을 첨가시킨 레이저로서 단결정 3준위로 효율이 낮으나 Nd와는 달리 많은 양의 Yb을 첨가시킬 수 있어 고출력에서 발진 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
데이터처리
- 해석 프로그램으로 MARC를 사용하였으며 이 프로그램은 Goldak이 제시한 열원의 수학적 모델을 직접 제공하고 있어 계수 값만을 지정함으로써 열원모델의 적용이 가능하다. 또한 모델에서 용접선을 지정할 수 있는 기능이 있다.
성능/효과
- 1) 동일한 모양의 단면형상을 가진 구조물인 경우 높이가 클수록 굽힘 변형량이 작게 나타났으며, 전체적인 변형량도 작았다.
- 2) 높이가 같은 경우에 단면형상에 따라 용접변형의 양상이 다르게 나타남을 알 수 있었다. 즉, SH구조물의 경우 굽힘변형이 주도적으로 발생한 반면 DH구조물의 경우는 단면형상의 변형이 주도적으로 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 15-18은 높이가 20mm인 SH와 DH구조의 단면형상의 변형을 나타낸 것이다. 20mm SH구조에서 Y=0인 지점에서의 변형은 거의 없고 Y=L/2지점에서 변형이 전체적으로 약 1mm정도로 나타났다. 그러나 이 변형은 단면형상의 변형이기 보다는 전체적인 굽힘 변형에 따른 단면위치의 이동으로 볼 수 있다.
- 3) SH구조물보다 DH구조에서 전체적인 용접변형이 더 크게 나타난 것은 DH구조가 폭방향 (X-방향) 인장력에 대한 저항강성이 작아서 단면형상의 변형이 크게 나타났기 때문이다.
- 4) 용접변형의 관점에서 볼 때에, 용접선 위치에서의 굽힙 변형량이 작아야 하는 경우는 DH구조물이 적합하고, 단면형상의 변형이 작아야 하거나 폭방향 인장력에 대한 강성이 중요시 되는 경우에는 SH구조물이 더 적합함을 알 수 있었다.
- 23과 같이 양단에서의 단면 형상 변형으로 인해 윗판의 높이가 감소하였기 때문이다. 결과적으로 DH구조물의 경우에 굽힘변형보다는 단면형상의 변형이 주도적인 변형임을 알 수 있다.
- 구조물 형상에 따른 비교를 위해 우선 20 mm 높이의 SH구조와 DH구조에 대해 보면(Fig. 19와 21), 용접선에서 SH구조의 변형은 약 1 mm인데 비해 DH 구조에서의 0.226 mm로 낮았다. 윗판에서의 변형을 비교해 보면 SH일 때 약 0.
- 9와 10은 SH 20mm구조의 실험과 해석 결과의 비교이다. 앞서 나타난 해석을 통한 X축 방향 단면 변형의 양은 Y=0지점에서는 거의 나타나지 않았고 Y=L/2지점에서 최대 변형이 약 1mm정도로 나타났는데 실험을 통한 X축 방향 단면 변형의 양은 Y=0지점에서는 역시 거의 나타나지 않았으며 Y=L/2지점에서는 약 0.95mm로 나타났다. 이 변형은 단면방향의 변형이라기보다 용접라인의 종방향 굽힘변형에 의한 전체적인 변형이다.
- 226 mm로 낮았다. 윗판에서의 변형을 비교해 보면 SH일 때 약 0.905 mm, DH일 때 약 1.274 mm로 오히려 DH구조에서의 변형이 0.369 mm정도 더 크게 나타났다(Fig. 20과 22).
- 2) 높이가 같은 경우에 단면형상에 따라 용접변형의 양상이 다르게 나타남을 알 수 있었다. 즉, SH구조물의 경우 굽힘변형이 주도적으로 발생한 반면 DH구조물의 경우는 단면형상의 변형이 주도적으로 발생하는 것을 알 수 있었다.
- 즉, SH와 DH구조를 비교해 보면 동일한 높이의 구조물인 경우 용접 후 구조물의 최대 높이차가 DH구조에서 더 크게 나타났다. 용접 후 굽힘변형은 SH가 컸음에도 불구하고 전체적인 변형량은 DH구조의 경우가 더 크게 나타난 것은 Fig.
- 11과 12는 SH 20mm구조의 weld line과 upper line에서의 실험과 해석의 비교이다. 해석에 의한 결과는 weld line에서는 약 0.9mm upper line에서는 약 0.93mm로 나타났다. 실험에 의한 결과는 용접선에서는 약 0.
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