[논문]알루미늄 레이저 용접에서 용접부 성형성 평가와 성형성 예측 모델 개발에 대한 연구

박영환

문제 정의

그러므로 본 연구에서는 5000계열 알루미늄 소재인 AA5182 판재의 자동차 차제 적용 가능성을 판단하기 위하여 AA5356 와이어를 이용한 레이저 용접 시, 용접 공정변수인 레이저 출력, 용접 속도, 그리고 와이어 송급속도에 따른 성형성을 평가하였다. 성형성을 평가하는 방법으로는 에릭슨 시험을 이용하였고, 다양한 용접 공정변수에 따른 효과를 파악하였다.
용접 공정변수를 이용한 성형성 예측 모델에 있어서 다양한 방법 예를 들면 열전달 방정식을 이용한 미분 방정식과 그 해를 구하는 해석적 모델을 구할 수 있으며, 또한 통계적 회귀모델과 신경회로망 모델을 이용하여 예측 모델을 구성할 수 있다. 본 연구에서는 통계적 회귀모델을 이용하여 알루미늄 레이저 용접부의 성형성을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 실험 결과를 바탕으로 하여 시스템을 모델링하면, 실험의 공정변수에 대한 영향력을 파악할 수 있으며, 실험점이 아닌 영역에서의 값도 입력에 대한 출력의 값을 근사적으로 구할 수 있다.
본 연구에서는 알루미늄 합금인 AA5182에 대하여 AA5356 용접 와이어를 이용한 Nd:YAG 레이저 용접의 차체 용접공정 적용가능성을 판단하기 위하여, 공정변수인 레이저 출력, 용접속도, 그리고 와이어 송급속도에 따른 용접부의 성형성을 관찰하였다.

제안 방법

그러므로 본 연구에서는 5000계열 알루미늄 소재인 AA5182 판재의 자동차 차제 적용 가능성을 판단하기 위하여 AA5356 와이어를 이용한 레이저 용접 시, 용접 공정변수인 레이저 출력, 용접 속도, 그리고 와이어 송급속도에 따른 성형성을 평가하였다. 성형성을 평가하는 방법으로는 에릭슨 시험을 이용하였고, 다양한 용접 공정변수에 따른 효과를 파악하였다. 또한 에릭슨 비를 예측할 수 있는 회귀모델을 제안하였으며, 이를 통해 용접 공정변수와 성형성과의 상관관계를 정량적으로 판단할 수 있었다.
AA5182 판재의 레이저 용접성 및 용접부 성형성을 판단하기 위하여 용접 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 레이저는 독일 R사의 4kW급 Nd:YAG 레이저를 사용하였다.
실험에 사용된 레이저는 직각으로 조사하지 않고, 진행되는 방향으로 18°를 기울였다. 알루미늄 판재의 경우, 레이저에 대한 반사율이 매우 높으므로 판재의 표면에서 반사된 레이저가 레이저 시스템의 광학계를 손상시킬 수 있으므로 이를 방지하기 위하여 각도를 주어 실험을 수행하였다.
용접와이어를 이용한 레이저 용접에서는 레이저 출력, 용접 속도, 초점의 위치, 보호가스, 재료의 갭, 와이어 송급속도, 와이어의 위치 등 다양한 용접 공정 변수들이 있다. 본 실험에서는 이 중에서 레이저 입열 인자인 레이저 출력(laser power: LP), 용접속도(welding speed: WS), 그리고 용접 와이어 송급속도(wire feed rate: WFR) 로 하였다. 실험 계획은 3³ 요인배치법을 이용하여 실험하였고, 실험의 조건은 Table 1과 같다.
보호가스는 아르곤(Ar)을 사용하였고, 상부의 노즐에서는 20ℓ/min, 하부의 보호가스 채널에는 10ℓ/min의 유량으로 보호가스를 공급하였다. 실험의 용접 방법은 I 형 맞대기 용접으로 수행하였고, 각 판재의 루트간격은 0mm로 설정하였다. 알루미늄의 그루브 면은 밀링 가공하여 일정하게 유지하였다.
또한 용접부 성형성을 예측하기 위하여 2차 회귀모델을 이용하여 에릭슨 비를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 모델의 성능은 분산분석과 평균 오차율을 이용하여 판단하였고, F 검증결과 통계적으로 유의한 모델이며, 평균 오차율은 6.

대상 데이터

AA5182 판재의 레이저 용접성 및 용접부 성형성을 판단하기 위하여 용접 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 레이저는 독일 R사의 4kW급 Nd:YAG 레이저를 사용하였다. 사용된 레이저의 스펙은 초점거리는 초점 거리는 250mm, 레이저빔의 초점 지름은 0.
실험에 사용된 레이저는 독일 R사의 4kW급 Nd:YAG 레이저를 사용하였다. 사용된 레이저의 스펙은 초점거리는 초점 거리는 250mm, 레이저빔의 초점 지름은 0.4mm이다. 레이저 빔의 초점 위치는 모재의 표면에 와이어어의 끝점과 맞닿을 수 있도록 세팅하였다.
실험 계획은 3³ 요인배치법을 이용하여 실험하였고, 실험의 조건은 Table 1과 같다. 그러므로 각 요인당 3개의 수준으로 3회 반복 실험을 수행하여 실험의 회수는 총 81회였다. 실험은 실험 계획법에 따라 무작위(random)로 실험을 수행하였다.
실험은 실험 계획법에 따라 무작위(random)로 실험을 수행하였다. 실험의 용접은 I형 그루브의 맞대기 용접을 이용하였다. 용접면(weld face)는 밀링가공을 하여 90°를 유지하였다.
실험에 사용된 판재로서는 AA5182 판재를 사용하였다. 두께는 1.
4t를 이용하였다. 용접 와이어는 AA5356로 직경은 1.2mm인 것을 사용하였다. 두 소재의 화학적 조성은 Table 2, 3과 같고, 두 재료는 모두 5000계열로 주요 합금은 마그네슘이다.
보호가스는 아르곤(Ar)을 사용하였고, 상부의 노즐에서는 20ℓ/min, 하부의 보호가스 채널에는 10ℓ/min의 유량으로 보호가스를 공급하였다. 실험의 용접 방법은 I 형 맞대기 용접으로 수행하였고, 각 판재의 루트간격은 0mm로 설정하였다.

데이터처리

11 본 논문에서는 분산분석(analysis of variation: ANOVA)을 이용하여 각 회귀모델의 통계적 유의성을 평가 하였고, 평균 오차율을 통하여 회귀모델의 예측 정확도를 정량적으로 평가하였다.
예측 모델의 정확도를 정량적으로 판단하기 위하여 평균 오차율(AER: Average Error Rate) 을 이용하여 평가하였다. 평균 오차율은 식 (2)와 같다.

이론/모형

본 실험에서는 이 중에서 레이저 입열 인자인 레이저 출력(laser power: LP), 용접속도(welding speed: WS), 그리고 용접 와이어 송급속도(wire feed rate: WFR) 로 하였다. 실험 계획은 3³ 요인배치법을 이용하여 실험하였고, 실험의 조건은 Table 1과 같다. 그러므로 각 요인당 3개의 수준으로 3회 반복 실험을 수행하여 실험의 회수는 총 81회였다.
그러므로 각 요인당 3개의 수준으로 3회 반복 실험을 수행하여 실험의 회수는 총 81회였다. 실험은 실험 계획법에 따라 무작위(random)로 실험을 수행하였다. 실험의 용접은 I형 그루브의 맞대기 용접을 이용하였다.
AA5182 알루미늄 합금의 AA5356 용접 와이어를 이용한 레이저 용접의 용접성 평가는 에릭슨 시험을 이용하여 수행하였다. 시험의 수행은 KS B0812에 의해 실험을 수행하였다.
AA5182 알루미늄 합금의 AA5356 용접 와이어를 이용한 레이저 용접의 용접성 평가는 에릭슨 시험을 이용하여 수행하였다. 시험의 수행은 KS B0812에 의해 실험을 수행하였다. 에릭슨 시험에서 그 결과 치는 에릭슨 값(Erichsen value)으로 표현이 되는데, 에릭슨 값이란 에릭슨 시험에서 시험 후 판재의 높이를 말한다.
15,16 그러므로 본 논문에서는 인장강도를 예측할 수 있는 회귀 모델로 2차 다항 회귀모델(second order polynomial regression model)을 이용하였으며 그 식은 식 (1)과 같다.
성형성은 에릭슨 시험법의 결과를 이용하여 정량화 하였다. 그 결과 파단 형태는 용접부에 수직으로 파단되는 형태와, 수평으로 파단되는 형태, 그리고 저입열의 경우 용접부나 혹은 HAZ(Heat Affected Zone)에서 파단되는 것으로 나뉠수 있다.

성능/효과

성형성을 평가하는 방법으로는 에릭슨 시험을 이용하였고, 다양한 용접 공정변수에 따른 효과를 파악하였다. 또한 에릭슨 비를 예측할 수 있는 회귀모델을 제안하였으며, 이를 통해 용접 공정변수와 성형성과의 상관관계를 정량적으로 판단할 수 있었다.
본 연구에서는 통계적 회귀모델을 이용하여 알루미늄 레이저 용접부의 성형성을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 실험 결과를 바탕으로 하여 시스템을 모델링하면, 실험의 공정변수에 대한 영향력을 파악할 수 있으며, 실험점이 아닌 영역에서의 값도 입력에 대한 출력의 값을 근사적으로 구할 수 있다. 그러므로 모델링 결과는 다양하게 사용 가능하다.
여기서 y는 실험에서 얻어진 에릭슨 비이고, ŷ는 모델에 의해 예측된 에릭슨 비이다. 이를 통해 얻어진 평균 오차율은 6.67%로 성형성 예측 모델의 성능이 우수함을 정량적으로 판단할 수 있다.
또한 용접부 성형성을 예측하기 위하여 2차 회귀모델을 이용하여 에릭슨 비를 예측할 수 있는 모델을 제시하였다. 모델의 성능은 분산분석과 평균 오차율을 이용하여 판단하였고, F 검증결과 통계적으로 유의한 모델이며, 평균 오차율은 6.67%로 성형성 예측모델의 성능이 우수함을 정량적으로 판단할 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차체를 경량화하기 위한 노력 중 하나는?	그러므로 자동차 회사는 고효율의 자동차 개발에 힘쓰고 있으며, 대표적인 방법 중에 하나가 차체를 경량화 하여 연비를 향상시키는 것이다. 이를 위해 알루미늄과 같은 경량금속을 차체에 적용하고자 노력 중에 있다.1
	차체에 새로운 소재가 적용되기 위해선 무엇이 필요한가?	차체에 새로운 소재가 적용되기 위해서는 재료의 용접성, 성형성 및 도장성 등에 대한 평가가 필요하다. 그러므로 알루미늄을 차체에 적용하기 위해 필요한 여러 특성 중, 용접성에 대한 평가와 성형성에 대한 평가가 반드시 필요하다.
	무엇을 온실가스의 주요 원인으로 보고 있는가?	전 세계적으로 환경오염에 대한 관심이 급증하고 있으며, 지구 온난화와 같은 문제는 전 인류가 공조하여 극복해야 할 문제고 대두되고 있다. 특히 온실가스에 대하여 선진국을 비롯한 각 나라는 자동차 배기가스를 주요 원인으로 삼고 있으며, 이를 무역의 규제조건으로 강화하고 있다. 그러므로 자동차 회사는 고효율의 자동차 개발에 힘쓰고 있으며, 대표적인 방법 중에 하나가 차체를 경량화 하여 연비를 향상시키는 것이다.

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