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문제 정의
- 본 연구에서는 GMA 필릿용접 공정에서 비드 형상의 예측 및 제어가 가능한 수학적 모델 및 알고리즘을 개발하였으며, 다구찌 이론을 적용한 S/N비(S/N ratio) 분석과 용접 공정변수에 대한 민감도를 분석을 통하여 최적의 용접조건 선정에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 공정변수와 비드형상 사이의 상호작용을 고찰하고, 실험을 통해 생성된 데이터의 분석을 통하여 필릿용접부의 비드형상(비드폭, 덧살높이, 각장) 예측 및 무결함장비의 경량화을 도모할 수 있는 필릿용접부 최적화를 구현하고자한다.
제안 방법
- 1) 필릿용접 실험을 통하여 측정된 실험값을 바탕으로 비드형상을 예측할 수 있도록 회귀분석법을 사용하여, 수학적 모델을 (2차 곡선 방정식)을 개발하였다. 개발된 수학적 모델을 이용하여 계산한 예측값은 실험값의 오차범위 10% 내의 분포도를 보였으며, 측정값과의 비교·분석을 통한 비드형상 예측에 대해 개발된 방정식의 신뢰성을 검증하였다.
- Fig. 5에서 나타낸 공정변수와 비드형상간의 관계를 바탕으로 Table 1에서 나타낸 실험배열을 적용한 필릿시험편에서 측정된 비드형상 정보를 이용하여 비드폭, 덧살높이 및 각장길이 예측이 가능한 2차 곡선모델을 개발하였다. 용접공정의 입력변수는 용접전류(I), 용접전압(V), 용접 속도(S)이며, 출력변수인 비드폭(B/W), 덧살높이(R/H), 각장길이(V/L 및 H/L)에 대한 관계식은 아래에서 보는 바와 같다.
- Table 6에 나타낸 바와 같이 분산분석 테스트를 통하여, 개발된 2차 곡선모델의 유의성을 판단하기 위하여, 각 비드형상 변수에 대한 유의성을 검증하였다. 그 결과, 곡선모델의 다중상관계수는 70% 이상 일치함을 확인하였으며, 개발된 모델을 통하여 비드형상 예측에 대한 신뢰성을 입증하였다.
- 각 공정 변수가 비드형상에 미치는 영향을 평가하기 위하여 용접속도를 45(cm/min)로 고정한 상태에서 용접전류는 240∼260(A), 용접전압은 23∼27(V)으로 변화시키면서 비드형상에 대한 민감도를 분석하였다.
- 필릿 용접 구조물의 용접 최적화를 위하여 Table 1과 같은 다구찌(taguchi) 방법을 이용한 총 9회의 실험계획을 수립하였다. 공정변수의 범위는 기초실험을 통하여 안정적인 비드형성이 가능한 영역을 선정하였으며, 용접실험의 입력변수는 용접전류(I), 용접전압(V), 용접속도(S)로 선정하였다. 각각의 공정변수는 3개의 레벨을 선정하여 구성하였다.
- 또한, Fisher’s F-ratio를 이용하여 맞춤의 양호성을 측정하고, 오차범위 10% 수준에서 유의성을 표시함으로써 곡선모델의 논리적 형상을 구체적으로 입증하였다.
- 용접부 비드크기를 측정하기 위하여 용접이 완료된 9개의 시험편의 가로축을 Laser cutting machine을 사용하여 절단하고 단면부를 연삭한 후 폴리싱하였다. 비드의 단면 마크로(macro)를 잘 나타나게 하기 위하여 질산 및 에탄올을 혼합하여 에칭작업을 수행하여, 광학현미경을 통한 총 18개의 비드형상을 측정하였다. Fig.
- 개발된 곡선 방정식을 기초하여 비드형상에 대한 각 공정변수의 효과를 분석하기 위해, 민감도 분석을 실시하였다. 비드형상의 민감도 방정식은 회귀분석법을 통해 생성된 각 비드형상의 곡선방정식 (1)~(4)을 각각의 공정변수(용접전류, 용접전압, 용접속도)에 대해 편미분하여 산출하였다. 개발된 민감도는 아래의 Table 7~10에서 보는 바와 같으며 각각의 공정변수의 비드 형상에 미치는 영향을 평가하는데 사용하였다.
- 용접부 비드크기를 측정하기 위하여 용접이 완료된 9개의 시험편의 가로축을 Laser cutting machine을 사용하여 절단하고 단면부를 연삭한 후 폴리싱하였다. 비드의 단면 마크로(macro)를 잘 나타나게 하기 위하여 질산 및 에탄올을 혼합하여 에칭작업을 수행하여, 광학현미경을 통한 총 18개의 비드형상을 측정하였다.
- 용접실험에 사용된 시험편(ss400)은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 200×400×20,12mm의 형태로 제작하여 실험을 수행하였으며, 용접공정은 작업현장의 필릿용접 WPS를 적용하여 로우더 유닛의 용접방식인 3패스 적층용접을 실시하였다.
- 용접은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 350A GMA 용접기와 반자동 오토 캐리지, 시험편 고정지그, 와이어 피더를 사용하여 실험을 수행하였으며, 보호가스는 100% CO2, 가스유량은 18∼20l/min, 용가재(filler wire)는 1.2mm 플럭스 코어와이어(flux fored wire), 모재와 팁과의 거리(ctwd)는 15mm를 유지하여 실험을 수행하였다.
- 필릿 용접 구조물의 용접 최적화를 위하여 Table 1과 같은 다구찌(taguchi) 방법을 이용한 총 9회의 실험계획을 수립하였다. 공정변수의 범위는 기초실험을 통하여 안정적인 비드형성이 가능한 영역을 선정하였으며, 용접실험의 입력변수는 용접전류(I), 용접전압(V), 용접속도(S)로 선정하였다.
데이터처리
- 개발된 곡선 방정식을 기초하여 비드형상에 대한 각 공정변수의 효과를 분석하기 위해, 민감도 분석을 실시하였다. 비드형상의 민감도 방정식은 회귀분석법을 통해 생성된 각 비드형상의 곡선방정식 (1)~(4)을 각각의 공정변수(용접전류, 용접전압, 용접속도)에 대해 편미분하여 산출하였다.
- 개발된 수학적 모델을 이용하여 계산한 예측값은 실험값의 오차범위 10% 내의 분포도를 보였으며, 측정값과의 비교·분석을 통한 비드형상 예측에 대해 개발된 방정식의 신뢰성을 검증하였다.
성능/효과
- 각각의 비드 형상에 대한 S/N비의 결과는 Figs. 10~13에서 보는 바와 같이 비드폭(실험 1), 덧살높이(실험 2), 수직 각장길이(실험 7), 수평 각장길이(실험 3)의 조건에서 최적의 비드형상을 형성함을 확인하였다. 또한, 그림에서 보는 바와 같이 수행된 실험횟수에 따른 각각의 실험조건에 따른 S/N비를 나타내었으며, 9번의 실험을 통하여 평균 S/N비의 평균값의 비교를 통한 비드형상에 대한 최적 용접조건 선정에 관한 그래프는 Fig.
- 2) 다구찌 방법의 망대특성을 통해 3개의 공정변수(용접전류, 용접전압, 용접속도)와 비드형상(비드폭, 덧살높이, 각장길이)의 실험 데이터를 분석한 결과, 필릿 용접시 2번째 실험조건의 내용으로 S/N비가 가장 크고 뛰어난 다중특성을 나타내고 있음을 확인 할수 있었다.
- 3) 용접 공정변수와 비드형상간의 민감도 분석을 통하여 비드형상은 용접전류의 증가에 따라 형상의 치수가 증가하는 것을 확인하였으며, 덧살높이는 용접속도의 변화에 민감하게 반응함을 알 수 있었다. 또한, 각장길이 제어는 용접전압과 용접 전류를 변화시키는 것이 효과적임을 확인하였다.
- Figs. 6~9에서 보는 바와 같이 오차범위는 대부분 10% 이내로 수렴함을 확인하였으며, 개발된 수학적 모델의 정확한 비드형상 예측이 가능함을 입증하였다.
- 14에서 나타내었다. 그 결과 8번째 실험조건에서 S/N비가 가장 낮은 수치로 나타났으며 안정된 비드형상이 형성됨을 확인하였다.
- Table 6에 나타낸 바와 같이 분산분석 테스트를 통하여, 개발된 2차 곡선모델의 유의성을 판단하기 위하여, 각 비드형상 변수에 대한 유의성을 검증하였다. 그 결과, 곡선모델의 다중상관계수는 70% 이상 일치함을 확인하였으며, 개발된 모델을 통하여 비드형상 예측에 대한 신뢰성을 입증하였다. 또한, Fisher’s F-ratio를 이용하여 맞춤의 양호성을 측정하고, 오차범위 10% 수준에서 유의성을 표시함으로써 곡선모델의 논리적 형상을 구체적으로 입증하였다.
- 민감도 분석결과, 비드폭, 덧살높이, 각장길이은 용접 전류의 증가에 따라 비드형상의 치수가 증가하는 것을 확인하였으며, 이것은 용접와이어의 증가로 인해 용착량이 증가하여 비드형상의 치수가 증가한 것으로 사료된다. 또한 덧살높이는 용접속도의 변화에 가장 큰 영향을 받는 것을 확인하였으며, 각장길이 제어는 용접전압과 용접전류를 통한 제어가 가장 효과적임을 확인하였다.
- 3) 용접 공정변수와 비드형상간의 민감도 분석을 통하여 비드형상은 용접전류의 증가에 따라 형상의 치수가 증가하는 것을 확인하였으며, 덧살높이는 용접속도의 변화에 민감하게 반응함을 알 수 있었다. 또한, 각장길이 제어는 용접전압과 용접 전류를 변화시키는 것이 효과적임을 확인하였다.
- 민감도 분석결과, 비드폭, 덧살높이, 각장길이은 용접 전류의 증가에 따라 비드형상의 치수가 증가하는 것을 확인하였으며, 이것은 용접와이어의 증가로 인해 용착량이 증가하여 비드형상의 치수가 증가한 것으로 사료된다. 또한 덧살높이는 용접속도의 변화에 가장 큰 영향을 받는 것을 확인하였으며, 각장길이 제어는 용접전압과 용접전류를 통한 제어가 가장 효과적임을 확인하였다.
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