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문제 정의
- 본 연구에서는 승용차 B 필러(pillar)에 브래킷(bracket)을 레이저 하이브리드 용접으로 접합할 때, 용접에 의한 차체변형을 용접해석으로 예측하여 변형을 최소화할 수 있는 클램핑 조건을 고려한 지그 설계 및 용접 순서 제안 등에 활용할 수 있는 가능성을 확인해보고자 하였다. 이를 위해 용접에 의한 제품의 변형을 용접 시뮬레이션 상용소프트웨어인 SYSWELD 를 이용하여 예측하였고, 용접 변형 해석 프로세스를 정립하였다.
제안 방법
- 1) 하이브리드 용접에 의한 차체 변형량 예측을 위해 해석 프로세스를 정립하였다.
- 2) 레이저와 아크, 두 개의 열원을 조합한 열원 피팅을 통해 하이브리드 용접을 해석적으로 구현하였다.
- 3) 현장의 용접조건과 용접순서를 고려하여 차체 변형 해석을 수행하였으며 각 용접순서에 따른 변형 양상을 확인하였다. 즉, 클램핑 상태에서 용접할 때의 제품 변형량은 그다지 크지 않고, 릴리스 상태에서도 12 번째 용접라인과 같이 평면 구간 용접의 경우 변형이 크지 않음을 알 수 있다.
- B 필러에 브래킷류를 용접할 때, 용접순서에 따른 변형량을 해석결과와 비교하기 위하여 현장의 용접조건과 용접순서를 고려하여 변형해석을 수행하였다.
- B 필러와 용접되는 브래킷들의 두께에 따라 각각의 모델을 생성하고 레이저(1100W)와 아크의 출력(1555.5W : 85A-18.3V), 용접속도는 실제 현장에서의 조건과 동일하게 적용하였다.
- Fig. 19 에서 보는 바와 같이 실제 용접 전․후의 패널을 스캔하여 B 필러 상단부쪽을 기준으로 정렬을 하였고 해석에서도 동일 조건으로 용접 전⋅후 패널을 정렬하여 변형량을 비교하였다.
- WME 를 구하기 위해 Fig. 7 과 같이 시편 모델을 생성하고 앞서 구한 열원 피팅 결과를 이용하여 용접 해석을 수행하였다.
- 18 에서 보는 바와 같이 측정에 사용된 스캐너는 비접촉식 레이저 스캐너로써 METRIS XC50 Laser scanning probe 를 사용하였고 측정가능 축수는 5 축(X/Y/Z/A/B), 측정 정밀도는 15µm 이하이다. 그리고 스캔할 패널 고정을 위해 Alufix 를 사용하여 조립식 지그를 제작하였다.
- 승용차 B 필러에 브래킷을 레이저 하이브리드 용접으로 접합할 때, 용접에 의한 차체변형을 용접해석으로 예측하여 변형을 최소화할 수 있는 클램핑 조건을 고려한 지그 설계 및 용접 순서 등에 활용할 수 있는 가능성을 확인해보고자 용접변형 해석을 수행하였고 실제 패널과의 비교, 검증을 통하여 다음의 결론을 도출하였다.
- 시편단위의 용접부에서 용접 조건(Welding Conditions)과 열원 정보(Heat Source Information), 그리고 용접부 단면 형상(Section of Welding Region)을 이용하여 구현하고자 하는 레이저 하이브리드 용접방식에 맞게 열원을 모델링한 후 열원 피팅(Heat Source Fitting)을 한다.
- 본 연구에서는 승용차 B 필러(pillar)에 브래킷(bracket)을 레이저 하이브리드 용접으로 접합할 때, 용접에 의한 차체변형을 용접해석으로 예측하여 변형을 최소화할 수 있는 클램핑 조건을 고려한 지그 설계 및 용접 순서 제안 등에 활용할 수 있는 가능성을 확인해보고자 하였다. 이를 위해 용접에 의한 제품의 변형을 용접 시뮬레이션 상용소프트웨어인 SYSWELD 를 이용하여 예측하였고, 용접 변형 해석 프로세스를 정립하였다. 그리고 해석 결과를 B 필러와 브래킷을 용접한 실제 패널의 변형량을 측정한 결과와 상호 비교, 검증을 통해 해석의 타당성을 확인하였다.
- 2 에서 보는 바와 같이 B 필러에 4 개의 브래킷이 용접되는데, B 필러의 크기는 1210mm X 455mm 이고 TWB(Tailor-Welded Blank)공법으로 만들어진 블랭크를 이용하여 성형된다. 하이브리드 용접을 위해 랩 조인트(Lap Joint) 용접방식 중 플랜지 끝 용접을 적용하였다.
- 5 와 같이 하이브리드 용접법을 해석적으로 구현하였다. 해석에서의 정확한 열원 피팅을 위해 이중 타원형 열원 각도를 60˚로 지정하였다.
대상 데이터
- Fig. 18 에서 보는 바와 같이 측정에 사용된 스캐너는 비접촉식 레이저 스캐너로써 METRIS XC50 Laser scanning probe 를 사용하였고 측정가능 축수는 5 축(X/Y/Z/A/B), 측정 정밀도는 15µm 이하이다.
- 하이브리드 용접법은 고속으로 용접할 경우 취성조직이 발생할 가능성이 높다. 따라서 제품 용접시 와이어는 합금성분과 탄소량을 최소화한 아크용접 와이어 YGW12 를 사용하였고 보호가스는 Ar+20% CO2 혼합가스를 사용하였다. Table 2 와 3에 모재 및 용접 와이어의 화학적 조성과 기계적 특성을 나타내었다.
- 본 해석에서 사용한 재질은 SYSWELD 에서 제공하는 물성치 중 B 필러와 브래킷류, 그리고 용접 와이어와의 화학조성이 가장 비슷한 것을 사용하였으며 변형량을 비교하기 위한 주 대상인 B 필러에 사용된 재질에 대한 물성치 데이터를 아래 Fig. 11 에 나타내었다.
데이터처리
- 이를 위해 용접에 의한 제품의 변형을 용접 시뮬레이션 상용소프트웨어인 SYSWELD 를 이용하여 예측하였고, 용접 변형 해석 프로세스를 정립하였다. 그리고 해석 결과를 B 필러와 브래킷을 용접한 실제 패널의 변형량을 측정한 결과와 상호 비교, 검증을 통해 해석의 타당성을 확인하였다.
이론/모형
- 원뿔형 열원과 이중 타원형 열원, 두 개의 열원을 조합하여 아래 Fig. 5 와 같이 하이브리드 용접법을 해석적으로 구현하였다. 해석에서의 정확한 열원 피팅을 위해 이중 타원형 열원 각도를 60˚로 지정하였다.
성능/효과
- 4) 용접 변형해석결과 최대 2.223mm 의 변형이 발생하였고 실제품 용접 전․후의 패널 스캔 결과 동일한 위치에서 최대 2.961mm 의 변형이 발생함을 확인하였다. 또한, 비틀림 경향 분석을 위해 제품내 2 개의 단면을 선정하여 비교하였으며 검토 결과 비틀림 경향이 매우 유사함을 확인할 수 있었다.
- 5) 실 패널과의 비교를 통해 해석 결과와 측정된 변형값의 차이는 있으나 비틀림 경향은 매우 유사함을 확인하였고, 이를 활용하여 지그 설계시 비틀림 변형을 최소화할 수 있는 클램핑 조건, 용접 순서 등을 제안할 수 있다.
- 961mm 의 변형이 발생함을 확인하였다. 또한, 비틀림 경향 분석을 위해 제품내 2 개의 단면을 선정하여 비교하였으며 검토 결과 비틀림 경향이 매우 유사함을 확인할 수 있었다.
- 3) 현장의 용접조건과 용접순서를 고려하여 차체 변형 해석을 수행하였으며 각 용접순서에 따른 변형 양상을 확인하였다. 즉, 클램핑 상태에서 용접할 때의 제품 변형량은 그다지 크지 않고, 릴리스 상태에서도 12 번째 용접라인과 같이 평면 구간 용접의 경우 변형이 크지 않음을 알 수 있다. 그러나 13 번째 용접라인과 같이 릴리스 상태에서 제품 R 구간을 용접할 때의 변형량은 상대적으로 커짐을 확인할 수 있었다.
- 해석 결과에서 볼 수 있듯이 클램핑 상태에서 용접할 때의 제품 변형량은 그다지 크지 않고, 릴리스 상태에서도 12 번째 용접라인과 같이 평면 구간 용접의 경우 변형이 크지 않음을 알 수 있다. 그러나 13 번째 용접라인과 같이 릴리스 상태에서 제품 R 구간을 용접할 때의 변형량은 상대적으로 커짐을 알 수 있다(Fig.
후속연구
- 변형량에 대한 오차는 WME 의 적용에 따른 오차, 재료물성치 차이에 의한 오차, 해석에서는 실제보다 과하게 구속이 되면서 생기는 오차 등 해석상의 문제점 뿐아니라 용접 전․후의 패널 공차 상태, 그리고 용접 전․후의 패널을 어떻게 정렬하는 가에 따라 오차가 발생한다. 그 외 성형시 발생하는 잔류응력 및 변형이력도 용접변형에 영향을 미칠 것으로 판단되며 향후 성형 및 용접변형의 연계해석을 통해 확인이 가능하다.
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