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문제 정의
- 본 논문에서는 용접해석의 대표적인 전용 프로그램인 시스웰드(Sysweld) 소프트웨어를 이용하여 Al 합금판재의 마찰교반 용접시 공구의 숄더지름, 회전속도와 이송속도 변화에 따른 온도와 응력을 구하고 이러한 값을 분산분석을 실시하여 용접변수가 해석 결과에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
제안 방법
- Table 3에서 삼원배치법을 이용하여 유동해석과 강도해석을 행한 결과를 나타내었다. 각각의 값은 평균치를 특성값으로 선정하여 총 27회 해석을 수행하였다. 여기서 A는 공구의 숄더지름, B는 이송속도, C는 회전속도를 나타낸다.
- 메쉬작업은 비주얼 메쉬 프로그램을 이용하였으며 마찰교반 용접공구의 진행방향은 y축이며 진행방향의 70% 지점에 공구의 최종위치를 설정하였다. 또한 z축을 따라 회전이 이루어지므로 요소는 중심 부위에서는 조밀하게 나누고 가장자리로 갈수록 커지도록 분할하였다.
- 1은 마찰교반용접 유한요소 해석을 위해 Unigraphics NX6을 이용하여 두께 2 mm의 판재와 공구의 모델링 형상이다. 마찰교반 용접시 공구는 판재와 접촉하여 마찰열을 발생시키므로 공구의 숄더 하단 면과 핀 외형 면으로 모델링하였고 공구의 형상과 크기는 Table 1에 나타내었다. Fig.
- 2는 두께 방향으로는 3개의 요소로 분할하여 두께 방향으로 온도와 응력의 분포를 관찰할 수 있도록 2D 메쉬(Mesh)생성 후 8개의 절점을 갖는 육면체 요소를 사용하여 3D 메쉬를 생성한 모습이다. 메쉬작업은 비주얼 메쉬 프로그램을 이용하였으며 마찰교반 용접공구의 진행방향은 y축이며 진행방향의 70% 지점에 공구의 최종위치를 설정하였다. 또한 z축을 따라 회전이 이루어지므로 요소는 중심 부위에서는 조밀하게 나누고 가장자리로 갈수록 커지도록 분할하였다.
- 본 논문에서는 마찰교반 용접의 유한요소 해석을 위해 용접해석 전용 프로그램인 시스웰드를 이용하였다. 시스웰드 프로그램은 기본적으로 각 공정 조건에 대한 입력 데이터로부터 열-야금학 모듈로서 온도와 상 변태에 대한 연성해석을 수행하여 온도와 상분포를 구하고, 이로부터 역학 모듈로 휨 및 잔류응력을 계산한다.
- 본 논문에서는 알루미늄 합금의 마찰교반 용접시 용접 공정의 중요한 변수인 공구의 숄더지름, 회전속도, 이송속도가 유동 및 강도특성에 미치는 영향을 분산분석을 이용하여 분석한 결과 다음과 같은 결과를 얻었다.
이론/모형
- 시스웰드 프로그램은 기본적으로 각 공정 조건에 대한 입력 데이터로부터 열-야금학 모듈로서 온도와 상 변태에 대한 연성해석을 수행하여 온도와 상분포를 구하고, 이로부터 역학 모듈로 휨 및 잔류응력을 계산한다. 마찰교반 용접에 대한 지배방정식은 식 (1)과 같이 노튼의 법칙을 이용하여 해석을 수행하였다.
- 인자는 마찰교반 용접시 공정의 중요한 용접변수인 공구의 숄더지름, 회전속도, 그리고 이송속도로 하였다. 해석 조건은 Tabel 3과 같이 해석 결과치에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대표적인 실험계획법인 삼원배치법의 원리를 적용하여 배치하였다.
성능/효과
- Fig. 6는 이송속도를 300 mm/min, 회전속도를 1500 rpm으로 일정하게 하여 공구 숄더지름을 9(a), 12(b) 그리고 15(b) mm으로 변화시킨 유동해석 결과로서 전반적으로 모든 조건에서 용접부 온도분포는 양호하게 나타났으며 숄더지름이 커질수록 온도는 증가되었고 최대값와 최소값의 차이도 크게 나타났다.
- (c) rpm으로 변화시킨 유동해석 결과로서 전반적으로 모든 조건에서 용접부 온도분포는 양호하게 나타났으며 회전속도가 커질수록 온도는 증가되었고 최대값과 최소값의 차이도 크게 나타났다.
- 1. 유동해석을 통해 얻은 온도 값을 특성값으로 하여 분산분석 결과 공구의 회전속도, 숄더지름, 이송속도 순으로 온도 특성값에 영향을 크게 끼치고 99% 신뢰구간에서 578.84±12.72로 나타났다.
- 2. 공구의 이송속도, 회전속도와 숄더지름등이 증가할수록 온도는 증가하였고 공구숄더가 15 mm, 이송속도가 500 mm/min, 그리고 회전속도가 2000 rpm 에서 가장 큰 온도값이 나타났다.
- 3. 강도해석을 통해 얻은 응력값을 특성값으로 하여 분산분석결과 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 순으로 응력특성값에 영향을 크게 끼치고 99% 신뢰구간에서 184.54±12.62로 나타났다.
- 4. 공구의 숄더지름, 이송속도 및 회전속도가 증가할수록 응력값이 증가하였고 공구의 숄더지름이 15 mm, 이송속도가 500 mm/min, 그리고 회전속도가 2000 rpm에서 가장 큰 응력값이 나타났다.
- Fig. 7은 회전속도를 1500 rpm으로 일정하게 하여 이송속도를 100, 200, 300 mm/min으로 변화시킨 강도해석 결과로서 전반적으로 모든 조건에서 용접부의 응력분포는 양호하게 나타났으며 이송속도가 빠를수록 응력도는 증가되었고 최대값과 최소값의 차이도 크게 나타났다. Table 6은 유동해석을 통해 얻은 온도값을 특성치로 선정하여 통계적 분석방법인 분산분석을 실시한 결과를 나타낸다.
- 3은 각 용접변수들에 대한 온도의 모평균을 나타낸 것으로 공구의 숄더지름이 증가할수록 온도 값이 증가하는 경향을 나타내었으며, 3수준인 15 mm에서 가장 큰 온도 값을 나타내었다. 공구의 이송속도와 회전속도 역시 증가할수록 온도 값이 증가하였으며 3수준인 500 mm/min 및 2000 rpm에서 각각 가장 큰 온도 값을 나타내었다.
- 공구의 이송속도와 회전속도 역시 증가할수록 응력 값이 증가하였으며 3수준인 500 mm/min 및 2000 rpm에서 각각 가장 큰 응력값을 나타내었다. Fig.
- 분산분석 결과 알루미늄 합금의 마찰교반용접 유동해석시 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 3가지 변수들의 조합에서 공구의 회전속도가 온도 특성값에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 숄더지름, 이송속도 순으로 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 또한 각 변수들 간의 교호작용 모두 온도 특성치에 유의한 것으로 나타났다.
- 또한 각 변수들 간의 교호작용 모두 응력 특성값에 유의한 것으로 나타났다. Table 7은 각 변수들의 모평균 및 구간추정을 실시한 결과이다.
- Table 6은 유동해석을 통해 얻은 온도값을 특성치로 선정하여 통계적 분석방법인 분산분석을 실시한 결과를 나타낸다. 분산분석 결과 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 3가지 변수들의 조합에서 공구의 숄더지름이 응력값에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며 회전속도, 이송속도 순으로 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
- Table 4는 유동해석을 통해 얻은 온도값을 특성치로 선정하여 통계적 분석방법인 분산분석을 실시한 결과를 나타낸다. 분산분석 결과 알루미늄 합금의 마찰교반용접 유동해석시 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 3가지 변수들의 조합에서 공구의 회전속도가 온도 특성값에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 숄더지름, 이송속도 순으로 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 또한 각 변수들 간의 교호작용 모두 온도 특성치에 유의한 것으로 나타났다.
- 알루미늄 합금의 마찰교반용접 유동해석시 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 모두 온도와 비례하는 경향을 나타냈으 며, 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 3가지 변수들의 조합에서 가장 높은 응력값을 나타내는 조합은 A3B3C3 조건으로 90% 신뢰구간에서 184.54±7.00, 95% 신뢰구간에서 187.54±8.67, 99% 신뢰구간에서 184.54±12.62로 나타났다.
- 알루미늄 합금의 마찰교반용접 유동해석시 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 모두 온도와 비례하는 경향을 나타냈으며, 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 3가지 변수들의 조합에서 가장 높은 온도 값을 나타내는 조합은 A3B3C3 조건으로 90% 신뢰구간에서 578.84±7.05, 95% 신뢰구간에서 578.84±8.74, 99% 신뢰구간에서 578.84±12.72로 알루미늄 합금의 재결정 온도와 용융점 사이인 것으로 나타났다.
- 9는 용접 변수들인 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도가 응력특성 값에 영향을 끼치는 기여도를 나타난 것이다. 여기서 공구의 숄더지름이 약 52%로 응력 특성값에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며 회전속도가 42%, 이송속도가 각각약 2.0%로 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
- 4는 용접 변수들인 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도가 온도에 영향을 끼치는 기여도를 나타난 것이다. 여기서 공구의 회전속도가 약 53%로 온도 특성치에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며 숄더지름이 44%, 이송속도가 각각 약 0.1%로 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
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