[논문]고장력 강판(SGAFC780)의 저항 점 용접의 유한요소해석을 통한 너깃 직경 예측

이철호; 김원섭; 이종훈; 박상흡

doi:10.5762/kais.2019.20.11.144

고장력 강판(SGAFC780)의 저항 점 용접의 유한요소해석을 통한 너깃 직경 예측
A Study on Prediction of Nugget Diameter by Resistance Spot Welding Finite Element Analysis of High Tensile Steel (SGAFC 780) 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.11, 2019년, pp.144 - 150

이철호 (한국폴리텍대학 산학협력단) , 김원섭 (공주대학교 기계공학과) , 이종훈 (공주대학교 기계공학과) , 박상흡 (공주대학교)

초록
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본 연구는 고 장력 강판 SGAFC 780소재를 이용하여 저항 점 용접을 실시 하였으며, 조건에 따른 너깃 지름 측정, 유한 요소 해석 비교를 하였다. 너깃 지름 측정 결과 용접 전류 7kVA의 용접시간 18cycle 이상의 용접조건에서는 용접 최소 직경인 4.3mm 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 9kVA과 10kVA이상에서 최소 너깃 직경인 4.3mm 이상으로 만족 하였으나, 높은 전류와 시간으로 인해 날림 현상이 발생하였고, 그로 인한 깊은 압흔이 잔류하였다. 용접성 평가 결과 최소 너깃 지름에서는 만족하지만 날림 현상이 발생하여 용접 불량으로 평가되는 구간이 존재함을 확인하였다. 하지만 날림 현상이 일어났음에도 충분한 하중 부담 능력을 가지는 영역도 확인했다. 유한 요소 해석 비교 결과 적정용접 구간에서의 유한 요소 해석과 실험 결과에서의 너깃 지름을 비교 했을 시 4.2% 미만의 오차율을 확인 했으며, 유한 요소 해석의 신뢰성을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, resistance spot welding was performed using a high tensile steel plate SGAFC 780. The shear tensile strength, fracture profile, nugget diameter, and simulation were compared according to the conditions. After the nugget diameter calibration, the minimum diameter of welding was more than 4.3mm when the welding current was 8kVA or more. At 9kVA and above 10kVA, the minimum nugget diameter of 4.3mm was satisfied. On the other hand, due to the high current and time, the fly phenomenon occurred and the deep indentation remained. An evaluation of the weldability confirmed that there was an interval that was evaluated as weld failure due to the creep phenomenon, which satisfied the tensile shear strength and minimum nugget diameter. On the other hand, areas that have sufficient load bearing capacity even when drift has occurred were also identified. The simulation results show that the error rate was less than 4.2% when comparing the nugget diameter in the simulation and the experimental results in the appropriate weld zone, and confirmed the reliability of the simulation.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Schematic drawing of nugget diameter
표 Table 1. Chemical compositions of materials used (wt. %)
표 Table 2. Chemical compositions of materials used (wt. %)
표 Table 3. Chemical compositions of materials used (wt. %)
그림 Fig. 2. Schematic of a typical weld ability lobe
그림 Fig. 3. Nugget diameter according to the welding current as electrode=3.0 kN
표 Table 4. Analysis of nugget diameter according to welding conditions
표 Table 5. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding conditions (welding current =6kVA)
표 Table 6. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding conditions (welding current =7kVA)
표 Table 7. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding conditions (welding current =8kVA)
표 Table 8. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding conditions (welding current = 9kVA)
그림 Fig. 4. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding current (welding time =12 cycle)
그림 Fig. 5. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding current (welding time =18 cycle)
그림 Fig. 6. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding current (welding time =24 cycle)
표 Table 9. Comparative analysis of experimental results and simulations according to welding conditions (welding current =10kVA)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SGAFC 780소재를 이용하여 통전전류, 시간에 따라 저항 점용접을 실시하였고, 너깃 직경을 측정 후 기계적 특성을 통한 최적의 저항 점용접 조건을 도출하였다. 그리고 유한요소해석을 통해 저항 점용접의 너깃 직경을 예측하였으며 실제 용접과 비교하여 오차율을 알아봄으로써 저항 점 용접부를 포함한 용접 구조물의 품질에 대한 신뢰성 향상과 제품 개발비용 절감에 이바지 하고자 하였다.

제안 방법

본 연구는 고장력 강판 SGAFC 780 소재를 이용하여 저항 점 용접을 실시 하였으며, 조건에 따른 너깃지름측정, 유한 요소 해석 비교를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 SGAFC 780소재를 이용하여 통전전류, 시간에 따라 저항 점용접을 실시하였고, 너깃 직경을 측정 후 기계적 특성을 통한 최적의 저항 점용접 조건을 도출하였다. 그리고 유한요소해석을 통해 저항 점용접의 너깃 직경을 예측하였으며 실제 용접과 비교하여 오차율을 알아봄으로써 저항 점 용접부를 포함한 용접 구조물의 품질에 대한 신뢰성 향상과 제품 개발비용 절감에 이바지 하고자 하였다.
용접 파단면 관찰을 위해 용접 조건별 실험 후 파괴 실험을 실시하였으며, 너깃지름 관찰을 하기 위하여 KSB 0850에 의거하여 판두께 1mm일 때 최소 너깃지름 4.3mm를 기준으로 정하고, 일반적인 시험편 준비과정에 의거해 절단, 마운팅, 미세연마, 에칭을 수행하였다.
1과 같이 실시하였으며, 연마는 #100, #300, #600, #1000, #1500 입도를 사용하여 연마를 실시하였고, 1㎛의 알루미나와 함께 거시경면연마를 수행하였다. 화학 부식으로는 피클린 산(Picric acid)을 이용해 에칭을 실시하였으며, 저배율 현미경(YJO-201)을 이용하여 너깃부를 관찰, 측정 하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 현재 자동차 차체에 사용되고 있는 780MPa급 고장력 강판으로써 SGAFC 780 강판을 사용하였으며, 실험 재료의 기계적 특성과 화학적 성분을 Table 1과 Table 2에 나타내었다.
유한요소해석을 위하여 각각의 파트는 전극의 형상과 시편의 치수와 동일하게 전극과 시편을 원통형 대칭 모델의 형태로 구성하였으며 메쉬 모델은 4각 메쉬를 사용하였다. 전극은 냉각수가 흐르도록 Cu-Cr 합금 재질의 돔 타입으로 설계하였다.

성능/효과

1) 최소 너깃지름은 만족하지만 날림 현상이 발생하여 용접 불량으로 평가되는 구간이 존재함을 확인하였고, 이를 바탕으로 한 로브곡선을 도출하였다.
2) 너깃 지름 측정 결과 용접 전류 7kVA 용접시간 18cycle 이상에서는 용접 최소 직경인 4.3mm 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 9kVA과 10kVA 이상에서 최소 너깃 직경인 4.
3) 용접성 평가 결과 최소 너깃 지름에서는 만족하지만 날림 현상이 발생하여 용접 불량으로 평가되는 구간이 존재함을 확인하였다. 하지만 날림 현상이 일어났음에도 충분한 하중 부담 능력을 가지는 영역도 확인했으며, 용접성 판단에 있어서 기존 연강과는 다른 기준이 제시되어야 할 것으로 사료된다.
4) 10kVA에서는 유한요소해석에서는 너깃 지름이 점점 더 커지는 너깃을 확인할 수 있었지만 실제 실험에서는 날림현상으로 인한 용융부의 압흔으로 인해 너깃의 지름이 커질 수 없는 조건이 되어 오차율이 많이 벗어난 것으로 판단된다.
5) 유한 요소 해석 비교 결과 적정 용접 구간에서의 유한 요소 해석과 실험결과에서의 너깃 지름을 비교했을 때 4.2% 미만의 오차율을 확인 했으며, 유한 요소 해석의 신뢰성을 확인 할 수 있었다.
유한 요소 해석과 실제 실험결과를 비교하였을 때 6kVA의 오차율은 5.8%, 7kVA의 오차율은 3.8%, 8kVA의 오차율은 2.2%, 9kVA의 오차율은 3.1%, 10kVA의 오차율은 14.6%로 나타났으며, 4kVA를 제외한 용 용접구간에서의 평균 오차율은 5.9%로 나타났다. Figs.
이와 같이 적정 용접구간에서의 유한 요소 해석과 로브 곡선을 반영한 용접 범위 내의 너깃 지름을 비교했을 시 2.2% 미만의 오차율을 확인했으며, 유한 요소 해석의 신뢰성을 확인 할 수 있었다. 본 연구는 저항 점 용접의 유한 요소 해석을 통하여 적정용접구간에서의 유한 요소 해석결과를 적용해도 될 것으로 판단되었다.
2에 나타내었다. 최소 너깃 지름인 4.3mm를 만족하지만 날림 현상이 발생하여 용접 불량으로 평가되는 구간이 존재함을 확인하였다. 하지만 날림현상이 일어났음에도 충분한 하중 부담 능력을 가지는 영역도 확인하였으며 용접 판단에 있어서 기존 연강과는 다른 기준이 제시되어야 할 것으로 사료된다.
용접 품질 평가를 위한 상한영역을 짙은 회색으로 표현 하였으며, 적정 용접구간으로서 옅은 회색으로 표시하였다. 측정결과 용접 전류와 용접 시간이 늘어날수록 비례적으로 너깃 직경이 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이는 전류와 시간이 늘어날수록 저항에 의한 입열량이 증가하기 때문에 너깃의 용융 및 성장을 증가시키는 것으로 판단된다. 그리고 KS B 0850 점용접부의 검사방법에 의거하여 Fig.

후속연구

2% 미만의 오차율을 확인했으며, 유한 요소 해석의 신뢰성을 확인 할 수 있었다. 본 연구는 저항 점 용접의 유한 요소 해석을 통하여 적정용접구간에서의 유한 요소 해석결과를 적용해도 될 것으로 판단되었다.
3) 용접성 평가 결과 최소 너깃 지름에서는 만족하지만 날림 현상이 발생하여 용접 불량으로 평가되는 구간이 존재함을 확인하였다. 하지만 날림 현상이 일어났음에도 충분한 하중 부담 능력을 가지는 영역도 확인했으며, 용접성 판단에 있어서 기존 연강과는 다른 기준이 제시되어야 할 것으로 사료된다.
3mm를 만족하지만 날림 현상이 발생하여 용접 불량으로 평가되는 구간이 존재함을 확인하였다. 하지만 날림현상이 일어났음에도 충분한 하중 부담 능력을 가지는 영역도 확인하였으며 용접 판단에 있어서 기존 연강과는 다른 기준이 제시되어야 할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분의 자동차 공정에 적용되는 저항 점용접에서 용접성을 저하시키는 원인은 무엇인가?	대부분의 자동차 공정에 적용되는 저항 점용접에서는 고강도 강판의 합금 원소와 높은 강도 그리고 아연도금강판의 도금층 등이 용접성을 저하시키는 원인이 된다. 특히 아연 도금강판에서 저항 점용접은 도금층의 영향으로 인해 일반냉연강판보다 발열량이 부족하므로 높은 전류조건의 사용이 일반적이다.
	자동차 공정에 사용되는 저항 점용접에서 용접성을 저하시키는 원인은?	대부분의 자동차 공정에 적용되는 저항 점용접에서는 고강도 강판의 합금 원소와 높은 강도 그리고 아연도금강판의 도금층 등이 용접성을 저하시키는 원인이 된다. 특히 아연 도금강판에서 저항 점용접은 도금층의 영향으로 인해 일반냉연강판보다 발열량이 부족하므로 높은 전류조건의 사용이 일반적이다.
	고장력 강판 SGAFC 780 소재 저항점 용접 시 최소 너깃 직경을 만족하는 조건은?	2) 너깃 지름 측정 결과 용접 전류 7kVA 용접시간 18cycle 이상에서는 용접 최소 직경인 4.3mm 이상을 만족하는 것으로 나타났다. 9kVA과 10kVA 이상에서 최소 너깃 직경인 4.3mm 이상으로 만족하였으나, 높은 전류와 시간으로 인해 날림현상이 발생하였고, 그로 인한 깊은 압흔이 잔류하였다.

참고문헌 (6)

S. M. Lee and Y. D. Park, "A Study on the Resistance Spot Weldability of 590 MPa Grade DP Steel with Modified Electrode Tip", Kor. Inst. Met. & Mater. 48-1, 71, 2010.

상세보기
C. Y. Choi, "Evaluation of Fracture Properties in the Resistance Spot Welded Advanced High Strength Steel for Automotive application", Ph.D. Thesis, Pusan National university, pp.8-13, 2012.
S. W. shin, J. H. Lee D. H. Kim and S. H. Park, "Evaluation of Resistance Spot Weldability of SGAFC1180 Steel", Journal of KAIS, Vol.18, No.12, pp.644-649, KCI, 2017.
D. Y. Choi, "Effects of Phosphorus and in-situ Post-heat Pulse Conditions on Resistance Spot Weldability of High Si DP980 Steel Sheet", Journal of Welding and Joining, Vol.33, No.6, pp.21-26, 2015.

원문보기 상세보기
M. Mimer, L.E. Svensson and R. Johansson, "Process Adjustments to Improve Fracture Behaviour in Resistance Spot Welds of EHSS and UHSS", Welding in the World, 48, pp.14-18. 2004.

상세보기
S. W. shin, J. H. Lee and S. H. Park, "A Study on the Prediction of Nugget Diameter of Resistance Spot Welded Part of 1.2GPa Ultra High Strength TRIP Steel for Vehicle", Journal of KAIS, Vol. 19 No.3 pp.52-60, 2018.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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