[논문]영구 연화 거동을 고려한 마찰교반용접(FSW) 된 DP강 판재의 탄성 복원 예측

박태준; 이원오; 정경환; 김준형; 김대용; 정관수

영구 연화 거동을 고려한 마찰교반용접(FSW) 된 DP강 판재의 탄성 복원 예측
Springback prediction of friction stir welded DP590 steel sheets considering permanent softening behavior 원문보기

박태준 (서울대학교 재료공학부) , 이원오 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 정경환 (포스코 기술연구소) , 김준형 (삼성전자 정보통신총괄) , 김대용 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 정관수 (서울대학교)

In order to evaluate the effect of permanent softening behavior on springback prediction, 2D-draw bending simulations were compared with experiments for friction stir welded DP590 steel sheets. To account fur the nonlinear hardening behavior, the combined isotropic-kinematic hardening law was utilized with and without considering the permanent softening behavior during reverse loading. Also, the non-quadratic orthotropic yield function, Yld2000-2d, was used to describe the anisotropic initial-yielding behavior of the base sheet while anisotropic properties of the weld zone were ignored for simplicity.

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문제 정의

본 연구에서는 마찰교반용접 된 자동차용 고강도 DP590 steel 판재의 탄성 복원에 영구 연화 거동이 미치는 영향을 중점적으로 조사하였다. 비등방성 항복 거동을 표현하기 위해 비이차 비등방성 항복 함수인 Yld2000-2d를 사용하였으몌 1], 영구 연화 거동[2]을 고려한 복합 등방성 이동 응력법 칙 (combined isotropic-kinematic hardening law)을 이용하여 하중의 방향이 뒤바뀌는 역 하중(reverse loading)시의 Bauschinger 효과와 transient 경화 거동을 구현하였다[3].

가설 설정

사용하였다. 도구와 시편 사이의 마찰계수는 0.12로 가정했다. 실험 결과와 전산 모사 결과를 비교하기 위해 다음 그림과 같은 세 가지 변수를 사용하였다.
여기서 WZ와 BMe 각각 용접 부위와 모재를 뜻하며, β 는 용접 시 열에 의해 영향을 받은 부분의 용접 넓이에 대한 비율로서, 열에 영향 받은 부위의 물성은 용접 부위와 같다고 가정하였다.
용접 부분은 등방 성질을 갖는 물질로 가정하였고, m 값은 모재(base material)와 같은 6을 사용하였다.

제안 방법

실험을 수행하였다. DP590 판재와 그림 1과 같은 단면을 갖는 마찰교반용접 된 판재에 대해 경화 거동을 측정한 후, 다음 형태의 면적에 따른 복합 법칙을 적용하여 용접 부위의 경화 거동 시물성을 구하였다.
경화 거동 시 물성을 측정하기 위해 일축 인장/ 압축 실험을 수행하였다. DP590 판재와 그림 1과 같은 단면을 갖는 마찰교반용접 된 판재에 대해 경화 거동을 측정한 후, 다음 형태의 면적에 따른 복합 법칙을 적용하여 용접 부위의 경화 거동 시물성을 구하였다.
구성방정식을 구현하기 위한 사용자 정의 코드를 개발하여 성형을 ABAQUS/explicit에, 탄성 복원을 ABAQUS/implicit에 적용하여 전산모사 하였다, 성형 도구는 변형하지 않으므로 R3D4 요소를 사용하였으며, 시편은 4-node shell 요소인 S 4R을 두께 방향으로 9개의 적분점을 두고 사용하였다. 도구와 시편 사이의 마찰계수는 0.
마찰교반용접한 DP590 TWB 판재의 2-D draw bending을 전산 모사하여 실제 실험결과와 탄성 복원의 양을 비교해 보았다. 실험에 사용된 시편과 Die, Holder, Punch의 형태는 그림 3과 같다.
비등방 항복 계수를 결정하기 위해 2.0mm 두께의 DP590 판재에 대해 압연 방향에 평행, 45도, 수직 인 방향으로 ASTM E-8 규격 의 시 편을 추출하여 일죽, 등이죽 인장 실험을 수행하였다. 모든 실험은 0.
소성 변형 이후 역 하중(reverse loading)에 의한 경화 거동에서 나타나는 영구 연화 거동을 구현하기 위하여 다음과 같이 경화 변수 * 를 변경하는 연화 거동 변수 g 를 도입하였다.
용접 부위와 모재에 대해 각각 Vbce 형과 Holloman 형의 경화 곡선을 사용하였다. 사용된 공식과 얻어진 계수를 다음 표 3에 정리하였다.
비등방성 항복 거동을 표현하기 위해 비이차 비등방성 항복 함수인 Yld2000-2d를 사용하였으몌 1], 영구 연화 거동[2]을 고려한 복합 등방성 이동 응력법 칙 (combined isotropic-kinematic hardening law)을 이용하여 하중의 방향이 뒤바뀌는 역 하중(reverse loading)시의 Bauschinger 효과와 transient 경화 거동을 구현하였다[3]. 이를 위해 일축 인장/압축 실험을 수행하여 DP강의 비등방성 및 경화 거동 시물성을 측정하였다. 개발된 구성방정식을 바탕으로 사용자 정의 코드(user subroutine)를 구현하여 ABAQUS/implicit 및 ABAQUS/explicit에 적용하여 2-D draw bending 실험 [4]을 전산 모사 하였으며,이를 통해 영구 연화 거동의 유무에 따른 탄성 거동을 예측하여 실제 실험결과와 비교하였다"

대상 데이터

0mm 두께의 DP590 판재를 압연 방향과 평행하게 마찰교반용접한 판재를 사용하였다. 마찰교반용접에 사용된 핀의 지름은 4mm이고, shoulder의 지름은 10mm이다. 공정 에 대한 자세한 사항은 표 1과 같다.
본 연구에서는 탄성 복원을 살피기 위해 같은 2.0mm 두께의 DP590 판재를 압연 방향과 평행하게 마찰교반용접한 판재를 사용하였다. 마찰교반용접에 사용된 핀의 지름은 4mm이고, shoulder의 지름은 10mm이다.
실험에 사용된 시편과 Die, Holder, Punch의 형태는 그림 3과 같다. 시편의 길이 Le 300mm이며, 너비 W는 35mm이다.

데이터처리

이를 위해 일축 인장/압축 실험을 수행하여 DP강의 비등방성 및 경화 거동 시물성을 측정하였다. 개발된 구성방정식을 바탕으로 사용자 정의 코드(user subroutine)를 구현하여 ABAQUS/implicit 및 ABAQUS/explicit에 적용하여 2-D draw bending 실험 [4]을 전산 모사 하였으며,이를 통해 영구 연화 거동의 유무에 따른 탄성 거동을 예측하여 실제 실험결과와 비교하였다";

이론/모형

Bauschinger 효과와 transient 거동과 같은 경화 거동을 효과적으로 구현하기 위하여 다음 형태의 복합 등방성 이동 웅력 법칙(combined isotropickinematic hardening law)을 이용하였다.
비등방성 항복 거동을 표현하기 위해 비이차 비등방성 항복 함수인 Yld2000-2d를 사용하였으몌 1], 영구 연화 거동[2]을 고려한 복합 등방성 이동 응력법 칙 (combined isotropic-kinematic hardening law)을 이용하여 하중의 방향이 뒤바뀌는 역 하중(reverse loading)시의 Bauschinger 효과와 transient 경화 거동을 구현하였다[3]. 이를 위해 일축 인장/압축 실험을 수행하여 DP강의 비등방성 및 경화 거동 시물성을 측정하였다.

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