자동차 후륜 크래들 용접 최적화 번역(한국어 원본)1. INTRODUCTION (Capital, Bold, 11 pt. Times New Roman)
용접은 모재와 모재 사이에 열을 가하여 두 모재를 접합시키는 과정이다. 이때 필요한 열은 가스, 풀라즈마, 전기, 레이저를 통하여 얻는다. 각 각의 열원은 구조의 종류에 따라 달라지게 된다. 예를 들어 선박이나 다리와 같은 큰 구조물을 용접할 때는 아크 용접을 주로 사용하게 되는데 이는 가격이 싸고 다루기가 용이하기 때문이다.[1] 용접은 열이 가해지면서 모재와 모재가 용융을 하게 되고 이때 용접 line위의 모재는 열전도 현상이 발생하게 되는데 영향을 받는 부분을 열영향부(HAZ)라 한다. 이는 약 750°C~1500°C를 기준으로 나누어 지며 750°C보다 낮으면 모재부라 칭하며, 1500°C이상은 용접부라 칭한다.[2,3] 이러한 급열 과정이 지나고 냉각 과정을 거치면서 Table 1. 과 같은 용접 과정과 재료 물성에 따라 다른 열변형과 잔류응력이 발생하게 되는데, 잔류응력과 열변형은 용접 구조물을 약화 시킨다. 용접 변형은 설계상과 수치가 달라지며, 잔류응력은 취성파괴, 피로 그리고 좌굴현상이 발생하게 된다. 따라서 잔류응력과 열변형을 최소화 해야 한다. 이러한 방법을 모색 하기 위해서 여러 연구가 이루어 지고 있으며, 최소화 하기 위해서는 열 용량을 조절, 용접 순서, 용접 후의 열처리 그리고 클램핑(clamping)조건 변경 등의 방법이 있다.[1,4] 이번 연구에서는 모사 해석을 통하여 열변형을 최소화 할 수 있는 방법을 모색 할 것이며, 이를 위해 용접에서 사용되는 열용량 즉, 입열량은 다음과 같은 수식을 이용하여 구할 수 있다.
식 (1)과 같이 표기되며 ( )는 전류, ( )는 전압, ( ) 용접 속도 그리고 는 용접 열효율에 대하여 나타내었다. 여기에서 용접 효율은 각 용접 타입 마다 다르게 작용하는데, 예를 들어 수중 아크 용접은 η=0.9~0.99와 같은 고 효율이 적용되며, TIG 용접은 =0.3~0.6의 저 효율이 적용된다.[1] 위와 같은 식을 이용하여 열용량의 값을 도출 하였다. 이번 연구는 SYSWELD를 이용하여 간단한 겹치기 이음(lap joint)을 이용하여 모델링을 하기 위한 방법을 모색했다. [5,6] 이를 기초로 rear cradle 모델의 유한요소 모델을 구성하였다. 이후 용접 속도, 전류, 지그 위치에 따른 case study를 실시하여 열변형에 끼치는 영향을 분석하고, 최소화 방법을 제안 하였다.
2. 용접 해석
2.1 용접 모델링
Rear cradle 모델은 다양한 브라켓을 포함하고 있다. 하지만 이번 해석을 통해서는 위, 아래 그리고 각 사이드를 용접하여 발생하는 뒤틀림을 최소화 하기 위한 방법을 제안 하고자 브라켓을 제외 하고 모델링을 실시 하였다. Rear cradle 모델의 요소 개수는 102,400개로 구성되어 있다. 또한 솔리드 요소[7]로 구성되어 있으며, 비드와 용접부를 4layer 이상으로 표현 해야 하나 해석시간을 고려하여 1layer로 해석을 진행 하였다. 해석의 열변형의 경향은 차이는 크게 차이가 발생하지 않은 것은 간단한 해석을 통하여 검증을 실시 하였다.[8,9] 용접 시간을 단축하기 솔리드(solid)요소의 적합한 층(layer)및 size를 찾기 위해 실험을 실시하였다. 동일한 모델 A: 500x200X3, B: 500x230X3 두 모델에 을 겹치기 이음를 실시하였으며, 그 형상은 Fig 1과 같다. 용접부 모델을 기준으로 4가지 케이스를 선정 하였다. 이때 경계조건은 Fig 2와 같이 용접 시 상단에 Jig로 눌러 주며 바닥과 맞닿는 부분은 stop조건을 이용하여 z축으로 고정 시켜 주었다, 냉각 시에는 Jig의 영향을 받지 않기 위해 모든 Jig를 풀어 주는 unclamped 조건을 주었다. MAG용접을 이용하여 용적 속도 10mm/sec, 용접 용량은 467J/mm과 열 효율은 80%로 하여 해석을 실시 하였다. 물성은 DP600을 사용 하였다.
2.2 재료 물성치
용접에 의해 발생하는 온도, 잔류응력 그리고 열변형은 재료의 탄소 함량, 인장 강도, 열팽창 계수 등의 재료 물성을 고려하여 열역학적/야금학적/기계적 방정식을 이용하여 계산된다. 용접 해석의 정확도를 위해서는 적용 소재의 온도 별 기계적 물성 및 열 물성이 필요로 하지만, 시간과 비용의 문제를 고려하여 그러지 못할 경우, 화학 구성비를 이용하여 소재를 선택하는 경우도 있다. 화학 구성비는 금속 소재 마다 가지고 있는 화학 성분비를 말한다. 각종 미세 조직은 야금학적 반응에 의해 생성된 각종 상으로 구성 되어 있으며, 상은 화학 구성이나 결정 구조가 달라 지면서 발생하게 된다. 상의 구성은 Fe-C상태도에서 확인 할 수 있으며, 탄소 함량과 같은 성분비에 따라 용융점 및 냉각 시 구성 상이 달라 지는 것을 알 수 있다. 예를 들어 저 탄소 강은 1500°C에서 용융이 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구의 용접 해석에서는 실제 용접에서 사용된 HLSA(High-strength low-alloy steel) HR420강을 Table.3와 같이 SYSWELD에서 제공하는 화학 구성비를 이용하였다. 탄소, 망간, 규소 등과 같은 성분 중에 가장 높은 비중을 차지하고 있는 탄소 함량과 재료의 강도를 감안하여 선택하였다. 위 HR420강의 탄소는 0.15들어간다. 강 중에 같은 고강도 강으로 가장 유사한 재료인 DP600을 선택하여 해석을 진행 하였다.[10] |
자동차 후륜 크래들 용접 최적화 번역(영어 번역본)1. INTRODUCTION (Capital, Bold, 11 pt. Times New Roman)
Welding is a process used to bond two base materials by applying heats between the two materials. The heats required in welding processes are obtained from gases, plasma, electricity, or laser. Each heat source is varied depending on the types of structures. For example, ARC welding is often used when welding bit structures like ships and bridges because it is cheap and easy to handle. [1] In welding processes, two base materials melts as heats are added and thermal conduction occurs on the base material along the welding line. The area affected by this thermal conduction is called Heat Affected Zone (HAZ). This heat affected zone is then classified as a base material zone and a welding zone depending on their temperature which are generally 750°C or below for the base material zone and 1500°C or higher for the welding zone.[2,3] Cool down process follows after such rapid heating and various thermal deformations and residual stresses shown in the Table 1 occur depending on the welding processes used and the material properties during this cool down process. The residual stresses and thermal deformations are known to weaken the structures. Welding deformations cause different dimensions than the originally designed and residual stresses cause brittle fracture, fatigue, and buckling. Therefore, residual stresses and thermal deformations must be minimized, and many studies are under progress for this. There are a few things that can be done to accomplish that; 1) the heat capacity can adjusted, and 2) conditions such as the welding order, the heat treatment after welding, and clamping setting can be changed.[1,4] In this study, we will explore methods to minimize the thermal deformations through simulation analysis and the heat capacity, i.e. amount of heat input, used for welding can be obtained through the following formula.
Written as the formula (1), ( ) stands for the current, ( ) stands for the voltage, ( ) stands for the welding speed, and stands for the welding heat efficiency. Here, the welding efficiency works differently for different types of welding. For example, a high efficiency of η=0.9~0.99 is applied for underwater ARC welding and a low efficiency of =0.3~0.6 is applied for TIG welding.[1] The values of heat capacity are obtained by using the above formula. In this study, we investigated the modeling which utilized simple lap joints obtained from SYSWELD.[5,6] Based on this, we constructed a finite element model of rear cradle model. Then we proposed minimization methods by conducting case studies in which the welding speeds, currents, and jig positions are varied and analyzing their influences on the thermal deformations.
2. Weld Analysis
2.1 Weld Modeling
Rear cradle models include various brackets. For this analysis, however, the modeling was performed by excluding the brackets since we intended to propose a method to minimize the distortions that occur when the top, the bottom, and the two sides were welded together through this analysis. The rear cradle model consists of a total of 102,400 elements. In addition, it should consist of solid elements [7] and the beads and the weld zone should be described with 4 or more layers, however, the analysis was done with 1 layer to account for the time taken for analysis. As for cases in which the thermal deformation did not appear to vary by much, simple analysis was used for validation.[8,9] Tests were conducted to identify the layer and the size that are appropriate for the solid element for reducing the weld time. Lap joints were made on two identical models; A: 500x200X3 and B: 500x230X3, and their shapes are shown in the Figure 1. 4 cases were selected based on the weld zone models. As for the boundary conditions here, the upper was pushed down with a jig during the welding, as shown in the Figure 2, and the stop condition was used to mount with a z-axis. During the cool down process, all jigs were unclamped in order to eliminate the influences of the jigs. The analysis was done by using MAG welding at a weld speed of 10 mm/sec, a weld capacity of 467 J/min, and a heat efficiency of 80%. DP600 was used for the material property.
2.2 Material Property
The temperature, residual stress, and thermal deformation caused by welding are calculated by using thermodynamic/metallurgical/mechanical equations and taking material properties such as carbon contents, tensile strength, and thermal expansion coefficient into account as well. Mechanical and thermal properties of the materials at different temperatures are required for precise weld analysis. However, materials are sometimes selected by using their chemical compositions when such information is not available due to time and costs constraints. The chemical compositions refer to the ratio of chemical constituents contained in different metals here. Various microstructures consist of different phases that are produced through metallurgical reactions and the phases are produced as the chemical compositions or crystal structures are changed. Phase compositions can also be examined in the Fe-C phase diagram and we can see that the phase compositions change at the melting point and during cooling processes in accordance with the material compositions such as carbon contents. For example, low carbon steels are known to have a melting point of 1500°C. For the weld analysis of this study, chemical compositions shown in the Table 3 and provided by SYSWELD were applied on HLSA (High Strength Low Alloy Steel) HR420 Steel, which was used for actual welding. The selection was made by accounting for its carbon contents, which is rather high compared to manganese and silicone contents, and the hardness of the material. The HR420 steel mentioned above contain 0.15 carbons. Analysis was done by selecting DP600, which is also a high strength steel and have similar chemical compositions.[10] |
