용접변형 교정 자동화를 위한 화염열원의 특성에 관한 연구 = A Study on the Characteristics of Flame Heat Sources for Automated Welding Distortion Correction

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study focuses on the flame straightening process for correcting welding distortion in shipbuilding structures and experimentally analyzes the effects of key process parameters on deformation behavior. In addition, the applicability of an approximate model–based approach for predicting process conditions and deriving optimal process parameters is verified. Conventional flame straightening processes are largely dependent on the experience of skilled workers, leading to considerable uncertainty in the selection of process conditions. This limitation becomes more pronounced in thick plate structures, where increased material strength and thickness result in complex deformation behavior, frequently causing quality variations and rework. To address these issues, specimen-based experiments were conducted under conditions reflecting actual line heating practices in shipyards. Material type, plate thickness, gas flow rate, and heating speed were selected as design variables, and a full factorial Design of Experiments (DOE) was applied to construct a total of 24 experimental cases. For each case, deformation distributions were measured, and the deformation at the specimen end, where the maximum deformation occurred, was adopted as the reference response for analyzing the effects of the design variables. Experimental results and sensitivity analysis confirmed that plate thickness and heating speed are the dominant factors influencing deformation behavior, while gas flow rate and material type have relatively secondary effects. It was also observed that deformation at the heating start point (Y0) establishes the baseline shape of the overall deformation distribution, with deformation gradually increasing toward the end point (Y400). Based on these findings, approximate models using a Gaussian Process Regressor (GPR) and a Response Surface Model (RSM) were developed, and their prediction accuracies were compared. The results demonstrated that the GPR model more effectively captures local nonlinear deformation behavior, making it suitable for predicting deformation in thick plate flame straightening processes. Furthermore, considering the allowable deformation limits of the straightening process, a target deformation level was defined, and optimal process conditions were derived for each material and thickness category. Verification tests conducted under the derived optimal conditions showed that, although prediction deviations occurred in some cases due to physical sensitivity, the overall deformation distributions were stably controlled within the allowable limits. These results confirm the effectiveness of the proposed process condition derivation method. The approximate model–based approach presented in this study provides a quantitative process control framework beyond experience-based practices and demonstrates its potential applicability to future automation of flame straightening processes.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 선박 구조의 용접 변형 교정을 위한 화염열원 곡직 공정을 대상으로, 주요 공정 인자가 변형 거동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 근사모델을 활용한 공정 조건 예측 및 최적 조건 도출 방법의 타당성을 확인하였다. 기존 곡직 공정은 작업자의 경험에 의존하여 수행됨에 따라 공정 조건 설정의 불확실성이 크며, 특히 후판 구조물에서는 재질 및 두께 증가로 인해 변형 거동이 복잡해지므로 품질 편차와 재작업 문제가 빈번히 발생하는 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 조선 현장의 선가열 곡직 작업 조건을 반영한 시험편 기반 실험을 수행하였다. 소재, 판 두께, 가스 유량, 가열 속도를 설계변수로 설정하고 전인자 실험계획법(DOE)을 적용하여 총 24개의 실험 조건을 구성하였다. 각 실험 조건에 대해 변형량 분포를 계측하였으며, 변형이 가장 크게 나타나는 시험편 끝단을 기준 응답값으로 설정하여 인자별 변형 거동을 분석하였다. 실험 결과 분석 및 민감도 해석을 통해 판 두께와 가열 속도가 변형량에 가장 지배적인 영향을 미치는 주요 인자임을 확인하였고, 가스 유량과 소재는 상대적으로 보조적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 시단부(Y0)에서 변형량이 전체 변형 분포의 기준 형상을 형성하며, 끝단(Y400)으로 갈수록 변형량이 점진적으로 증가하는 경향이 관찰되었다. 이를 바탕으로 GPR와 RSM 기반의 근사모델을 구축하고 예측 정확도를 비교·검토하였다. 그 결과, GPR 근사모델이 국부적인 비선형 변형 거동을 효과적으로 반영하여 후판 곡직 공정의 변형 예측에 적합함을 확인하였다. 또한, 곡직 공정의 허용 변형 한계를 고려하여 목표 변형량을 설정하고, 이에 따라 도출된 소재 및 두께별 최적 공정 조건에 대한 검증 시험을 수행하였다. 일부 조건에서 물리적 민감도에 따른 예측 편차가 발생하였으나, 전체 변형 분포가 허용 한계 이내에서 안정적으로 제어됨을 확인함으로써 공정 조건 도출 방법의 유효성을 입증하였다. 본 논문에서 제안한 근사모델 기반 공정 조건 도출 방법은 경험 중심의 기존 곡직 공정에 대해 정량적 공정 제어 기준을 제시한다는 점에서 의의를 가지며, 향후 곡직 공정 자동화 기술로의 확장 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구 배경 및 목적 1
• 제2절 용접변형 및 곡직의 기본 메커니즘 4
• 1. 용접 잔류응력 및 변형 발생 원리 4
• 2. 용접 변형의 종류 6
• 3. 용접 변형 교정 방법 8
• 제3절 실험계획법이론 10
• 1. 실험계획법 10
• 2. 전인자실험법 12
• 제4절 근사모델 이론 13
• 1. 근사모델의 개요 13
• 2. 반응 표면법(RSM) 14
• 3. 가우시안 프로세스 회귀(GPR) 15
• 제2장 본 론 17
• 제1절 화염열원 곡직 실험 17
• 1. 서언 17
• 2. 실험 조건 18
• 3. 실험 방법 21
• 4. 실험 결과 24
• 제2절 실험계획법 및 민감도 해석 54
• 1. 서언 54
• 2. 실험계획법 수행 54
• 3. 민감도 해석 56
• 제3절 근사모델 생성 및 정확도 검토 57
• 1. 서언 57
• 2. 근사모델 생성 및 정확도 검토 57
• 제4절 근사모델 기반 최적 조건 도출 및 검증 60
• 1. 서언 60
• 2. 근사모델 기반 최적 조건 도출 61
• 3. 최적 조건의 검증시험 결과 62
• 제3장 결 론 64
• 참 고 문 헌 66
• 영 문 초 록 68