유한요소해석을 이용한 최적용접조건의 선정에 관한 연구 = (A) Study on the selection of optimum welding condition of aluminum-alloy using simulation

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전기저항용접의 한 종류인 점 용접에 대한 연구이다. 강재의 용접, 특히 자동차산업에 널리 쓰이는 용접법으로 자동차 차체의 경량화와 재질의 개선을 위해 점용접의 기술개발이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 일 타점 저항 용접부를 모델링 하여 유한요소해석을 시도하여 열전도 이론을 정식화한 후 열 탄소성 해석 및 축 대칭해석 프로그램을 개인용 컴퓨터 및 워크스테이션 환경에서 구동될 수 있도록 개발을 도모하고자 하였다.
저항 점 용접시 통전은 발열에 관계하는 모재의 함수이므로 열원은 일정 하지 않고 시간과 거리의 함수가 된다.
본 해석에서는 통전 단계에서 프로그램 해석 시 미소시간 증분마다 통전부 요소들의 온도를 계산한 후 발열량을 계산하였다.
연구에 사용된 용접기는 정치식＆프로잭션 용접기이며 시험재료는 6000계열과 5000계열의 1mm 박판 이다. 시험방법은 용접 가압력을 측정하여 조절 후 용접조건을 컨트롤박스를 이용하여 통전 전류, 통전 시간을 입력한 후 용접 후 얻은 데이터를 컨트롤박스의 용접 스코프 이용하여 점검한 후 컴퓨터에 데이터를 입력시켰다. 사용된 시험에는 인장전단시험, 비틀림 시험을 실시하였다.
시험결과 온도분포는 5052 알루미늄 합금이 높은 온도분포를 보였으며 최적용접 조건으로 선정되는 8cycle(0.13sec)에서 최대온도를 나타내었고 인장강도에서는 6061합금이 비교적 우수하였다.
너깃 직경 변화에서는 최적 용접조건에서의 너깃과 인장전단강도의 관계는 다른 용접조건에 비해 선형적으로 비례함을 알 수 있다. 비틀림 시험에서는 통전 전류 크기를 변환시켜도 비틀림 강도는 그다지 크게 변하지 않음을 알 수 있다.
이러한 결과로 보아 본 연구를 통해 차후 잔류 응력 및 열탄소 해석을 가능 하게 할 수 있으며 첨단화된 점용접의 연구에 도움이 될 수 있을 것으로 사료된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For many years now resistance spot welding has assumed a dominant role in the manufacturing industry, particularly in the production of automotive parts and white goods. Its extensive use is primarily due to the simple and flexible nature of the technology, which has made successful automation of the process possible. Therefore, In the case of resistance welding, the choice of the optimum welding parameters may be extremely dependent on the material, possibly even on the batch in question. Mathematical optimisation methods were therefore applied and assessed in order to determine the welding range and the optimum welding parameters(welding duration, welding current and electrode force). The target variable was the highest possible tensile shear force of the welded spot. It was shown that the modified simples method was the most suitable method.
The mechanical properties of spot weld of aluminum alloy were evaluated by tensile shear test, torsion test and by peel test at room temperature.
In order to have a better understanding on weldability, the baslc experiments were performed after conducting pre-tests with the same material and the finite element modeling. The numerical analysis of mechanical behavior as well as heat conduction is carried out for the spot welding process. For this numerical analysis, axial symmetric computer program for the spot welding analysis by F.E.M, has been developed considering heat conduction and thermal elastic-plastic theory. Material properties depending on temperature such as density, heat conductivity, heat expansion coefficient, specific heat, yield stress, elastic modules, and specific resistance considered. Using the results of temperature distribution obtained from heat conduction analysis, the thermal elastic-plastic analysis is carried out to clarify mechanical behavior of spot welded specimen. In order to evaluate the effect of residual stresses, numerical analyses are carrid out under tension-shear load in two cases respectively.
The results obtained from the mechanical and metallographic investigations revealed a strong dependency of the tensile strength of the titanium joints on the micro-structure of the weldment. The values of the critical expulsion current and the strong electrode sticking current were measured through the weld lobe test machines.
Further more, it was intended to decide and develop the mass-producible aluminum alloys through the characterization and the evaluation on weldability, formability, surface treatability and mechanical properties for the aluminum alloys developed domestically.
In the case of the elaborated method, it must be taken into account that knowledge about suitable initial welding parameters makes is considerably easier to find optimized parameters. The tests have shown that the optimised parameters are found using the modified simplex method but that the number of steps is extremely dependent on the starting spot.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = ⅰ
• List of Tables = ⅲ
• List of Figures = ⅳ
• List of Photographs = ⅴ
• Nomenclatures = ⅵ
• 국문요약 = ⅶ
• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 국내외 연구동향 = 3
• 2. 관련 이론 = 5
• 2.1 용접부의 온도분포 = 5
• 2.2 해석모델 및 해석방법 = 8
• 2.3 용접에 영향을 미치는 인자 = 14
• 2.4 저항점용접의 현상 = 18
• 3. 실험장치 및 방법 = 21
• 3.1 실험장치 구성 = 21
• 3.2 실험 방법 = 26
• 3.2.1 인장전단 시험 = 28
• 3.2.2 비틀림 시험 = 29
• 4. 실험결과 및 고찰 = 32
• 4.1 온도 분포해석 결과 = 32
• 4.2 인장전단강도의 비교 = 34
• 4.3 너깃직경 변화 비교 = 41
• 4.4 비틀림 시험평가 = 45
• 5. 결론 = 47
• 참고문헌 = 48
• ABSTRACT = 50