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JWJ > Volume 36(4); 2018 > Article
유한요소 해석을 통한 CTBA Trailing Arm의 용접부 잔류응력 평가 및 용접 공정 최적화

Abstract

Residual stress that occurs during welding is also a negative impact on the stability by lowering the durability of the vehicle. In addition, deformation due to the heat generated at this time causes a problem in the assembly of the vehicle body. In order to minimize deformation and residual stress caused by welding, it may be change the welding sequence, or using further processing (such as pinning). But adding process (such as pinning) after the welding process is not suitable for mass production because the budget and the total process time increasing. Therefore, in the study, it was studied on the residual stress of the product (Rear CTBA trailing Arm) to prevent excessive deformation and reduced durability. We have also studied the deformation and residual stresses of products to a minimum for optimal welding procedures. As a result, welding deformation was occurred the maximum deformation about 3.85 mm at the ends of the beam and residual stress was occurred greater than 500 MPa in the heat affected zone. It is also found that the overhead welding process is the optimum welding process.

1. 서 론

자동차의 프레임(Frame)과 같은 구조물의 경우 여러 접합방법에 의하여 구조물을 생산하지만 가격과 시간의 장점 때문에 대부분 용접에 의한 접합으로 제품을 생산한다. 하지만 용접에 의한 접합은 장점도 있는 반면에 용접에 의해 발생하는 높은 열에 의하여 프레임이 변형 되며 높은 잔류응력이 발생하게 되는 단점도 용접 중에 발생하는 잔류응력의 경우, 차량의 내구성을 낮추게 되는 부정적인 영향을 미친다. 또한 용접 시에 발생하는 열에 의한 프레임의 변형은 조립공차를 넘어서는 변형을 초래하여 종종 차체와 프레임의 조립에 문제를 발생시킨다1). 따라서 이러한 문제들을 해결하기 위하여 용접으로 인한 변형 및 잔류응력을 최소화하기 위한 방법으로 용접 순서를 변경하거나 용접 공정 이후 추가적인 처리를 이용하기도 한다. 하지만 용접 공정 이후에 추가적인 공정을 하는 것은 예산 및 전체 공정 시간의 증가를 초래하기 때문에 생산에는 적합하지 않다.
최근 자동차 분야에서는 프레임과 같은 자동차 부품에 있어서 용접에 의한 변형과 잔류응력이 미치는 영향에 대하여 활발히 연구되어지고 있다.
2011년 Transactions of KSAE1)의 논문에서는 프레임에 대하여 실험 및 유한요소 해석을 통하여 용접 변형과 잔류응력의 영향을 고찰하였다. 또한 2005년 KSAE05-F02616)의 논문에서는 Lower Control Arm에 대하여 용접으로 인해 발생하는 잔류응력이 내구수명에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 하지만 두 논문 모두 용접 변형과 잔류응력을 최소로 하는 방안에 대해서는 연구를 수행하지 않았다.
따라서 본 연구에서는 유한요소 해석을 통하여 CTBA Trailing Arm에 있어 용접에 의한 변형과 잔류응력에 대해 고찰하고 용접 공정의 변화에 대한 변수해석을 통하여 용접 변형과 잔류응력을 최소로 하는 최적의 용접 공정을 도출하고자 한다.

2. 유한요소 해석

실제 모델에 대한 해석을 수행하기 이전에 Fig. 1과 같은 시편 형상에 대하여 우선적으로 해석을 수행하였다. 요소는 3차원 솔리드 요소(C3D8)를 사용하였으며, 절점수는 18520개, 요소수를 23165개를 사용하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 Abaqus를 이용하여 용접 시 발생하는 변형과 잔류응력을 분석하였다.
Fig. 1
FE-model of the specimen for analysis
jwj-36-4-70f1.tif
온도해석의 경우 열전도 기반 온도해석을 수행 하였으며, 해석 시 사용한 물성은 일반 구조용 강의 온도에 따른 조건을 사용하였다. 용접 시에 용융부의 크기와 동등한 크기의 비드가 액상선 보다 높은 1900도로 융착되며 용접부 이외 표면은 20°C로 자연대류 한다고 가정하였다. 융착후 입열은 고려하지 않았으며, 비드가 영역별로 구분하여 순차적으로 융착된다고 가정하였다. 열응력 해석은 Isotropic 경화 거동을 고려한 Sequen-tially Coupled 열-응력 해석을 수행하였으며 탄성-Bilinear 소성 해석을 수행하였다.
열응력 해석에 이용한 재료 물성치는 Fig. 2와 같이 온도에 따라 변화하는 값으로 적용하였다2-5).
Fig. 2
Physical material property variations vs. temperature
jwj-36-4-70f2.tif
시편 모델에 대한 해석 이후에 해당 시편의 유한요소 해결 결과와 실제 시편에 대한 실험 측정값의 비교를 통하여 해당 해석 기법의 타당성을 검증하였다. 해당 검증 이후에 시편형상에 적용하였던 것과 동일한 해석 기법을 적용하여 실제모델에 대한 해석을 추가적으로 수행하였다. 실제모델의 경우는 Fig. 3와 같이 유한요소 모델을 구축하였으며, Fig. 4와 같이 경계조건을 설정하여 해석을 수행하였다.
Fig. 3
FE-model of CTBA Trailing Arm for analysis
jwj-36-4-70f3.tif
Fig. 4
Boundary condition of actual model for analysis
jwj-36-4-70f4.tif

3. 해석 결과 및 검토

열전달 해석을 통하여 얻은 온도분포를 이용하여 열응력 해석을 수행하였다, 시편형상에 대한 열전달 해석에 대하여 용접 공정간 대류에 의한 온도 변화를 Fig. 5 에 도시하였다. 용융부에서 초기에 1900°C의 높은 온도구배를 보이고 있으며, 용융부에서 멀어질수록 온도구배가 감소하고 있다. 용융열응력 해석 결과 Fig. 6와 같이 시편형상과 실제 형상에 대하여 각각 용접에 의한 변형이 그림과 같이 발생함을 확인하였다. 시편 형상의 경우 Fig. 6 (a)에서 보이는 것과 같이 끝단에서 2.24도의 변형을 생김을 알 수 있었으며, 실제 형상의 경우는 Fig. 6 (b)에서 보이는 것과 같이 3.85mm의 변형이 일어남을 확인 할 수 있었다. Table 1의 경우는 유한요소 해석을 통하여 도출한 변형각과 실제 시편의 변형각과 비교한 결과를 보여주고 있다. Table 1에서 보이는 것과 같이 실제시편의 변형각과 유한요소 해석을 통하여 도출한 변형각의 상대차이가 12%의 상대차이를 보이며 실제 변형각과 유사함을 확인하였다.
Fig. 5
Temperature distribution
jwj-36-4-70f5.tif
Fig. 6
Result of the analysis(deformation)
jwj-36-4-70f6.tif
Fig. 7
Shape of actual specimen
jwj-36-4-70f7.tif
Table 1
Comparison of measurement result and finite element analysis result for each deformation
Deformation(degree) Relative difference C=100×(A-B)/B(%)
FE analysis (A) Specimen (B)
#1 2.24 2.0 12
또한, 시편 형상과 실제 모델에 대하여 Fig. 8 ~ Fig. 9 와 같이 잔류응력 분포를 보이는 것을 확인하였다. Fig. 8 (a)은 시편형상에 대하여 weld toe line에 따른 잔류응력 분포를 보여주고 있다. Fig. 8 (a)에서 보이는 것과 같이 길이방향 잔류응력이 가장 크게 발생함을 확인하였다.
Fig. 8
Result of the analysis(specimen)
jwj-36-4-70f8.tif
Fig. 9
Result of the analysis(actual model)
jwj-36-4-70f9.tif
해당 시편에 적용한 해석 기법의 타당성 검증을 위하여 Fig. 7과 같이 실제 시편을 제작하였으며, 시편 제작 시에 이용한 용접 조건은 Table 2와 같다. Fig. 8 (b)와 같이 유한요소 해석을 통하여 도출한 판재(CTBA)의 중심선을 따르는 잔류응력 분포와 실제 시편의 실험측정값(IIT)을 비교하였다. Fig. 8 (b)에서 보이는 것과 같이 용융선에서 멀어질수록 잔류응력이 감소하는 경향을 보임을 알 수 있었다. 유한요소 해석 결과와 실험측정값(IIT)이 유사한 경향을 보임으로써 본 연구에 적용한 유한요소 해석 기술이 합리적임을 확인하였다.
Table 2
Welding condition of specimen
welding current [V] welding voltage [A] welding speed [cm/min]
#1 231~234 17.1~17.4 50~60
시편 형상에 적용한 해석 기법과 동일한 해석 기법을 실제 모델에 적용하여 해석한 결과, Fig. 9과 같이 열영향부에서 500 MPa 이상의 잔류응력이 발생함을 확인하였다.
최종적으로 실제 모델(CTBA Trailin Arm)의 잔류응력과 변형을 최소화하는 최적의 용접 공정을 도출하기 위해 용접 순서별 변수해석을 수행하였다. 실제 모델에 적용한 용접 공정은 Fig. 10와 같으며, 변수해석에 이용한 용접 순서 조건은 Table 3와 같다. Table 4은 실제 모델에 대한 용접 순서별 변수해석 결과를 제시하고 있다. Table 4에서 보이는 것과 같이 용접 순서의 변경에 따라 잔류응력은 크게 변화가 없는 것을 확인하였다. 반면에 용접 변형의 경우 용접 순서의 변경에 따라 크게 차이가 발생함을 확인하였다. 따라서 #1 ~ #4의 용접 공정 중 #1 용접 공정이 용접 변형을 최소로 발생하는 점을 토대로 #1(Overhead) 공정이 최적의 용접공정임을 도출하였다.
Fig. 10
Application of actual model welding process
jwj-36-4-70f10.tif
Table 3
Parameter study condition
Welding Process welding sequence
#1 Overhead ①:↓/②:↓
#2 Down hand ①:↓/②:↑
#3 Overhead & down hand ①:↑/②:↑
#4 Down hand & overhead ①:↑/②:↓
Table 4
Parametric study result
Welding Precess W.R.S (MPa) Deformation (mm)
#1 Overhead 670 2.85
#2 Down hand 671 3.85
#3 Overhead & down hand 670 3.20
#4 Down hand & overhead 670 2.92

4. 결 론

본 연구에서 유한요소 해석을 통하여 CTBA Trailing Arm에 있어 용접에 의한 잔류응력에 대해 고찰하고 이를 통해 최적의 공정을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 시편 해석 결과, 필렛 용접부 근처에서 높은 응력이 발생하며, 길이방향 잔류응력이 가장 높게 발생함을 확인하였다.
2) 판재(CTBA)의 중심선을 따르는 잔류응력 분포와 실험값(IIT)을 비교한 결과 용융선에서 멀어질수록 잔류응력이 감소하는 경향을 보임을 확인하였다.
3) 해석 결과와 실험값이 유사한 경향을 보임으로써 본 연구에 적용한 유한요소 해석 기술이 합리적임을 확인하였다.
4) 시편 해석을 통하여 검증한 해석 기술을 실제 모델에 적용하여 해석한 결과, 열영향부에서 500 MPa 이상의 잔류응력이 발생함을 확인하였다.
5) 실제 모델(CTBA Trailin Arm)의 잔류응력과 변형을 최소화하는 용접 공정을 도출하기 위해 변수해석을 수행한 결과, 용접 순서가 잔류응력에 미치는 영향을 미미하며, #1(Overhead) 용접 공정이 용접 변형을 최소로 하는 최적의 용접공정임을 도출하였다.

Acknowledgments

본 연구는 한국산업기술진흥원의 “창의산업거점기관지원사업”의 지원을 받아 수행한 연구과제 입니다.(과제번호 : R0004102)

References

1. Park Tae Won, Kim Kee Joo, Han Chang Pyung, Lee Young-Suk, Lim Jong Han. Deformation and Residual Stress of Automotive Frame by Welding. Transactions of KSAE. 19 (5) (2011), 113–117

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