자동차 산업에서 금속 불활성 가스(MIG) 용접 기술은 머플러 제작에 널리 사용되고 있습니다. 그러나 용접 과정에서 열변형 및 잔류응력으로 인해 머플러가 뒤틀리는 문제가 발생합니다. 본 연구에서는 SYSWELD 소프트웨어를 사용하여 MIG 용접으로 인한 변형과 잔류응력을 예측하고 시뮬레이션했습니다. 이를 통해 자동차 머플러 용접 품질을 개선하고 열변형을 최소화 하는 방안을 구축했습니다.
잔류응력 수치해석 방법
기하학적 모델링 및 경계 조건
자동차 머플러의 3D 유한요소 모델을 개발하여 열변형을 예측했습니다. 용접 영역 주변에는 미세한 메쉬를, 용접 영역에서 멀어질수록 더 큰 메쉬를 사용했습니다. 경계 조건으로는 이동 열원 모델, 자연 냉각, 그리고 강체 클램핑 조건을 적용했습니다.
잔류응력 열원 피팅
열원 피팅(HSF) 도구를 사용하여 MIG 공정에 가장 적합한 이중 타원체 열원 모델의 매개변수를 반복적으로 보정했습니다. 실제 용접 비드의 단면 형상과 크기를 참조하여 HSF 매개변수를 측정했습니다.
지배 방정식
열 분석에는 푸리에 법칙을 기반으로 한 열전달 방정식을 사용했습니다. 기계적 분석에서는 탄성, 소성, 열 변형률을 고려한 총 변형률 증가를 계산했습니다. 잔류응력 분석에는 Von Mises 항복 기준을 사용한 열-탄소성 재료 공식을 적용했습니다.
시뮬레이션 결과 및 논의
용접 잔류응력 분석
용접 영역에서 Von Mises 응력은 406 MPa의 크기를 나타냈습니다. 이는 436 스테인리스강의 항복 응력인 372 MPa을 초과하여 소성 변형을 유발합니다. 용접 영역 근처에서는 인장 응력이, 멀어질수록 압축 응력이 나타났습니다.
머플러 판의 열변형
시뮬레이션 결과, 머플러 판의 최대 변형은 약 +2.2 mm, 최소 변형은 약 -0.3 mm로 나타났습니다. 총 변형은 약 2.5 mm였으며, 이는 실제 용접 변형과 유사한 위치와 크기를 보였습니다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과 사이의 오차는 16.7%로 나타났습니다.
용접 순서가 변형에 미치는 영향
다양한 용접 순서에 따른 최종 변형을 조사했습니다. 대각선 순서로 용접할 때(Seq1) 열변형이 가장 작게 나타났으며, 동일한 구속 조건에서 용접 순서만 변경하여 최대 28%의 변형 감소 효과를 보였습니다.
용접 잔류응력이 자동차 피로수명에 미치는 영향
잔류응력의 개념과 발생
용접 잔류응력은 용접 과정에서 발생하는 불균일한 열 분포와 냉각으로 인해 용접부와 주변 영역에 남아있는 내부 응력입니다. 이러한 잔류응력은 자동차 구조물의 기계적 특성과 피로 수명에 상당한 영향을 미칩니다
피로 수명에 미치는 영향
용접 잔류응력, 특히 인장 잔류응력은 자동차 부품의 피로 수명을 크게 감소시킬 수 있습니다:
- 균열 발생 및 전파 촉진: 인장 잔류응력은 반복 하중 조건에서 균열의 발생과 전파를 촉진합니다
- 응력 부식 균열: 부식성 환경에서 인장 잔류응력은 응력 부식 균열을 유발할 수 있습니다
- 변형: 불균일한 잔류응력 분포는 부품의 변형이나 뒤틀림을 일으켜 조립 시 치수 안정성에 영향을 줄 수 있습니다
- 피로 사이클 영향 확대: 용접 잔류응력은 반복 하중의 영향을 증폭시켜, 인장과 압축 모두 피로 손상에 기여하게 됩니다
잔류응력 완화 방법
자동차 부품의 피로 수명을 향상시키기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있습니다:
- 용접 전 처리: 예열 등을 통해 온도 구배를 줄여 잔류응력 발생을 최소화합니다
- 용접 후 처리: 쇼트 피닝, 레이저 피닝, 응력 제거 열처리 등으로 잔류응력을 감소시키거나 재분배합니다
- 최적화된 용접 기술: 낮은 열 입력이나 제어된 짧은 용접 사이클 등의 기술로 잔류응력의 크기를 줄일 수 있습니다.
잔류응력 품질 개선 방안
용접 잔류응력은 자동차 부품의 내구성과 피로 수명에 중대한 영향을 미칩니다. 이러한 응력의 발생 메커니즘과 부정적 영향을 이해하는 것은 엔지니어와 제조업체에게 매우 중요합니다. 유한요소해석을 통한 예측, 실험적 측정 방법, 그리고 효과적인 완화 전략을 활용함으로써 잔류응력의 부정적 영향을 최소화하고 용접 구조물의 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있습니다
결론
- 열원 피팅을 통해 얻은 열원 모델 매개변수는 실험 결과와 잘 일치했습니다.
- 열영향부(HAZ)와 용융부(FZ)에서 큰 응력이 나타났으며, 용접 영역 근처에서는 인장 응력, 멀어질수록 압축 응력이 발생했습니다.
- 시뮬레이션 결과, 약 2.5 mm의 간격이 발생했으며, 이는 실제 용접 변형과 유사한 위치와 크기를 보였습니다.
- 대각선 교차 순서로 용접할 때 열변형이 가장 작게 나타났으며, 용접 순서 변경을 통해 최대 0.7 mm의 변형 감소를 확인했습니다.
- 이러한 결과를 바탕으로 시뮬레이션을 통해 용접 순서를 최적화하여 자동차 머플러 생산성을 향상시킬 수 있는 방법을 제시할 수 있습니다.
본 연구는 SYSWELD를 사용한 MIG 용접 과정의 열변형 및 잔류응력 분석을 통해 자동차 머플러 제조 과정을 개선할 수 있는 중요한 인사이트를 제공합니다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 검증했으며, 용접 순서 최적화를 통한 변형 감소 가능성을 확인했습니다. 이는 자동차 머플러 제조 공정의 효율성과 품질 향상에 기여할 수 있는 중요한 연구 결과입니다.
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