KR100708012B1 - 용접부의 비드형상 계산방법 - Google Patents

용접부의 비드형상 계산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플랜지측의 오목부나 언더컷을 발생시키는 형상을 계산으로 구할 때의 이중해답의 문제를 해결하고 적정한 용접조건을 결정하는 용접부의 비드형상 계산방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그 때문에 용접대상의 기하학 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고 이 용접조건 하에서 용접대상의 용융부를 열전도계산을 이용하여 추정하고, 추정된 용융부를 용접방향 주위 및/또는 용접방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고, 회전된 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고, 차분격자를 설정한 용융부의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고, 구한 용융부의 변위에 의해 결정된 용융형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시켜서 상기 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 좌표회전과, 상기 차분격자의 설정과, 용융부의 변위계산을 계산종료 판정기준을 만족할 때까지 반복하여 아크용접부의 비드형상을 계산하는 것이다.

Description

용접부의 비드형상 계산방법{Method for calculating shape of bead of welded part}
본 발명은 아크용접에서의 비드(bead)형상의 고정밀도 수치계산방법에 관한 것이다.
아크용접은 복수의 독립된 피용접재를 아크방전에 의해 발생하는 고온의 열로 부분적으로 용융시키면 용융된 금속이 응고됨으로써 피용접재를 접합시키는 접합기술이다. 이 아크용접에는 크게, 비소모전극을 이용하여 아크를 발생시키고 피용접재의 용융금속만으로 비드를 형성하는 비소모전극식 아크용접법과, 피용접재와 같은 종류의 재질로 만들어진 용가재(溶加材)와 피용접재를 아크열로 용융시켜서 용융된 용가재와 용융된 피용접재를 혼합함으로서 비드형상을 형성하는 소모전극식 아크용접법의 2가지가 있다.
이 아크용접에 의한 용접품질은 피용접재의 재질, 이음매의 형상, 용가재의 재질, 아크 및 용접부를 대기로부터 차단하는 실드가스의 성분, 피용접재의 판두께, 용접자세, 용접전류, 용접전압, 용접속도 등 다양한 인자(용접조건)에 의존하기 때문에 종래에는 상기 용접조건을 설정하는 것은 다 년간의 경험을 쌓은 숙련기술자만이 가능했었다.
이것을 해결하기 위한 목적으로 일본 특개평7-214317호 공보나 일본 특개평6-126453호 공보가 있다. 일본 특개평7-214317호 공보에서는 용접비드형상을 타원의 반절 면적에 근사하게 한다. 또한 일본 특개평6-126453호 공보에서는 필렛(fillet)용접의 경우의 비드형상을 수학식 1을 따라 계산하고 있다.
Figure 112002022664714-pct00001
여기에서 ρ는 용융금속의 밀도, g 는 중력가속도, σ는 용접금속의 표면장력, x, y, α, R0 는 좌표축 x, y에 있어서 비드형상의 접선과 y축과의 각도 α 및 곡률 R0 를 나타낸다.
그런데, 종래의 숙련기능자에 의한 용접조건 설정방법은, 설사 숙련기능자라 해도 요구된 용접품질을 확보하기 위한 용접조건을 설정하려면 미리 적정한 조건을 얻을 때까지 시험재를 여러개 사용하여 반복 조정해야 하며 또 용접후의 용접비드가 어떤 형상인가를 추정하는 것은 불가능했다.
이 용접비드형상을 확인하기 위해서는 피용접재의 용접부를 절단하여 용접단면부를 충분히 연마하고 부식액으로 식각함으로서 적정한 용접효과를 얻을 수 있을지를 판단하는 것 외에는 방법이 없었다.
또한, 일본 특개평7-214317호 공보의 비드형상을 타원의 반의 면적에 근사하게 하는 방법으로는 정확한 비드형상을 얻을 수 없으며 특히 도 1과 같은 필렛용접 의 경우에는 타원의 반의 면적에 근사하게 할 수 없기 때문에 고정밀도의 용접비드형상을 계산에 의해 구할 수 없다는 문제나, 일본 특개평6-126453호 공보에서는 수학식 1을 따라 계산하기 때문에 도 2에 도시한 형상을 구할 수 있으나 도 3과 같은 비소모전극식 아크용접을 실시한 경우에 생기는 오목부의 형상이나, 도 4와 같은 플랜지측 및 웨브측에 언더컷을 만드는 형상을 상기 수학식으로는 계산할 수 없다는 문제가 있었다. 이러한 이유로 수학식 1을 이용한 경우 어느 초기값(x0, y)을 기초로 y 좌표에 대한 비드형상의 X좌표를 구하기 위해 도 3의 플랜지측의 오목부나 도 4의 플랜지측의 언더컷을 표현하려고 하면 이중해답이 되기 때문에 수치계산에서는 일의적으로 구할 수 없기 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은, 플랜지측의 오목부나 언더컷을 발생시키는 형상을 계산으로 구할 때의 이중해답의 문제를 해결하고 플랜지측의 오목부나 언더컷을 쉽게 표현하여 적정한 용접조건을 결정할 수 있는 용접부의 비드형상 계산방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본원의 제1발명은 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
용접대상의 기하학 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
상기 용접조건 하에서의 데이터를 기초로 하여 열전도 계산을 하고 융점온도 이상의 온도 영역을 추출하여 용접 대상의 용융부를 추정하며,
계산에 의해 구한 용융부를 용접방향축 주위 및/또는 용접방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
회전된 용융부의 변위계산좌표계에서 차분격자를 설정하고,
상기 차분격자를 설정한 용융부의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
계산에 의해 구한 용융부의 변위에 의해 결정된 용융형상을 상기 좌표 회전시킨 각도와 같은 크기만큼 반대 방향으로 회전시키고,
변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 좌표회전과, 상기 차분격자의 설정과, 용융부의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하는 것을 수단으로 하는 것이다.
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제2의 발명은, 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
용접대상의 기하학데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
용접대상의 용접방향축 주위 및/또는 용접선 방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
미리 설정한 용접조건에서 용융부를 열전도계산을 이용하여 추정하고,
상기 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고,
상기 차분격자를 설정한 용융부의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 차분격자의 설정과, 용융부의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하고,
상기 변동되지 않는 용융부의 형상 및 변위형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시키는 것을 수단으로 하는 것이다.
삭제
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제3의 발명은 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
용접대상의 기하학 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
상기 용접조건 하에서의 데이터를 기초로 하여 열전도 계산을 하고 융점온도 이상의 온도 영역을 추출하여 용접 대상의 용융부를 추정하며,
계산에 의해 구한 용융부를 용접방향축 주위 및/또는 용접방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
회전된 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고,
상기 차분격자를 설정한 용융부에 상기 용접조건으로 결정할 수 있는 용착금속량을 첨가하고,
상기 용착금속의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
계산에 의해 구한 용융부의 변위에 의해 결정된 용융형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시키고,
변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 좌표회전과, 상기 차분격자의 설정과, 용착금속량의 첨가와, 용착금속의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하는 것을 수단으로 하는 것이다.
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제4의 발명은, 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
용접대상의 기하학적 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
용접대상의 용접방향축 주위 및/또는 용접선 방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
미리 설정한 용접조건으로 용접부를 열전도계산을 이용하여 추정하고,
상기 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고 상기 용접조건으로 결정한 용착금속량을 첨가하고,
상기 차분격자를 설정한 상기 용착금속의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 차분격자의 설정과, 용착금속량의 첨가와, 용융부의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하고,
상기 변동되지 않는 용융부의 형상 및 변위형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시키는 것을 수단으로 하는 것이다.
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또한, 상기 제1∼제4의 발명에 있어서 열전도계산은 유한차분법 또는 해석해법으로, 또는 이들 방법을 자유롭게 선택하여 수행하는 것이다.
또한, 곡면방정식의 해법에 유한차분법을 이용하여 계산하는 것이다.
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도 1은 전형적인 필렛용접의 단면모식도이고,
도 2는 종래의 방법에 따른 비드표면형상을 도시한 설명도이고,
도 3은 플랜지와 웨브에 걸쳐 오목부를 만든 경우의 단면모식도이며,
도 4는 플랜지와 웨브에 걸쳐 언더컷을 만든 경우의 단면모식도이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예의 방법을 이용한 경우의 흐름도이고,
도 6는 기하학 데이터의 모식도 및 XYZ 좌표계의 정의도이고,
도 7은 좌표회전후의 기하학데이터의 모식도 및 XY′Z′좌표계의 정의도이고,
도 8은 제1 및 제2실시예의 방법을 이용하여 계산한 용접부의 플랜지와 웨브에 걸쳐 오목부를 만든 경우의 비드형상을 도시한 시뮬레이션도이고,
도 9는 본 발명의 제2실시예의 방법을 이용한 경우의 흐름도이고,
도 10은 본 발명의 제3실시예의 방법을 이용한 경우의 흐름도이고,
도 11은 제3 및 제4실시예의 방법을 이용하여 계산한 적정한 용접조건을 지정한 경우의 용접부의 비드형상을 도시한 시뮬레이션도이고,
도 12는 제3 및 제4실시예의 방법을 이용하여 계산한 용접부의 플랜지 및 웨브측에 언더컷을 만든 경우의 비드형상을 도시한 시뮬레이션도이고,
도 13은 본 발명의 제4실시예의 방법을 이용한 경우의 흐름도이다.
이하 본 발명의 제1실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 방법을 이용한 경우의 흐름도를 도시한다.
스텝 1의 기하학데이터 설정에서는 용접대상인 이음매 형상의 수치데이터를 설정한다. 예컨대 CAD데이터에서 본 발명에 따른 계산에 적합한 데이터로 변환하거나 미리 이음매 형상을 표현한 수학식을 이용한다. 도 5는 설정한 기하학데이터의 모식도를 도시한다.
스텝 2의 특성파라미터의 설정에서는 판두께나 재질, 이음매 사이의 틈, 실온에서 재질의 특성치인 열전도율이나 비열, 밀도, 잠열(潛熱), 융점온도나 변태점 등을 결정하는 파라미터를 설정한다.
스텝 3의 용접조건 설정에서는 용접전류, 용접전압, 용접속도, 토치목표각, 토치진행각, 토치목표위치, 전극계, 전극선단각도, 실드가스 종류, 전극과 모재 사이의 거리 등을 설정한다.
스텝 4의 용융부 추정에서는 스텝 1에서 스텝 3으로 설정한 데이터를 근거로 열전도를 계산하고 융점온도 이상의 온도영역을 추출한다. 이 열전도 계산에는 비선형 열전도 방정식 또는 선형 열전도 방정식을 테일러 전개함으로써 차분화하여 유한차분법으로 해답을 구하거나 열전도 방정식의 해석 해답을 이용하여 해답을 구하는 방법을 이용한다. 본 실시예에서는 수학식 2의 비선형 열전도 방정식을 이용하고 있다.
Figure 112002022664714-pct00002
단 K: 열전도율, T: 온도, c: 비열, ρ: 밀도, v: 용접속도이다.
스텝 5의 좌표회전에서는 도 6의 X축 주위에 좌표를 회전시켜서 도 7의 새로 운 좌표계 XY′Z′를 정의한다. 본 실시예에서는 45°회전시켰다.
스텝 6에서는 스텝 5에서 좌표회전된 스텝 4의 용융부에 대해 용융부의 변위계산 좌표계인 XY′Z′좌표계에서 차분격자를 설정한다.
스텝 7의 용융부 변위계산에서는 곡면방정식을 표시하는 수학식 3을 테일러 전개함으로써 차분화하고 스텝 6에서 설정한 차분격자에서 용접비드의 변위계산을 유한차분법을 이용하여 계산한다.
Figure 112002022664714-pct00003
단 θ: X축 주위의 회전각, Pa : 아크압력, λ: 정수
스텝 8의 좌표역회전에서는 스텝 7에서 계산한 용접비드의 변위데이터를 스텝 5에서 좌표회전시킨 방향과는 반대 방향 그리고 스텝 5에서 좌표회전시킨 각도와 같은 크기만큼 회전시킴으로써 도 6에 도시한 좌표계로 되돌린다.
스텝 9에서는 계산에 의해 구한 최신 용융부의 형상과 전회(前回)의 계산으로 구한 용융부의 형상을 비교하여 미리 설정되어 있는 용융형상 오차범위 내인지를 판정한다. 또 계산에 의해 구한 최신 비드변위형상과 전회의 계산으로 구한 비드변위형상을 비교하여 미리 설정된 변위형상 오차범위 내인지 판정한다.
여기에서 용융형상오차와 비드변위형상오차 모두 각각의 오차범위 내(수속) 또는 루프횟수가 미리 설정된 상한치에 도달한 경우에는 종료시키고, 그렇지 않은 경우에는 변위계산후의 결과를 근거로 스텝 4의 용융부의 추정계산을 실시하여 수속될 때까지 스텝 4 ∼ 스텝 9를 반복한다.
도 8은 본 발명의 방법을 이용하여 계산한 용접부의 비드형상인데, 종래의 방법으로는 불가능했던 플랜지 및 웨브에 걸쳐 생긴 오목부의 부분이 잘 표현되어 있다는 것을 알 수 있다.
다음에 본 발명의 제2실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 방법을 이용한 경우의 흐름도를 도시한다.
스텝 11의 기하학데이터 설정에서는 용접대상인 이음매 형상의 수치데이터를 설정한다. 예컨대 CAD 데이터에서 본 발명에 따른 계산에 적합한 데이터로 변환하거나 미리 이음매 형상을 표현한 수학식을 이용한다. 여기에는 상기 도 6에서 설정한 기하학데이터를 이용한다.
스텝 12의 특성파라미터 설정에서는 판두께나 재질, 이음매 사이의 틈, 실온에서 재질의 특성치인 열전도율이나 비열, 밀도, 잠열, 융점온도나 변태점 등을 결정하는 파라미터를 설정한다.
스텝 13의 용접조건설정에서는 용접전류, 용접전압, 용접속도, 토치목표각, 토치진행각, 토치목표위치, 전극계, 전극선단각도, 실드가스 종류, 전극과 모재 사이의 거리 등을 설정한다.
스텝 14의 좌표회전에서는 도 6의 X축 주위로 좌표를 회전시켜 도 7의 새로 운 좌표계 XY´Z´를 정의한다. 본 실시예에서는 45°회전시켰다.
스텝 15의 용융부 추정에서는 스텝 11 ∼ 스텝 14에서 설정한 데이터를 기초로 열전도를 계산하고 융점온도 이상의 온도영역을 추출한다. 이 열전도 계산에는 비선형 열전도 방정식 또는 선형 열전도 방정식을 테일러 전개함으로써 차분화하여 유한차분법으로 해답을 구하거나 열전도 방정식의 해석해답을 이용하여 해답을 구하는 방법을 이용한다. 본 실시예에서는 상기 수학식 2의 비선형 열전도 방정식을 이용하고 있다.
스텝 16에서는 스텝 15의 용융부에 대해 용융부의 변위계산좌표계인 XY´Z´좌표계에서 차분격자를 설정한다.
스텝 17의 용융부 변위계산에서는 곡면방정식을 표시하는 상기 수학식 3을 테일러 전개함으로써 차분화하고 스텝 16에서 설정한 차분격자에서 용접비드의 변위계산을 유한차분법을 이용하여 수행한다.
스텝 18에서는 계산에 의해 구한 최신 용융부의 형상과 전회의 계산으로 구한 비드변위형상을 비교하여 미리 설정해 둔 용융형상 오차범위 내인지를 판정한다. 나아가 계산에 의해 구한 최신 비드변위형상과 전회의 계산으로 구한 비드변위형상을 비교하여 미리 설정된 변위형상 오차범위 내인지를 판정한다.
여기에서 용융형상오차도 비드변위형상오차도 각각의 오차범위 내(수속) 또는 루프횟수가 미리 설정한 상한값에 도달한 경우에는 종료시키고 그렇지 않은 경우에는 변위계산후의 결과를 기초로 스텝 15의 용해부를 추정계산하여 수속될 때까지 스텝 15∼스텝 18을 반복한다.
스텝 19의 좌표역회전에서는 스텝 15에서 계산한 용융부의 위치데이터와, 스텝 17에서 계산한 용접비드의 변위데이터를 스텝 14에서 좌표회전시킨 방향과는 반대방향 그리고 스텝 14에서 좌표회전시킨 각도와 같은 크기만큼 회전시킴으로써 도 6에 도시한 좌표계로 되돌린다.
이 제2실시예의 방법을 이용하여 계산한 용접부의 비드형상은 상기 도 8에 도시한 형상이 되며 종래의 방법으로는 불가능했던 플랜지 및 웨브에 걸쳐 생긴 오목부의 부분이 잘 표현되어 있다는 것을 알 수 있다.
다음에 본 발명의 제3실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 10은 본 실시예의 방법을 이용한 경우의 흐름도를 도시한다.
스텝 21의 기하학 데이터 설정에서는 용접대상인 이음매 형상의 수치데이터를 설정한다. 예컨대 CAD 데이터에서 본 발명에 따른 계산에 적합한 데이터로 변환하거나 미리 이음매 형상을 표현한 수학식을 이용한다. 설정한 기하학 데이터의 모식도는 상기 도 6과 동일하다.
스텝 22의 특성파라미터 설정에서는 판두께나 재질, 이음매 사이의 틈, 실온에서 재질의 특성치인 열전도율이나 비열, 밀도, 잠열, 융점온도나 변태점 등을 결정하는 파라미터를 설정한다.
스텝 23의 용접조건 설정에서는 용접전류, 용접전압, 용접속도, 토치목표각, 토치진행각, 토치목표위치, 전극계, 전극선단각도, 실드가스 종류, 전극과 모재 사이의 거리 등을 설정한다.
스텝 24의 용융부 추정에서는 스텝 21∼스텝 23에서 설정한 데이터를 기초로 열전도를 계산하고 융점온도 이상의 온도영역을 추출한다. 이 열전도 계산에는 비선형 열전도 방정식 또는 선형 열전도 방정식을 테일러 전개함으로써 차분화하여 유한차분법으로 해답을 구하거나 열전도 방정식의 해석해답을 이용하여 해답을 구하는 방법을 이용한다. 본 실시예에서는 상기 수학식 2의 비선형 열전도 방정식을 이용하고 있다.
스텝 25의 좌표회전에서는 도 6에서의 X축 주위로 좌표를 회전시켜 도 7의 새로운 좌표계 XY´Z´를 정의한다. 본 실시예에서는 45°회전시켰다.
스텝 26에서는 스텝 25에서 좌표회전시킨 스텝 24의 용융부에 대해 용융부의 변위계산 좌표계인 XY´Z´좌표계에서 차분격자를 설정한다.
스텝 27의 용착금속량 첨가는 일반적으로 알려져 있는 용접와이어의 용융속도와, 용접전류, 용접와이어의 돌출 길이, 용접와이어 직경의 관계식을 이용하여 용착금속량을 계산함으로써 구할 수 있다.
스텝 28의 용융부 변위계산에서는 곡면방정식을 표시하는 상기 수학식 3을 테일러 전개함으로써 차분화하고 스텝 26에서 설정한 차분격자에서 용접비드의 변위계산을 유한차분법을 이용하여 수행한다.
스텝 29의 좌표역회전에서는 스텝 27에서 계산한 용접비드의 변위데이터를 스텝 25에서 좌표회전한 방향과는 반대방향 그리고 스텝 25에서 좌표회전시킨 각도와 같은 크기만큼 회전시킴으로써 도 6에 도시한 좌표계로 되돌린다.
스텝 30에서는 계산에 의해 구한 최신 용융부의 형상과 전회의 계산으로 구한 용융부의 형상을 비교하여 미리 설정된 용융형상 오차범위 내인지 판정한다. 또 계산에 의해 구한 최신 비드변위형상과 전회의 계산으로 구한 비드변위형상을 비교하여 미리 설정된 변위형상 오차범위 내인지를 판정한다.
여기에서 용융형상오차도 비드변위형상오차도 각각의 오차범위 내(수속) 또는 루프횟수가 미리 설정된 상한치에 도달한 경우에는 종료시키고, 그렇지 않은 경우에는 변위계산후의 결과를 기초로 스텝 24의 용융부를 추정계산하여 수속될 때까지 스텝 24∼스텝 30을 반복한다.
도 11은 본 발명의 방법을 이용하여 계산한 용접부의 비드형상으로서 언더컷 등의 용접결함이 없는 양호한 결과를 도시하고 있다. 그에 반하여 종래의 방법에 따른 예를 도시하고 있는 도 12는 플랜지측에도 웨브측에도 언더컷의 용접결함을 보이고 있어서 본 실시예의 방법은 종래의 방법으로는 불가능했던 플랜지 및 웨브 양측에 생긴 언더컷으로의 부분이 잘 표현되어 있는 것을 알 수 있다.
다음에 본 발명의 제4실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 13은 본 발명의 방법을 이용한 경우의 흐름도를 도시한다.
스텝 41의 기하학데이터 설정에서는 용접대상인 이음매 형상의 수치데이터를 설정한다. 예컨대 CAD 데이터에서 본 발명에 따른 계산에 적합한 데이터로 변환하거나 미리 이음매 형상을 표현한 수학식을 이용한다. 설정된 기하학 데이터의 모식도는 상기 도 6에 도시한 것과 동일하다.
스텝 42의 특성파라미터 설정에서는 판두께나 재질, 이음매 사이의 틈, 실온에서 재질의 특성치인 열전도율이나 비열, 밀도, 잠열, 융점온도나 변태점 등을 결정하는 파라미터를 설정한다.
스텝 43의 용접조건 설정에서는 용접전류, 용접전압, 용접속도, 토치목표각, 토치진행각, 토치목표위치, 전극계, 전극선단각도, 실드가스 종류, 전극과 모재 사이의 거리 등을 설정한다.
스텝 45의 용융부 추정에서는 스텝 41∼스텝 44에서 설정한 데이터를 기초로 열전도를 계산하여 융점온도 이상의 온도영역을 추출한다. 이 열전도계산에는 비선형 열전도 방정식 또는 선형 열전도 방정식을 테일러 전개함으로써 차분화하여 유한차분법으로 값을 구하거나 열전도 방정식의 해석해답을 이용하여 해답을 구하는 방법을 이용한다. 본 실시예에서는 상기 수학식 2의 비선형 열전도 방정식을 이용하고 있다.
스텝 44의 좌표회전에서는 도 6에서의 X축 주위로 좌표를 회전시켜서 도 7의 새로운 좌표계 XY´Z´를 정의한다. 본 실시예에서는 45°회전시켰다.
스텝 46에서는 스텝 44에서 좌표회전시켜서 스텝 45에서 계산한 용융부에 대해 용융부의 변위계산좌표계인 XY´Z´좌표계에서 차분격자를 설정한다.
스텝 47의 용착금속량 첨가는 일반적으로 알려져 있는 용접와이어의 용융속도와, 용접전류, 용접와이어의 돌출 길이, 용접와이어 직경의 관계식을 이용하여 용착금속량을 계산함으로써 구할 수 있다.
스텝 48의 용융부 변위계산에서는 곡면방정식을 표시하는 상기 수학식 3을 테일러 전개함으로써 차분화하고, 스텝 46에서 설정한 차분격자에서 용접비드의 변위계산을 유한차분법을 이용하여 수행한다.
스텝 50의 좌표역회전에서는 스텝 45에서 계산한 용융부의 위치데이터와, 스 텝 48에서 계산한 용접비드의 변위데이터를 스텝 44에서 좌표회전시킨 방향과는 반대 방향으로, 그리고 스텝 44에서 좌표회전시킨 각도와 같은 크기만큼 회전시킴으로써 도 6에 도시한 좌표계로 되돌린다.
스텝 49에서는 계산에 의해 구한 최신 용융부의 형상과 전회의 계산으로 구한 용융부의 형상을 비교하여 미리 설정된 용융형상 오차범위인지를 판정한다. 또한, 계산에 의해 구한 최신 비드변위형상과 전회의 계산으로 구한 비드변위 형상을 비교하여 미리 설정된 변위형상 오차범위 내인지 판정한다.
여기에서 용융형상오차도 비드변위형상오차도 각각의 오차범위 내(수속) 또는 루프횟수가 미리 설정된 상한치에 도달한 경우에는 종료되며, 그렇지 않은 경우에는 변위계산후의 결과를 기초로 스텝 45의 용융부를 추정계산하여 수속될 때까지 스텝 45∼스텝 49를 반복한다.
본 실시예의 방법을 이용하여 계산한 용접부의 비드형상은 도 11과 동일하며 언더컷 등의 용접결함이 없는 양호한 결과를 도시하고 있다. 이에 반하여 종래의 방법에서는 도 12에 도시한 바와 같이 플랜지측이나 웨브측 모두에 언더컷의 용접결함을 일으키므로 본 실시예에 있어서는 종래의 방법으로는 불가능했던 플랜지 및 웨브 양측에 발생한 언더컷의 부분이 양호하게 표현되어 있는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 열전도계산과 비드변위형상계산을 반복하여 수행함으로써 비드의 표면형상이나 용해형상을 실제로 용접하기 전에 평가할 수 있기 때문에 실제 용접할 때 용접조건을 설정하는 방법에 비해 작업의 고효율화와 비용절감을 실현할 수 있다.
(2) 또한, 열전도계산과 비드변위계산을 병용한 계산방법이기 때문에 고정밀도로 용접결과인 비드형상을 추정할 수 있다.
(3) 또한, 비드변위를 계산할 때 좌표회전시키기 때문에 종래의 방법으로는 불가능했던 플랜지 및 웨브에 걸친 오목부의 충실한 추정계산이 가능했다.
본 발명은 아크용접에서의 비드형상의 고정밀도 수치계산방법으로서 유용하다.

Claims (10)

  1. 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
    용접대상의 기하학 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
    상기 용접조건 하에서의 데이터를 기초로 하여 열전도 계산을 하고 융점온도 이상의 온도 영역을 추출하여 용접 대상의 용융부를 추정하며,
    계산에 의해 구한 용융부를 용접방향축 주위 및/또는 용접방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
    회전된 용융부의 변위계산좌표계에서 차분격자를 설정하고,
    상기 차분격자를 설정한 용융부의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
    계산에 의해 구한 용융부의 변위에 의해 결정된 용융형상을 상기 좌표 회전시킨 각도와 같은 크기만큼 반대 방향으로 회전시키고,
    변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 좌표회전과, 상기 차분격자의 설정과, 용융부의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  2. 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
    용접대상의 기하학데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
    용접대상의 용접방향축 주위 및/또는 용접선 방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
    미리 설정한 용접조건에서 용융부를 열전도계산을 이용하여 추정하고,
    상기 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고,
    상기 차분격자를 설정한 용융부의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
    변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 차분격자의 설정과, 용융부의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하고,
    상기 변동되지 않는 용융부의 형상 및 변위형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  3. 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
    용접대상의 기하학 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
    상기 용접조건 하에서의 데이터를 기초로 하여 열전도 계산을 하고 융점온도 이상의 온도 영역을 추출하여 용접 대상의 용융부를 추정하며,
    계산에 의해 구한 용융부를 용접방향축 주위 및/또는 용접방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
    회전된 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고,
    상기 차분격자를 설정한 용융부에 상기 용접조건으로 결정할 수 있는 용착금속량을 첨가하고,
    상기 용착금속의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
    계산에 의해 구한 용융부의 변위에 의해 결정된 용융형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시키고,
    변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 좌표회전과, 상기 차분격자의 설정과, 용착금속량의 첨가와, 용착금속의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  4. 아크용접에서의 비드형상의 수치계산방법에 있어서,
    용접대상의 기하학적 데이터와, 용접대상이나 용접환경의 특성파라미터와, 용접조건을 설정하고,
    용접대상의 용접방향축 주위 및/또는 용접선 방향에 대해 직교축 주위로 좌표회전시키고,
    미리 설정한 용접조건으로 용접부를 열전도계산을 이용하여 추정하고,
    상기 용융부에 있어서 차분격자를 설정하고 상기 용접조건으로 결정한 용착금속량을 첨가하고,
    상기 차분격자를 설정한 상기 용착금속의 변위를 곡면방정식을 이용하여 계산하고,
    변위형상에 대한 열전도계산에 의한 용융부의 추정과, 상기 차분격자의 설정과, 용착금속량의 첨가와, 용융부의 변위계산을 용융부의 형상 및/또는 변위형상의 변동이 사전에 설정된 허용오차 이내인지, 또는 사전에 설정된 계산 횟수에 도달할 때까지 반복하여 계산하고,
    상기 변동되지 않는 용융부의 형상 및 변위형상을 상기 좌표회전과는 반대의 회전방향 및 회전각으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  5. 제1 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도계산은 계산격자를 설정하여 수치계산하는 유한차분법으로 계산하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  6. 제1 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도계산은 열전도방정식을 선형화하여 계산함으로써 해를 구하는 해석해법으로 계산하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  7. 제1 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전도계산은 열전도방정식을 선형화하여 계산함으로써 해를 구하는 해석해법에 의해 대략적으로 계산한 후, 계산격자를 설정하여 수치계산하는 유한차분법으로 정밀하게 계산하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
  8. 제1 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 곡면방정식은 계산격자를 설정하여 수치계산하는 유한차분법을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 용접부의 비드형상 계산방법.
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