KR100851148B1 - 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법 - Google Patents

자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차용 강판의 용접부 내구 수명을 평가하기 위하여 모사 시편의 피로시험을 통해 용접비드 끝단에서의 용접부의 응력-수명선도를 추출하여 자동차용 강판의 내구해석을 정량적으로 수행하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 자동차용 강판으로 제작된 부품에 대한 구조해석을 수행하여 상기 부품의 용접부의 절단 응력 및 굽힘 응력에 따른 하중모드를 산출하고 상기 하중모드를 분석하여 상기 부품에 맞는 모사 시편을 제작하는 제1단계; 상기 제작된 모사 시편에 대하여 인장시험을 실시하여 상기 시편의 최적 용접조건을 산출하는 제2단계; 미리 설정된 도장조건의 분위기에서 상기 모사 시편을 열처리한 후 피로시험을 통해 상기 모사 시편에 대한 응력-수명선도를 도출하는 제3단계; 및 상기 도출된 모사 시편의 응력-수명선도를 이용하여 상기 자동차용 강판의 용접부 응력에 대응하는 내구성을 해석하는 제4단계를 포함한다.
용접부, 내구해석, 인장시험, 피로시험, 응력-수명선도, 시편

Description

자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법{METHOD FOR ANALYZING ENDURANCE OF WELDING PART OF STEEL SHEET FOR AUTOMOBILE}
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법을 보이는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차용 HF의 서브프레임에 대한 모사 시편의 형상도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접비드 끝단에서의 응력산출 및 용접부의 응력-수명선도를 나타낸 도면이다.
본 발명은 강판 용접부의 내구해석 방법에 관한 것으로서, 특히 자동차용 강판의 용접부 내구 수명을 평가하기 위하여 모사 시편의 피로시험을 통해 용접비드 끝단에서의 용접부의 응력-수명선도를 추출하여 자동차용 강판의 내구해석을 정량적으로 수행하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차용 강판은 박판 형태로 제작되어 아크 용접을 이용하여 부 품으로 제작된다. 이러한 자동차용 부품의 용접부는 상대적으로 내구력이 취약한 부분으로서 자동차 안전에 영향을 줄 수 있으므로, 용접부에 대한 내구해석은 안전차원에서 반드시 필요하다.
용접부의 내구해석은 주로 응력-수명선도를 이용하고 있다. 그러나 100mm 이상의 두께를 갖는 후판 산업에서 용접부의 응력-수명선도는 두께방향의 응력이 일정한 공칭응력(nominal stress)을 기준으로 정립되어 있고 용접비드 끝단에 집중된 응력에 대해서는 고려하지 않고 있으므로 자동차용 박판에 이러한 응력-수명선도를 적용하는 경우 내구해석시 수명을 과소로 예측하게 되어 그 정확성이 보장되지 못한다.
또한, 박판 산업에서는 자동차 부품의 내구해석시 모재부의 피로특성을 주로 이용하고 있으며 용접부 모델링 방법 및 해석방법은 규정되어 있지 않고 피로 데이터도 정립되어 있지 않은 상태이다.
한국 공개특허공보 제2001-10576호(2001.02.15 공개)에는 설계 차량에 대한 차체의 내구력을 차량의 동하중 분석, 유한요소 응력해석, 피로해석을 통해 평가하는 자동차 차체의 내구력 평가 해석방법이 개시되어 있다. 상기 특허에서는 자동차 차체 설계 단계에서 개발 차량의 내구력 평가를 위한 것으로서 차체 용접부에 대한 내구해석 방법을 개시되어 있지 않다.
따라서, 해당 기술분야에서는 자동차의 안전성을 평가하기 위하여 박판 형태의 자동차용 강판으로 제작된 자동차 부품의 아크 용접부에 대하여 내구해석을 통해 부품의 수명을 정확하게 산출하는 기술의 개발에 대한 요구가 있어 왔다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 자동차용 강판의 모사 시편에 대하여 최적 용접조건을 도출하고 용접비드 끝단의 선형적인 응력집중을 고려하여 용접부의 응력을 결정하고 피로시험 후 용접부의 응력-수명선도를 산출하여 상기 자동차용 강판의 내구해석을 정량적으로 수행하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법은,
자동차용 강판으로 제작된 부품에 대한 구조해석을 수행하여 상기 부품의 용접부의 절단 응력 및 굽힘 응력에 따른 하중모드를 산출하고 상기 하중모드를 분석하여 상기 부품에 맞는 모사 시편을 제작하는 제1단계; 상기 제작된 모사 시편에 대하여 인장시험을 실시하여 상기 시편의 최적 용접조건을 산출하는 제2단계; 미리 설정된 도장조건의 분위기에서 상기 모사 시편을 열처리한 후 피로시험을 통해 상기 모사 시편에 대한 응력-수명선도를 도출하는 제3단계; 및 상기 도출된 모사 시편의 응력-수명선도를 이용하여 상기 자동차용 강판의 용접부 응력에 대응하는 내구성을 해석하는 제4단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제1단계는 고강도 강판으로 제작된 HF 서브 프레임의 용접부에 대한 절단응력 및 굽힘응력을 모사하는 시편을 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서, 상기 제3단계는 상기 모사 시편의 용접비드 끝단의 선형적인 응력집중을 고려하기 위해 두께방향의 일정한 거리에서 외삽한 응력과 파손수명으로 응력-수명선도를 도출하는 것이 바람직하다. 이때, 더욱 바람직하게는 상기 두께방향의 150~400%t의 거리에서 외삽한 응력 및 파손수명으로 응력-수명선도를 도출한다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 그에 대한 상세한 설명을 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법을 보이는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 우선 자동차용 강판으로 제작된 부품에 대한 구조해석을 수행한다(S100). 본 발명에 적용되는 구조해석은 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 원자에 빛을 조사하여 그 결정구조를 파악하는 방법으로서, 결정에 입사된 X선이나 입자선(중성자선·전자선 등)은 입사각도와 그 파장이 특정 조건을 충족시키면 강하게 반사되는데 이 성질은 결정구조를 결정하는데 이용할 수 있다.
이와 같은 부품의 구조해석을 통해 상기 부품의 용접부의 전단 응력 및 굽힘 응력에 따른 하중모드를 산출하고(S102), 상기 산출된 하중모드를 분석하여 상기 부품에 맞는 모사 시편을 제작한다(S104). 이때, 상기 모사 시편은 자동차용 부품의 형상을 조사하고 그 부품의 형상으로부터 용접형상을 선정하여 시편의 형상을 설계함으로써 모사 시편을 제작하는 것이 바람직하다. 이로써 자동차용 부품의 내구해석시 취약부분인 용접부의 수명산출을 위하여 상기 부품의 구조해석 및 하중모드 산출을 통해 모사 시편의 형상을 설계하여 제작한다.
이어, 상기 제작된 시편에 대한 인장시험(tension test)을 실시하여 상기 시편의 최적 용접조건을 산출한다(S106). 본 발명의 일 실시 예에 따른 인장시험은 상기 제작된 시편의 양끝을 소정의 시험기에 고정하고, 상기 시편 축의 양쪽 방향으로 인장력을 작용시켜서 상기 시편의 변형에 대한 여러 가지 저항성의 크기를 측정 및 검사하는 시험으로서, 인장시험을 통해 얻어지는 여러 가지 양은 시편의 가장 기본적인 기계적 성질을 나타내는 것이며, 이러한 기계적 성질은 기계나 구조물의 설계시 필요적인 자료로 이용된다. 인장시험에서 다루어지는 시험편의 모양·치수, 시험기, 시험방법, 시험결과의 표시법 등은 한국공업규격(KS)에서 규정하고 있으며, 본 발명에서도 이러한 규정에 따라 인장시험을 실시하는 것이 바람직하다.
상기 시편의 최적 용접조건은 용접 후 인장시험을 실시한 경우 용접부가 정상적인 상태가 되는 조건을 말한다. 따라서 용접전류 및 용접속도를 가변하면서 용접하고, 각 용접전류 및 용접속도별로 용접 후 인장시험을 실시하여 용접부가 정상 적인 상태가 되는 최적의 용접조건을 산출한다.
이어, 미리 설정된 도장조건의 분위기에서 상기 시편을 열처리한 후 피로시험을 통해 상기 모사 시편에 대한 응력-수명선도를 도출한다(S108). 상기 시편의 열처리(heat treatment)는 가열 또는 냉각을 이용하여 시편의 특성을 향상시키기 위한 것으로서, 상기 시편을 가열 또는 냉각시킴으로써 내부구조(조직)에 변화가 일어나서 기계적 성질을 현저하게 개량하기 위한 것이다. 이러한 본 발명에 따른 시편의 열처리는 공정조건에 따라 다양한 방법으로 구현될 수 있을 것이다. 상기 피로시험(material test)은 통상적으로 각종 공업재료의 물리적, 화학적, 전기적, 기계적 시험에 대한 총칭으로서, 해당 공업재료의 특성이나 성질을 검사하는 시험이다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에서는 상기 시편에 대하여 용접된 두 재료 중 하나를 고정시키고, 용접된 다른 하나를 용접부를 중심으로 힘을 가함으로써 상기 용접부의 기계적 특성 및 성질을 측정한다. 이와 같이 상기 시편의 피로시험을 이용하여 상기 시편에 대한 응력-수명선도를 도출한다.
계속하여, 상기 도출된 모사 시편의 응력-수명선도를 이용하여 상기 자동차용 강판의 용접부 응력에 대응하는 내구성을 해석한다(S110). 자동차용 강판의 용접시 열 발생으로 인하여 잔류응력이 발생되고 도장시 소부경화되며, 이로써 용접전과 다른 피로특성 데이터가 산출된다. 이러한 자동차용 강판의 용접부에 대한 응력을 상기 도출된 모사 시편의 응력-수명선도를 이용하여 계산함으로써 내구해석을 수행할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 자동차용 HF의 서브프레임에 대한 모사 시편의 형상도이다.
도 2의 (a)는 자동차용 수직프레임(VF:Vertical Frame)의 상단에 장착된 수평프레임(HF:Horizontal Frame)의 서브프레임(subframe) 및 상기 서브프레임의 용접부에 대한 절단면 형상을 나타낸다. 도 2의 (b) 및 (c)는 상기 서브프레임의 하중모드별 모사 시편을 나타내는 것으로, 도 2의 (b) 및 (c)는 각각 전단 응력에 따른 하중모드로서 LAP 연결부(joint)와 굽힘 응력에 따른 하중모드로서 T 연결부를 나타낸다. 이와 같이 자동차용 강판의 HF 서브프레임에 대하여 구조해석을 수행하고, 상기 HF 서브프레임의 용접부의 하중모드를 산출하고 상기 하중모드를 분석하여 상기 HF 서브프레임의 모사 시편을 제작한다. 상기 HF 서브프레임의 용접부의 하중모드는 전단 응력과 굽힘 응력을 받는 구조이다. 이것을 모사하기 위해서는 각각의 용접부 응력-수명선도를 산출하여 내구해석시 사용한다. 본 발명의 일 실시 예에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 모사 시현의 형상으로 랩 시편은 피로시험시 두께방향으로 일정한 하중을 부여할 수 있도록 스페이스 바를 지그 부착부위에 장착하는 것과 굽힘을 모사하는 ㄷ자형 채널로 구성되는 것이 바람직하다.
일반적으로 용접 시편의 피로시험의 경우 하중과 수명선도로 피로수명을 산출하지만, 탄성선형 구조해석에서의 결과와 일치시키기 위해서는 용접비드 끝단에 집중된 응력을 산출하여야 하고, 피로시험 후 결정되는 용접부의 응력-수명선도로 산출되어야 한다. 용접부의 비드 끝단에서의 응력분포는 시편 전체가 받는 공칭응력(nominal stress)과 비드 끝단의 응력집중으로 인한 국부 소성의 복잡한 중첩으 로 나타난다. 본 발명에서는 용접부의 비드 끝단의 국부 소성을 배제한 응력분포를 산출하기 위하여 응력집중 게이지를 이용하여 두께방향으로 150~400%t 의 응력을 계측한 후 외삽법을 이용하여 비드 끝단의 응력을 산출한다. 나아가, 피로시험 후 수명을 평가하고 용접부의 응력-수명선도 데이터를 산출하며, 내구해석시 시편의 용접부의 수명은 상기 용접부의 응력-수명선도 데이터로부터 얻어진다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 용접비드 끝단에서의 응력산출 및 용접부의 응력-수명선도를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 용접부에 대하여 양쪽 끝에서 인장력을 가함으로써 이동거리에 대한 용접비드 끝단에서의 응력을 산출하고, 설정된 도장조건에서 열처리한 후 피로시험을 통해 용접부의 응력-피로선도를 얻는다. 이러한 용접비드 끝단의 응력 데이터와 용접부의 응력-피로선도 데이터는 도 3에 도시된 그래프와 같이 나타낼 수 있다. 따라서, 용접부의 응력이 얻어지면 상기 용접부의 수명을 산출할 수 있게 된다.
상기한 도면과 명세서에는 본 발명에 대한 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따 라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 자동차용 부품의 내구해석시 취약부분인 용접부의 수명산출을 모사 시편을 이용한 용접부 응력-수명선도를 이용함으로써, 내구성 예측에 대한 신뢰성을 확보할 수 있고, 부품제작시 소재 선택 및 설계시 부품 수명의 정확한 예측 정보를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 자동차용 강판으로 제작된 부품에 대한 구조해석을 수행하여 상기 부품의 용접부의 절단 응력 및 굽힘 응력에 따른 하중모드를 산출하고 상기 하중모드를 분석하여 상기 부품에 맞는 모사 시편을 제작하는 제1단계;
    상기 제작된 모사 시편에 대하여 인장시험을 실시하여 상기 시편의 최적 용접조건을 산출하는 제2단계;
    미리 설정된 도장조건의 분위기에서 상기 모사 시편을 열처리한 후 피로시험을 통해 상기 모사 시편에 대한 응력-수명선도를 도출하는 제3단계; 및
    상기 도출된 모사 시편의 응력-수명선도를 이용하여 상기 자동차용 강판의 용접부 응력에 대응하는 내구성을 해석하는 제4단계; 를 포함하는 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1단계는,
    고강도 강판으로 제작된 HF 서브프레임의 용접부에 대한 절단응력 및 굽힘응력을 모사하는 시편을 제작하는 것을 특징으로 하는 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제3단계는,
    상기 모사 시편의 용접비드 끝단의 선형적인 응력집중을 산출하기 위해 모사시편의 두께방향으로 외삽한 응력과 파손수명으로 응력-수명선도를 도출하는 것을 특징으로 하는 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제3단계는,
    상기 모사시편의 두께방향으로 150~400%t인 지점의 응력을 계측한 후, 그 계측값으로부터 외삽한 응력 및 파손수명으로 응력-수명선도를 도출하는 것을 특징으로 하는 자동차용 강판의 용접부 내구해석 방법.
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