KR101073773B1 - 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법에 관한 것으로, 모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서, 실험에 기반하여 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상(폭(x), 높이(y))의 데이터를 기입력받는 데이터기입력단계; 설정 용접전류, 설정 용접속도를 입력받는 설정치입력단계; 상기 데이터입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭과 높이의 데이터를 추출하고, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하는 비드형상모의단계; 및 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 비드(11)의 외곽형상을 나타내는 비드형상식으로 결정하는 비드형상결정단계;를 포함하여 구성되는 것을 기술적 요지로 하여, 사용자의 용접 경험 정도에 상관없이 실제 현장에서 사용되는 용접 조건에 기초한 용접부 형상을 자동으로 생성, 제공함으로써, 용접변형 시뮬레이션의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있는 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법에 관한 것이다.

용접변형, 시뮬레이션, 용접비드, 용융풀

Description

용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법{welding part forming method for welding distortion simulation}

본 발명은 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용접전류, 용접속도 등의 용접조건에 적합한 용접부 개선 형상을 구축, 제공하여 용접변형 시뮬레이션의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있는 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법에 관한 것이다.

선박 제작에 있어 비용 절감, 생산 자동화를 통한 생산성 향상을 위해서는 반드시 확보되어야 하는 것이 블록의 치수 정확도이며, 이러한 블록의 치수 정확도 확보를 위해서는 블록 변형을 최소화하는 작업조건의 확보, 용접변형의 예측, 제어방안 도출 등이 필요하다.

특히, 선박 제작공정의 대부분을 차지하고 있는 용접에 의해 발생하는 변형은 블록의 치수 정확도와 강도뿐만 아니라, 제품의 미관에도 영향을 미치는 인자로 품질 및 생산성 확보를 위해 반드시 제어되어야 하는 부분이며, 이러한 제어방안 도출은 컴퓨터를 이용한 용접변형 예측이 필수적이다.

선체 블록의 변형 양상은 용접 자동화의 정도를 포함하여 다양한 생산 설비의 성능 및 작업자의 기량 등에 크게 좌우되기 때문에, 선체 블록 변형 해석법에는 아직까지 전 세계적으로 공통적인 방법은 존재하지 않고, 각 연구기관 및 업체별로 각 상황에 맞는 다양한 방법들이 적용되고 있으며, 일반적으로 용접변형 해석 소프트웨어인 MARC, ABAQUS, SYSWELD 등을 이용하여 용접변형 시뮬레이션을 수행하고 있다.

용접변형 해석은 용접에 의한 전체 구조물의 변형 양상을 예측하는 기술이기 때문에, 일반적으로 구조해석 분야나 유체해석 분야에서 사용되는 일반적인 선체모델을 기초로 하지 않고, 용접선의 정보, 즉 부재와 부재의 접합선을 기준으로 나누어 모델링되는 특징을 가지며, 부재의 조립순서와 접합선을 고려해야만 하고, 용접부(鎔接部)의 열적, 기계적 특성상, 접합부에 대해 열탄소성 해석을 수행하는 것이 가장 근사한 예측의 필수조건이다.

그러나, 종래의 용접변형 해석 소프트웨어에서는 용접부 형상 관련 자료를 제공하지 않기 때문에 사용자가 임의로 설계치를 적용함으로써 시뮬레이션을 실시하고 있으며, 이에 따라 용접 실험에 대한 경험이 충분하지 않은 상태에서 용접변형 해석을 수행하는 경우, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드 형상을 적절하게 적용하지 못하고, 현실과 동떨어진 비드 형상을 적용하여 해석을 실시하는 경우가 빈번하게 발생되고 있다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 사용자의 용접 경험 정도에 상관없이 실제 현장에서 사용되는 용접 조건에 기초한 용접부 형상을 자동으로 생성, 제공함으로써, 용접변형 시뮬레이션의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있는 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서, 실험에 기반하여 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상(폭(x), 높이(y))의 데이터를 기입력받는 데이터기입력단계; 용접변형 시뮬레이션에 적용할 설정 용접전류, 설정 용접속도를 사용자로부터 입력받는 설정치입력단계;상기 데이터입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭과 높이의 데이터를 추출하고, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하는 비드형상모의단계; 및 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 비드(11)의 외곽형상을 나타내는 비드형상식으로 결정하는 비드형상결정단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법을 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 데이터기입력단계에서는, 비드형상에 관한 데이터 외에도, 각 각의 용접전류(current)에 대한 용접봉 송급속도(melting weight)의 데이터를 함께 기입력받으며, 상기 설정치입력단계에서 입력받은 설정 용접전류를 상기 데이터기입력단계에서 입력받은 용접전류에 대한 용접봉 송급속도의 데이터에 대입하여 용융속도(melting rate)를 구하고, 용접재료의 밀도로 나누어 비드(11)의 실제 단면적을 연산하는 제1비드단면적연산단계; 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 적분하여 비드(11)의 모의 단면적을 연산하는 제2비드단면적연산단계; 및 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드 실제 단면적과 상기 제2비드단면적연산단계에서 연산된 비드 모의 단면적간의 차이를 비교하여, 상기 비드형상식의 오차 정도를 확인하는 비드형상식검증단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 비드형상검증단계는, ┃비드 실제 단면적-비드 모의 단면적┃/비드 실제 단면적×100을 연산하여 %로 오차 정도를 검증하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 비드형상검증단계에서 검증된 상기 비드형상식의 오차 정도가 -20%이상 내지 +20%이내에 해당되면 상기 비드형상결정단계를 적용하며, 상기 비드형상검증단계에서 검증된 상기 비드형상식의 오차 정도가 -20%미만, 또는 +20%초과에 해당되면, 용접변형 시뮬레이션 이용자로부터 비드형상(폭(x), 높이(y))에 관한 다른 데이터를 실시간으로 입력받아 포물선식에 적용하고, 상기 비드형상검증단계를 거쳐 오차범위 조건을 만족하는지 확인하며 비드형상식을 재조정하는 비드형상식조정단계;를 거치는 것이 바람직하다.

또한, 상기 설정치입력단계에서는, 설정 용접전압을 함께 입력받는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 비드형상식의 x절편을, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하는 용융풀형상모의단계; 및 상기 용융풀형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 용융풀(12)의 외곽형상을 나타내는 용융풀형상식으로 결정하는 용융풀형상결정단계;를 포함하여 결정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용융풀형상모의단계는, 상기 데이터기입력단계에서 기입력된 용접조건에 관한 데이터와, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전압을 이용하여 용접부 단면적(Aw)을 연산하는 용접단면적연산단계; 상기 용접단면적연산단계에서 연산된 용접부 단면적(Aw)으로부터 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드 실제 단면적 또는 비드 모의 단면적을 감산하여 용융풀 단면적을 연산하는 용융풀단면적연산단계; 및 상기 비드형상식의 x절편과 함께, 상기 용융풀단면적연산단계에서 연산된 용융풀 단면적을, 포물선식(y=ax²+b)의 적분값에 대입하여 포물선식(y=ax²+b)을 완성하는 용융풀식완성단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 데이터기입력단계에서는, 모재(20), 용접공법, 용접재료에 의해 결정되는 용접조건에 대해, 모재(20)의 용융점(Tm), 용접공법에 따른 아크효율(f₁), 용융효율(f₂), 설정 용접전류 적용 시 실제로 흐르는 용접전류(I), 용접재료의 밀도에 관한 데이터를 입력받는 것이 바람직하다.

또한, 상기 용접단면적연산단계는, 용접공법에 따른 아크효율(f₁), 용융효율(f₂), 설정 용접전류 적용 시 실제로 용접봉에 전달되는 실제 용접전류(I), 설정 용접전압(V)의 곱을, 설정 용접속도(v), 모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에 너지(Q)로 나누어, 용접부 단면적(Aw)을 연산하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명은, 모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서, 실험에 기반하여 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상(폭(x), 높이(y))의 데이터를 기입력받는 데이터기입력단계; 용접변형 시뮬레이션에 적용할 설정 용접전류, 설정 용접속도, 설정 용접전압을 사용자로부터 입력받는 설정치입력단계; 상기 데이터입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭(x)에 대한 데이터를 추출하고, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하는 용융풀형상모의단계; 및 상기 용융풀형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 용융풀(12)의 외곽형상을 나타내는 용융풀형상식으로 결정하는 용융풀형상결정단계;를 포함하여 구성되는 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법을 다른 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 용융풀형상모의단계는, 상기 데이터기입력단계에서 기입력된 용접조건에 관한 데이터와, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전압을 이용하여 용접부 단면적(Aw)을 연산하는 용접단면적연산단계; 상기 용접단면적연산단계에서 연산된 용접부 단면적(Aw)으로부터 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드 실제 단면적을 감산하여 용융풀 단면적을 연산하는 용융풀단면적연산단계; 및 상기 비드형상식의 x절편과 함께, 상기 용융풀단면적연산단계에서 연산된 용융풀 단면적을, 포물선식(y=ax²+b)의 적분값에 대입하여 포물선식(y=ax²+b)을 완성하는 용융풀식완성단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 데이터입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭과 높이의 데이터를 추출하고, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하는 비드형상모의단계; 및 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 비드(11)의 외곽형상을 나타내는 비드형상식으로 결정하는 비드형상결정단계;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 설정치입력단계에서 입력받은 설정 용접전류를 상기 데이터기입력단계에서 입력받은 용접전류에 대한 용접봉 송급속도의 데이터에 대입하여 용융속도(melting rate)를 구하고, 용접재료의 밀도로 나누어 비드(11)의 실제 단면적을 연산하는 제1비드단면적연산단계; 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 적분하여 비드(11)의 모의 단면적을 연산하는 제2비드단면적연산단계; 및 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드 실제 단면적과 상기 제2비드단면적연산단계에서 연산된 비드 모의 단면적간의 차이를 비교하여, 상기 비드형상식의 오차 정도를 확인하는 비드형상식검증단계;를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 모재, 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서 실험에 의해 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상의 데이터 등을 기반으로 하여, 비드와 용융풀로 이루어지는 용접부 형상을 자동으로 생성, 제공한다는 효과가 있다.

사용자가 설정 용접전류, 설정 용접속도, 설정 용접전압값을 입력하면, 실제 현장에서 사용되는 용접 조건에 기초하여 해당 용접조건에서 실제로 형성되는 용접부 형상에 근접한 용접부 형상을 자동으로 생성, 제공함으로써, 사용자의 용접 경험 정도에 상관없이 용접변형 시뮬레이션을 신뢰성있게 수행가능하다는 다른 효과가 있다.

또한, 데이터기입력단계에서 특정되는 용접조건을, 용접에 많이 사용되는 철, 알루미늄 등과 같은 용접재료, 모재 두께에 따른 비드형상 등으로 구분하여 적용하면, 용접재료에 따른 용접부 형상이나, 강재 두께에 따른 용접부 형상 또한 차별적으로 생성, 제공할 수 있다는 다른 효과가 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법의 제1실시예를 도시한 사시도이고, 도 2는 비드와 용융풀로 이루어지는 용접부의 단면도이며, 도 3은 용접전류에 대한 용접봉 송급속도의 일예를 표시한 그래프이다.

본 발명에 따른 본 발명에 따른 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법의 제1실시예는, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게 데이터기입력단계, 설정치입력단계, 비드형상모의단계, 비드형상결정단계, 용융풀형상모의단계, 용융풀형상결정단계로 이루어지며, 상기 비드형상모의단계와 비드형상결정단계 사이에 제1비드단면적연산단계, 제2비드단면적연산단계, 비드형상식검증단계, 비드형상식조정단계를 선택적으로 수행하는 구성을 가진다.

본 발명에서 용접부를 형상화함에 있어서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 용접부(10)를 비드(11)와 용융풀(12)로 구성하고, 비드(11)와 용융풀(12)간의 경계선의 중앙에 해당되는 지점을 원점으로 하여, 상기 비드(11)와 용용풀(13) 각각의 형상을 별도의 2차원 포물선식으로 형상화하는 과정을 거치게 된다.

상기 설정치입력단계에서 설정되는 용접조건상에서, 상기 데이터기입력단계에서 기입력된 용접조건에 따른 데이터들을 이용하여, 상기 비드형상모의단계, 비드형상결정단계, 제1비드단면적연산단계, 제2비드단면적연산단계, 비드형상식검증단계, 비드형상식조정단계를 통해 용접부의 비드(11)를 형상화하고, 상기 용융풀형상모의단계, 용융풀형상결정단계를 통해 용접부의 용융풀(12)을 형상화한다.

상기 데이터기입력단계에서는, 모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서, 실험에 기반하여 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상(폭(x), 높이(y))의 데이터를 기입력받으며, 상기 설정치입력단계에서는, 용접변형 시뮬레이션에 적용하고자 하는 설정 용접전류, 설정 용접속도를 사용자로부터 실시간으로 입력받는다.

상기 데이터기입력단계에서, 비드형상에 관한 데이터, 각각의 용접전류(current)에 대한 용접봉 송급속도(melting weight)의 데이터 등을 입력받음에 있어서는, 모재(20)의 용융점(Tm), 용접공법에 따른 아크효율(f₁), 용융효율(f₂ ), 설정 용접전류 적용 시 실제로 흐르는 용접전류(I), 용접재료(용접봉)의 밀도 등에 따라 용접조건을 구분하여 입력받는 것이 바람직하다.

상기 비드형상모의단계에서는, 상기 데이터기입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭과 높이의 데이터를 추출하고, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하며, 상기 비드형상결정단계에서 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 비드(11)의 외곽형상을 나타내는 비드형상식으로 결정함으로써, 용접 실험에 기반하여 용접변형 시뮬레이션용 용접부의 비드(11)를 형상화하게 된다.

상기 제1비드단면적연산단계, 제2비드단면적연산단계, 비드형상식검증단계를 수행함에 있어서는, 상기 데이터기입력단계에서, 비드형상에 관한 데이터 외에, 각각의 용접전류(current)에 대한 용접봉 송급속도(melting weight)의 데이터를 함께 기입력받아, 이를 이용하여 설정 용접전류에서의 용접봉 송급속도, 즉 용융속도(melting rate) 및 비드(11)의 실제 단면적을 연산함으로써, 보다 실제 용접 결과에 가까운 비드 단면적에 해당되는 비교대상을 생성, 비교, 검증하게 된다.

상기 제1비드단면적연산단계에서는, 상기 설정치입력단계에서 입력받은 설정 용접전류를 상기 데이터기입력단계에서 입력받은 용접전류에 대한 용접봉 송급속도의 데이터에 대입하여 용융속도(melting rate)를 구하고, 용접재료의 밀도로 나누어 비드(11)의 실제 단면적을 연산하며, 상기 제2비드단면적연산단계에서는, 상기 비드형상모의단계에서 완성된 포물선식을 적분하여 비드(11)의 모의 단면적을 연산 한다.

본 발명의 제1실시예에서는, 상기 제1비드단면적연산단계와 제2비드단면적연산단계를 순차적으로 적용하고 있으나, 상기 제1비드단면적연산단계와 제2비드단면적연산단계를 동시에 적용하거나, 상기 제2비드단면적연산단계를 먼저 적용하여도 상기 비드형상식검증단계에 다른 영향을 끼치지 않으므로, 실질적으로 본 발명의 제작자의 편의, 제작조건 등에 따라 보다 적합한 순서로 임의로 조정하여 적용하여도 무방하다.

상기 제1비드단면적연산단계에서는, 용접봉 송급속도, 용접재료의 밀도에 대한 실제 실험 데이터 등을 추가로 복합 적용하여 비드(11)의 단면적을 연산하게 되므로, 상기 제2비드단면적연산단계에서 비드(11)의 단면적을 연산하는 경우에 비해 보다 실제 실험 결과에 근접한 값을 도출하게 되므로, 상대적인 기준을 적용하여 상기 제1비드단면적연산단계와 제2비드단면적연산단계에서 연산되는 비드(11)의 단면적을, 비드(11)의 실제 단면적과, 비드(11)의 모의 단면적으로 구분한 것이다.

이하에서 용융풀(12)의 단면적을 기재함에 있어서도, 비드(11)의 실제 단면적을 적용하는 경우 용융풀(12)의 실제 단면적, 비드(11)의 모의 단면적을 적용하는 경우 용융풀(12) 모의 단면적으로 구분하기로 한다.

상기 비드형상식검증단계에서는, ┃비드 실제 단면적-비드 모의 단면적┃/비드 실제 단면적×100을 연산하여 %로 표현되는 오차 정도를 기준으로 하여, 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드 실제 단면적과 상기 제2비드단면적연산단계에서 연산된 비드 모의 단면적간의 차이를 비교하여, 상기 비드형상식의 오차 정 도를 확인, 검증한다.

상기 비드형상모의단계 이후에, 상기 제1비드단면적연산단계, 제2비드단면적연산단계, 비드형상식검증단계를 적용하여, 상기 비드형상검증단계에서 검증된 상기 비드형상식의 오차 정도가 -20%이상 내지 +20%이내에 해당되면 상기 비드형상결정단계를 적용하게 된다.

상기 비드형상검증단계에서 검증된 상기 비드형상식의 오차 정도가 -20%미만, 또는 +20%초과에 해당되면, 상기 데이터기입력단계에서 기입력된 데이터를 입력, 저장받는 과정에서 오류가 있거나, 실험 데이터 자체가 정확하게 측정, 도출된 것이 아닐 가능성이 있으므로, 상기 데이터기입력단계 부터 다시 수행하거나, 보정에 필요한 새로운 데이터 정보를 실시간으로 재입력받는 과정을 거쳐, 오차 정도가 -20%이상 내지 +20%이내를 만족하도록 상기 비드형상식을 보정하는 것이 바람직하다.

상기 비드형상식조정단계에서는, 용접변형 시뮬레이션 이용자로부터 비드형상(폭(x), 높이(y))에 관한 다른 데이터를 실시간으로 입력받아, 상기 비드형상모의단계에서 완성한 포물선식에 적용하고, 상기 비드형상검증단계와 같은 기준을 적용하여 오차 범위를 만족하는지 확인하며 비드형상식을 재조정하게 된다.

상기 용융풀형상모의단계에서는, 상기 비드형상식의 x절편, 또는 상기 데이터입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭(x)에 대한 데이터를 추출하여, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하는 과정을 통해 포물선식을 완성하게 되며, 상기 용융풀형상결정단계에서는, 상기 용융풀형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 용융풀(12)의 외곽형상을 나타내는 용융풀형상식으로 결정하게 된다.

본 발명의 제1실시예에서, 상기 용융풀형상모의단계는, 크게 용접단면적연산단계, 용융풀단면적연산단계, 용융풀식완성단계를 순차적으로 거쳐 이루어지며, 상기 용접단면적연산단계에서는, 상기 데이터기입력단계에서 기입력된 용접조건에 관한 데이터와, 상기 설정치입력단계에서 설정 용접전류, 설정 용접속도와 함께 입력된 설정 용접전압을 이용하여 용접부 단면적(Aw)을 연산하게 된다.

상기 용접단면적연산단계에서는, 용접공법에 따른 아크효율(f₁), 용융효율(f₂), 설정 용접전류 적용 시 실제로 용접봉에 전달되는 실제 용접전류(I), 설정 용접전압(V)의 곱을, 설정 용접속도(v), 모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)로 나누어, 용접부 단면적(Aw)을 연산하게 된다.

상기 용융풀단면적연산단계에서는, 상기 용접단면적연산단계에서 연산된 용접부 단면적(Aw)으로부터 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드 실제 단면적 또는 비드 모의 단면적을 감산하여 용융풀 단면적을 연산하게 된다.

상기 용융풀식완성단계에서는, 상기 비드형상식의 x절편의 좌표, 또는 설정 용접전류 및 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭(x)에 대한 실험 데이터 좌표와, 상기 용융풀단면적연산단계에서 연산된 용융풀 단면적을, 포물선식(y=ax²+b)의 적분값에 대입하여 포물선식(y=ax²+b)을 완성하게 된다.

본 발명의 제1실시예에서는, 상기 비드형상모의단계, 비드형상결정단계에 의해 용접부의 비드(11)를 포물선식으로 형상화하고, 상기 용융풀형상모의단계, 용융풀형상결정단계에 의해 용접부의 용융풀(12)을 포물선식으로 형상화하여 복합 적용하고 있다.

그러나, 본 발명의 내용은 상기 제1실시예에 한정되지 않고, 상기 비드형상모의단계, 비드형상결정단계에 의해 용접부의 비드(11)를 포물선식으로 형상화하면서도, 상기 용융풀형상모의단계, 용융풀형상결정단계가 아닌 다른 방식에 의해 용융풀(12)을 형상화하거나, 상기 용융풀형상모의단계, 용융풀형상결정단계에 의해 용접부의 용융풀(12)을 포물선식으로 형상화하면서도, 상기 비드형상모의단계, 비드형상결정단계가 아닌 다른 방식에 의해 비드(11)를 형상화하는 다양한 실시예로 적용가능하다.

상기 데이터기입력단계, 설정치입력단계, 비드형상모의단계, 비드형상결정단계를 순차적으로 거쳐 용접부의 비드(11)를 포물선식으로 형상화함에 있어서는, 상기 본 발명의 제1실시예에 대한 설명에서 상세하게 기재하고 있는 바, 그 중복 설명을 생략하기로 하며, 이하에서는, 상기 데이터기입력단계, 설정치입력단계, 용융풀형상모의단계, 용융풀형상결정단계를 순차적으로 거쳐 용접부의 용융풀(12)을 포물선식으로 형상화하는 과정, 또는 비드(11) 보다 용융풀(12)을 우선적으로 형상화하는 과정에 대해 설명하기로 한다.

상기 데이터기입력단계에서는, 모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서, 실험에 기반하여 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상(폭(x), 높이(y))의 데이터를 기입력받으며, 상기 설정치입력단계에서는, 설정 용접전류, 설정 용접속도, 설정 용접전압을 입력받는다.

상기 용융풀형상모의단계에서는, 상기 데이터입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 해당되는 비드형상의 폭(x)에 대한 데이터를 추출하고, 포물선식(y=ax²+b)에 대입하여 포물선식을 완성하며, 상기 용융풀형상결정단계에서는, 상기 용융풀형상모의단계에서 완성된 포물선식을 용접부 용융풀(12)의 외곽형상을 나타내는 용융풀형상식으로 결정한다.

이하에서는, 모재(20)로서 연강 (軟鋼, Mild Steel), 용접공법으로 가스 아크용접(GMAW, Gas Metal Arc Welding), 용접재료(鎔接材料) 중 용접봉으로 SM-70소재의 단선(單線, Solid Wire), 보호가스로 CO2 100%, 전류극성으로 DCEP(Direct Current Electrode Positive)을 용접조건으로 적용하고, 상기 설정치입력단계에서 사용자가 설정 용접전류 240A, 설정 용접속도 40cm/min, 설정 용접전압(V) 28.2V로 설정하는 경우를 일예로 들어 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

상기 데이터기입력단계에서는, 상기와 같은 기본적인 용접조건과 함께, 도 3에 도시된 바와 같은 각각의 용접전류(current)에 대한 용접봉 송급속도(melting weight)의 데이터, 상기 용접재료(용접봉)의 밀도 7.86g/㎤, 설정 용접전류 240A, 설정 용접속도 40cm/min에서의 용접부 비드형상(폭 9mm, 높이 3.3mm), 모재(20)의 용융점(Tm) 1400℃, 용접공법에 따른 아크 효율(f₁) 0.9, 용융효율(f₂) 0.4, 설정 용접전류 240A 적용 시 용접봉에 전달되는 용접전류(I) 180A를 포함하는 데이터가 기입력된다.

상기 비드형상모의단계에서는, 용접부 비드형상(폭 9mm, 높이 3.2mm)에 따른 좌표값 (0, 0.32), (0.45, 0)를 y₁=ax₁²+b에 대입하여, 0.32=a(0)²+b, b=0.32, 0=a(0.45)²+0.32, a=-0.32/(0.45)²=-1.58의 연산 과정을 통해, y₁=-1.58x₁²+0.32를 완성하게 된다.

상기 제1비드단면적연산단계에서는, 도 3의 그래프에 표기된 데이터, 또는 그래프의 간략식 Y= -10.1192+0.207606X+4.77E-4X²의 X에 설정 용접전류 240A을 대입하여, 단위시간 동안에 용융되는 용접봉이나 와이어의 길이 또는 무게를 의미하는 용융속도(鎔融速度, melting rate)(v) 67.18144g/min을 도출한 후, 설정 용접속도 40cm/min과, 용접재료 밀도 7.86g/㎤로 나누어, 비드 실제 단면적 0.21368㎠을 연산, 도출하게 된다.

상기 제2비드단면적연산단계에서는, 상기 비드형상모의단계에서 완성한 y₁=-1.58x₁²+0.32를 부정적분한 -1.58/3x₁³+0.32x₁의 식에, x₁좌표 -0.45에서 0.45까지의 범위로 정적분하여, 비드 모의 단면적 0.192㎠을 연산, 도출하게 된다.

상기 비드형상식검증단계에서는, 비드 실제 단면적에 대한 비드 모의 단면적의 오차 정도를 (0.21368-0.192)/0.21368×100≒10%의 연산과정을 거쳐, 대략 10%로서 -20%이상 20%이하에 해당되는 오차 범위를 안정적으로 만족하는 것으로 검증되며, 이에 따라 상기 비드형상식조정단계는 생략되고, 상기 비드형상결정단계에서 y₁=-1.58x₁²+0.32를 비드형상식으로 결정하는 과정을 수행하게 된다.

상기 용융풀형상모의단계의 용접단면적연산단계에서는, 모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)=금속을 상온에서 용융점까지 올리는데 소요되는 에너지+ 녹이는데 소요되는 에너지=(모재(20)의 용융점(Tm)+273)²/300,000에 모재(20)의 용융점(Tm)=1400℃를 대입하여 9.32976J/㎣을 도출하게 된다.

상기에 적용된 [모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)=(모재(20)의 용융점(Tm)+273)²/300,000]식은 Welding Handbook(by AWS(American Welding Society)) 8edition vol.8의 p34에 기재된 내용에 따른 것이다.

다음으로, 용접부 단면적(Aw)={아크 효율(f₁)·용융효율(f₂)·실제 용접전류(I)·설정 용접전압(V)}/{용융속도(v)·모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)}에, 상기 데이터기입력단계에서 기입력된 데이터와, 모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q) 9.32976J/㎣를 함께 대입하여, 용접부 단면적(Aw)={(0.9)·(0.4)·(180)·(28.2)}/{(400/60)·(9.32976)}=29.379㎟을 연산, 도출하게 된다.

상기 용융풀형상모의단계의 용융풀단면적연산단계에서는, 용접부 단면적(Aw) 29.379㎟ -비드 모의 단면적 19.2㎟ 의 연산에 의해, 용융풀 모의 단면적 10.179㎟ 을 도출하게 된다.

상기 용융풀형상모의단계의 용융풀식완성단계에서는, y₂=cx₂²+d에 적용하여 부정적분한 -c/3x₂³-dx₂의 식에 x좌표 -0.45에서 0.45까지의 범위로 정적분하여 도출한 {-2c/3(0.45)³-2·0.45·b}식에, 용융풀 모의 단면적 10.179㎟과, y₂=cx₂²+d에 (0.45, 0)의 좌표값을 대입하여, c로 통일시킨 계수(계수 d=-c(0.45)²로 변환)를 대입하여, c= 0.83777, d=-0.16965의 값을 도출하는 연산과정을 통해, y₂= 0.83777x₂²-0.16965를 완성하게 된다.

상기 용융풀형상결정단계에서는, 비드 실제 단면적과 비드 모의 단면적을 각 각 대입한 결과로서, 그 오차 범위가 이미 결정되어 있으므로, 별도의 검증단계를 거치지 않고, y= 0.83777x²-0.16965를 비드형상식으로 결정하는 과정을 수행하게 된다.

본 발명에 따른 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법에 의하면, 모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서 실험에 의해 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상의 데이터 등을 기반으로 하여, 비드와 용융풀로 이루어지는 용접부 형상을 자동으로 생성, 제공하게 된다.

사용자가 설정 용접전류, 설정 용접속도, 설정 용접전압값을 입력하면, 실제 현장에서 사용되는 용접 조건에 기초하여 해당 용접조건에서 실제로 형성되는 용접부 형상에 근접한 용접부 형상을 자동으로 생성, 제공함으로써, 사용자의 용접 경험 정도에 상관없이 용접변형 시뮬레이션을 신뢰성있게 수행할 수 있다.

그리고, 상기 데이터기입력단계에서 특정되는 용접조건을, 용접에 많이 사용되는 철, 알루미늄 등과 같은 용접재료, 모재 두께에 따른 비드형상 등으로 구분하여 적용하면, 용접재료에 따른 용접부 형상이나, 강재 두께에 따른 용접부 형상 또한 차별적으로 생성, 제공할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.

도 1 - 본 발명에 따른 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법의 제1실시예를 도시한 사시도

도 2 - 용접부의 단면도

도 3 - 용접전류에 대한 용접봉 송급속도의 일예를 표시한 그래프

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

10 : 용접부 11 : 비드

12 : 용융풀 20 : 모재

Claims (13)

1. 용접변형 시뮬레이션을 위해 용접부(10) 단면형상을 형상화함에 있어서,

   상기 용접부(10)를 비드(11)와 용융풀(12)로 구분하고, 상기 비드(11)와 용융풀(12)간의 경계선의 중앙에 해당되는 지점을 원점으로 하여, 상기 비드(11)와 용용풀(12) 각각의 형상을 별도의 2차원 포물선식으로 형상화하되,

   모재(20), 용접공법, 용접재료가 결정된 특정한 용접조건에서 실험에 기반하여 획득된, 용접전류 및 용접속도에 따른 비드형상의 데이터(폭(x), 높이(y))와, 각각의 용접전류(current)에 대한 용접봉 송급속도(melting weight)의 데이터를 입력받되, 상기 모재(20)의 용융점(Tm), 용접공법에 따른 아크효율(f₁) 및 용융효율(f₂), 설정 용접전류 적용 시 실제로 흐르는 용접전류(I), 용접재료의 밀도에 관한 데이터를 함께 기입력받는 데이터기입력단계;

   용접변형 시뮬레이션에 적용할 설정 용접전류, 설정 용접속도, 설정 용접전압(V)을 사용자로부터 입력받는 설정치입력단계;

   상기 데이터기입력단계에서 입력된 비드형상의 데이터(폭(x), 높이(y)) 중, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전류, 설정 용접속도에 대응되는 비드(11)형상의 데이터를 포물선식(y₁=ax₁²+b)에 대입하여 상기 비드(11)의 형상을 제1포물선식으로 모의 형상화하는 비드형상모의단계;

   상기 데이터기입력단계에서 입력받은 용접봉 송급속도 데이터 중, 상기 설정치입력단계에서 입력받은 설정 용접전류에 대응되는 용접봉 송급속도의 데이터를 용융속도(melting rate)(v)로 도출하고, 상기 용융속도(v)를 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접속도와, 상기 데이터기입력단계에서 입력받은 용접재료의 밀도로 나누어 상기 비드(11)의 실제 단면적을 연산하는 제1비드단면적연산단계;

   상기 비드형상모의단계에서 완성된 상기 제1포물선식을 적분하여 모의 형상화된 상기 비드(11)의 단면적을 연산하는 제2비드단면적연산단계;

   상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 비드의 실제 단면적과 상기 제2비드단면적연산단계에서 연산된 비드의 단면적간의 차이를 비교하되, ┃비드 실제 단면적-비드 모의 단면적┃/비드 실제 단면적×100을 연산하여 %로 오차 정도를 확인하는 비드형상식검증단계;

   상기 비드형상식검증단계에서 확인된 오차 정도가 ±20%이내이면, 상기 비드형상모의단계에서 완성된 상기 제1포물선식을, 상기 비드(11)의 외곽형상을 나타내는 비드형상식으로 결정하는 비드형상결정단계;

   상기 데이터기입력단계에서 기입력된 용접조건에 관한 데이터와, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전압을 이용하여 용접부 단면적(Aw)을 연산하되, 상기 데이터기입력단계에서 입력된 상기 모재(20)의 용융점(Tm)에 관한 데이터를 [모재를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)=모재의 용융점(Tm)+273)²/300,000]식에 대입하여, 상기 모재(20)를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)를 도출하고, 상기 데이터기입력단계에서 입력된 용접공법에 따른 아크효율(f₁) 및 용융효율(f₂), 설정 용접전류 적용 시 실제로 흐르는 용접전류(I)에 관한 데이터, 상기 설정치입력단계에서 입력된 설정 용접전압(V), 상기 제1비드단면적연산단계에서 도출한 용융속도(v)값과 함께 [용접부 단면적(Aw)=아크 효율(f₁)·용융효율(f₂)·실제 용접전류(I)·설정 용접전압(V)}/{용융속도(v)·모재를 용융시키는 데 소요되는 에너지(Q)]식에 대입하여, 상기 용접부(10)의 단면적(Aw)을 연산하는 용접단면적연산단계와, 상기 용접단면적연산단계에서 연산된 상기 용접부(10)의 단면적(Aw)으로부터 상기 제1비드단면적연산단계에서 연산된 상기 비드(11)의 실제 단면적을 감산하여 상기 용융풀(12)의 단면적을 연산하는 용융풀단면적연산단계와, 포물선식(y₂=cx₂²+d)을 부정적분한 식을 상기 비드형상식의 x절편이내 범위로 정적분하여 도출된 값에 상기 용융풀(12)의 단면적을 대입하고, 상기 포물선식(y₂=cx₂²+d)에 상기 비드형상식의 x절편 좌표값을 대입하여, 상기 용융풀(12)의 형상을 제2포물선식(y₂=cx₂²+d)으로 모의 형상화하는 용융풀형상모의단계; 및

   상기 용융풀형상모의단계에서 완성된 상기 제2포물선식을 상기 용융풀(12)의 외곽형상을 나타내는 용융풀형상식으로 결정하는 용융풀형상결정단계;

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 용접변형 시뮬레이션용 용접부 형상화방법.
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