수치해석과 실험계획법을 결합한 새로운 다전극 submerged arc welding 공정 최적화 기술 개발

국문 초록 (Abstract)

압력용기 제조업에서 저온용 후판의 용접작업은 물리적 품질과 생산성 결정에 크게 영향을 미치는 매우 중요한 공정 중의 하나이다. 특히 압력용기는 운전조건에 따라 고온의 열과 높은 압력은 물론 초저온에서의 취성 또한 견디기 위하여 매우 높은 용접 품질 기준이 요구되고 있고, 용접은 여러 층의 용접이 반복적으로 수행되는 다층 용접으로 수행되므로 많은 시간과 높은 비용이 요구되는 공정이다. 따라서 품질을 만족시키면서 생산성을 획기적으로 개선할 수 있는 용접 프로세스를 확보할 수 있다면 기업의 경쟁력 제고에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 압력용기 제조업의 용접시스템 중 자동화 및 생산성과 품질이 비교적 우수한 SAW(Submerged Arc Welding) 시스템을 대상으로 특히 1˗Pole SAW보다 생산성이 획기적으로 높은 3˗Pole SAW를 적용하였으며, 저온에서의 기계적성질을 만족하는 최적화 시스템의 확보를 위하여 수치해석 기술과 실험계획법을 적용한 용접 최적화 방법을 제시하였다.
먼저 As-Is, To-Be 분석을 이용하여 기존 1˗Pole SAW 대비 3˗Pole SAW 기술 도입 시 프로세스 변화를 분석하고 3˗Pole SAW 용접시스템의 Prototype을 구축하였으며, 수치해석(시뮬레이션)으로 3˗Pole SAW의 입열량을 분석하여 입열량을 통한 충격강도 예측 및 결과와 실험계획법(DoE)을 적용하여 시뮬레이션한 3˗Pole SAW 충격시험 결과와의 Feedback을 통하여 3˗Pole SAW의 충격강도 예측 모델을 개발하였다. 실측을 위하여 단계적 실험계획법을 활용하여 3˗Pole SAW 용접 시험을 하고, 결과를 바탕으로 실측 실험 결과와 수치해석의 예측 결과를 비교 분석하였다.
최적화 실험 결과를 바탕으로 출력변수(충격강도, 용접시간)들의 목표값을 만족시키는 다차원 설계가능영역(Design Space, DS)를 도출하였고, 도출된 DS에 신뢰구간(Confidence Interval, CI)을 적용한 안전가용영역(Safe Operating Space, SOP) 및 허용가능범위(Normal Acceptable Range, NAR)까지 도출하였다. 다음으로 재현성 실험을 통하여 도출된 NAR과 최적 조건에 대한 유효성을 확인하였다. 본 연구 결과가 용접 생산성의 획기적인 향상과 비교적 간편한 최적화 방법을 통한 높은 품질 확보에 기여 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 동기 및 차별성 3
• II. 문헌 연구와 이론적 배경 5
• 1. 용접시스템 5
• 2. SAW의 품질 특성 및 주요 인자 분석 11
• 3. 실험설계 및 분석 방법 : 단계적 실험계획법 13
• 4. 디자인 스페이스(Design Space, DS) 17
• 5. 용접의 최적 조건 도출방법 : 만족도 함수(Desirability function) 19
• 6. 수치 해석법 21
• III. 연구 방법 26
• 1. 3˗Pole SAW 용접시스템 설계 26
• 2. 실험 수행을 위한 시험편 제작 30
• 3. 용접부 수치해석을 위한 모델링 및 분석 36
• 4. 실험 및 수치해석 방법 40
• 5. 반응표면법(RSM)을 적용한 단계적 실험계획법(Stepwise DoE) 및 분석 방법 46
• 6. 다차원 디자인 스페이스(Design Space, DS) 및 안전가용영역(Safe Operating Space) 53
• 7. 실측 vs 실험계획법(DoE)+수치해석(시뮬레이션) 결과 비교 및 재현성 실험 57
• 8. 표준화 59
• 8. 연구 목표 및 단계별 연구 구성 60
• IV. 연구 결과 및 분석 62
• 1. 수치해석(시뮬레이션) 실험 결과 및 분석 62
• 2. 반응표면법 기반 특성화 실험 및 결과분석 77
• 3. 최적화 단계 실험 및 결과분석 83
• 4. 안전가용영역(Operating Space)과 최적화 결과에 대한 검증(Validation) 93
• 5. 3˗Pole SAW의 실험 결과 및 수치해석 예측 충격강도 비교 99
• V. 결론 및 추가연구 105
• 참고 문헌 107
• 부록 113
• Abstract 155
• 감사의 글 158