Gambar 6. Geafik Shear-tensile strength dan S/N Rasio

이 기술 요약은 Amri Abdulah와 Sukarman이 작성하여 2020년 Multitek Indonesia: Jurnal Ilmiah에 게재한 “OPTIMASI SINGLE RESPONSE PROSES RESISTANCE SPOT WELDING PADA PENGGABUNGAN BAJA BEDA MATERIAL MENGGUNAKAN METODE EKSPERIMENTAL TAGUCHI” 논문을 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.

Keywords

  • Primary Keyword: 저항 점용접
  • Secondary Keywords: 이종 재료 접합, Taguchi 방법, 용접 파라미터 최적화, 전단 인장 강도, 아연 도금 강판

Executive Summary

  • The Challenge: 아연 도금 강판(SGCC)을 저탄소강(SPHC)과 접합할 때, 아연(Zn) 코팅층이 용접성을 저하시켜 강하고 신뢰성 있는 용접 너겟을 형성하는 데 어려움을 겪습니다.
  • The Method: 본 연구는 Taguchi 실험 계획법을 사용하여 스퀴즈 시간, 용접 전류, 용접 시간, 유지 시간 등 네 가지 핵심 저항 점용접 파라미터를 체계적으로 최적화했습니다.
  • The Key Breakthrough: 용접 전류가 용접 강도에 가장 큰 영향을 미치는 핵심 인자임을 확인했으며, 특정 파라미터 조합(스퀴즈 시간 22 cycles, 용접 전류 27 kA, 용접 시간 0.6초, 유지 시간 15 cycles)에서 최대 5758.96 N의 전단 인장 강도를 달성했습니다.
  • The Bottom Line: 이종 재료의 견고한 접합을 위해서는 용접 전류의 정밀한 제어와 아연 코팅층을 관통할 수 있는 충분한 용접 시간(본 연구에서는 0.5초 이상) 확보가 무엇보다 중요합니다.
Gambar 1. Perbandingan hasil RSW (a) dan GMAW (b)
Gambar 1. Perbandingan hasil RSW (a) dan GMAW (b)

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

자동차 산업에서 차체 경량화와 내부식성 향상을 위해 아연 도금 강판과 같은 이종 재료의 사용이 증가하고 있습니다. 그러나 저항 점용접(RSW) 공정에서 아연 도금 강판의 아연(Zn) 코팅은 낮은 녹는점으로 인해 전극 오염, 불안정한 너겟 형성 등의 문제를 야기하여 용접 품질을 저하시키는 주요 원인이 됩니다. 이는 최종 제품의 구조적 안정성과 내구성에 직접적인 영향을 미칩니다. 따라서 비효율적인 시행착오를 줄이고 최적의 용접 품질을 일관되게 확보할 수 있는 공정 파라미터를 규명하는 것은 생산 현장의 오랜 과제였습니다. 본 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 통계적 기법을 활용하여 최적의 용접 조건을 찾는 데 집중합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 이종 재료인 아연 도금 강판(SGCC, JIS G 3302, 두께 0.8mm, 아연 코팅 18.5μm)과 저탄소강(SPHC, JIS 3131, 두께 3.0mm)의 접합을 목표로 했습니다. 35kVA 용량의 공압식 저항 점용접기를 사용했으며, 상부 전극 직경은 5mm, 하부 전극 직경은 8mm로 설정했습니다.

실험 설계 및 최적화를 위해 Taguchi L18 직교 배열표를 사용했습니다. 네 가지 주요 공정 파라미터를 다음과 같이 설정하여 실험을 진행했습니다.

  • A: 스퀴즈 시간 (Squeeze time): 2 수준 (18, 22 cycles)
  • B: 용접 전류 (Welding current): 3 수준 (22, 25, 27 kA)
  • C: 용접 시간 (Welding time): 3 수준 (0.4, 0.5, 0.6 초)
  • D: 유지 시간 (Holding time): 3 수준 (12, 15, 18 cycles)

각 조건에서 제작된 시편은 인장 시험기를 사용하여 전단 인장 강도(tensile-shear strength)를 측정했으며, 이 결과를 바탕으로 최적의 파라미터 조합을 도출했습니다.

Gambar 3. Spesimen pengujian RWS
Gambar 3. Spesimen pengujian RWS

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 용접 전류가 강도를 좌우하는 가장 중요한 변수

S/N비(Signal-to-Noise ratio) 분석 결과, 용접 강도에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 용접 전류로 나타났습니다. Table 5의 델타(Delta) 값 비교에서 용접 전류는 1.21로 가장 높은 값을 기록했으며, 이는 다른 파라미터에 비해 용접 강도에 미치는 영향이 월등히 크다는 것을 의미합니다. 그 뒤를 이어 용접 시간(0.95), 스퀴즈 시간(0.65), 유지 시간(0.19) 순으로 영향력이 나타났습니다. 이는 아연 코팅층을 효과적으로 용융시키고 안정적인 너겟을 형성하기 위해 충분한 열 입력, 즉 높은 용접 전류가 필수적임을 시사합니다.

Finding 2: 최대 강도를 위한 최적 파라미터 조합 발견

18번의 실험 중 가장 높은 전단 인장 강도는 5758.96 N으로, 이는 18번째 실험 조건(Run 18)에서 달성되었습니다 (Table 4 참조). 이 조건은 다음과 같습니다.

  • 스퀴즈 시간: 22 cycles (Level 2)
  • 용접 전류: 27 kA (Level 3)
  • 용접 시간: 0.6 초 (Level 3)
  • 유지 시간: 15 cycles (Level 2)

또한, Figure 8의 S/N비 반응 그래프는 각 파라미터 수준별 평균 효과를 보여주며, 가장 이상적인 조합으로 스퀴즈 시간 Level 2, 용접 전류 Level 3, 용접 시간 Level 3, 유지 시간 Level 3을 제시합니다. 이는 단일 실험 결과와 더불어 공정의 강건성(robustness)을 고려한 최적의 설정 방향을 제공합니다. 특히 용접 시간이 0.4초일 경우 모든 시편에서 계면 파괴(interfacial failure)가 발생하여, 아연 도금 강판 용접 시 최소 0.5초 이상의 용접 시간이 필요함을 명확히 보여주었습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 SGCC와 SPHC 강재 접합 시 용접 파라미터 설정에 대한 명확한 가이드라인을 제공합니다. 특히 아연 코팅층의 부정적 영향을 극복하기 위해 용접 전류를 높이고 용접 시간을 0.5초 이상으로 설정하는 것이 중요합니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 Figure 7에서 볼 수 있듯이, 0.4초의 불충분한 용접 시간은 즉각적인 계면 파괴로 이어집니다. 이는 공정 검증 및 불량 분석 시 핵심 기준으로 활용될 수 있습니다. 또한, 요구되는 최소 너겟 직경(4.27mm)을 충족하는지 확인하는 것이 중요한 품질 관리 지표가 될 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 이 연구 결과는 최적화된 공정을 통해 이종 재료 간의 신뢰성 있는 접합이 가능함을 입증합니다. 이는 설계자들이 구조 부품에 다양한 재료 조합을 자신 있게 적용할 수 있는 근거를 제공합니다.

Paper Details

OPTIMASI SINGLE RESPONSE PROSES RESISTANCE SPOT WELDING PADA PENGGABUNGAN BAJA BEDA MATERIAL MENGGUNAKAN METODE EKSPERIMENTAL TAGUCHI

1. Overview:

  • Title: OPTIMASI SINGLE RESPONSE PROSES RESISTANCE SPOT WELDING PADA PENGGABUNGAN BAJA BEDA MATERIAL MENGGUNAKAN METODE EKSPERIMENTAL TAGUCHI (Optimization of Single Response Resistance Spot Welding Process on Dissimilar Material Steel Joining Using Taguchi Experimental Method)
  • Author: Amri Abdulah, Sukarman
  • Year of publication: 2020
  • Journal/academic society of publication: Multitek Indonesia: Jurnal Ilmiah, Vol. 14 No. 2
  • Keywords: Pengelasan resistansi titik (Resistance spot welding), Metode Taguchi (Taguchi method), Mampu las material (Weldability material), Rasio S / N (S/N ratio), Beda material (Dissimilar material)

2. Abstract:

This study presents an experimental optimization of resistance spot welding performed using a pneumatic force (electrode) system (PFS) machine. Optimization was carried out to joint the galvanized steel (SGCC JIS G 3313) with low-carbon steel (SPHC JIS 3131). SGCC is an SPCC-SD (JIS 3141) plate coated zinc (Zn) with a thickness of about 18.5 microns. A zinc coating, with significant thickness layers, causes the weldability of the metal to decrease. This study aims to obtain the tensile shear strength test results from the specified resistance spot welding parameters. The research used the Taguchi method using 4-variables and a combination of 2-level experiments. This research’s practical level is 2-levels for the first parameter and 3-levels for the other parameters. The Taguchi experiment’s optimization achieved the highest shear-tensile at 5049.64 N. This works performed at 22 cycles of squeeze time, 27 kA welding current, and welding time of 0.6 seconds, and 15 cycles of holding time. The S / N ratio analysis results show that the welding current is the most significant to the outcome and followed by welding time, spin time, and holding time. The S / N delta ratio values are 1.05, 0.67, 0.57 and 0.29, respectively.

3. Introduction:

아연 도금 강판은 내식성이 우수하여 자동차 산업에서 널리 사용됩니다. 저항 점용접(RSW)은 차체 조립에 가장 보편적으로 사용되는 접합 기술로, 수천 개의 용접점이 차량 한 대에 적용됩니다. 그러나 표준을 충족하지 못하는 용접은 부적절한 파라미터 설정으로 인해 발생할 수 있습니다. 특히 아연 코팅층은 용접성을 저하시키는 요인으로 작용하여, 이종 재료 접합 시 최적의 용접 조건을 찾는 것이 중요합니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

자동차 산업에서 널리 사용되는 아연 도금 강판과 저탄소강의 이종 재료 접합 시, 아연 코팅으로 인한 용접성 저하 문제를 해결하고 최적의 기계적 특성을 확보하는 것이 중요합니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 다양한 강재의 RSW 파라미터 최적화에 대해 다루었으나, 본 연구는 18.5μm의 비교적 두꺼운 아연 코팅을 가진 SGCC 강판과 저탄소강 SPHC의 접합에 초점을 맞춰 기존 연구와 차별점을 둡니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 Taguchi 실험 계획법을 이용하여 아연 도금 강판(SGCC)과 저탄소강(SPHC)의 저항 점용접 공정에서 최대의 전단 인장 강도를 얻을 수 있는 최적의 파라미터 조합을 찾는 것입니다.

Core study:

스퀴즈 시간, 용접 전류, 용접 시간, 유지 시간의 네 가지 파라미터를 변수로 설정하고, L18 직교 배열표에 따라 실험을 수행했습니다. 각 실험 결과로 얻은 전단 인장 강도를 측정하고 S/N비 분석을 통해 각 파라미터가 용접 강도에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 최적의 조건을 도출했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

4개의 변수(스퀴즈 시간 2수준, 나머지 3수준)를 고려한 Taguchi L18 직교 배열 실험 설계를 사용했습니다. 반응 변수는 전단 인장 강도로 설정하고 ‘망대특성(Larger is better)’을 기준으로 S/N비를 분석했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

35kVA 저항 점용접기로 시편을 제작하고, 10kN 용량의 만능재료시험기(UTM)를 사용하여 35mm/min의 속도로 전단 인장 강도를 측정했습니다. 수집된 데이터는 S/N비와 평균 반응 분석을 통해 최적의 파라미터 수준을 결정하는 데 사용되었습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 아연 도금 강판(SGCC, 0.8mm)과 저탄소강(SPHC, 3.0mm)의 이종 재료 접합에 대한 저항 점용접 파라미터 최적화에 한정됩니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 18번 실험 조건(스퀴즈 시간 22 cycles, 용접 전류 27 kA, 용접 시간 0.6초, 유지 시간 15 cycles)에서 최대 전단 인장 강도 5758.96 N을 달성했습니다.
  • S/N비 분석 결과, 용접 강도에 가장 큰 영향을 미치는 파라미터는 용접 전류(델타값 1.21)였으며, 용접 시간(0.95), 스퀴즈 시간(0.65), 유지 시간(0.19) 순으로 나타났습니다.
  • 용접 시간이 0.4초인 모든 조건에서 불충분한 용융으로 인한 계면 파괴가 발생했습니다.
  • S/N비 분석을 통해 예측된 최적의 파라미터 조합은 스퀴즈 시간 Level 2(22 cycles), 용접 전류 Level 3(27 kA), 용접 시간 Level 3(0.6초), 유지 시간 Level 3(18 cycles)입니다.
Gambar 6. Geafik Shear-tensile strength dan S/N Rasio
Gambar 6. Geafik Shear-tensile strength dan S/N Rasio

Figure List:

  • Gambar 1. Perbandingan hasil RSW (a) dan GMAW (b)
  • Gambar 2. Skema mesin Resistance Spot welding
  • Gambar 3. Spesimen pengujian RWS
  • Gambar 4. Mesin Spot welding kapasitas 35 kW
  • Figure 5. Tensile-shear strength test of the coupon on UTM
  • Gambar 6. Geafik Shear-tensile strength dan S/N Rasio
  • Gambar 7. Mode kegagalan interfacial parameter RSW pada welding current 0.4 detik.
  • Figure 8. S/N ratio data mean untuk shear-tensile strength
  • Gambar 9. Grafik tensile-shear strength rata-rata

7. Conclusion:

아연 도금 강판(SGCC)과 저탄소강(SPHC)의 이종 접합에서 68.7 N의 전극 가압력 하에 적절한 저항 점용접 파라미터를 설정하여 성공적인 접합을 달성했습니다. 최대 강도를 얻기 위한 가장 중요한 파라미터는 용접 전류와 용접 시간이었습니다. 18번 실험에서 스퀴즈 시간 22 cycles, 용접 전류 27 kA, 용접 시간 0.6초, 유지 시간 15 cycles 조건에서 가장 높은 전단 인장 강도를 얻었습니다. 특히 용접 전류와 용접 시간은 계면 파괴를 방지하는 데 중요한 역할을 했으며, SGCC와 SPHC 접합 시 0.5초 미만의 용접 시간은 권장되지 않습니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 최적화 연구에 Taguchi 방법을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: Taguchi 방법은 최소한의 실험 횟수로 여러 변수의 영향을 동시에 평가할 수 있는 효율적인 통계적 기법입니다. 본 연구처럼 4개의 변수와 여러 수준을 고려할 때, 모든 조합을 실험하는 것은 시간과 비용 측면에서 비효율적입니다. Taguchi의 직교 배열표를 사용하면 적은 수의 실험만으로도 각 파라미터가 결과(전단 인장 강도)에 미치는 영향을 신뢰성 있게 분석할 수 있어 산업 현장의 연구개발에 매우 적합합니다.

Q2: 논문에서 언급된 “계면 파괴(interfacial failure)” 모드는 무엇이며, 왜 바람직하지 않습니까?

A2: 계면 파괴는 용접된 두 판재의 접합면에서 너겟이 형성되지 않거나 불충분하게 형성되어 그대로 떨어져 나가는 파괴 형태를 말합니다. 본 연구에서는 용접 시간이 0.4초로 짧았던 모든 시편에서 이 현상이 관찰되었습니다. 이는 18.5μm 두께의 아연 코팅층을 완전히 용융시키고 모재 간의 야금학적 결합을 이루기에 열 입력이 부족했기 때문입니다. 이 파괴 모드는 용접부가 모재보다 약하다는 것을 의미하므로 바람직하지 않으며, 용접부가 모재보다 강해 모재가 찢어지는 “소성 파괴(pull-out failure)”가 이상적인 파괴 형태입니다.

Q3: 이 연구에서 S/N비 분석은 어떤 의미를 가집니까?

A3: S/N비(Signal-to-Noise ratio)는 신호(원하는 결과)와 잡음(원치 않는 변동성)의 비율을 의미하며, 공정의 강건성(robustness)을 평가하는 척도입니다. 본 연구에서는 ‘망대특성(Larger is better)’을 적용하여 전단 인장 강도가 높고 변동성이 적은 조건을 찾고자 했습니다. Figure 8과 Table 5의 분석을 통해 용접 전류가 S/N비를 가장 크게 향상시키는, 즉 높은 강도를 일관되게 얻는 데 가장 중요한 파라미터임을 정량적으로 증명할 수 있었습니다.

Q4: S/N비 분석으로 예측된 최적 조건과 단일 실험에서 최고 강도를 보인 조건이 약간 다른 이유는 무엇입니까?

A4: 18번 실험(A2, B3, C3, D2)은 수행된 18개 조합 중 가장 좋은 결과를 보인 단일 사례입니다. 반면 Figure 8의 S/N비 분석을 통해 얻은 최적 조건(A2, B3, C3, D3)은 각 파라미터가 독립적으로 최상의 성능을 내는 수준들을 조합한 것입니다. 이는 실제로 실험되지 않은 조합일 수 있지만, Taguchi 방법의 예측 능력에 따라 이 조건으로 설정할 경우 가장 안정적이고 높은 강도를 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있습니다. 즉, 단일 최고점보다는 공정 전체의 강건성을 고려한 최적의 방향을 제시하는 것입니다.

Q5: 연구에서 상하부 전극 직경을 5mm와 8mm로 다르게 사용한 이유는 무엇입니까?

A5: 이는 이종 두께(0.8mm vs 3.0mm) 재료를 용접할 때 흔히 사용되는 방법입니다. 더 얇은 SGCC 강판(0.8mm) 쪽에 작은 직경의 전극(5mm)을 사용하여 전류 밀도를 높이고 열을 집중시킴으로써 효과적인 너겟 형성을 유도합니다. 동시에 더 두꺼운 SPHC 강판(3.0mm) 쪽에는 큰 직경의 전극(8mm)을 사용하여 안정적으로 지지하고 열을 분산시켜 과도한 압흔(indentation)을 방지합니다. 또한 5mm 직경은 이론적으로 계산된 최소 요구 너겟 직경인 4.27mm를 초과하여 충분한 접합 면적을 확보하기 위한 설계이기도 합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

아연 도금 강판과 저탄소강의 저항 점용접은 아연 코팅층이라는 기술적 장벽을 극복하는 것이 핵심입니다. 본 연구는 Taguchi 방법을 통해 용접 전류와 용접 시간이 용접 강도를 결정하는 가장 중요한 요소임을 명확히 밝혔습니다. 최적화된 파라미터를 적용함으로써 이종 재료 간에도 높은 신뢰성을 갖는 접합부를 구현할 수 있으며, 이는 자동차를 비롯한 여러 산업 분야의 품질 및 생산성 향상에 직접적으로 기여할 수 있습니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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  • This content is a summary and analysis based on the paper “OPTIMASI SINGLE RESPONSE PROSES RESISTANCE SPOT WELDING PADA PENGGABUNGAN BAJA BEDA MATERIAL MENGGUNAKAN METODE EKSPERIMENTAL TAGUCHI” by “Amri Abdulah, Sukarman”.
  • Source: http://journal.umpo.ac.id/index.php/multitek/article/view/2539

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