본 연구에서는 레이저 용접이 적용된 차체용 부재의 충돌해석에서 레이저 용접부의 파단모사를 위하여 복합하중조건에서 변형률속도의 변화에 따른 레이저 용접부의 동적 파단시험을 수행하고, 하중조건 및 변형률속도의 변화에 따른 레이저 용접부의 파단하중 특성을 고찰하여 이에 따른 파단하중의 변화를 모사할 수 있는 레이저 용접부의 동적 파단조건을 제안하였다.
연구대상은 차체 부재에 널리 사용되는 연강(mild steel)과 고강도강(high strength steel, HSS)인 SPCC 1.0t, SPRC340 1.2t, CR340 1.2t 강판을 연구대상 강종으로 선정하였다. 외부하중에 의하여 부재가 변형하면 레이저 용접부는 회전하며 용접부의 회전에 의하여 레이저 용접부의 파단특성은 변화하게 된다. 이에 대하여 부재 변형에 의한 레이저 용접부의 회전을 고려하여 파단시험을 수행할 수 있는 시험장치를 설계하였다. 레이저 용접부에 복합하중을 부과하기 위하여 하중각도 0º, 15º, 30º, 45º, 60º, 75º, 80º 및 85º 에서 파단시험이 가능한 시험장치를 설계하였다. 그리고 복합하중조건에서 레이저 용접부에 일정한 비율의 인장하중과 전단하중을 부과하기 위하여 지지판이 부착된 시험시편을 설계하였으며, 이를 유한요소해석을 통하여 유효성을 평가하였다. 또한, 겹치기 레이저 용접부에 하중각도 90º의 순수전단하중을 부과하기 위하여 겹치기전단시험시편과 인장시험시편의 형상을 바탕으로 순수전단시험용 시편과 시험장치를 설계하고, 유한요소해석을 수행하여 순수전단시험의 유효성을 평가하였다. 이를 이용하여 레이저 용접부에 부과되는 하중각도 0º, 15º, 30º, 45º, 60º, 75º, 80º, 85º 및 90º 로 달리하고 각각의 하중각도에 따라 레이저 용접부에 일정한 비율의 인장하중과 전단하중을 부과하여 총 9가지의 다른 복합하중조건에서 레이저 용접부의 정적 및 동적 파단시험을 수행하였다.
레이저 용접부의 정적 파단시험은 본 연구에서 고안한 시험장치와 파단시험시편으로 만능 재료 시험기(universal testing machine)인 INSTRON 5583에 장착하여 레이저 용접부 주변 모재의 변형률속도 0.004/sec에 해당하는 3 mm/min의 인장속도로 파단시험을 수행하였다. 동적 파단시험은 고속인장재료시험기를 이용하여 인장속도를 각각 0.0125 m/sec, 0.125 m/sec, 1.25 m/sec 로 설정하여 파단시험을 수행하였으며, 이는 레이저 용접부의 초기 파단이 발생하는 레이저 용접부 주변 모재의 변형률속도 1/sec, 10/sec, 100/sec 에 해당하는 인장속도이다. 각각의 변형률속도에 대하여 0º, 15º, 30º, 45º, 60º, 75º, 80º, 85º 및 90º 의 하중각도로 파단시험을 통하여 용접부의 파단이 시작되는 파단하중을 측정하였으며, 하중각도에 따른 파단하중 및 파단모드의 변화를 조사하였다. 파단시험으로부터 획득한 파단하중과 하중각도를 이용하여 각 변형률속도에서 인장파단하중과 전단파단하중을 계산하고 이를 인장하중과 전단하중으로 이루어진 평면에 도시함으로써 하중각도 및 변형률속도에 따른 일자형 레이저 용접부 및 O형 레이저 용접부의 파단윤곽선을 획득하였다.
파단실험으로부터 획득한 레이저 용접부의 파단윤곽선을 충돌해석에 적용할 수 있도록 변형률속도에 따른 파단곡선의 변화를 모사할 수 있는 복합하중조건에서 레이저 용접부의 동적 파단조건을 제안하였다. 파단기구의 변화에 의한 레이저 용접부의 파단윤곽선을 모사하기 위하여 모재파단을 근사할 수 있는 조건과 계면파단을 모사할 수 있는 조건을 제안하고, 레이저 용접부에 작용하는 하중상태에 따라 레이저 용접부의 파단여부와 파단모드를 동시에 결정할 수 있는 조건을 제안하였다. 그리고 변형률속도에 따른 파단윤곽선의 변화를 고려하기 위하여 모재파단조건의 인장파단하중, 가상전단파단하중을 대수 변형률속도의 지수함수형태로 근사하였다. 계면파단조건의 변형률속도에 따른 변화를 고려하기 위하여 변형률속도에 따른 순수전단파단하중의 변화를 대수 변형률속도의 지수함수형태로 표현하고, 변형률속도에 따른 인장파단하중에 대한 전단파단하중의 변화를 근사하기 위한 항을 인장파단하중항에 추가해주었다. 본 연구에서 제시한 다른 형태의 파단조건은 Song 과 Song과 Huh 의 동적 파단조건을 수정하여 제시하였다. 변형률속도에 따른 파단윤곽선의 변화를 고려하기 위하여 레이저 용접부의 인장파단하중계수, 전단파단하중게수, 형상계수, 인장방향 평행이동계수, 전단방향 평행이동계수를 대수 변형률속도의 지수함수 형태로 근사함으로써 파단하중의 변형률속도 민감도항을 고려한 수정된 레이저 용접부의 동적 파단조건을 제안하였다. 파단시험을 수행한 SPCC 1.0t, SPRC340 1.2t, CR340 1.2t의 일자형 레이저 용접부와 SPRC340 1.2t의 O형 레이저 용접부에 대하여 본 논문에서 제시한 동적 파단조건의 계수를 얻었으며, 실제 시험결과와 파단조건으로 근사한 파단곡선을 비교함으로써 제안된 동적 파단조건의 효용성을 평가하였다.
차체용 부재의 유한요소 해석에서 레이저 용접부의 파단을 모사하기 위하여 충동해석과 같은 구조해석에서 레이저 용접부의 모델링 기법에 따른 영향을 고찰하여 구조해석에 적합한 레이저 용접부의 모델링 방법을 결정하였으며, 본 논문에서 제안한 새로운 레이저 용접부의 동적 파단조건을 상용 유한요소 해석프로그램인 LS-DYNA3D에 적용하였다. LS-DYNA3D의 user-subroutine을 이용하여 레이저 용접부 파단을 고려한 단순 겹치기전단시편의 정적 및 동적 파단해석을 수행하고 실제 시험결과와 비교함으로써 제안한 동적 파단조건의 유효성을 검증하고, 유한요소해석에 적용 가능성을 평가하였다.
