Method Article

용접 비드의 유한 요소 분석을 위한 자동 레이저 기반 형상 캡처

DOI:

10.3791/68654

⸱

July 25th, 2025

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of Manchester, 2Henry Royce Institute, University of Manchester

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

용접 비드의 거의 실시간 계측을 획득하고 유한 요소 분석을 위해 결과 형상을 자동으로 준비하는 프로세스가 설명되어 있습니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

고부가가치 제조를 위한 융합 용접에는 부품 왜곡에 대한 엄격한 공정 제어와 완성된 부품에 전달되는 잔류 응력 수준을 확인해야 합니다. 이 프로세스는 무수한 매개변수를 제어하는 데 의존하며, 주로 모재와 소모품의 적절한 융합을 보장하는 데 중점을 둡니다. 공정 중에 전달되는 높은 열 구배는 확인하지 않고 방치하면 상당한 왜곡을 초래할 수 있으며, 구성 요소가 완전히 구속되면 높은 수준의 잔류 응력이 발생할 수 있습니다. 유한 요소 분석은 일반적으로 왜곡을 예측하기 위해 융합 용접 공정에 적용됩니다. 그러나 이러한 모델은 프로세스 시작 전에 정의된 이상화되거나 단순화된 형상을 거의 독점적으로 사용하며, 이는 최종 구성 요소를 대표하지 않을 수 있습니다. 레이저 스캐닝 시스템을 사용하여 고유한 좌표계 내에서 단일 용접 비드 증착의 실제 모양을 캡처하고 이 캡처된 형상을 유한 요소 분석에 즉시 통합할 수 있는 형태로 변환하기 위한 프로토콜이 설명되어 있습니다. 이를 통해 제한된 사용자 입력으로 실제 증착을 대표하는 형상으로 유한 요소 모델을 신속하게 채울 수 있습니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

융합 용접은 모재와 충전재의 국부적인 용융을 통해 금속 부품을 영구적으로 결합하는 데 사용됩니다. 이러한 필러 재료는 와이어 또는 막대 형태입니다. 이 용융에 영향을 미치는 열원은1 다양할 수 있지만 모든 경우에 모체와 필러 모두 고온과 구배에 노출됩니다. 이러한 열 편위는 용접 공정과 냉각 중에 상당한 왜곡, 재료 특성 변화, 부품 내 잔류 응력을 유발할 수 있습니다. 이러한 부작용은 고부가가치 부품의 수명이나 생존 가능성에 극도로 해로울 수 있으므로 용접 공정은 종종 유한 요소(FE) 방법으로 모델링되어 열 이력, 왜곡 및 잔류 응력을 결정합니다2. 이러한 모델은 일반적으로 용접 시작 및 중지 위치를 포함한 전체 3D 증착을 기반으로 하는 형상을 사용하는 대신 용접이 발생하기 전에 결정되는 용접 및 모재의 단순화되거나 이상화된 형상을 사용합니다. 재현 가능한 다중 패스 용접은 로봇 팔에 의해 용접 토치를 조작하는 자동화 시스템을 사용하여 달성할 수 있습니다. 자동 아크 용접에 사용되는 일부 장치는 직접 에너지 증착 적층 제조에도 사용할 수 있으며, 이는 DED-Arc(Directed Energy Deposition-Arc) 또는 WAAM(Wir....

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

두 로봇 모두 활성화되고 브레이크 테스트와 같은 위치 준수를 확인하기 위한 설정 진단을 거쳤으며 홈에 있는 것으로 가정합니다.

1. 교정 수행

알림: 레이저 스캐너를 사용하기 전에 감지하는 거리가 실제 거리를 나타내는지 확인하기 위해 보정해야 합니다. 스캐너가 플레이트에 대해 비스듬히 있는 경우 거리가 삼각법적으로 변경되기 때문에 기본적으로 그렇지 않을 수 있습니다(그림 2).

  1. 보정하려면 단단하고 바람직하게는 금속인 알려진 치수의 구성 요소를 스캔하고 기준점을 구 형태로 추가합니다.
    참고: 이 구는 적은 수의 데이터 포인트와 높은 정밀도로 기준 구의 중심을 안정적으로 찾기 위해 장착할 수 있는 식별하기 쉬운 모양을 제공합니다. 예제 구성 요소는 그림 3A의 용접 셀에 나와 있습니다. 교정 단계 1.1-1.13에 사용된 요약 워크플로우는 그림 4에 나와 있습니다.
  2. 예를 들어 저급 및 중급 ABEC 등급에....

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

각 좌표계에서 캘리브레이션 구성 요소에 대해 계산된 반지름과 기준구 사이의 거리는 표 2에 나와 있습니다. 각 기준구 위치에 대한 CMM과 전자 점 찾기 사이의 오차는 0.1mm 미만으로 작습니다. 이 두 기술 모두 기준구와 스타일러스 사이의 물리적 접촉에 의존합니다. 구를 찾을 때 레이저 스캐너에 의해 발생하는 오류는 이에 비해 다소 크며 1-2mm에서 지배적입니다. 기준구 위치에 대한 변환 행렬의 적용은 그림 14에 나와 있습니다. 그림 15 는 캡처 방법의 끝점인 FEA 패키지로 가져온 메쉬 풀 비드를 보여줍니다.

figure-results-1
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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

캡처 품질
레이저 스캐닝 시스템의 치수 정확도와 정밀도는 표 2의 기준구의 위치와 반경으로 조사되었습니다. 각 시스템의 정확도는 용접 로봇의 좌표계로 변환되었을 때 CMM 데이터와 비교하여 로봇 시스템(레이저 스캐너 및 전기 에지 찾기)에 의해 측정된 기준 구의 위치 차이에 의해 결정됩니다. CMM은 정확도와 정밀도가 모두 높은 것으로 알려져 있으며, 기본 기계 정확도로 인해 ±6 μm의 불확실성이 있습니다.

레이저 스캐너의 경우 이 평균 차이는 1.6mm± 0.3mm입니다. 5개의 기준 구가 존재하지만 교정을 수행하기 위한 이론적 최소값은 3개입니다. 5개의 기준 구 중 가장 신뢰할 수 있는 3개는 교정 구성 요소의 전체 크기와 비교할 때 효과적으로 1% 미만의 오류를 갖습니다. 레이저 스캐너는 증착과 기판 또는 모 재료를 모두 식별하는 데 사용할 수 .......

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 선언할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작업은 핵융합 산업 프로그램을 통해 영국 원자력 당국의 지원도 받았습니다. 핵융합 산업 프로그램은 영국 핵융합 생태계의 성장을 촉진하고 미래의 글로벌 핵융합 발전소 시장을 준비하고 있습니다. 퓨전 산업 프로그램에 대한 자세한 내용은 온라인에서 확인할 수 있습니다: https://ccfe.ukaea.uk/programmes/fusion-industry-programme/. 또한 모든 저자는 EPSRC 보조금 EP/R00661X/1, EP/S019367/1, EP/P025021/1 및 EP/P025498/1을 통해 자금을 지원하는 Henry Royce Institute for Advanced Materials가 주최하는 시설에 대한 접근에 감사드립니다. MJR은 여기에 포함된 소프트웨어 요소의 기능을 확인하기 위한 노력에 대해 Mr. Stephen Pryce에게 감사의 말씀을 전합니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
직경 3mm 루비 CMM 스타일러스레니쇼CMM 기계에 사용되는 스타일러스(A-5004-0422)
80% 아르곤 20% CO2 가스BOC차폐 가스용 가스 혼합물(Argosheild)
크리스타 정점 776미투토요좌표 측정 기계, 인용 정밀도 10 및 마이크로; m
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References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Shravan, C., Radhika, N., Deepak Kumar, N. H., Sivasailam, B. A review on welding techniques: properties, characterisations and engineering applications. Advances Mater Process Technol. 10 (2), 1126-1181 (2024).
  2. Smith, M. C., Smith, A. C., Ohms, C., Wimpory, R. C.

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