다구찌 기법 및 반응표면법을 활용한 저항 점용접 최적화: 너겟 품질 및 생산성 향상

이 기술 요약은 Norasiah Muhammad 외 저자가 2012년 International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology에 발표한 논문 “A Quality Improvement Approach for Resistance Spot Welding using Multi-objective Taguchi Method and Response Surface Methodology”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

Primary Keyword: 저항 점용접 최적화
Secondary Keywords: 다구찌 기법, 반응표면법, 용접 너겟, 열영향부(HAZ), 다중 품질 특성, 공정 모델링

Executive Summary

과제: 저항 점용접(RSW) 공정에서 최적의 용접 조건을 찾는 것은 종종 경험에 의존하여 너겟 크기 및 열영향부(HAZ)와 같은 핵심 품질 지표의 일관성을 확보하기 어렵습니다.
방법: 1.0mm 저탄소강 판재 접합 시, 다중 목적 다구찌 기법(MTM)과 반응표면법(RSM)을 적용하여 용접 너겟 반경과 HAZ 폭이라는 두 가지 상충될 수 있는 품질 특성을 동시에 최적화했습니다.
핵심 돌파구: 용접 전류가 용접 품질에 가장 결정적인 영향을 미치는 요인(기여도 88.65%)임을 통계적으로 입증했으며, 최적의 공정 조건 조합을 찾아냈습니다.
핵심: 이 연구는 경험에 의존하던 용접 공정 설계를 데이터 기반의 예측 모델로 전환할 수 있음을 보여주며, 이는 제조 품질의 일관성을 높이고 생산성을 향상시키는 핵심적인 방법론을 제공합니다.

과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

저항 점용접(RSW)은 자동차 산업을 비롯한 여러 분야에서 견고성, 속도, 유연성 덕분에 널리 사용되는 접합 기술입니다. 그러나 용접 품질은 전류, 시간, 전극 압력 등 수많은 공정 변수에 의해 결정됩니다. 현장에서는 종종 엔지니어의 경험이나 핸드북에 의존하여 이러한 변수를 설정하는데, 이는 특정 용접 장비나 작업 환경에 최적화된 결과를 보장하지 못합니다. 이로 인해 용접 너겟의 크기가 불균일하거나 열영향부(HAZ)가 과도하게 형성되는 등 품질 문제가 발생할 수 있습니다. 특히, 너겟 크기 확보와 HAZ 최소화와 같이 서로 상충될 수 있는 여러 품질 목표를 동시에 만족시키는 것은 매우 어려운 과제입니다. 본 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 통계적, 수학적 모델을 사용하여 여러 품질 특성을 동시에 최적화하는 체계적인 접근법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구는 다중 품질 특성을 동시에 최적화하기 위해 다중 목적 다구찌 기법(MTM)과 반응표면법(RSM)을 결합한 접근법을 사용했습니다.

실험 설계: 1.0mm 두께의 저탄소강 판재 2장을 용접하는 실험을 수행했습니다. 주요 제어 인자로는 용접 전류(A), 용접 시간(B), 가압 시간(C) 세 가지를 선정했으며, 각 인자별로 3가지 수준(Level)을 설정했습니다. 실험 계획은 다구찌 기법의 L9 직교 배열표를 사용하여 총 9번의 실험을 체계적으로 수행했습니다.
품질 특성 측정: 출력 변수로는 용접 품질을 대표하는 ‘용접 너겟 반경’과 ‘열영향부(HAZ) 폭’을 측정했습니다. 용접된 시편을 절단하고 2% 나이탈 용액으로 에칭한 후, 금속 현미경과 이미지 분석 시스템을 사용하여 정밀하게 측정했습니다.
데이터 분석: 측정된 데이터를 바탕으로 다중 신호 대 잡음비(MSNR)를 계산하여 여러 품질 특성을 단일 지표로 평가했습니다. 분산 분석(ANOVA)을 통해 각 공정 변수가 전체 품질에 미치는 통계적 유의성과 기여도를 정량적으로 분석했습니다. 또한, 반응표면법(RSM)을 사용하여 입력 변수와 출력 변수 간의 관계를 나타내는 1차 선형 예측 모델을 개발했습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

본 연구는 저항 점용접 공정 최적화에 대한 중요한 통계적 통찰을 제공했습니다.

발견 1: 용접 전류가 품질에 미치는 압도적인 영향력

분산 분석(ANOVA) 결과, 용접 품질에 영향을 미치는 세 가지 제어 인자 중 용접 전류가 가장 지배적인 요인임이 명확히 밝혀졌습니다. Table VIII에 따르면, 다중 품질 특성에 대한 각 인자의 기여도는 용접 전류가 88.65%로 압도적으로 높았으며, 용접 시간은 9.99%, 가압 시간은 0.687%에 불과했습니다. 이는 용접 품질을 안정적으로 관리하기 위해서는 다른 어떤 변수보다 용접 전류를 정밀하게 제어하는 것이 가장 중요하다는 것을 정량적으로 보여줍니다. p-값 역시 용접 전류만 0.007로 유의수준 0.05보다 낮아 통계적으로 유의미한 인자임이 확인되었습니다.

발견 2: 최적 공정 조건의 식별 및 예측 모델의 높은 정확도

다중 신호 대 잡음비(MSNR) 분석을 통해 용접 너겟 반경은 목표치에 가깝게, HAZ 폭은 최소화하는 최적의 공정 조건 조합을 도출했습니다. Table VII에 따르면, 최적 조건은 용접 전류 레벨 3 (6.0 kA), 용접 시간 레벨 3 (12 사이클), 가압 시간 레벨 2 (2 사이클), 즉 A3B3C2 조합이었습니다. 이 최적 조건에서 개발된 반응표면 모델의 예측값과 실제 확인 실험값을 비교한 결과, 높은 정확도를 보였습니다. Table IX에서 볼 수 있듯이, 용접 너겟 반경의 예측값은 2.466mm였고 실제 실험값은 2.586mm로 오차율은 4.64%에 불과했습니다. 이는 개발된 모델이 실제 공정 결과를 효과적으로 예측하고, 품질 개선에 직접적으로 활용될 수 있음을 입증합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

공정 엔지니어: 이 연구는 용접 품질을 개선하기 위해 어떤 변수에 집중해야 하는지를 명확히 보여줍니다. 용접 전류(88.65% 기여도)가 가장 중요한 변수이므로, 전류 제어 시스템의 안정성과 정밀도를 확보하는 것이 최우선 과제입니다. 또한, 도출된 최적 조건(6.0 kA, 12 사이클, 2 사이클)은 새로운 공정 설정 시 유용한 기준점이 되어 시행착오를 줄이고 생산 준비 시간을 단축하는 데 기여할 수 있습니다.
품질 관리팀: 본 연구에서 개발된 예측 모델(수식 9, 10)은 특정 공정 조건에서 기대되는 너겟 반경과 HAZ 폭을 예측할 수 있게 해줍니다. 이는 품질 검사 기준을 설정하거나 공정 중 이상 징후를 조기에 발견하는 데 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 측정된 너겟 크기가 모델 예측값에서 크게 벗어난다면, 용접 전류의 변동 등 공정 이상을 의심하고 즉각적인 조치를 취할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 이 연구는 공정 변수가 최종 접합부의 품질 특성에 미치는 영향을 정량적으로 보여줌으로써, 설계 단계에서부터 제조 가능성을 고려하는 데 중요한 정보를 제공합니다. 예를 들어, 특정 부품 설계가 안정적인 전극 접촉이나 전류 흐름을 방해한다면, 본 연구 결과에 따라 최종 용접 품질이 저하될 수 있음을 예측하고 설계 변경을 고려할 수 있습니다.

논문 상세 정보

A Quality Improvement Approach for Resistance Spot Welding using Multi-objective Taguchi Method and Response Surface Methodology

1. 개요:

제목: A Quality Improvement Approach for Resistance Spot Welding using Multi-objective Taguchi Method and Response Surface Methodology
저자: Norasiah Muhammad, Yupiter HP Manurung, Mohammad Hafidzi, Sunhaji Kiyai Abas, Ghalib Tham, M.Ridzwan Abd.Rahim
발행 연도: 2012
발행 학술지/학회: International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology
키워드: resistance spot welding (RSW), multiple quality characteristic, multi-objective Taguchi Method

2. 초록:

이 연구는 저항 점용접(RSW)으로 생성되는 용접 영역을 최적화하는 접근법을 다룬다. 이 접근법은 다중 목적 다구찌 기법(MTM)을 사용하여 다중 품질 특성(용접 너겟 및 열영향부)을 동시에 고려한다. 실험 연구는 1.0mm 저탄소강 두 장을 접합하기 위해 용접 전류, 용접 시간 및 가압 시간을 변경하며 수행되었다. 용접 매개변수 설정은 다구찌 실험 설계법을 사용하여 결정되었고 L9 직교 배열이 선택되었다. 다중 목적을 위한 최적의 용접 매개변수는 다중 신호 대 잡음비(MSNR)를 사용하여 얻었으며, 용접 매개변수의 유의 수준은 분산 분석(ANOVA)을 사용하여 추가로 분석되었다. 또한, 반응표면법(RSM)을 사용하여 용접 영역 발달을 예측하기 위한 1차 모델이 개발되었다. 개발된 반응표면 모델의 정확도를 관찰하기 위해 최적 조건에서 확인 실험이 수행되었다. 확인 실험 결과에 따르면, 개발된 모델은 RSW에서 용접 품질과 성능을 향상시킬 수 있는 용접 영역의 크기를 효과적으로 예측하는 데 사용될 수 있음이 밝혀졌다.

3. 서론:

저항 점용접(RSW)은 견고성, 속도, 유연성 및 저비용 운영으로 인해 특히 자동차 산업에서 접합 목적으로 널리 활용된다. 이러한 장점은 전기 저항 개념을 사용하는 작동 원리에서 비롯된다. 접합할 금속은 두 전극 사이에 놓이고 압력이 가해진 후 전류가 켜진다. RSW 공정은 근본적으로 스퀴즈 사이클, 웰드 사이클, 홀드 사이클, 오프 사이클의 네 단계로 구성된다. 용접 품질은 너겟 크기와 접합 강도로 가장 잘 판단된다. 용접 매개변수를 제어하는 것은 용접 품질에 중요한 역할을 한다. 따라서 최적의 용접 너겟 크기를 얻기 위해 용접 공정 매개변수를 선택하는 것이 중요하다. 일반적으로 원하는 용접 공정 매개변수는 경험이나 핸드북을 기반으로 결정되지만, 이는 선택된 용접 공정 매개변수가 특정 용접 기계 및 환경에 대해 최적의 용접 너겟을 생성할 수 있음을 보장하지 않는다. 이 문제를 극복하기 위해, 원하는 출력 변수를 정의하기 위해 다양한 최적화 방법이 적용될 수 있다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

저항 점용접(RSW)은 널리 사용되지만, 용접 품질은 전류, 시간, 압력 등 여러 공정 변수에 의해 복합적으로 결정된다. 기존의 경험 기반 변수 설정 방식은 특정 장비나 환경에서 최적의 결과를 보장하지 못하는 한계가 있다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 인장 전단 강도와 같은 단일 품질 특성을 최적화하는 데 중점을 두는 경향이 있었다. 그러나 단일 특성의 최적화는 다른 중요한 품질 특성을 악화시킬 수 있다. 따라서 여러 품질 특성을 동시에 고려하여 제품의 전반적인 품질을 향상시키는 다중 목적 최적화의 필요성이 제기되었다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 다중 목적 다구찌 기법(MTM)과 반응표면법(RSM)을 사용하여 저항 점용접에서 ‘용접 너겟 반경’과 ‘열영향부(HAZ) 폭’이라는 두 가지 품질 특성을 동시에 최적화하는 것이다. 이를 통해 RSW 공정의 품질과 성능을 향상시킬 수 있는 체계적인 방법론을 제시하고, 공정 결과를 예측할 수 있는 수학적 모델을 개발하고자 한다.

핵심 연구:

1.0mm 저탄소강 판재를 대상으로 용접 전류, 용접 시간, 가압 시간을 제어 인자로 설정하고 다구찌 L9 직교 배열에 따라 실험을 수행했다. 측정된 너겟 반경과 HAZ 폭 데이터를 사용하여 다중 신호 대 잡음비(MSNR)를 계산하고, 이를 통해 최적의 공정 조건을 도출했다. 분산 분석(ANOVA)을 통해 각 인자의 통계적 유의성과 기여도를 평가했으며, 반응표면법(RSM)을 사용하여 각 품질 특성에 대한 1차 선형 예측 모델을 개발했다. 마지막으로, 최적 조건에서 확인 실험을 수행하여 모델의 예측 정확도를 검증했다.

5. 연구 방법론:

연구 설계:

기법: 다구찌 실험 설계법(L9 직교 배열), 다중 목적 최적화(MTM), 반응표면법(RSM)을 결합하여 사용.
제어 인자: 용접 전류(4, 5, 6 kA), 용접 시간(8, 10, 12 사이클), 가압 시간(1, 2, 3 사이클). 각 3수준.
출력 특성: 용접 너겟 반경(목표치가 최고), HAZ 폭(작을수록 좋음).

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터 수집: 9가지 조건의 실험을 통해 용접 시편을 제작하고, 금속 현미경 및 이미지 분석 시스템을 이용하여 너겟 반경과 HAZ 폭을 측정.
데이터 분석: 다중 신호 대 잡음비(MSNR)를 계산하여 다중 품질 특성을 단일 지표로 변환. 분산 분석(ANOVA)을 사용하여 각 인자의 기여도와 통계적 유의성(p-값)을 분석. MINITAB 소프트웨어를 사용하여 반응표면 모델을 개발.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 1.0mm 두께의 저탄소강 판재 두 장을 저항 점용접하는 공정에 국한된다. 전극 크기, 전극 압력, 스퀴즈 사이클은 실험 전반에 걸쳐 상수로 고정되었다. 인자 간의 상호작용은 고려되지 않았다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

분산 분석(ANOVA) 결과, 용접 전류가 다중 품질 특성에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 나타났으며, 기여도는 88.65%에 달했다 (Table VIII).
다중 목적 최적화를 위한 최적의 공정 조건은 용접 전류 6.0 kA (레벨 3), 용접 시간 12 사이클 (레벨 3), 가압 시간 2 사이클 (레벨 2)로 결정되었다 (Table VII).
용접 너겟 반경과 HAZ 폭을 예측하기 위한 1차 선형 반응표면 모델이 개발되었으며, 각각 91.54%와 71.98%의 높은 결정계수(R²) 값을 보였다.
확인 실험 결과, 개발된 모델은 용접 너겟 반경을 4.64%, HAZ 폭을 10.70%의 오차율로 예측하여 높은 정확도를 입증했다 (Table IX).

Figure List:

Fig. 1: The sequence of the RSW process
Fig. 2: Magrograph of weld zone

7. 결론:

다중 목적 다구찌 기법은 RSW 공정에서 용접 너겟 반경과 HAZ 폭이라는 다중 반응을 동시에 고려하여 최적화하는 데 성공적으로 적용되었다. 모델링 및 최적화 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다: i. 용접 너겟과 HAZ 폭의 발달에 가장 효과적인 매개변수는 용접 전류이다. ii. 개발된 선형 반응표면 모델은 용접 너겟 반경과 HAZ 폭 예측에 잘 부합하며, 용접 영역의 크기를 효과적으로 예측하는 데 사용될 수 있다. iii. 최적의 매개변수는 용접 전류 레벨 3 (6.0 kA), 용접 시간 레벨 3 (12 사이클), 가압 시간 레벨 2 (2 사이클)로 확인되었다. iv. 확인 실험은 저항 점용접 공정에서 용접 성능을 향상시키고 용접 매개변수를 최적화하는 데 다중 목적 다구찌 기법의 유효성을 검증했다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 다중 목적 최적화에서 용접 너겟 반경에 0.8, HAZ 폭에 0.2라는 서로 다른 가중치를 부여한 이유는 무엇입니까?

A1: 논문에 따르면, 이는 저항 점용접 공정에서 좋은 품질의 용접부를 얻기 위해 열영향부(HAZ)보다 용접 너겟이 더 중요하다고 판단했기 때문입니다. 즉, 너겟 크기를 확보하는 것이 HAZ 폭을 관리하는 것보다 우선순위가 높은 공학적 판단을 반영한 것으로, 이를 통해 최종 최적화 결과가 실제 산업 현장의 요구사항에 더 부합하도록 설계되었습니다.

Q2: 개발된 1차 반응표면 모델의 신뢰도는 어느 정도입니까?

A2: 모델의 신뢰도는 결정계수(R²) 값과 확인 실험 결과를 통해 평가할 수 있습니다. 논문에서는 용접 너겟 반경 모델의 R² 값이 91.54%, HAZ 폭 모델은 71.98%로 비교적 높게 나타났습니다. 또한, Table IX의 확인 실험에서 너겟 반경의 예측 오차는 4.64%로 매우 낮아, 개발된 모델이 실제 공정 결과를 높은 정확도로 예측할 수 있음을 보여줍니다.

Q3: 분산 분석(ANOVA)에서 통계적 유의성을 판단하는 기준은 무엇이었습니까?

A3: 논문에서는 p-값이 유의수준(α) 0.05보다 작을 경우 해당 인자가 통계적으로 유의미하다고 간주했습니다. Table VIII의 분석 결과를 보면, 용접 전류의 p-값은 0.007로 0.05보다 현저히 낮아 통계적으로 유의한 영향을 미치는 인자임이 확인되었습니다. 반면, 용접 시간(0.062)과 가압 시간(0.492)은 유의수준을 초과하여 통계적 유의성이 낮은 것으로 나타났습니다.

Q4: 실험 설계에서 다구찌 L9 직교 배열을 선택한 이유는 무엇입니까?

A4: 이 연구에서는 3개의 제어 인자(용접 전류, 용접 시간, 가압 시간)를 각각 3개의 수준에서 평가했습니다. L9 직교 배열은 3인자 3수준 실험에 가장 효율적인 표준 설계 중 하나로, 최소한의 실험 횟수(9회)로 각 인자의 주효과를 분석할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 시간과 비용을 절감하면서도 신뢰성 있는 데이터를 확보할 수 있었습니다.

Q5: 이 연구는 저탄소강에 초점을 맞추었는데, 알루미늄이나 고장력강과 같은 다른 재료에도 동일한 결과를 적용할 수 있습니까?

A5: 논문에서 직접적으로 다루지는 않았지만, 이 연구에서 사용된 방법론(다중 목적 다구찌 기법 및 반응표면법)은 다른 재료에도 폭넓게 적용할 수 있습니다. 다만, 재료의 전기 저항, 열전도율 등 물성이 다르기 때문에 최적의 공정 변수 값이나 각 인자의 상대적 중요도는 달라질 것입니다. 따라서 다른 재료에 적용하기 위해서는 해당 재료에 맞는 새로운 실험과 데이터 분석이 필요합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

저항 점용접 공정에서 일관된 품질을 확보하는 것은 많은 제조 기업의 오랜 과제였습니다. 본 연구는 경험에 의존하던 방식에서 벗어나, 다구찌 기법과 반응표면법이라는 통계적 도구를 활용하여 저항 점용접 최적화를 달성할 수 있는 체계적인 경로를 제시했습니다. 특히, 용접 전류가 품질에 미치는 절대적인 영향을 정량적으로 입증하고, 다중 품질 목표를 동시에 만족시키는 최적의 조건을 찾아냄으로써, 데이터 기반의 공정 관리 시대를 열었습니다.

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저작권 정보

이 콘텐츠는 “Norasiah Muhammad” 외 저자의 논문 “[A Quality Improvement Approach for Resistance Spot Welding using Multi-objective Taguchi Method and Response Surface Methodology]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://core.ac.uk/download/pdf/11786591.pdf

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