정밀도 향상과 공정 최적화: 전자빔 용접(EBW) 수치 모델링 및 실험적 검증

이 기술 요약은 M. Chiumenti 외 저자들이 2016년 Finite Elements in Analysis and Design에 발표한 논문 “Numerical modeling of the electron beam welding and its experimental validation”을 기반으로 하며, 기술 전문가를 위해 (주)에스티아이씨앤디에서 분석 및 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 전자빔 용접 수치 모델링
• Secondary Keywords: 열-기계 해석, 상변화, 소성, Ti6Al4V, 잔류 응력, 변형 예측

Executive Summary

• 도전 과제: 전자빔 용접(EBW)은 정밀하지만, 공정 중 발생하는 열로 인한 변형과 잔류 응력은 제품 품질에 치명적인 영향을 미칠 수 있어 이를 정확히 예측하고 제어하는 것이 중요합니다.
• 해결 방법: 본 연구에서는 열 전달, 기계적 응력, 야금학적 현상을 통합한 유한요소(FE) 기반의 다중물리 수치 모델을 개발했습니다.
• 핵심 돌파구: 특수하게 고안된 이동 열원 모델을 적용하여 실제 EBW 공정의 온도 변화, 최종 변형 및 잔류 응력을 매우 높은 정확도로 예측했으며, 이는 실험 데이터와의 비교를 통해 검증되었습니다.
• 핵심 요약: 검증된 이 수치 모델은 실제 프로토타입 제작과 실험 횟수를 획기적으로 줄여, 항공우주 및 고정밀 제조 분야에서 EBW 공정 최적화와 개발 기간 단축에 기여할 수 있습니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?

전자빔 용접(EBW)은 항공우주 산업 등에서 널리 사용되는 고효율, 고정밀 용접 기술입니다. 다른 용접 방식에 비해 열 입력이 낮고 집중되어 변형과 잔류 응력이 적다는 장점이 있습니다. 하지만 미세한 변형과 응력이라도 부품의 성능과 수명에 결정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에, 용접 속도, 빔 파워, 스팟 크기와 같은 공정 변수들이 최종 결과물에 미치는 영향을 사전에 정확히 예측하는 것은 매우 중요합니다. 기존에는 수많은 시행착오를 동반한 실험에 의존해야 했지만, 이는 시간과 비용 측면에서 비효율적이었습니다. 따라서 정확도가 높은 수치 시뮬레이션 기술은 이러한 산업적 난제를 해결할 핵심 열쇠입니다.
해당 논문에서는 열전달에 집중하여 열분포 해석을 진행하였지만 FLOW-3D WELD에서는 열분포 및 용융/증발까지 다양한 용접 중 일어날 수 있는 상황에 대한 해석이 가능하여 더 활용도가 높은 프로그램이라고 할 수 있습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 EBW 공정의 복잡한 물리 현상을 시뮬레이션하기 위해 열-기계 해석을 위한 유한요소(FE) 프레임워크를 구축했습니다.

• 재료 모델: 대상 재료인 티타늄 합금(Ti6Al4V)의 거동을 상온부터 용융 온도 이상까지 정확하게 모사하기 위해, 온도에 따라 물성이 변하는 열-탄성-점소성(thermo-elasto-viscoplastic) 구성 모델을 적용했습니다. 이 모델은 고체 상태의 탄소성 거동부터 용융 상태의 순수 점성 거동까지 매끄럽게 전환할 수 있습니다.
• 열원 모델: EBW의 핵심인 고에너지 빔을 모사하기 위해, 가우시안 분포를 가지는 체적 열원 모델을 제안했습니다. 이 열원은 용접선을 따라 이동하며, 깊이에 따라 에너지가 포물선 형태로 감소하는 실제 물리 현상을 반영하여 정확도를 높였습니다. (Fig. 2 참조)
• 실험 검증: 시뮬레이션 결과의 신뢰도를 확보하기 위해 중국항공공업그룹(AVIC) 산하 베이징항공제조기술연구소(BAMTRI)에서 실제 EBW 실험을 수행했습니다. Ti6Al4V 평판 샘플을 용접하며 여러 위치에 열전대(thermocouple)를 부착하여 온도 변화를 실시간으로 측정하고, 용접 후에는 3D 레이저 스캐너를 이용해 최종 변형을 정밀하게 측정하여 시뮬레이션 결과와 직접 비교했습니다.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 매우 높은 수준의 일치도를 보여주며, 개발된 수치 모델의 정확성을 입증했습니다.

결과 1: 온도 이력의 정확한 예측

시뮬레이션은 용접선 주변 여러 지점에서의 온도 변화를 매우 정확하게 예측했습니다. 아래 그래프(Fig. 8)에서 볼 수 있듯이, 시뮬레이션으로 계산된 온도 곡선(실선)은 열전대로 측정한 실제 온도 데이터(점선)와 거의 일치합니다. 최고 온도에서 약간의 차이가 나타나는데, 이는 논문에서 열전대 자체의 열관성(thermal inertia) 때문으로 분석하고 있습니다. 용접선에서 멀어질수록 이 차이는 감소하며, 전반적인 냉각 거동은 매우 정확하게 일치함을 확인했습니다.

결과 2: 열영향부(HAZ) 및 잔류 변형의 정밀한 예측

시뮬레이션은 용접 후 발생하는 열영향부(HAZ)의 크기와 형상, 그리고 최종적인 판의 변형을 성공적으로 예측했습니다. Fig. 10은 실제 용접 후 나타난 미세조직(실험)과 시뮬레이션으로 예측된 고온 영역(수치)을 비교한 것으로, 그 형태와 크기가 놀라울 정도로 유사함을 보여줍니다. 또한, Fig. 12는 3D 스캐너로 측정한 판의 최종 변형(Z축 변위)과 시뮬레이션 결과를 비교한 것으로, 정성적 및 정량적으로 매우 잘 일치하여 모델의 기계적 예측 성능을 입증했습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 용접 속도, 전류, 전압 등 다양한 공정 변수를 사전에 시뮬레이션하여 열영향부(HAZ) 크기, 변형, 잔류 응력을 최소화하는 최적의 조건을 찾는 데 활용될 수 있음을 시사합니다. 이를 통해 실제 테스트 횟수를 줄여 개발 비용과 시간을 절감할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Fig. 12 데이터는 특정 클램핑 조건이 최종 변형에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다. 시뮬레이션을 통해 다양한 고정 조건에서의 변형을 예측하고, 이를 바탕으로 새로운 품질 검사 기준을 수립하거나 불량 발생 가능성을 사전에 차단할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 에어버스 도어 프레임 부품 사례 연구(Fig. 13, 14)는 두께가 변하는 복잡한 형상에 대한 용접 가능성을 검증하는 데 이 모델이 얼마나 유용한지 보여줍니다. 특히, 소모성 플랜지 삽입과 같은 새로운 설계 대안의 제조 타당성을 프로토타입 제작 없이 평가할 수 있어 초기 설계 단계에서 큰 이점을 제공합니다.

논문 정보

Numerical modeling of the electron beam welding and its experimental validation

1. 개요:

• 제목: Numerical modeling of the electron beam welding and its experimental validation
• 저자: M. Chiumenti, M. Cervera, N. Dialami, B. Wu, L. Jinwei, C. Agelet de Saracibar
• 발행 연도: 2016
• 게재 학술지/학회: Finite Elements in Analysis and Design
• 키워드: Electron Beam Welding (EBW), Thermo-mechanical, Phase-change, Plasticity

2. 초록:

전자빔 용접(EBW)은 제조 체인 내에서 점점 더 많이 사용되는 매우 효율적이고 정밀한 용접 방법으로, 항공 및 우주 분야와 같은 다양한 산업 환경에서 중요성이 커지고 있습니다. 이는 다른 용접 공정에 비해 EBW가 용접 라인을 따라 더 낮고 집중된 열 입력을 통해 더 적은 변형과 잔류 응력을 유발하기 때문입니다. 본 연구는 EBW 공정의 수치 시뮬레이션을 위해 채택된 공식과 이를 보정하고 검증하기 위해 수행된 실험 작업을 설명합니다. EBW의 수치 시뮬레이션은 열, 기계 및 야금 현상의 상호 작용을 포함합니다. 이러한 이유로, 본 연구에서는 정확도를 극대화하기 위해 열 전달 과정을 응력 해석과 결합하는 수치 프레임워크를 사용합니다. 수치 시뮬레이션을 처리하기 위해 자체 개발한 다중물리 FE 소프트웨어가 사용됩니다. EB 공력 표면 분포와 공작물 두께 내 해당 흡수를 시뮬레이션하기 위해 특별한 이동 열원 정의가 제안됩니다. 열 전도 및 열 복사 모델 모두 구성 요소의 경계를 통해 열을 발산하는 데 고려됩니다. 재료 거동은 적절한 열-탄성-점소성 구성 모델로 특징지어집니다. 티타늄 합금 Ti6Al4V가 본 연구의 대상 재료입니다. 실험 측면에서는 EB 용접기, 진공 챔버 특성 및 해당 작동 설정이 상세히 설명됩니다. 마지막으로, 다른 열전대 위치에서 온도 변화를 기록하고 변형 및 잔류 응력을 측정하기 위한 가용 시설이 설명됩니다. 수치 결과는 실험적 증거와 비교됩니다.

3. 서론:

전자빔 용접(EBW)은 고속 전자빔을 접합할 재료에 적용하는 융합 용접 공정입니다. 전자의 운동 에너지가 충격 시 열로 변환되면서 공작물이 녹습니다. EBW 시스템은 일반적으로 진공 환경에서 작동하여 산화를 방지하고 안정적인 전자빔 방출을 보장합니다. 결과적인 용접부는 매우 좁고 높은 에너지 밀도로 빠른 이동 속도를 가능하게 합니다. 따라서 용접 공정은 매우 빠르게 일어나 인접한 재료가 과도한 열을 흡수하지 않아 열영향부(HAZ)를 최소화합니다. 본 연구에서는 EBW 공정의 열-기계 해석을 위한 FE 프레임워크를 설명하며, EB에 의해 유도된 열원 및 재료의 전체 온도 범위에 적합한 구성 모델에 대한 상세한 설명을 포함합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

전자빔 용접(EBW)은 항공우주 산업 등 고정밀 제조 분야에서 중요한 기술이지만, 공정 중 발생하는 열로 인한 변형과 잔류 응력은 제품의 최종 품질과 성능에 큰 영향을 미칩니다.

이전 연구 현황:

용접 공정의 수치 모델링은 설계 및 생산 엔지니어링에서 매우 효율적인 것으로 입증되었습니다. 실험 연구와 비교하여 수치 시뮬레이션은 용접 풀의 특성, 열영향부의 크기, 최종 변형 및 유도된 잔류 응력에 대한 상세한 정보를 제공할 수 있습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 EBW 공정의 열, 기계, 야금학적 현상을 포괄하는 정확한 수치 시뮬레이션 프레임워크를 개발하고, 이를 실제 실험 데이터와 비교하여 모델을 보정하고 검증하는 것입니다. 이를 통해 최종적으로 제조 공정을 최적화하는 데 기여하고자 합니다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 (1) EBW 공정의 열-기계-야금 현상을 결합한 다중물리 유한요소(FE) 모델 개발, (2) 실제 공정을 모사하는 이동 열원 모델의 정의, (3) Ti6Al4V 재료에 대한 온도 의존적 열-탄성-점소성 구성 모델 적용, (4) 실제 실험을 통한 온도 이력 및 잔류 변형 측정, (5) 시뮬레이션 결과와 실험 데이터의 비교를 통한 모델 검증입니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 결합한 접근 방식을 채택했습니다. 자체 개발한 다중물리 FE 소프트웨어를 사용하여 EBW 공정을 시뮬레이션하고, 두 가지 벤치마크 테스트와 하나의 산업 사례(에어버스 도어 프레임)를 분석했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 실험 데이터: 베이징항공제조기술연구소(BAMTRI)의 고진공 EBW 장비를 사용했습니다. Ti6Al4V 평판 샘플의 여러 위치에 열전대를 부착하여 용접 중 온도 변화를 기록했습니다. 용접 후에는 Konica-Minolta 3D 레이저 스캐닝 시스템을 사용하여 판의 최종 변형(out-of-plane displacements)을 측정했습니다.
• 수치 데이터: 시뮬레이션 결과로 얻은 온도 이력, 변형 분포, 열영향부(HAZ) 형상 등을 실험 데이터와 직접 비교하여 모델의 정확성을 평가했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 티타늄 합금 Ti6Al4V의 전자빔 용접에 초점을 맞춥니다. 열 전달 해석에서는 열 전도와 복사를 고려했으며, 기계 해석에서는 열팽창, 상변화에 따른 수축, 소성 변형을 모두 고려했습니다. 연구 범위는 두 개의 표준화된 벤치마크 평판 용접과 두께가 변하는 실제 산업 부품에 대한 적용까지 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 개발된 수치 모델은 두 가지 벤치마크 테스트에서 열전대로 측정한 온도 변화 이력을 매우 높은 정확도로 예측했습니다. (Fig. 8, Fig. 11)
• 시뮬레이션은 용접 후의 열영향부(HAZ)의 크기와 형상을 실험 결과와 매우 유사하게 재현했습니다. (Fig. 10)
• 3D 스캐너로 측정한 최종 잔류 변형(판의 휨)은 시뮬레이션 결과와 정성적, 정량적으로 좋은 일치도를 보였습니다. (Fig. 12)
• 에어버스 도어 프레임 부품에 대한 산업 사례 연구를 통해, 가변 두께 섹션에 대해 가변 전력 소스를 사용하거나, 소모성 플랜지를 삽입하여 일정한 전력 소스를 사용하는 두 가지 용접 구성 모두 고품질 용접이 가능함을 입증했습니다. (Fig. 15, Fig. 16)

Figure 목록:

• Fig. 1. EBW process. Images courtesy of: Joining Technologies, Inc.
• Fig. 2. EBW process. Power source.
• Fig. 3. EB welding facilities at BAMTRI research laboratories.
• Fig. 4. Experimental settings for temperature and distortions measurements.
• Fig. 5. Ti6Al4V titanium alloy material properties.
• Fig. 6. FE meshes used for benchmarking analyses.
• Fig. 7. Location of thermocouples for benchmarking analyses.
• Fig. 8. Temperature evolution at 4 different locations for benchmark 1.
• Fig. 9. Temperature contour-fill produced by the EBW process.
• Fig. 10. Heat affected zone: experimental evidence vs. numerical simulation.
• Fig. 11. Temperature evolution at 4 different locations for benchmark 2.
• Fig. 12. Residual distortion of the plate.
• Fig. 13. AIRBUS door frame component.
• Fig. 14. FE meshes of door frame component.
• Fig. 15. EBW process through the cross section of AIRBUS door frame component.
• Fig. 16. Detail of the temperature contour-fill showing the molten-pool.
• Fig. 17. Thermocouple location.
• Fig. 18. Temperature evolution at 2 different thermocouple locations.
• Fig. 19. Welding configuration adopted by AIRBUS to weld the cross-section of the door frame component.

7. 결론:

본 연구에서는 EBW 공정의 수치 시뮬레이션을 위한 FE 프레임워크를 제시했습니다. 상온에서 용융 온도까지의 전체 온도 범위 내에서 적절한 구성 거동이 상세히 설명되었습니다. EB 전원 소스에 대한 정밀한 설명이 연속체 수준에서 FE 이산화 및 시간 간격 체계로 인한 해당 수정과 함께 소개되었습니다. 수치 모델은 BAMTRI 연구소에서 수행된 실험 캠페인을 통해 보정 및 검증되었습니다. 실험 및 수치적 온도 프로파일과 잔류 평면 외 변위가 비교되었으며 눈에 띄는 일치를 보였습니다. 산업 사례에 대한 적용은 제안된 수치 도구가 까다로운 형상에 대한 적합한 용접 구성을 검증하는 능력을 입증했습니다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 기계적 문제 해석을 위해 u/p 혼합 공식(mixed u/p formulation)을 사용한 특별한 이유가 있나요?

A1: 네, 있습니다. 용융된 금속은 액체 상태로 비압축성(incompressible) 거동을 보이며, 고체 상태에서도 소성 변형은 대부분 부피 변화가 없는 등부피(isochoric) 거동을 보입니다. u/p 혼합 공식은 변위(u)와 압력(p)을 독립적인 변수로 다루어 이러한 비압축성 또는 등부피 거동을 안정적으로 해석할 수 있게 해줍니다. 이는 액상과 고상이 공존하는 용접 공정 전체를 하나의 통일된 프레임워크로 정확하게 해석하기 위한 최적의 선택이었습니다.

Q2: 모델에서 재료가 고체에서 액체로 변하는 상변화(phase-change) 과정을 어떻게 처리했나요?

A2: 본 연구에서는 온도에 따라 재료의 물성치(항복 응력, 탄성 계수 등)가 변하는 열-탄성-점소성 모델을 사용했습니다. 온도가 용융점에 가까워지면 재료의 항복 응력이 점차 감소하여 0에 수렴합니다. 용융 온도 이상에서는 항복면이 사라져 순수한 점성 유체처럼 거동하게 됩니다. 이 전환은 고체 분율 함수(solid fraction function)에 의해 제어되어 고체, 액체, 그리고 둘이 섞인 ‘머시 영역(mushy zone)’의 거동을 매끄럽게 모사할 수 있습니다.

Q3: 식 (13)에서 열원을 보정하는 과정이 포함된 이유는 무엇인가요?

A3: 이는 수치 해석의 정확성을 높이기 위한 중요한 장치입니다. 유한요소법에서는 공간을 작은 요소(element)들로 나누어 계산하는데, 열원이 적용되는 영역의 요소 크기나 형태에 따라 실제 입력되는 총 에너지양이 달라질 수 있습니다. 식 (13)의 보정은 계산된 열영향부(HAZ)의 체적을 기반으로 열원의 세기를 조절하여, 사용된 메쉬(mesh)의 조밀도와 상관없이 항상 일정한 총 에너지가 시스템에 입력되도록 보장합니다.

Q4: 에어버스 도어 프레임 사례에서 ‘플랜지 삽입’ 옵션이 갖는 산업적 이점은 무엇인가요?

A4: 에어버스 도어 프레임은 용접 경로를 따라 두께가 2mm, 4mm, 6mm로 변하는 복잡한 형상을 가집니다. 두께에 맞춰 용접 파워를 계속 조절하는 것은 매우 복잡한 작업입니다. 하지만 10mm 높이의 일정한 두께를 가진 소모성 플랜지를 삽입하면, 용접기는 부품의 실제 두께 변화와 상관없이 일정한 파워로 플랜지만을 관통하여 용접하면 됩니다. 이는 용접 작업을 단순화하고 사전 파워 보정 과정을 간소화하여 생산성과 공정 안정성을 크게 높이는 실질적인 산업적 이점을 제공합니다.

Q5: Fig. 8의 온도 그래프에서 시뮬레이션과 실험의 최고 온도가 약간 다른 이유는 무엇인가요?

A5: 논문에 따르면, 이 차이는 주로 온도를 측정하는 데 사용된 열전대(thermocouple) 자체의 ‘열관성(thermal inertia)’ 때문입니다. 실제 재료의 온도가 급격히 상승할 때, 열전대가 그 온도를 따라가는 데 약간의 시간이 걸리기 때문에 실제보다 약간 낮은 최고 온도를 기록하게 됩니다. 열전대가 작고 열전도성이 높을수록 측정 반응이 빨라집니다. 그래프에서 용접선에서 멀어질수록 최고 온도 도달 속도가 느려져 이 차이가 줄어드는 것을 통해 이 분석을 뒷받침할 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 복잡한 전자빔 용접 수치 모델링을 통해 실제 공정에서 발생하는 열적, 기계적 현상을 매우 높은 정확도로 예측할 수 있음을 실험적으로 입증했습니다. 특수하게 고안된 이동 열원 모델과 정교한 재료 모델을 통해 온도 변화, 변형, 잔류 응력을 사전에 파악함으로써, 제조 기업은 값비싼 프로토타입 제작과 반복적인 실험을 최소화하고 개발 초기 단계에서부터 최적의 공정 조건을 설계할 수 있습니다. 이는 곧 품질 향상과 생산성 증대로 이어지는 핵심적인 경쟁력이 될 것입니다.

(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.

• 연락처 : 02-2026-0442
• 이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

• 이 콘텐츠는 “M. Chiumenti, et al.”의 논문 “Numerical modeling of the electron beam welding and its experimental validation”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: http://dx.doi.org/10.1016/j.finel.2016.07.003

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