welding pattern

3차원 전산유체역학 시뮬레이션을 이용한 서브머지드 아크 용접 공정 분석

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW) 공정의 열전달 및 유동 거동을 시뮬레이션함.
  • 용접 토치 각도 및 전류 극성이 용융지(molten pool)의 유체 흐름과 용접 비드 형상에 미치는 영향을 분석함.
  • CCD 카메라와 Abel 역변환 기법을 이용하여 아크 열 플럭스, 아크 압력 및 전자기력을 모델링함.
  • 수치 해석 결과와 실험 데이터를 비교하여 모델의 정확성을 검증함.

연구 방법

  1. 서브머지드 아크 용접 모델링
    • SAW는 플럭스(flux)층 아래에서 진행되는 용접 방식으로, 열전달과 유체 흐름을 복합적으로 포함함.
    • 실험 데이터를 기반으로 3D 용접 모델을 구축하고, 유동 및 열 전달 분석을 수행함.
    • 단일 전극(single electrode) SAW 공정에 대해 연구를 진행함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 용융지의 자유 표면 변화를 추적함.
    • 난류 모델로 k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 적용하여 아크 플라즈마의 유동 해석을 수행함.
    • 전류 극성(직류 DC 및 교류 AC)에 따른 아크 특성과 열 전달을 시뮬레이션함.
  3. 아크 및 열전달 모델링
    • CCD 카메라를 사용하여 아크 플라즈마의 형상을 촬영하고, Abel 역변환 기법을 이용하여 아크 열 플럭스를 모델링함.
    • 플럭스 소비량을 분석하여 슬래그(slag) 열원의 효과를 고려함.
    • 전자기력(EMF) 모델을 적용하여 용융지 내부의 유체 흐름을 예측함.
  4. 결과 검증 및 비교
    • 실험 데이터를 기반으로 시뮬레이션 결과를 검증하고, 용접 비드 형상과 유동 패턴을 비교함.
    • 실험적으로 측정된 용융지 온도 분포와 시뮬레이션 결과 간의 차이를 분석함.
    • 전류 극성 및 토치 각도 변화가 용접 품질에 미치는 영향을 평가함.

주요 결과

  1. 용접 토치 각도와 용융지 유동
    • 용접 토치 각도가 -20°인 경우, 용융지가 깊은 침투형 비드를 형성함.
    • 반대로 +20°일 경우, 얕고 넓은 용접 비드가 형성됨.
    • 용융지 내부 유동 패턴이 용접 품질에 직접적인 영향을 미침.
  2. 전류 극성에 따른 차이
    • 직류(DC) 용접에서는 일정한 아크 열원이 유지되며, 용융지가 안정적인 흐름을 보임.
    • 교류(AC) 용접에서는 아크 플라즈마가 주기적으로 변하며, 용융지의 유동이 보다 역동적임.
    • 교류(AC)에서는 깊은 침투보다는 넓은 용접 비드가 형성되는 경향을 보임.
  3. 슬래그 열원의 영향
    • 플럭스 소비량이 증가할수록 슬래그에서 추가적인 열전달이 발생하여 용접 품질에 영향을 미침.
    • 플럭스 소비율이 증가하면 용접 속도에 따라 슬래그 열효율이 달라짐.
    • 슬래그의 역할을 고려한 추가적인 모델링이 필요함.
  4. 시뮬레이션과 실험 비교
    • 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며, 높은 신뢰성을 입증함.
    • 일부 고온 영역에서 실험 데이터와 시뮬레이션 값 간 3~5%의 오차가 존재함.
    • 모델 개선을 위해 용융지 내의 난류 효과를 추가로 고려해야 함.

결론

  • FLOW-3D는 서브머지드 아크 용접 공정의 열전달 및 유동 해석에 효과적인 도구임.
  • 토치 각도와 전류 극성이 용융지 유동 및 용접 비드 형상에 직접적인 영향을 미침.
  • 슬래그 열전달을 고려한 시뮬레이션이 용접 품질 예측에 중요한 요소임.
  • 향후 연구에서는 다중 전극 SAW 및 다양한 용접 조건을 고려한 추가 분석이 필요함.

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