Welding

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금 레이저 용접의 CFD 시뮬레이션

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 알루미늄 합금의 레이저 용접(Laser Welding) 공정을 수치적으로 분석함.
  • 용접 공정에서 발생하는 기공(porosity) 형성 및 용융지(melt pool) 동역학을 해석하여 품질 향상 방안을 제시함.
  • 레이저 빔 경사각 및 용접 속도가 기공 형성 및 용접 품질에 미치는 영향을 평가함.
  • 실험 데이터를 CFD 모델링과 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증함.

연구 방법

  1. 실험 및 모델링 설정
    • AA5182 알루미늄 합금 판재(1mm + 2mm)를 사용하여 원격 레이저 용접을 수행함.
    • 6kW 연속파 광섬유 레이저(IPG)를 사용하고, Galvo 미러로 빔을 조준함.
    • 레이저 경사각을 -15°에서 45°까지 변화시키며 용접 실험을 진행함.
    • 고속 CCD 카메라를 사용하여 용융지 형성과 기공 발생을 기록함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 자유 표면 유동을 추적함.
    • 레이저-재료 상호작용, 상변화, 유체 유동, 응고 과정을 포함한 CFD 모델 구축.
    • Fresnel 흡수 모델을 사용하여 빔 각도에 따른 에너지 흡수를 반영함.
    • 메쉬 독립성 연구를 수행하여 최적의 격자 해상도를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험과 시뮬레이션을 비교하여 기공 형성 메커니즘을 분석함.
    • 용접 속도 증가가 기공 형성에 미치는 영향을 실험적으로 검증함.
    • 기공 억제 전략을 도출하여 용접 품질 향상을 위한 설계 지침을 제안함.
  4. 추가 분석
    • 용접 속도 및 레이저 경사각 변화가 용융지 내 난류 구조 및 기공 형성에 미치는 영향을 분석함.
    • 고출력 레이저 용접 시 키홀(Keyhole) 안정성을 평가함.
    • 향후 연구 방향으로 다중 재료 용접 및 다이캐스팅 부품 용접에 대한 추가 연구를 제안함.

주요 결과

  1. 기공 형성 및 용접 품질 분석
    • 고출력(6kW) 및 높은 용접 속도(12m/min)에서 키홀이 안정적으로 유지됨.
    • 키홀 벽면이 붕괴할 때 기공이 형성되며, 용접 속도가 높을수록 기공 억제 효과가 증가함.
    • 레이저 빔 경사각이 45°일 때 후면 용융지에 난류가 줄어들며, 기공 형성이 감소함.
  2. 용융지 유동 패턴 및 난류 영향
    • 레이저 빔이 수직(0°)일 때, 후면 용융지가 불안정하여 기공이 쉽게 발생함.
    • 30° 이상의 경사각에서는 용융지 유동이 균형을 이루며 기공 형성이 감소함.
    • 마랑고니 대류(Marangoni convection)와 재충돌(Recoil pressure) 영향이 용융지 유동에 주요한 역할을 함.
  3. 시뮬레이션 검증 및 오차 분석
    • 실험 결과와 시뮬레이션 비교 시 기공 면적 비율 차이 평균 오차 5~8% 수준으로 확인됨.
    • 실험에서는 키홀 붕괴로 인해 발생한 기공 크기가 시뮬레이션보다 다소 크게 측정됨.
    • 레이저 초점 위치 오차가 실험과 시뮬레이션 결과 차이의 원인 중 하나로 분석됨.
  4. 용접 공정 최적화 방안
    • 고출력(6kW) + 높은 용접 속도(12m/min) + 경사각 45° 조합이 기공 최소화에 효과적임.
    • 키홀이 안정적인 상태에서 후면 용융지 난류 감소 시 기공 형성이 억제됨.
    • 향후 연구에서 레이저 빔 모양 및 펄스 변조 기법을 적용하여 추가 실험이 필요함.

결론

  • FLOW-3D 시뮬레이션은 레이저 용접 공정의 기공 형성 예측에 효과적임.
  • 높은 용접 속도와 레이저 경사각 증가가 기공 억제에 유리함.
  • 실험과 시뮬레이션 간 높은 상관관계를 보이며, 일부 차이는 초점 위치 및 난류 모델 영향으로 판단됨.
  • 향후 연구에서는 다이캐스팅 부품 및 다중 재료 용접 적용성 연구가 필요함.

Reference

  1. L.J. Zhang, J.X. Zhang, A. Gumenyuk, M. Rethmeier, S.J. Na, Numerical simulation of full penetration laser welding of thick steel plate with high power high brightness laser, Journal of Materials Processing Technology, Volume 214, Issue 8, 2014.
  2. Flow Science, Inc., 2017. FLOW 3D User Manual V11.2.
  3. Runqi Lin, Hui-ping Wang, Fenggui Lu, Joshua Solomon, Blair E. Carlson, Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part A, 2017.
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