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고속 싱크로트론 X선 영상 및 수치 시뮬레이션을 이용한 국부 가스 유동이 키홀 및 용융 풀 동역학에 미치는 영향 분석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 고합금 강재의 레이저 빔 용접 시 높은 용접 속도에서 스패터(Spatter) 발생이 주요 문제점이며, 이는 용접 품질에 악영향을 미친다.
  • 연구 목적:
    • 국부 가스 공급(Local Gas Supply)이 키홀(Keyhole) 및 용융 풀(Melt Pool) 동역학에 미치는 기계적 영향을 고속 X선 영상과 CFD 시뮬레이션을 통해 분석.
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 국부 가스 흐름에 의한 동압(Dynamic Pressure)이 키홀 형상 및 용융 풀 유동에 미치는 영향을 정량화.
    • 스패터 형성 억제 메커니즘을 규명하고, 국부 가스 공급의 최적화 방안을 제시.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D (v11.2 update 6, WELD module v2.4.1.2.9) 사용.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 통해 자유 표면 추적.
    • Navier-Stokes 방정식 및 열 전달 방정식 적용.
    • 용융, 증발, 응고 과정을 모두 포함한 다중 물리 시뮬레이션.
    • 난류 모델:
      • RNG k-ε 모델을 사용하여 난류 효과 반영.
      • 기체 유동에 의한 동압(pgas)을 추가하여 국부 가스 공급의 기계적 효과 구현.
  2. 국부 가스 공급 조건
    • 가스 유동 속도에 따른 동압(pgas) 변화:
      • 최대 496 mbar에서 627 mbar까지 적용.
    • 가스 노즐 위치:
      • 키홀 개구부에서 5 mm 떨어진 지점에 48° 각도로 설치.
    • 보호 가스:
      • 공기(Bottled Air) 사용하여 화학-야금학적 효과를 최소화하고, 기계적 효과만 분석.
  3. 고속 X선 영상 및 실험 설정
    • 고속 싱크로트론 X선 영상: ESRF ID19 빔라인에서 수행.
    • AISI 304 고합금 강재 사용.
    • 레이저 용접 조건:
      • 싱글 웨이브 레짐(Single-Wave-Regime) 및 연장된 키홀 레짐(Elongated-Keyhole-Regime)에서 실험.
      • 용접 속도: 12 m/min, 레이저 출력: 2.3 kW.
    • 고속 비디오 촬영:
      • Photron SA-Z 고속 카메라를 사용하여 40,000 fps 촬영.

주요 결과

  1. 키홀 형상 및 용융 풀 동역학 분석
    • 국부 가스 공급이 없는 경우:
      • 키홀 후면벽에서 강한 진동 및 불안정한 형상이 관찰됨.
      • 키홀 목(necking) 형성 및 기공(porosity) 발생.
      • 용융 풀 상승(swell) 및 스패터 분리(spatter detachment) 현상 확인.
    • 국부 가스 공급이 있는 경우:
      • 키홀 후면벽의 진동이 감소하고 안정화.
      • 키홀 개구부가 넓어지고, 스패터 발생이 크게 감소.
      • 용융 풀 속도 및 순환 유동이 감소하며, 안정된 유동 패턴 형성.
  2. 동압(pgas)의 효과
    • 496 mbar에서 키홀 후면 진동이 크게 감소.
    • 627 mbar에서는 키홀 개구부가 넓어지고, 스패터가 거의 발생하지 않음.
    • 동압이 300 mbar 이하에서는 키홀 형상 및 스패터 억제 효과가 미미.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 검증
    • 고속 싱크로트론 X선 영상 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과 간 높은 일치도 확인.
    • 시뮬레이션에서 예측한 키홀 후면벽 진동 패턴 및 용융 풀 상승과 스패터 억제 현상이 실험 결과와 일관됨.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 국부 가스 공급에 의한 동압이 키홀 후면벽의 진동을 감소시키고, 스패터 발생을 효과적으로 억제함.
    • 496 mbar 이상의 동압이 적용될 때 키홀 형상이 안정화되고, 용융 풀 유동 속도가 감소하며, 스패터 억제에 가장 효과적임.
    • FLOW-3D 모델이 고속 X선 영상 데이터와 높은 정확도로 일치하며, 국부 가스 공급의 기계적 효과를 정량적으로 분석 가능함.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 레이저 출력 및 용접 속도 조건에서 국부 가스 공급의 효과를 추가 검증.
    • 기계적 효과 외에도 화학-야금학적 효과를 고려한 모델 확장.
    • 다중 노즐 배열 및 동시 다중 가스 공급에 대한 연구를 통해 스패터 완전 억제 방안 모색.

연구의 의의

이 연구는 국부 가스 공급이 레이저 빔 용접에서 스패터 발생을 효과적으로 억제하는 메커니즘을 규명하고, FLOW-3D 시뮬레이션과 고속 X선 영상을 활용한 정량적 분석을 통해 최적화 설계 지침을 제공하며, 고속 레이저 용접의 품질 및 생산성을 향상시킬 수 있음을 시사한다.

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