Melt Pool

강-알루미늄 레이저 용접에서 용접 형상 및 금속간 화합물 형성 연구: 빔 형상을 활용한 다중 물리 CFD 접근

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션을 활용하여 강-알루미늄 레이저 용접 과정에서의 용접 형상 및 금속간 화합물(IMC) 형성을 분석함.
  • 빔 형상(Laser Beam Shaping) 기법이 키홀(Keyhole) 안정성, 기공 형성, 용접 품질 및 IMC 형성에 미치는 영향을 연구함.
  • 링-코어 빔(Ring-Core Beam) 비율 조정을 통해 용접 품질을 개선할 수 있는 가능성을 평가함.
  • 실험 결과와 CFD 시뮬레이션 결과를 비교하여 용접 공정 최적화 방향을 제안함.

연구 방법

  1. 레이저 용접 모델링 및 실험 설정
    • 강(IF steel) – 알루미늄(1050 Al) 이종 금속 용접을 수행함.
    • 고출력 연속파 레이저(16kW) 및 다양한 빔 형상 조합(코어-링 빔 비율 조정)을 적용함.
    • 용접 형상, 기공 생성, IMC 형성 정도를 평가하여 실험 데이터를 확보함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 다중 물리 CFD 모델을 사용하여 용융지 유동, 열 전달, 상변화(Phase Change) 및 기공 형성을 해석함.
    • 레이저 빔 흡수 모델 및 증발 유도 반동 압력(Recoil Pressure) 효과를 포함함.
    • 다양한 링-코어 빔 비율(100% 코어, 100% 링, 혼합 모드 등)을 적용하여 용접 특성을 비교 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 용접 형상(비드 폭, 깊이), 키홀 안정성, IMC 두께를 실험과 CFD 결과를 비교하여 검증함.
    • 고해상도 현미경(HR Microscopy) 및 기계적 시험을 수행하여 용접부의 물리적 특성을 분석함.
    • CFD 모델과 실험 데이터를 기반으로 최적의 용접 빔 형상 및 공정 조건을 도출함.

주요 결과

  1. 키홀 안정성 및 기공 형성 영향
    • 순수 코어 빔(Core-Only Beam) 사용 시 키홀이 불안정하며 기공(Porosity)이 증가하는 경향을 보임.
    • 순수 링 빔(Ring-Only Beam) 적용 시 키홀 안정성이 향상되며, 기공 형성이 최대 50% 감소함.
    • 혼합 모드(Core-Ring Combination)에서는 코어 빔의 깊이 효과와 링 빔의 안정성이 조합되어 최적의 용접 품질을 보임.
  2. IMC 두께 및 용접 강도 비교
    • 순수 코어 빔 사용 시 IMC 두께가 증가(최대 8µm)하여 취성이 증가함.
    • 순수 링 빔 적용 시 IMC 두께가 감소(최대 50%)하며, 용접부 강도가 16% 증가함.
    • 링 빔을 활용하면 냉각 속도 조절을 통해 과도한 IMC 형성을 억제할 수 있음.
  3. CFD 시뮬레이션 검증 및 최적화 가능성
    • CFD 모델을 통해 용융지 유동 및 키홀 형상 예측이 실험과 85% 이상의 상관관계를 보임.
    • 레이저 빔 형상의 조정이 용접 품질에 미치는 영향을 정량적으로 분석 가능.
    • 향후 연구에서는 다양한 레이저 파장 및 펄스 변조 기법을 적용한 추가적인 검증이 필요함.

결론

  • FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션은 강-알루미늄 레이저 용접의 용접 형상 및 IMC 형성을 정밀하게 예측 가능.
  • 링 빔을 활용한 용접이 키홀 안정성 향상 및 IMC 감소에 효과적임.
  • 실험과 시뮬레이션 결과가 높은 신뢰도를 보이며, 용접 공정 최적화 가능성을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 레이저 빔 형상 및 추가적인 용접 환경 변수를 고려해야 함.

Reference

  1. Sergey Kuryntsev, “A Review : Laser Welding of Dissimilar Materials,”Materials (Basel)., vol. 15, no. 122, 2022, doi:https://doi.org/10.3390/ma15010122.
  2. A. Gullino, P. Matteis, and F. D. Aiuto, “Review of aluminum-to-steelwelding technologies for car-body applications,” Metals (Basel)., vol. 9,no. 3, pp. 1–28, 2019, doi: 10.3390/met9030315.
  3. S. Jabar, A. Baghbani Barenji, P. Franciosa, H. R. Kotadia, and D.Ceglarek, “Effects of the adjustable ring-mode laser on intermetallicformation and mechanical properties of steel to aluminium laser weldedlap joints,” Mater. Des., vol. 227, 2023, doi:10.1016/j.matdes.2023.111774.
  4. S. Jabar et al., “Effect of a ring-shaped laser beam on the weldability ofaluminum-to-hilumin for battery tab connectors,” J. Laser Appl., vol. 35,no. 04, 2023, doi: 10.2351/7.0001156.
  5. H. R. Kotadia, P. Franciosa, S. Jabar, and D. Ceglarek, “Remote laserwelding of Zn coated IF steel and 1050 aluminium alloy: processing,microstructure and mechanical properties,” J. Mater. Res. Technol., vol.19, pp. 449–465, 2022, doi: 10.1016/j.jmrt.2022.05.041.
  6. J. Yang et al., “Laser techniques for dissimilar joining of aluminum alloysto steels: A critical review,” J. Mater. Process. Technol., vol. 301, no.November 2021, p. 117443, 2022, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117443.
  7. M. Mohammadpour, N. Yazdian, G. Yang, H. P. Wang, B. Carlson, andR. Kovacevic, “Effect of dual laser beam on dissimilar welding-brazing ofaluminum to galvanized steel,” Opt. Laser Technol., vol. 98, pp. 214–228,2018, doi: 10.1016/j.optlastec.2017.07.035.
  8. S. Yan, Z. Hong, T. Watanabe, and T. Jingguo, “CW/PW dual-beam YAGlaser welding of steel/aluminum alloy sheets,” Opt. Lasers Eng., vol. 48,no. 7–8, pp. 732–736, 2010, doi: 10.1016/j.optlaseng.2010.03.015.
  9. H. Xia, W. Tao, L. Li, C. Tan, K. Zhang, and N. Ma, “Effect of laser beammodels on laser welding–brazing Al to steel,” Opt. Laser Technol., vol.122, no. September 2019, p. 105845, 2020, doi:10.1016/j.optlastec.2019.105845.
  10. R. Yuan, S. Deng, H. Cui, Y. Chen, and F. Lu, “Interface characterizationand mechanical properties of dual beam laser welding-brazing Al/steeldissimilar metals,” J. Manuf. Process., vol. 40, no. January, pp. 37–45,2019, doi: 10.1016/j.jmapro.2019.03.005.
  11. G. Chianese, Q. Hayat, S. Jabar, P. Franciosa, D. Ceglarek, and S.Patalano, “A multi-physics CFD study to investigate the impact of laserbeam shaping on metal mixing and molten pool dynamics during laserwelding of copper to steel for battery terminal-to-casing connections,” J.Mater. Process. Technol., vol. 322, no. April, p. 118202, 2023, doi:10.1016/j.jmatprotec.2023.118202.
  12. Y. Hao, N. Chen, H. P. Wang, B. E. Carlson, and F. Lu, “Effect of zincvapor forces on spattering in partial penetration laser welding of zinccoated steels,” J. Mater. Process. Technol., vol. 298, no. July, p. 117282,2021, doi: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117282.
  13. W. Huang, W. Cai, T. J. Rinker, J. Bracey, and W. Tan, “Effects of laseroscillation on metal mixing, microstructure, and mechanical property ofAluminum–Copper welds,” Int. J. Mach. Tools Manuf., vol. 188, no.September 2022, p. 104020, 2023, doi:10.1016/j.ijmachtools.2023.104020.
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