simulation_experimental

이중 서브머지드 아크 용접 공정에서의 용융지 거동 분석

연구 목적

  • 본 연구는 이중 서브머지드 아크 용접(Tandem SAW, SAW-T) 공정에서의 용융지(molten pool) 거동을 분석하기 위해 FLOW-3D® 기반의 CFD 시뮬레이션을 수행함.
  • 전류 조건 및 전극 간 간격이 용접 비드 형상 및 용융 흐름에 미치는 영향을 정량적으로 평가함.
  • 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션 결과와 비교하여 모델의 신뢰성 및 정확성을 검증함.
  • 최적의 용접 공정 매개변수를 도출하여 용접 효율을 개선하고 결함을 최소화하는 전략을 제안함.

연구 방법

  1. 용융지 수치 모델링 및 설정
    • FLOW-3D®의 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)을 적용하여 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 해석함.
    • 자유 표면 추적을 위해 VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용함.
    • 아크 상호작용(arc interaction), 전극 간 전압 차이, 용적력(arc pressure) 등을 반영하여 실험과 유사한 모델을 구축함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 전극 배치 및 전류 조건을 변경하며 용융지 거동을 분석함.
    • 선도 전극(leading electrode)과 후속 전극(trailing electrode)의 전류 조합에 따라 용접 비드 형상이 어떻게 변하는지 평가함.
    • 난류 모델 적용: k-ε 및 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 비교 분석하여 용융지 내 난류 흐름을 해석함.
  3. 실험 데이터와 비교 검증
    • 실험에서 얻은 온도 분포 및 용융지 형상 데이터를 시뮬레이션과 비교함.
    • 고속 CCD 카메라 및 열화상 카메라를 이용하여 용융지 거동을 기록하고, 시뮬레이션과의 차이를 분석함.
    • CFD 결과와 실제 실험 결과 간의 오차율을 측정하여 모델의 정확성을 검토함.

주요 결과

  1. 전류 조건이 용접 비드 형상에 미치는 영향
    • 선도 전극 전류가 높은 경우, 용접 비드의 침투 깊이(penetration depth)가 증가하였으며, 후속 전극 전류가 낮은 경우 용융지 크기가 상대적으로 작아짐.
    • 동일한 총 열 입력(total heat input) 조건에서도 전류 조합에 따라 용접 비드 형상이 다르게 형성됨.
    • 용융지가 형성되는 과정에서 선도 전극에 의해 형성된 용융지가 후속 전극에 의해 확장됨.
  2. 용융 흐름 및 아크 상호작용 분석
    • 선도 전극의 높은 전류가 강한 아크 압력(arc pressure)을 유발하여 용융지를 깊게 형성함.
    • 반면, 후속 전극이 용융지를 확장시키는 역할을 하며, 비드 폭(bead width)이 증가함.
    • 후속 전극의 전압이 높을수록 용융지가 넓게 퍼지며, 전체 용접 품질이 향상됨.
  3. 시뮬레이션과 실험 비교 검증
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 유사도가 높음.
    • 특히, 온도 분포 및 용융지 형상이 실험과 거의 일치하였으며, 용융 흐름의 주요 특성을 재현할 수 있었음.
    • 그러나, 일부 실험에서는 예상보다 낮은 침투 깊이가 관찰됨 → 이는 모델에서 고려되지 않은 금속 증발 및 표면 장력 변화 때문으로 분석됨.
  4. 최적 용접 조건 도출
    • 전극 간 최적 간격 및 전류 조합을 설정하면 용접 품질을 향상시킬 수 있음.
    • 선도 전극의 전류가 후속 전극보다 높을 때, 깊은 침투와 균일한 용접 비드 형성을 유도할 수 있음.
    • 후속 전극의 전압을 높여 용융지 확산을 최적화하면 용접 비드 균일성이 증가함.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 이중 SAW-T 공정에서의 용융지 거동을 성공적으로 해석함.
  • 전극 간 전류 조합이 용접 비드 형상에 결정적인 영향을 미치며, 최적의 조합을 찾는 것이 중요함.
  • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과의 높은 일치도를 확인하였으며, 일부 미세한 차이는 추가적인 모델 보정이 필요함.
  • 향후 연구에서는 금속 증발, 표면 장력 변화 등의 추가 물리 모델을 고려하여 더욱 정밀한 해석을 수행해야 함.

Reference

Cao, Z., Yang, Z., Chen, X.L., 2004. Three dimensional simulation of transient GMA weld pool with free surface. Welding Journal 6, 169s-176s.
Cho, D.W., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2013a. A study on V-groove GMAW for various welding positions.
Journal of Materials Processing Technology 213, 1640-1652.
Cho, D.W., Song, W.H., Cho, M.H., Na, S.J., 2013b. Analysis of submerged arc welding process by threedimensional computational fluid dynamics simulation. Journal of Materials Processing Technology 213, 2278-2291.
Kiran, D.V., Cho, D.W., Song, W.H., Na, S.J., 2014. Arc behavior in two wire tandem submerged arc welding.
Journal of Materials Processing Technology 214, 1546-1556.
Cho, J.H., Na, S.J., 2009. Three dimensional analysis of molten pool in GMA-laser hybrid welding. Welding Journal 88, 35s-43s.
Cho, W.I., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2010. Numerical study of alloying element distribution in CO2 laser-GMA hybrid welding. Computational Materials Science 49, 792-800.
Jaidi, J., Dutta, P., 2001. Modeling of transport phenomenon in a gas metal arc welding process. Numerical Heat Transfer Part A 40, 543-562.
Kim, C.H., Zhang, W., DebRoy, T., 2003. Modeling of temperature field and solidification surface profile during gas metal arc fillet welding. Journal of Applied Physics 94, 2667-2679.
Kim, J.W., Na, S.J., 1995. A study on the effect of contact tube to workpiece distance on weld pool shape in gas metal arc welding. Welding Journal 74, 141s-152s.
Kiran, D.V., Basu, B., Shah, A.K., Mishra, S., De, A., 2010. Probing influence of welding current on weld quality in two wire tandem submerged arc welding of HSLA steel. Science and Technology of Welding and Joining 15, 111-116.
Kiran, D.V., Basu, B., Shah, A.K., Mishra, S., De, A., 2011. Three dimensional heat transfer analysis of two wire tandem submerged arc welding. ISIJ International 51, 793-798.
Kumar, S., Bhaduri, S.C., 1994. Three dimensional finite element modeling of gas metal arc welding. Metallurgical and Materials Transactions B 25B, 435-441.
Mahapatra, M.M., Datta, G.L., Pradhan, B., Mandal, N.R., 2006. Three dimensional finite element analysis to predict the effects of SAW process parameters on temperature distribution and angular distortions in single pass butt joints with top and bottom reinforcements. International Journal of Pressure Vessels and Piping 83, 721-729.
Pardo, E., Weckman, D.C., 1989. Prediction of weld pool and reinforcement dimensions of GMA welds using a finite element method. Metallurgical Transactions B 20B, 937-947.
Shome, M., 2007. Effect of heat-input on austenite grain size in the heat-affected zone of HSLA-100 steel. Materials Science and Engineering A. 445, 454-460.
Tsao, K.C., Wu, C.S., 1988. Fluid flow and heat transfer in GMA weld pools. Welding Journal 3, 70s-75s.
Ushio, M., Wu, C.S., 1997. Mathematical modeling of three dimensional heat and fluid flow in a moving gas metal arc weld pool. Metallurgical and Materials Transactions B 28B, 509-+516.
Wang, Y., Tsai, H.L., 2001. Impingement of filler droplets and weld pool dynamics during gas metal arc welding process. International Journal of Heat and Mass Transfer 44, 2067-2080.

Molten_pool_behavior_in_the_tandem_submeDownload