Welding part

전기 모터용 270µm 두께의 실리콘-강판 레이저 용접에 대한 수치 연구

연구 배경 및 목적

문제 정의: 전기차(EV) 및 수소 연료전지 자동차(HFCV)의 확산으로 인해 트랙션 모터(traction motor)의 생산성이 중요해지고 있으며, 이에 따라 전기 강판(electrical steel sheet)의 자동 용접 시스템 개발이 필요하다.
연구 목적:

  • FLOW-3D 기반 레이저 용접 시뮬레이션을 활용하여 실리콘-강판의 비드 형상 분석.
  • 용접 공정 중 발생하는 용접 결함(undercut, void, spatter 등)의 원인 규명.
  • 레이저 출력과 주사 속도(scan speed)에 따른 비드 높이 비교를 통해 용접 품질 최적화 방법을 제시.

연구 방법

레이저 용접 공정 개요

  • 사용된 레이저: 섬유(Fiber) 레이저.
  • 레이저 용접 모드: 전도(conduction) 모드.
  • 레이저 출력: 700W, 800W.
  • 주사 속도: 0.10 ~ 0.15 m/s (0.01 m/s 간격으로 총 12개 케이스 분석).

FLOW-3D 기반 수치 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • Navier-Stokes 방정식 및 열전달 방정식을 활용하여 용융 풀(melt pool) 해석.
  • Marangoni 효과 및 반동압력(recoil pressure) 고려.
  • 메쉬 설정: 총 2,340,438개 격자 사용하여 정밀 해석 수행.
  • 레이저 흡수율 측정: UV-VIS-NIR 분광계를 이용하여 700~1100nm 파장 범위의 반사율을 측정하고, 이를 통해 흡수율 도출.

평가 지표

  • 비드 형상 및 높이(Weld Bead Geometry & Height): 용접부의 높이 및 모양 분석.
  • 열전달 및 용융 풀 거동(Heat Transfer & Melt Pool Behavior): 용접부의 온도 분포 및 냉각 속도 분석.
  • 용접 결함 분석(Welding Defects Analysis): 언더컷(undercut), 용융 풀 변형(melt drop) 등 발생 여부 확인.

주요 결과

비드 형상 및 높이 분석

  • 주사 속도가 증가할수록 비드 높이 감소.
  • 800W, 0.10m/s 조건에서 최대 비드 높이(93µm) 관찰, 반면 700W, 0.15m/s에서는 최소 비드 높이(56µm) 기록.
  • 0.13m/s ~ 0.14m/s 구간에서는 비드 높이 변화가 적었음, 하지만 0.10m/s와 0.15m/s에서는 큰 차이 발생.
  • 최적 조건: 800W, 0.11m/s 및 700W, 0.11m/s에서 가장 낮은 비드 형성, 이는 높은 용접 품질을 의미.

온도 분포 및 열전달 분석

  • 최대 온도 2393K 도달 후 냉각 진행, 0.8ms 이내에 급격한 온도 상승 확인.
  • 주사 속도가 빠를수록 냉각 속도가 증가, 이는 비드 형상에 영향을 미침.

용접 결함 분석

  • 언더컷(undercut) 발생: 주사 속도가 0.12m/s 이상일 때 일부 발생.
  • 완전 용입(complete penetration) 실패: 모든 실험 조건에서 관찰되지 않음.
  • 냉각 속도가 빠른 경우 표면 변형이 줄어듦, 이는 적절한 주사 속도 설정이 중요함을 시사.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 활용한 수치 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • 레이저 출력 및 주사 속도에 따른 비드 형상 변화를 정량적으로 분석.
  • 최적의 용접 조건(800W, 0.11m/s & 700W, 0.11m/s)을 도출, 이는 산업적 응용에 활용 가능.
  • 냉각 속도가 비드 형상과 용접 품질에 중요한 영향을 미침을 확인.

향후 연구 방향

  • 다양한 재료(Al, Ti 합금)와 용접 공정 비교 연구.
  • 실제 실험을 통한 추가 검증 및 데이터 보완.
  • AI 기반 머신러닝 기법을 활용하여 최적 용접 조건 자동 도출 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 전기 강판의 레이저 용접 공정을 정량적으로 분석하고, 최적의 용접 조건을 도출하는 방법론을 제시하였다. EV 및 산업용 전기 모터 제조에 적용 가능하며, 자동화 용접 시스템 개발에 기여할 수 있음을 시사한다​.

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