Result

회전 이중초점 광학(Rotating Bifocal Optics)을 이용한 레이저 빔 용접(Laser Beam Welding) 공정 시뮬레이션 및 개발

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 레이저 빔 용접(LBW, Laser Beam Welding)은 고속 용접, 작은 열영향부(HAZ, Heat-Affected Zone), 변형 최소화 등의 장점으로 산업 생산에서 널리 사용된다.
    • 그러나 스테인리스강(Stainless Steel)과 같은 특정 재료의 용접 시 균열(Cracks) 및 기공(Pores) 발생 문제가 남아있다.
    • 회전 이중초점 광학(Bifocal Optics with Rotating Technique)은 용접 중 온도 제어를 개선하고, 용융 풀(Molten Pool) 내 균일한 온도 분포를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 이중초점 광학을 사용한 회전 레이저 빔 용접 공정 시뮬레이션을 수행.
    • 레이저 출력(Laser Power, LP), 회전 속도(Rotational Speed, RS), 용접 속도(Welding Speed, WS) 등의 공정 매개변수를 최적화하여 스테인리스강의 용접 품질을 평가.
    • 실험 및 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델의 신뢰성 검증 및 비용과 시간을 절감할 수 있는 최적화 방안 제시.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 시뮬레이션 환경
    • Ruhr University Bochum 실험실에서 LMB 회사와 협력하여 스테인리스강 AISI 304를 대상으로 실험 수행.
    • TruDisk 4001D 디스크 레이저 시스템 사용:
      • 이중초점 거리(Bifocal Distance): 0.8 mm.
      • 섬유 직경(Fiber Diameter) 및 점 크기(Dot Size): 0.1 mm.
      • 시편 크기: 50 mm × 50 mm × 15 mm.
    • 공정 변수:
      • 용접 속도(WS): 2000 mm/min.
      • 레이저 출력(LP): 2 kW 및 4 kW.
      • 회전 속도(RS): 2500 ~ 5000 rev/min.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D WELD 모듈을 사용하여 레이저 키홀(Keyhole) 형성 및 용융 풀의 형상 변화 시뮬레이션.
    • 레이저 경로의 x 및 y 좌표 모델링:
      • 원형 진동(Circular Oscillation) 방식을 통해 정확한 빔 이동 경로 계산.
      • 이중초점 광학 시스템에서는 0.8 mm 간격으로 두 개의 동일한 경로 생성.
    • 모든 실험 조건을 동일하게 입력하여 수치 모델의 정확도를 높임.

주요 결과

  1. 용접 형상(Geometry) 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션과 실험 결과 비교에서 높은 일치도 확인.
    • 레이저 출력 및 회전 속도 변화에 따른 용접 깊이(Weld Depth, WD) 및 용접 폭(Weld Width, WW) 분석:
      • 2 kW 출력 그룹(Group 1):
        • 최대 용접 폭: 2392.05 µm, 최대 깊이: 2294.77 µm (RS: 2500 rev/min).
      • 4 kW 출력 그룹(Group 2):
        • 최대 용접 폭: 3422.97 µm, 최대 깊이: 3382.70 µm (RS: 2500 rev/min).
  2. 공정 매개변수 최적화
    • 회전 속도 4000 rev/min, 레이저 출력 2 kW에서 기공 및 균열 최소화.
    • 회전 속도 증가 시 용접 깊이 증가하지만, 5000 rev/min 이상에서는 기공 증가.
    • C7 시편(4 kW, 4000 rev/min)이 가장 적은 기공을 보임.
  3. 시뮬레이션과 실험 결과 비교
    • 시뮬레이션 결과: 폭 2300 µm, 깊이 a 2120 µm, 깊이 b 1900 µm.
    • 실험 결과: 폭 2367.89 µm, 깊이 a 2161.91 µm, 깊이 b 1924.39 µm.
    • 10% 이내의 오차율을 보여, 시뮬레이션이 실제 용접 공정 예측에 유용.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 회전 이중초점 광학을 활용한 레이저 빔 용접 공정 시뮬레이션이 높은 정확도와 효율성을 입증.
    • FLOW-3D 소프트웨어를 통해 용접 풀 형상 및 온도 분포를 예측할 수 있으며, 공정 매개변수 최적화 가능.
    • 회전 속도 4000 rev/min 및 레이저 출력 2 kW가 스테인리스강의 최적 용접 품질 제공.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 재료 및 용접 조건에 대한 시뮬레이션 확장.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 용접 품질 예측 시스템 개발.
    • 산업 현장 적용을 위한 대규모 실증 연구 수행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 회전 이중초점 광학 시스템을 적용한 레이저 빔 용접 공정의 최적화 가능성을 입증하고, 기공 및 균열을 최소화하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 실질적인 데이터를 제공하며, 산업용 스테인리스강 용접 공정의 효율성을 높이는 데 기여할 수 있다​.

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