레이저 용접 수치해석 (FLOW-3D WELD)

FLOW-3D WELD Products

레이저 용접 수치해석 (FLOW-3D WELD)

FLOW-3D@ WELD는 레이저 용접 공정에 대한 정확한 시뮬레이션 기능을 제공하여 최적화된 공정을 개발하게 합니다. 더 나은 공정 제어를 통해 기공, 열 영향 영역을 최소화하고 미세 구조 변화를 제어할 수 있습니다.

레이저 용접 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D@ WELD는 레이저 열원, 레이저-재료 상호 작용, 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 응고, 다중 레이저 반사 및 위상 변화와 같은 모든 관련 물리 모델을 제공합니다.

Laser Welding

최근에는 뛰어난 생산성과 속도, 낮은 열 입력이 결합되어 기존의 용접 프로세스를 대체하는 레이저 용접 프로세스가 주목 받고 있습니다. 레이저 용접이 제공하는 장점은 용접강도가 좋고, 열 영향 부위가 작으며, 정밀도가 낮고 변형이 적으며, 강철, 알루미늄, 티타늄 및 이종 금속을 포함한 광범위한 금속 및 합금을 용접 할 수 있는 기능이 있습니다.

FLOW-3D@는 레이저 용접 공정에 대한 강력한 통찰력을 제공하고 궁극적으로 프로세스 최적화를 달성하는 데 도움이 됩니다.

보다 나은 프로세스 제어를 통해 기공을 최소화할 수 있습니다. 열 영향부위 및 미세조직을 제어가 가능합니다. FLOW-3D는 자유표면 추적 알고리즘을 통해 매우 복잡한 용접 POOL 시뮬레이션을 해석하는데 매우 적합합니다.

용접 모듈은 레이저 소스에 의해 생성된 Heat flux, 용융 금속에 대한 증발압력, shield gas 효과, 용융 풀의 반동압력 및 다중 레이저 반사와 같은 물리적 모델을 FLOW-3D에 적용하기 위해 개발되었습니다. 키홀 용접과 같은 현실적인 프로세스 시뮬레이션을 위해서는 모든 관련 물리적 현상을 적용하는 것이 중요합니다.

FLOW-3D는 레이저 용접의 conduction and keyhole 방식을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 전 세계의 연구원들은 FLOW-3D를 사용하여 용접역학을 분석하고, 공정 매개 변수를 최적화하여 기공을 최소화하며, 레이저 용접공정에서의 dendrite 결정 성장 양상을 예측합니다.

Shallow penetration weld (top left); deep penetration weld with shield gas effects (top right); deep penetration weld with shield gas and evaporation pressure (bottom left); and deep penetration weld with shield gas, evaporation pressure and multiple laser reflections effects (bottom right).

Full Penetration Laser Welding Experiments

한국 카이스트와 독일 BAM은 16K kW레이저를 사용하여 10mm강판에 완전 침투 레이저 용접 실험을 수행하였습니다. CCD카메라의 도움을 받아 완전 용입 레이저 용접으로 형성된 상단 및 하단 용융풀 거동을 확인할 수 있었습니다. 그들은 또한 FLOW-3D 로 용접 공정 해석으로 해석과 실험결과의 경향이 일치하는 것을 알 수 있었습니다.

Experimental setup with CCD cameras observing the top and bottom molten pools
Schematic of computation domain in FLOW-3D

 

Simulation results at the top show melt pool lengths of 8mm and 15mm, whereas experiments indicated melt pool lengths of 7mm and 13mm

Laser Welding Porosity Case Study

General Motors, Michigan, 중국의 상하이 대학교는 용접 공정 변수, 즉 keyhole 용접에서 기공의 발생에 대해 용접 속도 및 용접 각도와 같은 공정 매개 변수가 미치는 영향을 알아보기 위해 협력하여 연구를 진행하였습니다.

레이저 용접된 Al 접합부 단면의 기공을 분석합니다. Keyhole이 유도 된 기공들은 유동 역학으로 인해 발생되고 균열을 일으킬 수 있습니다. 최적화 공정의 매개변수는 이러한 종류의 기공을 완화할 수 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 연구원들은 증발 및 반동 압력, 용융풀, 온도에 따른 표면장력 및 Keyhole내의 다중 레이저 반사, 프레넬 흡수를 포함한 모든 중요한 물리적 현상을 설명했습니다.

연구진은 시뮬레이션 모델을 기반으로 Keyhole 용접에서 생성된 기공들의 주요 원인으로 불안정한 Keyhole을 규정하였습니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 뒤쪽 용융 풀의 과도한 재순환은 뒤쪽 용융 풀이 앞쪽 용융 풀 경계를 무너뜨리며 기공들을 생성시킵니다. 갇힌 공간이 증가하는 응고 전면에 의해 갇혔을때 기공들이 발생되었습니다.

Distribution of porosity in longitudinal welding sections as seen in simulations (top) and experiments (bottom)

용접 속도가 빠를수록 더 큰 keyhole이 생성되며 이로 인해, 보다 안정적인 keyhole이 생성됩니다. 연구진은 FLOW-3D를 사용하여 용접 속도와 용접 경사각으로 기공들의 생성을 완화시킬 수 있었습니다.

CFD가 레이저 용접을 만나면 : 불꽃이 어떻게 날아갑니까?

Pareekshith Allu Senior CFD Engineer | Additive Manufacturing | Laser Welding | Business Development

When CFD meets laser welding: How sparks fly!

CFD 또는 전산 유체 역학은 수치적 방법을 사용하여 유체 흐름을 연구하는 것입니다. 유체 흐름의 기본 방정식에는 솔루션 해가 없으므로 컴퓨터를 사용하여 방정식을 반복적으로 계산하는 수치해석 방법으로 해결합니다. 일반적으로 CFD 도구는 공기 역학, 엔진 연소, 물 및 환경 흐름, 미세 유체 및 제조 공정에서 광범위한 연구 및 엔지니어링 문제에 적용될 수 있습니다. CFD가 개발에 중요한 역할을 한 기술을 매일 접할 가능성이 있습니다. FLOW-3D 소프트웨어 제품 제조업체인 Flow Science Inc.에서는 자유 표면 흐름 문제 라고하는 특수한 문제 해결에 중점을 둡니다 . 

자유 표면 흐름이란 무엇입니까? 밀도 차이가 큰 두 유체간에 인터페이스가 공유되는 분야는 자유 표면 흐름입니다. 예를 들어, 기체-액체 경계면이 제한되지 않고 시간에 따라 자유롭게 움직이고 변경할 수 있다는 점에서 강의 물과 주변 공기 사이에 자유 표면이 존재합니다. FLOW-3D 솔버의 기본 DNA 인 Volume of Fluid 또는 VoF 방법 은 자유 표면의 진화를 추적하는 강력한 계산 기술입니다. 우리는 지난 40 년 동안 이 문제에 거의 전적으로 집중했습니다.

자유 표면 흐름은 제조산업 분야에서도 널리 사용됩니다. 금속 주조에서는 용융 금속과 용융 금속이 채우는 금형 또는 다이의 공기 사이에 자유 표면이 존재합니다. L-PBF ( Laser Powder Bed fusion) 라고하는 적층 제조 공정에서 레이저를 사용하여 분말 입자를 녹이고 융합하여 공정에서 자유 표면 용융 풀을 만듭니다. 그리고 레이저 용접에서는 레이저 빔에 의해 녹아서 두 개의 금속 부품 / 부품을 함께 융합 할 때 형성되는 자유 표면 용융 풀이 있습니다. 

이 게시물에서는 레이저 용접 공정에 대한 CFD 시뮬레이션이 유용한 이유를 설명합니다.

레이저 기술은 지난 몇 년 동안 상당히 발전했으며 이제 다른 레이저 제조업체는 다양한 파장에서 펄싱 기능이 있는 고출력 레이저를 제공 할 수 있습니다. 레이저와 로봇 자동화 시스템, 컨트롤러 및 프로세스 센서의 통합은 다양한 제조 산업에서 사용을 확대하여 열 입력이 적고 열 영향 영역이 더 작은 레이저 용접 조인트를 가능하게합니다. 

레이저-재료 상호 작용은 복잡하며이를 정확하게 모델링하려면 이러한 시간적 및 공간적 규모와 관련된 물리학을 구현해야합니다. 레이저 열원은 표면에 에너지를 축적하여 기판을 녹이고 용융 금속 풀을 만듭니다. 용융 풀은 전력, 속도 및 스캔 경로와 같은 레이저 가공 매개 변수와 용융 풀의 자유 표면에 동적 증기압을 적용하는 차폐 가스의 영향을 더 많이받습니다. 또한 용접되는 기판의 재료 특성이 중요한 역할을합니다. 용융된 풀의 상 변화와 증발은 용융 풀을 더욱 압박하는 반동 압력을 유발할 수있는 반면 표면 장력은 풀 내의 유체 대류에 영향을줍니다. 키홀 링이있는 경우 레이저 광선이 키홀 내에 갇혀 추가 반사 영향을 받을 수 있습니다. 기판에 더 많은 에너지를 전달합니다. 불안정한 키홀이 붕괴되면 갇힌 공극이 진행되는 응고 경계에 의해 포착되는 다공성 형성으로 이어질 수 있습니다. 

분명히 많은 일이 진행되고 있습니다. 이것이 CFD 시뮬레이션이 강력 할 수있는 곳이며 FLOW-3D WELD를 개발할 때 레이저-재료 상호 작용을 이해하는 데 많은 노력을 기울이는 이유입니다. 자유 표면 추적 및 레이저 에너지 증착, 차폐 가스 역학, 상 변화, 반동 압력, 표면 장력, 레이저 광선 추적 및 응고와 함께 유체 및 열 흐름 방정식을 통합하는 물리 기반 모델은 레이저의 복잡한 상호 작용을 캡처하는 데 매우 정확합니다. 용접과정을 해석하는 기능은 용융 풀의 안정성에 대한 다양한 공정 매개 변수의 영향을 분리하고 엔지니어와 연구원이 용접 일정을 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

CFD 시뮬레이션은 레이저 용접 프로세스를 분석하고 개선하는데 도움이되는 프레임 워크를 제공 할 수 있습니다. 불안정한 용융 풀은 키홀 유발 다공성, 파열 및 스패 터와 같은 결함을 초래할 수 있기 때문에 용융 풀의 작동 방식을 이해하는 것은 조인트의 품질에 매우 중요합니다. 그 후, FLOW-3D WELD 모델의 출력인 응고된 용융 풀 데이터 및 열 구배와 같은 결과를 미세 구조 또는 유한 요소 분석 모델에 입력하여 각각 결정 성장 및 열 응력 진화를위한 길을 닦을 수 있습니다.

이 게시물이 CFD를 사용하여 레이저 용접 프로세스를 시뮬레이션하는 이점을 이해하는데 도움이 되기를 바랍니다.

레이저 용접 공정을 더 잘 이해하기 위해 CFD 시뮬레이션 적용을 고려해 보셨습니까? 어떤 특징 / 물리 현상이 모델링되기를 원하십니까? 질문과 의견이 있으면 언제든지 flow3d@stikorea.co.kr 또는 미국 본사의 paree.allu@flow3d.com에게 연락하십시오.

레이저 용접에서의 키홀 동력학과 유도를 통한 Porosity 형성

레이저 용접에서의 Key Hole 동력학과 유도를 통한 Porosity 형성

자료 제공: General Motors Company, Shanghai Jiao Tong University
자료 제공: FLOW Science Japan

이 사례를 통해 FLOW-3D@ WELD를 이용하여 레이저 용접 프로세스의 키홀 형성 유도를 통한 porosity 형성에 대하여 검토가 가능한 것을 알 수 있습니다.

  • porosity 형성을 유도하는 키홀의 메커니즘
  • 레이저 출력과 용접 속도의 영향
  • 레이저 빔의 경사각의 영향으로 porosity 형성을 유도하는 키홀의 메커니즘
Porosity 형성을 유도하는 Key Hole 해석모델
Porosity 형성을 유도하는 Key Hole 해석모델

위 그림과 같이 온도에 따른 표면장력 값과 강한 우회전 소용돌이에 의해 후방으로의 유동은 거의 억제되는 것을 확인할 수 있습니다. 강한 용융 유동에 의한 Key Hole 붕괴는 초기 porosity 형성의 원인이 되지만, Key Hole 재개나 기포가 자유표면으로 빠져 나가도록 반드시 porosity를 이끌지는 않습니다.

그러나 키홀 바닥부에서 강한 소용돌이에 의해 기포가 키홀 용융지 후방 저부로 운반될 때는 높은 열전도율로 응고면이 빠르게 이동하므로, 응고면에 의해 포획될 위험이 매우 높습니다.

또한 용융 시의 알루미늄은 소용돌이가 강하기 때문에, 기포를 용융지의 바닥 후방에 있는 상태에서 배출시키는 것은 거의 불가능합니다. 기포가 응고면에 의해 포획될 경우 porosity가 형성됩니다.

레이저 출력과 용접속도의 영향

일반적으로 용접속도를 크게 하면 결합부에서 Porosity가 감소합니다. 이는 용접 속도 상승으로 모재 내 용해 및 키홀 깊이가 감소하여 키홀이 안정되기 때문입니다.

레이저 출력과 용접 속도의 영향
레이저 출력과 용접 속도의 영향
저속과 고속의 2 케이스에서 예측된 용융지의 유속장과 온도 분포
저속과 고속의 2 케이스에서 예측된 용융지의 유속장과 온도 분포

실험에 의한 길이 방향 단면의 Porisity 분포와 FLOW-3D@ WELD에 의한 분석 결과를 보여줍니다. 3번 케이스도 실험과 비슷한 용해 깊이를 가지고 있으며, 분석 결과도 실험과 매우 잘 일치하고 있습니다.

용접 단면의 Porosity 분포
용접 단면의 Porosity 분포

용접 단면의 Porosity 분포를 보면, 레이저 조사 각도가 증가할 수록 Porosity가 뚜렷이 감소하고 있음을 알 수 있습니다. 위의 오른쪽 그림에 용융지 내의 유속장과 온도분포를 보면 레이저 빔의 경사각도는 키홀의 생성 방향을 결정하여 후방의 용융지와 용융유동에 영향을 미치고 있습니다.

또한, 레이저의 경사각도가 작을 경우 강력한 증발 반력이나 중력에 의해 용융금속이 다른 방향으로 이동합니다. 이는 강한 소용돌이 흐름의 원인이 되는 구동력으로 작용하여 키홀 붕괴로 이어지기 쉽다는 것을 확인할 수 있습니다.

FLOW-3D Weld

FLOW-3D WELD 제품 배너
 

FLOW-3D  WELD 는 레이저 용접 공정에 대한 강력한 통찰력을 제공하여 공정 최적화를 달성합니다. 더 나은 공정 제어를 통해 다공성, 열 영향 영역을 최소화하고, 미세 구조 변화를 제어 할 수 있습니다. 레이저 용접 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 FLOW-3D WELD 는 레이저 열원, 레이저-재료 상호 작용, 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 응고, 다중 레이저 반사 및 위상 변화와 같은 모든 관련 물리학을 구현합니다.

 

낮은 열 입력,  뛰어난 생산성, 속도는 기존의 용접 방법을 대체하는 레이저 용접 프로세스로 이어집니다. 레이저 용접이 제공하는 장점 중 일부는 더 나은 용접 강도, 더 작은 열 영향 영역, 더 정밀한 정밀도, 최소 변형 및 강철, 알루미늄, 티타늄 및 이종 금속을 포함한 광범위한 금속 / 합금을 용접 할 수있는 능력을 포함합니다.

공정 최적화

FLOW-3D WELD 는 레이저 용접 공정에 대한 강력한 통찰력을 제공하고 궁극적으로 공정 최적화를 달성하는 데 도움이됩니다. 더 나은 공정 제어로 다공성을 최소화하고 열 영향을받는 영역을 제한하며 미세 구조 변화를 제어 할 수 있습니다. FLOW-3D WELD 는 자유 표면 추적 알고리즘으로 인해 매우 복잡한 용접 풀을 시뮬레이션하는 데 매우 적합합니다. FLOW-3D WELD 는 관련 물리적 모델을 FLOW-3D 에 추가로 통합하여 개발되었습니다.  레이저 소스에 의해 생성된 열유속, 용융 금속의 증발 압력, 차폐 가스 효과, 용융 풀의 반동 압력 및 키홀 용접의 다중 레이저 반사. 현실적인 공정 시뮬레이션을 위해 모든 관련 물리 현상을 포착하는 것이 중요합니다.

 

얕은 용입 용접 (왼쪽 상단); 실드 가스 효과가 있는 깊은 용입 용접 (오른쪽 상단); 쉴드 가스 및 증발 압력을 사용한 심 용입 용접 (왼쪽 하단); 쉴드 가스, 증발 압력 및 다중 레이저 반사 효과 (오른쪽 하단)를 사용한 깊은 침투 용접.

FLOW-3D WELD 는 레이저 용접의 전도 모드와 키홀 모드를 모두 시뮬레이션 할 수 있습니다. 전 세계의 연구원들은 FLOW-3D WELD 를 사용하여 용융 풀 역학을 분석하고 공정 매개 변수를 최적화하여 다공성을 최소화하며 레이저 용접 수리 공정에서 결정 성장을 예측합니다.

완전 관통 레이저 용접 실험

한국의 KAIST와 독일의 BAM은 16K kW 레이저를 사용하여 10mm 강판에 완전 침투 레이저 용접 실험을 수행했습니다. CCD 카메라의 도움으로 그들은 완전 침투 레이저 용접으로 인해 형성된 상단 및 하단 용융 풀 역학을 포착 할 수있었습니다. 그들은 또한 FLOW-3D WELD 에서 프로세스를  시뮬레이션하고 시뮬레이션과 실험 결과 사이에 좋은 일치를 얻었습니다.

실험 설정 레이저 용접
CCD 카메라로 상단 및 하단 용융 풀을 관찰하는 실험 설정
레이저 용접 회로도
FLOW-3D의 계산 영역 개략도
레이저 용접 시뮬레이션 실험 결과
상단의 시뮬레이션 결과는 용융 풀 길이가 8mm 및 15mm 인 반면 실험에서는 용융 풀 길이가 7mm 및 13mm임을 나타냅니다.
 

레이저 용접 다공성 사례 연구

General Motors, Michigan 및 Shanghai University는 중국의 공정 매개 변수, 즉 용접 속도 및 용접 경사각이 키홀 용접에서 다공성 발생에 미치는 영향을 이해하기 위해 상세한 연구를 공동으로 진행했습니다.

키홀 유도 용접 다공성
레이저 용접된 알루미늄 조인트 단면의 용접 다공성, 키홀 유도 다공성은 유동 역학으로 인해 발생하며 균열을 일으킬 수 있습니다. 최적화 된 공정 매개 변수는 이러한 종류의 다공성을 완화 할 수 있습니다.

연구원들은 FLOW-3D WELD를 사용 하여 증발 및 반동 압력, 용융풀 역학, 온도 의존적 ​​표면 장력 및 키홀 내에서 여러 번의 레이저 반사 동안 프레넬 흡수를 포함한 모든 중요한 물리적 현상을 설명했습니다.

시뮬레이션 모델을 기반으로 연구진은 키홀 용접에서 유도 다공성의 주요 원인으로 불안정한 키홀을 식별했습니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 후방 용융 풀의 과도한 재순환으로 인해 후방 용융 풀이 전방 용융 풀 벽에서 붕괴되고 공극이 발생하여 다공성이 발생합니다. 이러한 갇힌 공극이 진행되는 응고 경계에 의해 포착되었을 때 다공성이 유도되었습니다.

높은 용접 속도에서는 더 큰 키홀 개구부가 있으며 이는 일반적으로 더 안정적인 키홀 구성을 가져옵니다. 사용 FLOW-3D 용접 , 연구진은 그 높은 용접 속도와 경사도 완화 다공성의 큰 용접 각도를 예측했습니다.

레이저 용접 수치 실험 결과
시뮬레이션 (위) 및 실험 (아래)에서 볼 수있는 세로 용접 섹션의 다공성 분포

FLOW Weld

FLOW Weld  모듈은 용접 해석에 필요한 모델을 FLOW-3D 에 추가하는 추가 모듈입니다.

FLOW-3D 의 표면 장력 자유 표면 분석, 용융, 응고, 증발, 상 변화 모델 등의 기본 기능을

응용하여 각종 용접 현상을 분석 할 수 있습니다.

주요 기능 :열원 모델 (출력 지정, 가우스분포, 디 포커스 등) 열원의 자유로운 이동 증발 압력 (그에 따른 반력) 실드 가스 압력 다중 반사 용접에 관한 대표적인 출력 (온도 구배 냉각 속도, 에너지 분포 등)
분석 용도 :높은 방사선 강도와 고온에 의해 직접 관찰이 어려운 현상을 시각화 온도, 열, 용접 속도, 위치 관계, 재료 물성 등의 매개 변수 연구 결함 예측 (기공, 응고, 수축 등)

FLOW -3D Weld 분석 기능

weld_flow
  1. 열원 모델의 이동
      출력량 지정, 가우스분포
  2. 에너지 밀도의 분포 , 가공 속도
      가우스 테이블 입력
  3. 증발 압력
      온도 의존성
  4. 다중 반사
      용해 깊이에 미치는 영향
  5. 결과 처리
      용해 모양, 에너지 분포, 온도 구배 냉각 속도
  6. 다양항형상의 레이저와 거동 (+ csv 파일로드)
      다양한 모양을 csv 파일 형식으로 정의 회전 + 이동
      임의 형상 이동을 csv 파일로 로드 (나선형)
  7.  이종 재료
      이종 재료의 용접
  8.  3D Printing Method  
      Cladding 적층공정

1. 열원 모델의 이동

weld16-1weld16-2
에너지 밀도공간 분포

2. 에너지 밀도의 분포, 가공 속도

열 플럭스 r 방향의 분포 단면은 원형으로, r 방향으로 열유속 분포를 제공합니다.

에너지 밀도의 공간적 분포

가우스 : 원추형의 경우는 조사 방향으로 변화하고 열유속의 면적 분은 동일합니다.

가공 속도

가공 노즐을 x, y, z 방향, 시간 – 속도의 테이블에서 지정합니다.
또한 노즐 (광원) 위치 좌표 조사 방향 벡터 성분을 지정합니다.

3. 증발 압력

에너지 밀도가 높은 경우, 용융 부 계면이 증발하고 그 반력에 의해 계면에 함몰이 발생합니다.
특히 깊은 용융부를 포함한 레이저 용접은 증발 압력을 고려한 모델링이 필요합니다.

증발 압력의 평가는 일반적인 수학적 모델이 없기 때문에 다음 모델 식을 사용합니다.

증발 가스의 상승 효과 (키 홀, 스퍼터 등)

증기의 상승 흐름의 영향을 동압, 전단력으로 평가합니다.

weld5-1 

4. 다중 반사

키홀 거동의 비교

weld9
다중 반사 없음다중 반사 있음

다중 반사를 고려한 레이저

weld10

5. 결과 처리

용접 기능에 관한 대표적인 출력 예입니다.

6. 다양한 형상의 레이저와 거동 (+ csv 파일 읽기)

weld17weld18

7. 이종 재료

이종 재료 간이 분석

재료 : 철, 구리

밀도고상율
weld19

이종 재료를 이용한 레이저 용접

재료 : 구리, 철

재료 체적 비율온도
weld20

8. 금속 3D 프린팅 기법  

– 적층 제조 (Additive Manufacturing) 공정

– DED(Direct Energy Deposition) 공정 

Keyhole-induced porosity in LPBF (다공성을 포함하는 LPBF의 키홀)

키홀의 실험 및 수치 모델 설정

  • 왼쪽 그림 설명 : KU Leuven 자체 제작 L-PBF 기계로 생성 된 실험 분석용 샘플. 벌크 크기는 10.4mm x 10.4mm x 4.5mm이며 다공성을 갖는 키홀 모드를 초래하는 6개의 스캔 트랙은 각각 길이가 8mm임
  • 오른쪽 그림 설명 : 전체 계산 영역의 3D 화면. 청록색으로 표시된 조절량에는 고체상과 기체상이 모두 포함됨. 오른쪽에는 도메인의 재구성 된 자유 표면의 확대도가 표시됨.

키홀링으로 전환

  • 용융지는 처음에 얕음
  • 하향 운동은 강한 반동 압력에 의해 좌우됨
  • 키홀의 성장으로 이어지는 강한 하향 흐름과 핫스팟의 공존
  • 열쇠 구멍 림에 가까운 온도가 상승하고 반동 압력이 높아짐

다공성 형성 메커니즘

  • 키홀의 바닥에서 반동 압력이 상승하고 상단 영역의 표면 장력이 증가함
  • 냉각 영역이 닫히며 불규칙한 기공이 나타남
  • 하향 흐름이 강해서 기공이 용융지 뒤쪽으로 밀려남
  • 응고된 앞부분이 진보하면서 기공들이 갖힘

FLOW-3D를 이용한 키홀 모델 실험 및 검증

  • 오른쪽 : 실험에서 얻은 깊이 및 다공성 직경의 플롯과 Power 170 W 케이스 모델
  • 왼쪽 : 기공의 크기와 모양 및 용융지에 대한 평균 실험 및 수치 데이터

Laser Keyhole Welding (레이저 키홀 용접)

진동이 없는 레이저 키홀 용접


진동이 없는 레이저 용접의 문제점

  • 틈새 조건에서 허용 오차가 낮아지는 좁은 조인트 폭
  • 레이저가 꺼질 때 끝의 큰 구멍
  • 속도가 높아 침투가 불충분 할 수 있음
  • 사용 가능한 레이저 출력으로부터 제한을 받음

진동이 있는 레이저 랩 용접

  • 키홀의 붕괴를 방지하는 고속 스캐닝이 가능
    – 다공성을 최소화함
  • 인터페이스 간극에서 브리지 간격을 조정하여 조인트 폭을 조정할 수 있는 유연성을 제공함

진동이 있는 레이저 용접의 장점

  • 성능 및 스타일링을 위한 제품을 개선
  • 최초의 품질에서 요구를 충족시키기위해 결함을 감소
  • 성능의 요구 사항을 충족시킬 수 있는 맞춤형 용접 형상

진동 용접 : 실험 결과


모델 검증


한 사이클 내의 키홀의 움직임

  • 진동이 없을 때 : 일관된 전도 또는 키홀 용접
  • 진동이 있을 때 : 전도 용접을 하며 경로 및 시간에 따라 한 번의 주기 내에서 얕은 키홀과 깊은 키홀이 용접 간 전환 가능

진동을 이용한 레이저 용접의 장점

  • 진동을 이용한 최초 품질이 향상됨
  • 키홀로 인한 다공성을 피하면서 빠른 용접 속도를 가능하게 함
  • 전력 변조가 사용되지 않는 경우에 각 주기 내에서 키홀과 전도 모델 간의 전환이 가능
  • 진동의 매개 변수를 변경하여 중요한 용접의 너겟 치수 및 강도의 조정이 가능
  • 시트 간의 틈 브리징을 개선

Fluid dynamics modelling for additive manufacturing

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AM프로세스에 CFD를 사용해야하는 이유

  • AM의 용융 풀(Melt pool) 분해능(0.01 – 0.001mm 길이 스케일)에서 유체 흐름을 정확하게 표현
    – 파우더 페드 퍼짐(Powder bed spreading) : DEM(Discrete Element Method)을 통해 파우더 베드 압축 및 흡수 특성을 예측하는데 도움
    – 선택적 레이저 용해 : 결함 설계 공간 및 용융 풀(Melt pooe) 형상 매핑 및 예측
    – 빠른 응고(Solidification) : 구성 분리 및 위상 핵(Phase nucleation) 형성 및 예측

파우더 증착 및 레이저 용융(Powder deposition and laser melting)

  • 모델 입력 : 파우더 크기 분포, 합금 재료 특성 및 레이저 공정 매개 변수
  • 모델 출력 : 가열/냉각 프로파일, 결함 밀도, 조성 변화

연속 및 펄스 레이저 용융

  • Takeaway : 두 매개 변수 세트 모두 고밀도 재료를 생산하지만 열 이력(History)은 상당히 다름

모델 정확도 및 검증

NiTi, Ti64 및 316L에서 수행된 모델 검증

용융 풀(Melt pool) 형태 및 키홀링(Keyholing)

공정 공간에서 열분해에 대한 경향

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2020-04-01 9:17 오전
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What’s happening at the melt pool?/레이저 가공

Laser keyhole welding

레이저 키홀(Keyhole) 가공(No oscillations/진동 고려하지 않을 경우)

높은 속도에서 다공성을 감소시키는 경우(Reduced porosity at high speed-mechanism)

고속 레이저 가공(진동 고려하지 않음)해석 시 고려사항

  • 틈새 조건에 대한 허용 오차가 낮아지는 좁은 조인트(Joint) 너비
  • 레이저가 꺼질 때 큰 끝 분화구(Large end crater)
  • 속도가 높을 때 불충분한 침투(Penetration)
  • 제한된 사용가능한 레이저 출력 : 6kW

진동을 고려한 레이저 랩(Lap) 용접

  • 키홀(Keyhole) 붕괴를 방지하는 고속 스캐닝 가능
    – 다공성(Porosity) 최소화
  • 인터페이스 간극(Interface gaps)에서 브리지 간격(Bridge gaps)을 조정하여 조인트(Joint) 폭을 조정할 수 있는 유연성 제공

진동을 고려한 레이저 용접 : 실험 결과와 비교

모델 검증

사이클(One cycle) 내에서 키홀(Keyhole) 역학

  • 진동을 고려하지 않을 경우 : 일관된 전도 또는 키홀 용접
  • 진동을 고려할 경우 : 경로와 일정에 따라 한 번의 주기내에서 전도 용접, 얕은 키홀(Keyhole)과 깊은 키홀(Keyhole) 용접 간 전환 가능

진동을 고려한 레이저 가공의 이점

  • 진동을 통한 최초 품질 향상
  • 키홀(Keyhole)로 인한 다공성(Porosity)을 피하면서 높은 용접 속도 가능
  • 전력 변조가 사용되지 않는 경우, 각 주기내에서 키홀(Keyhole) 및 전도 모델간 전환
  • 진동 매개 변수 변경을 통해 중요 용접 너겟(Nugget) 치수 및 강도 조정 가능
  • 시트 간 틈 브리징(Gap gridging) 개선

레이저 용접 수치해석(FLOW WELD)

Laser Welding

뛰어난 생산성과 속도, 낮은 열 입력이 결합되어 기존의 용접 프로세스를 대체하는 레이저 용접 프로세스가 있습니다. 레이저 용접이 제공하는 장점은 용접강도가 좋고, 열 영향 부위가 작으며, 정밀도가 높고 변형이 적으며 강철, 알루미늄, 티타늄 및 이종 금속을 포함한 광범위한 금속 및 합금을 용접 할 수 있는 기능이 있습니다.

FLOW-3D는 레이저 용접 공정에 대한 강력한 통찰력을 제공하고 궁극적으로 프로세스 최적화를 달성하는 데 도움이 됩니다. 보다 나은 프로세스 제어를 통해 다공성을 최소화할 수 있습니다. 열 영향부위 및 마이크로-구조를 제어합니다. FLOW-3D는 자유표면 추적 알고리즘으로 인해 매우 복잡한 용접 풀 시뮬레이션을 해석하는데 적합합니다. 용접의 추가 모듈은 레이저 소스에 의해 생성된 Heat flux, 용융 금속에 대한 증발압력, shield gas효과, 용융 풀의 반동압력 및 다중 레이저반사와 같은 물리적 모델을 FLOW-3D에 통합하기 위해 개발되었습니다. Keyhole 용접과 같은 현실적인 프로세스 시뮬레이션을 위해서는 모든 관련 물리적 현상을 포착하는 것이 중요합니다.

FLOW-3D는 레이저 용접의 conduction and keyhole 방식을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 전 세계의 연구원들은 FLOW-3D를 사용하여 용접역학을 분석하고, 공정 매개 변수를 최적화하여 다공성을 최소화하며, 레이저 용접공정의 수지결정 성장을 예측합니다.

Shallow penetration weld (top left); deep penetration weld with shield gas effects (top right); deep penetration weld with shield gas and evaporation pressure (bottom left); and deep penetration weld with shield gas, evaporation pressure and multiple laser reflections effects (bottom right).

Full Penetration Laser Welding Experiments

한국 카이스트와 독일 BAM은 16KW레이저를 사용하여 10mm강판에 완전 침투 레이저 용접 실험을 수행하였습니다. CCD카메라의 도움을 받아 완전 용입 레이저 용접으로 형성된 상단 및 하단 용융지 역학을 포착할 수 있었습니다. 그들은 또한 FLOW-3D공정을 시뮬레이션하여 해석과 실험결과가 경향이 일치하는 것을 나타내었습니다.

Experimental setup with CCD cameras observing the top and bottom molten pools
 
Simulation results at the top show melt pool lengths of 8mm and 15mm, whereas experiments indicated melt pool lengths of 7mm and 13mm
 
 
 
 
Schematic of computation domain in FLOW-3D

 

Laser Welding Porosity Case Study

General Motors, Michigan, 중국의 상하이 대학교는 공정변수, 즉 keyhole 용접에서 다공성 발생 에 대해 용접속도 및 용접각도와 같은 공정 매개 변수가 미치는 영향을 이해하기 위해 협력하여 연구를 진행하였습니다.

 
레이저 용접된 Al 접합부 단면의 다공성을 용접합니다. Keyhole 유도 된 다공성은 유동 역학으로 인해 발생되고 균열을 일으킬 수 있습니다. 최적화 공정의 매개변수는 이러한 종류의 다공성을 완화할 수 있습니다. FLOW-3D를 사용하여 연구원들은 증발 및 반동 압력, 용융풀, 온도에 따른 표면장력 및 Keyhole내의 다중 레이저 반사, 프레넬 흡수를 포함한 모든 중요한 물리적 현상을 설명했습니다.

연구진은 시뮬레이션 모델을 기반으로 Keyhole용접에서 유도된 다공성의 주요 원인으로 불안정한Keyhole을 규정하였습니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 뒤쪽 용융 풀의 과도한 재순환은 뒤쪽 용융 풀이 앞쪽 용융 풀 경계를 무너뜨리며 다공성을 초래시킵니다. 갇힌 공간이 증가하는 응고 전면에 의해 포착되었을 때 다공성이 유도되었습니다.

용접 속도가 빠를수록 더 큰 keyhole이 생성되며 이로 인해보다 안정적인 keyhole이 구성됩니다. 연구진은 FLOW-3D를 사용하여 높은 용접 속도와 큰 용접 경사각으로 다공성을 완화시킬 수 있다고 예측했습니다.

 
 
Distribution of porosity in longitudinal welding sections as seen in simulations (top) and experiments (bottom)

용접분야 활용

Conduction 용접

하이브리드 레이저 용접

깊은 용접 레이저용접

레이저 적층 공법

TIG 용접

이종소재 레이저 용접