Fig. 17 Molten pool flow pattern in GMAW

Simulations of Weld Pool Dynamics in V-Groove GTA and GMA Welding

V-그루브 GTA 및 GMA 용접의 용융 풀 동역학 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • V-그루브 용접에서는 용접 아크의 열 유속, 아크 압력 및 전자기력(EMF)을 해석하는 것이 중요함.
  • 기존의 축대칭 모델은 V-그루브 용접에서 발생하는 타원형 대칭 아크를 정확히 반영하지 못함.

연구 목적

  • 타원형 대칭 아크 모델을 사용하여 용융 풀 거동을 CFD(전산유체역학) 기반으로 시뮬레이션.
  • 전자기력 분포를 새로운 방식으로 계산하여 보다 정확한 용접 해석 제공.
  • GTAW(가스 텅스텐 아크 용접) 및 GMAW(가스 금속 아크 용접)에서의 차이를 비교 분석.

연구 방법

수치 모델링 및 경계 조건

  • Navier-Stokes 방정식 및 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 용융 풀의 유동 해석 수행.
  • 아크 열 유속(QA), 대류 및 복사 열 손실(Qconv, Qrad), 증발 열 손실(Qevap) 고려.
  • 타원형 대칭 아크 모델을 도입하여 기존 축대칭 모델 대비 개선된 열분포 및 전자기력 예측 수행.

전자기력(EMF) 모델 개발

  • 좌표 변환을 활용하여 전자기력 모델을 타원형 대칭 형상에 맞게 조정.
  • GTAW와 GMAW의 용융 풀 형상 차이에 따라 EMF 적용 방법 차별화.
  • 좌표 매핑을 이용한 새로운 V-그루브 전자기력 모델을 개발하여 기존 모델의 한계를 극복.

주요 결과

GTAW와 GMAW에서의 용융 풀 거동 차이

  • GTAW에서는 EMF 좌표 매핑이 필요, GMAW에서는 필요 없음.
  • GTAW에서는 용융 풀 표면이 기울어져 있지만, GMAW에서는 평평하게 형성됨.
  • 좌표 매핑 후 용융 풀 흐름 방향이 보다 현실적으로 재현됨.

시뮬레이션 및 실험 비교

  • GTAW 및 GMAW 실험 결과와 시뮬레이션 비교 시 높은 일치도 확인.
  • 좌표 매핑을 적용한 모델이 기존 모델 대비 더 정확한 용접 비드 형상 예측 가능.
  • 전자기력 모델을 수정한 후 용접 비드의 폭과 침투 깊이가 실험값과 더욱 유사해짐.

결론 및 향후 연구

결론

  • 타원형 대칭 아크 모델과 새로운 전자기력 모델을 적용하여 용접 시뮬레이션의 정확도를 향상.
  • GTAW에서는 좌표 매핑을 적용한 EMF 모델이 필수적임.
  • GMAW에서는 좌표 매핑 없이도 타원형 대칭 EMF 모델을 직접 사용할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 더 다양한 용접 공정 조건(전류, 전압 변화)에 따른 모델 개선 연구.
  • 실제 산업 환경에서의 적용 가능성 평가 및 추가 검증.
  • 다층 용접에서의 용융 풀 거동 예측 및 최적화 연구.

연구의 의의

이 연구는 V-그루브 용접에서 기존의 축대칭 모델이 아닌 타원형 대칭 모델을 적용하여 용융 풀 거동을 보다 정확히 예측할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 용접 품질 개선 및 최적화 설계가 가능하며, 향후 다양한 용접 공정에 응용될 수 있다.

Fig. 14 EMF distributions in GMAW
Fig. 14 EMF distributions in GMAW

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Result

Process Simulation and Development for Laser Beam Welding with Rotating Bifocal Optics

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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LFP

Optimizing 3D Laser Foil Printing Parameters for AA 6061: Numerical and Experimental Analysis

AA 6061 합금의 3D 레이저 포일 프린팅(3D LFP) 최적화: 수치 및 실험적 분석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 3D 레이저 포일 프린팅(LFP)은 금속 포일을 적층하여 정밀한 구조물을 제작하는 기술로, 레이저 용접을 통해 층을 쌓아가는 방식을 사용한다.
    • 금속 포일은 빠른 냉각 속도와 효율적인 열전도를 제공하여 미세 입자(fine-grained) 구조 형성에 유리하다.
    • 그러나 알루미늄 합금(AA 6061)과 같은 고반사율 금속을 레이저 용접할 때, 스패터(spattering), 기포(bubble) 형성, 미세 균열(microcrack)과 같은 결함이 발생할 위험이 크다.
  • 연구 목적:
    • Laser Circular Oscillation Welding (LCOW) 기술을 LFP 공정에 적용하여 레이저 용접 결함을 줄이는 방법 연구.
    • 인공신경망(ANN, Artificial Neural Network)과 FLOW-3D 시뮬레이션을 결합하여 최적의 용접 공정 매개변수 도출.
    • 실험 및 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델 신뢰성 검증 및 용접 품질 향상 방안 제시.

연구 방법

  1. LCOW 기술 적용 및 실험 설정
    • AA 6061 포일(두께 0.3mm)과 기판(두께 5mm)을 사용하여 연속 파이버 레이저 시스템(최대 출력 1000W, 스캔 속도 550 mm/s, 스캔 주파수 227 Hz)으로 실험.
    • 레이저 빔의 원형 진동(Circular Oscillation) 모션을 사용하여 용융 풀(Molten Pool) 형상 및 위치 제어.
    • FLOW-3D 소프트웨어를 통해 열원 모델링 및 유체의 자유 표면 이동을 추적.
    • 에너지 밀도가 가우시안(Gaussian) 분포를 따른다고 가정하고, 볼륨 오브 플루이드(VOF) 기법을 사용하여 키홀(Keyhole) 형상 변화 추적.
  2. 시뮬레이션 및 ANN 모델 개발
    • FLOW-3D 시뮬레이션 데이터를 활용하여 ANN 모델을 학습시켜 용접 풀 깊이 및 온도 예측.
    • 원형 패킹 디자인(Circle Packing Design) 기법을 사용하여 36개의 시뮬레이션 데이터를 ANN 학습에 사용.
    • ANN 모델은 평균 99%의 예측 정확도(R=0.99)를 보여, 신뢰성 높은 프로세싱 맵(Processing Map) 생성.
    • 레이저 출력, 스캔 속도 및 주파수에 따른 용접 풀 깊이 및 폭 최적화.

주요 결과

  1. 실험 및 시뮬레이션 비교 분석
    • 최적화된 공정 매개변수: 레이저 출력 800W, 스캔 속도 550 mm/s, 스캔 주파수 227 Hz.
    • FLOW-3D 시뮬레이션 모델의 예측 오차는 약 10% 내외로, 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
    • 용접 부위의 상부 표면에서 균열(cracks)이나 기공(porosity)이 발견되지 않음.
    • 샘플 단면에서의 기공율(Porosity)은 0.12%로 매우 낮음.
  2. 프로세싱 맵 분석 및 최적화 매개변수 도출
    • 용접 풀 깊이(0.6 ~ 0.95 mm) 및 폭(1.05 mm 이상)이 균열과 기공을 최소화하는 최적의 조건으로 설정.
    • 스캔 주파수 150 Hz 이상에서 알루미늄 합금의 열균열 감수성(hot cracking susceptibility) 감소.
    • 세부 영역별 프로세싱 맵을 통해 다양한 용접 조건에 대한 품질 특성 분석.
  3. 다양한 실험 조건에 따른 결과 비교
    • LCOW(Laser Circular Oscillation Welding) 전략을 적용한 샘플에서는 균열과 기공 발생이 거의 없었음.
    • 비진동 레이저 용접(NOLW) 전략에서는 0.41%의 기공율을 보인 반면, LCOW 샘플에서는 0.12%로 현저히 감소.
    • LCOW 전략 적용 시 표면 거칠기(Surface Roughness) Sa 값은 7.27μm, NOLW 샘플은 20.87μm로, LCOW가 더 매끄러운 표면 제공.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 시뮬레이션과 ANN 모델을 활용한 공정 최적화 방법이 AA 6061 합금의 3D LFP 공정에서 뛰어난 성능을 입증.
    • LCOW 기술을 통해 기공과 균열을 줄일 수 있으며, 용접 품질을 크게 향상시킴.
    • 최적화된 공정 매개변수 적용 시 용접 표면 거칠기 및 기공율을 최소화할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 새로운 소재와 기술의 발전에 따라 LCOW 최적화 매개변수의 지속적인 재평가 필요.
    • 마이크로구조(Microstructure) 모델링을 통한 시뮬레이션 결과의 정밀도 향상.
    • AI 및 머신러닝을 통한 실시간 용접 품질 예측 모델 개발.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 및 ANN 모델을 활용한 3D LFP 공정 최적화 방법을 제시하고, 레이저 용접 시 발생할 수 있는 결함을 최소화할 수 있는 새로운 접근법을 제시하여, 산업 현장에서의 적용 가능성을 입증하고 알루미늄 합금의 용접 품질을 향상시킬 수 있다​.

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Molten Pool

Numerical Analysis of Variable Polarity Arc Weld Pool

가변 극성 아크 용접 풀의 수치 해석

연구 배경 및 목적

문제 정의: 알루미늄 합금은 높은 열전도율, 열팽창 계수, 기공 감수성 등의 특성으로 인해 용접성이 낮은 소재이며, 산화막이 존재하여 용접 품질에 영향을 미친다.
연구 목적:

  • 가변 극성 아크 용접(Variable Polarity GTAW, VP-GTAW) 시뮬레이션 모델 개발.
  • FLOW-3D를 활용하여 용융 풀의 열전달, 유동 특성 및 자유 표면 거동을 분석.
  • 직류 전극 양극(DCEP)과 음극(DCEN) 극성의 열입력 효율 차이를 규명하여, VP-GTAW 용접의 최적화 방법을 제안.

연구 방법

가변 극성 아크 용접 개요

  • VP-GTAW는 교류(A/C) 방식으로, DCEP-DCEN이 주기적으로 전환되는 용접 방법.
  • 기존 연구에서는 DCEN이 DCEP보다 높은 열입력 효율을 갖는다고 알려져 있었으나, 최근 실험에서는 DCEP가 더 높은 열입력 효율을 보임.
  • 본 연구에서는 실험과 수치 해석을 비교하여 DCEP의 열입력 효율을 정량적으로 분석.

FLOW-3D 기반 수치 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • Navier-Stokes 방정식을 활용하여 용융 풀 내 유동 해석.
  • 열전달 방정식을 적용하여 온도 분포 및 응고 해석.
  • 전자기력(Lorentz Force)과 Marangoni 효과를 포함하여 용접 풀 내 유체 흐름 모델링.
  • 경계 조건:
    • 상부: 아크 열입력(Heat Input), 복사 및 대류 열손실 고려.
    • 하부 및 측면: 고정 벽 경계 조건 적용.

시뮬레이션 변수 및 분석

  • 전류 150A, 전압 16V, 주파수 100Hz로 설정.
  • DCEP 비율(15%, 30%, 45%) 변화에 따른 용접 풀 형상 및 열입력 분석.
  • 열입력 효율(η_EN, η_EP, η_rel)을 변수로 하여 용융 풀 형상 비교.

주요 결과

열입력 효율 및 용융 풀 형상 비교

  • DCEP 비율이 증가할수록 용융 풀(FZ) 면적이 증가.
  • DCEP 비율 45%일 때 가장 넓은 용융 풀 형성, 이는 높은 열입력으로 인해 깊이와 폭이 증가하기 때문.
  • Marangoni 효과에 의해 표면 장력 변화가 용융 풀의 흐름을 유도.

DCEP 및 DCEN 비교

  • DCEP의 열입력 효율이 DCEN보다 상대적으로 높음(η_rel 증가).
  • 실험 결과와 비교했을 때, 시뮬레이션 결과가 유사한 패턴을 보이며, DCEP가 DCEN보다 더 깊고 넓은 용융 풀을 형성함.
  • DCEP 비율과 용융 풀 면적 간의 상관관계를 이용하여 열입력 효율을 역으로 추정 가능.

결론 및 향후 연구

결론

  • Flow-3D를 활용한 VP-GTAW 시뮬레이션이 실험과 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • DCEP의 열입력 효율이 기존 DCEN보다 높음을 입증, 이는 기존 아크 이론과 반대되는 결과이지만 실험적으로 검증됨.
  • DCEP 비율이 증가할수록 용융 풀 형상이 커지며, Marangoni 효과가 유동을 주도함.
  • 수치 해석을 통해 DCEP 열입력 효율을 실험 없이 간접적으로 추정할 수 있는 방법론을 제안.

향후 연구 방향

  • 다양한 용접 조건(전류, 전압, 극성 비율)에 따른 추가 연구.
  • 실험 데이터와 더욱 정밀한 비교를 통한 시뮬레이션 개선.
  • 레이저 용접, 하이브리드 용접과 같은 고출력 용접 공정으로 확장 적용 가능성 탐색.

연구의 의의

이 연구는 Flow-3D를 활용하여 가변 극성 아크 용접의 열입력 효율을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하며, 실험 없이 수치 해석만으로 최적의 용접 조건을 도출할 수 있는 가능성을 확인하였다.

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Molten Pool Behavior in the Tandem Submerged Arc Welding Process

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.

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