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문제 정의
- 레이저 용접 실험은 간극 인자와 두께 차이 인자의 값을 결정하고 열원 모델을 이용한 수치 해석 결과를 검증하기 위해 수행하였다. 맞대기 용접과 TB 용접을 위해 출력 6kW인 TEM01* 모드의 CO2 레이저를 사용하였다.
제안 방법
- (1) 간극 인자와 두께 차이 인자를 이용하여 기존의 3차원 가우시안 열원을 보완하였으며, 이를 맞대기 용접과 TB 용접의 완전용입 모드에 적용하였다.
- 판재의 두께가 다르지만 키홀 깊이 h를 후판 두께와 일치시키고, 열원밀도 인자 a는 맞대기 용접의 값을 사용하였다. TB 용접에서 박판과 후판에 인가되는 레이저의 열량에 따라 용号 형상이 변화하기 때문에 본 연구에서는 박판과 후판에 흡수되는 열은 분리하고 박판의 입열량에 가중치 (weight factor)를 부가하여 판재에 인가되는 열량의 비율을 조절하였다.
- 간극의 효과를 고려하기 위해 두께 1.6, 2.3, 3mm인 판재를 이용하여 맞대기 용접을 하였으며, 최대 간극은 0.4mm이다. 용접속도는 완전용입이 발생하는 용접 속도인 3~8m/min 범위에서 lm/min단위로 변화시켰다.
- 레이저 키홀 용접에서 간극과 두께 차이의 영향을 고려한 열원을 이용하여 열해석과 실험을 수행하였으며, 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 맞대기 용접에 비해 TB 용접의 흡수율이 감소하며, 두께 차이에 의해 감소되는 용접 효율을 ray-tracing 방법으로 결정하면 등가 용접 효율을 다음의 식으로 구하였다.
- 앞에서 언급한 바와 같이 TB 용접에서 키홀이 비대칭 형상이므로 다중반사 효과가 감소한다. 맞대기 용접에서 정상 모드의 용접 효율은 50%이지만, ray-tracing 방법으로 계산하면 TB 용접의 용접 효율이 맞대기 용접에 비해 20% 정 도 감소하므로 TB 용접의 용접 효율로 40%를 사용하였다.
- 를 사용하였다. 맞대기 용접은 용접선을 중심으로 대칭이므로 한쪽 부분의 온도를 계산하였고, TB 용접의 경우에는 판재의 두께가 다르기 때문에 판재 전체의 온도를 계산하였다. 수치해석 결과를 이용하여 열원 모델의 인자들이 용접부 형상에 미치는 영향을 분석하고 계산 결과와 실험 결과를 비교하여 제안한 열원 모델의 타당성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 선행 연구에서 제안한 3차원 가우시안 열원 모델을 간극과 두께 차이의 영향을 포함할 수 있도록 보완하였으며, 실험을 통하여 측정한 용접부의 형상을 이용하여 열원의 인자를 결정하였다. 수정된 열원을 이용하여 완전용입 모드의 용접부 형상을 계산하였으며, 실험 결과와 비교하여 제안한 열원 모델의 타당성을 검증하였다.
- 판재 사이의 간극이 레이저의 초점 직경보다 크면, 대부분의 레이저 빔은 간극을 통과하기 때문에 판재에 흡수되는 양은 크게 감소하여 0에 가깝게 된다. 실험 결과로부터 간극과 초점 직경의 비율에 따라 흡수율이 증가하기 때문에 본 연구에서는 간극과 흡수율의 관계를 선형적이라고 가정하여 아래와 같이 열원 모델을 보완하였다.
대상 데이터
- 용접속도는 완전용입이 발생하는 용접 속도인 3~8m/min 범위에서 lm/min단위로 변화시켰다. TB 용접은 두께 1.4와 0.7mm인 판재를 사용하였으며 최대 간극은 0.4mm이다. 레이저 빔의 초점을 후판의 윗면에 위치시켜 용접하였으며, 용접 속도는 4~9m/min 이다.
- 6을 사용하였다. 간극 인자는 판재 두께의 변화에 크게 영향을 받지 않기 때문에 TB 용접에서도 맞대기 용접의 간극 인자 상수값인 1를 사용하였으며, 키홀 깊이 h는 최대 용융 깊이인 후판의 두께 1.4mm로 선정하고, Ft의 값으로 1을 사용하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 TB 용접에서 키홀이 비대칭 형상이므로 다중반사 효과가 감소한다.
- 맞대기 용접과 TB 용접을 위해 출력 6kW인 TEM01* 모드의 CO2 레이저를 사용하였다. 길이 300m인 SAPH370 강판을 시편으로 사용하였으며, 강판의 물성치를 Table 1에 정리하였다. 보호가스로 헬륨 가스 (15 liter/min) 를 사용하였으며, 레이저 빔의 초점을 용접선 중심부의 표면에 위치시켰다.
- 레이저 용접 실험은 간극 인자와 두께 차이 인자의 값을 결정하고 열원 모델을 이용한 수치 해석 결과를 검증하기 위해 수행하였다. 맞대기 용접과 TB 용접을 위해 출력 6kW인 TEM01* 모드의 CO2 레이저를 사용하였다. 길이 300m인 SAPH370 강판을 시편으로 사용하였으며, 강판의 물성치를 Table 1에 정리하였다.
- 길이 300m인 SAPH370 강판을 시편으로 사용하였으며, 강판의 물성치를 Table 1에 정리하였다. 보호가스로 헬륨 가스 (15 liter/min) 를 사용하였으며, 레이저 빔의 초점을 용접선 중심부의 표면에 위치시켰다.
데이터처리
- 본 연구에서는 선행 연구에서 제안한 3차원 가우시안 열원 모델을 간극과 두께 차이의 영향을 포함할 수 있도록 보완하였으며, 실험을 통하여 측정한 용접부의 형상을 이용하여 열원의 인자를 결정하였다. 수정된 열원을 이용하여 완전용입 모드의 용접부 형상을 계산하였으며, 실험 결과와 비교하여 제안한 열원 모델의 타당성을 검증하였다.
- 맞대기 용접은 용접선을 중심으로 대칭이므로 한쪽 부분의 온도를 계산하였고, TB 용접의 경우에는 판재의 두께가 다르기 때문에 판재 전체의 온도를 계산하였다. 수치해석 결과를 이용하여 열원 모델의 인자들이 용접부 형상에 미치는 영향을 분석하고 계산 결과와 실험 결과를 비교하여 제안한 열원 모델의 타당성을 검증하였다.
이론/모형
- 간극의 영향을 고려한 열원식인 식(2)에서 용접 효율과 열원밀도 인자의 값은 선행 연구에서 사용한 비드 용접의 값을 사용하였다. Fig.
- 제안한 3차원 가우시안 열원을 이용하여 용접부의 온도를 계산하였으며, 계산을 위해 3차원 유한차분법(Finite Difference Method, FDM) 코드인 EL3D7)를 사용하였다. 맞대기 용접은 용접선을 중심으로 대칭이므로 한쪽 부분의 온도를 계산하였고, TB 용접의 경우에는 판재의 두께가 다르기 때문에 판재 전체의 온도를 계산하였다.
성능/효과
- (2) 간극의 크기에 비례해서 용융량이 선형적으로 감소하기 때문에 간극은 용접 효율을 감소시키는 역할을 하며, 간극 인자의 상수인 ag는 판재 두께에 크게 영향을 받지 않는다. 적당한 간극이 존재하면 완전용입 비드를 안정적으로 얻을 수 있지만, 과도한 간극은 용용량이 감소하여 용접 품질을 감소시킨다.
- (4) 제안된 레이저 열원 모델을 이용하여 맞대기 용접과 및 TB 용접의 용접부 형상을 10% 오차 범위 내에서 비교적 정확히 예측하였다.
- Fig. 6(b) 의 아랫면 비드 형상으로부터 간극이 없는 경우에는 불규칙적인 부분용입이 발생하지만, 0.05mm의 간극이 존재하면 균일한 완전용입 비드를 얻을 수 있었다. 실험에 사용한 용접 속도가 비드 용접의 천이 모드에 해당하는 속도이기 때문에 간극이 0인 경우에는 부분적으로 부분용입이 발생하지만, 간극이 존재하면 간극에 의해 키홀 아랫면의 열린 상태가 유지되기 때문에 안정적인 완전용입이 발생하는 것으로 판단한다.
- ) 를 증가시켜 용접 품질을 향상시키려면, 간극을 줄이거나 용융량을 증가시켜야 하며. 판재의 두께가 증가할수록 비드 두께비가 감소함을 알 수 있다.
후속연구
- 15mm로 증가하면 용융량이 충분하지 못하여 비드 두께가 급격한 변화한다. 계산 결과는 용접부의 고액 경계면을 비교적 정확하게 예측하기 때문에 비드의 형상에 의한 TB 용접의 용접 품질을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 판단한다.
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