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문제 정의
- 입열조건으로 펄스 레이저 빔에 대한 3차원 이동 열원모델을 설계하여 시뮬레이션에 적용시켰고, 빔 파워 변화에 따른 해석결과를 통하여 용접 중 재료의 온도분포 및 용융부를 예측하였고, 이를 실험적으로 비교.검증함으로써 해석적 방법을 통한 적정 용접조건 설정의 타당성을 검토하고자 하였다.
제안 방법
- 또한 Fig. 3(b)와 같은 주파수를 갖는 펄스 레이저 열원을 입열조건으로 주기 위하여 서브프로그램을 작성하였다. 이 서브프로그램을 이용하여 펄스의 형태 및 주파수 변화에 따른 다양한 입열조건을 해석에 적용시킬 수 있다.
- 6은 기준 용접시편의 용융부 단면(a)와 동일 조건의 해석결과(b)를 나타낸 것이다. 그 크기를 비교했을 때 용융부 표면직경과 깊이가 서로 거의 일치하였고, 그 때 용접해석의 열원 조건을 가지고 펄스형 레이저 열원의 형상변수 (Re=0.3, Ri=0.1, Ze=0.0, Zi=-0.65) 및 최대 에너지밀도 (Qo=1300W/mm3)< 결정함으로써 열원을 모델링하였다. 이렇게 하여 결정된 열원의 형태에서 빔 파워를 변화시켜 해석함으로 열원을 결정할 수 있다.
- 펄스형 Nd:YAG 레이저의 열원 각부 치수, 빔 파워 및 속도, 펄스 주파수 등의 입열조건을 변화시키며 시뮬레이션 할 수 있는 서브프로그램을 작성하여 해석에 적용시켰다. 그리고 냉각조건으로 복사에 의한 열전달과 상온의 공기와 가열된 용접재료 사이의 대류 열전달이 고려된서 브프로그램을 작성 하였 다.
- 설계하였다. 다음으로 설계된 열원을 해석에 적용시켜 펄스 레이저 용접의 빔 파워 및 속도 변화에 따른 용융부 및 용접소재의 온도변화를 예측하고, 동일조건의 실험시편 용융부와 비교분석하여 예측된 결과를 검증하였다.
- 5W의 조건변화로 실험하였다. 또한 펄스레이저 빔파워 27.5W, 용접속도 1, 1.5, 2mm/sec로 실험하여 해석결과와 비교분석하였다.
- 본 연구에서는 상용유한요소 프로그램인 MARC 를 이용하여 펄스 레이저 용접을 시뮬레이션 하였고, 그 결과를 동일조건의 실험과 비교분석하였다. 입열조건으로 펄스 레이저 빔에 대한 3차원 이동 열원모델을 설계하여 시뮬레이션에 적용시켰고, 빔 파워 변화에 따른 해석결과를 통하여 용접 중 재료의 온도분포 및 용융부를 예측하였고, 이를 실험적으로 비교.
- 실험조건은 Table 1과 같다. 빔의 포커스를 조사표면에 일치시켰고 빔 파워 및 속도를 변화시키며 실험하였다. 빔파워 20W로 용접된 시편을 이용하여 열원을 모델링하였고 22, 27.
- 빔의 포커스를 조사표면에 일치시켰고 빔 파워 및 속도를 변화시키며 실험하였다. 빔파워 20W로 용접된 시편을 이용하여 열원을 모델링하였고 22, 27.5W의 조건변화로 실험하였다. 또한 펄스레이저 빔파워 27.
- 상용 유한요소 프로그램인 MARC를 이용하여 AISI 304 스테인리스 강판의 펄스 레이저 용접에 관한 유한요소 해석을 하였고 용접실험과 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 상용유한요소 프로그램인 MARC 를 사용하여 펄스 레이저 용접에 관한 시뮬레이션 하였으며, 전체적인 해석과정은 Fig. 1과 같다.
- 열원 모델의 형상변수(Ze, Zi, Re, Ri)값을 결정하기 위해 입열조건에서 빔파워를 고정변수(20W) 로 놓고 형상변수 값들을 변화 시키면서 시뮬레이션 하였다. 수회의 해석과정에서 용접 시편과 시뮬레이션 결과를 비교분석하여 용융부의 형상이 거의 일치되는 조건에서 열원 형상변수 값을 결정한다.
- 다음으로 용융부 크기가 서로 잘 일치되는 레이저 빔의 최대 에너지밀도(Qo)를 결정한다. 이렇게 설계된 열원을 이용하여 빔파워 변화 (22W, 27.5W)에 따른 열해석을 하고 동일 조건의 용접 시편과 비교분석하여 열원모델의 적합성을 검증하였다.
- 입열조건으로 펄스 레이저 빔에 대한 3차원 이동 열원모델을 설계하여 시뮬레이션에 적용시켰고, 빔 파워 변화에 따른 해석결과를 통하여 용접 중 재료의 온도분포 및 용융부를 예측하였고, 이를 실험적으로 비교.검증함으로써 해석적 방법을 통한 적정 용접조건 설정의 타당성을 검토하고자 하였다.
- 있다. 펄스형 Nd:YAG 레이저의 열원 각부 치수, 빔 파워 및 속도, 펄스 주파수 등의 입열조건을 변화시키며 시뮬레이션 할 수 있는 서브프로그램을 작성하여 해석에 적용시켰다. 그리고 냉각조건으로 복사에 의한 열전달과 상온의 공기와 가열된 용접재료 사이의 대류 열전달이 고려된서 브프로그램을 작성 하였 다.
- 해석과 정은 동일조건의 용접시뮬레이션과 실험 시편의 용융부 단면크기를 비교분석함으로써 열원의 형상변수(Ze, Zi, Re, Ri) 및 최 대 에너지밀도(Qo) 값을 결정하여 이동형 3차원 가우시안 열원을 설계하였다. 다음으로 설계된 열원을 해석에 적용시켜 펄스 레이저 용접의 빔 파워 및 속도 변화에 따른 용융부 및 용접소재의 온도변화를 예측하고, 동일조건의 실험시편 용융부와 비교분석하여 예측된 결과를 검증하였다.
대상 데이터
- Nd:YAG 펄스 레이저 용접기 (SUMITOMO 사 JK701)를 사용하여 가로 60mm, 세로 50mm, 두께 1 mm의 AISI 304 스테인리스 강판을 맞대기 용접하였다. 실험조건은 Table 1과 같다.
성능/효과
- (1) AISI 304 스테인리스 강판의 용접실험과 유한요소 해석결과의 비교분석을 통해 펄스 레이저빔 조건설정에 유용한 열원 모델을 설계하였으며, 열 해석결과는 동일조건의 실험과 잘 일치되었다.
- (3) 빔속도에 따른 열 해석결과를 통해 용융부의 중첩도 및 유효 용접 깊이가 예측됨으로써 빔속도와 파워의 상호관계가 정립될 수 있고 이를 이용한 펄스 레이저 용접조건설정은 실제 현장에서도 유용할 것이다.
- AISI 304의 용융온도 1440°C를 기준으로 나타낸 Fig. 5(a)의 온도분포를 통해 열영향부가 용융부 주변의 좁은 범위에서 형성됨이 예측되었고 이는 Nd:YAG 펄스 레이저용접이 협소한 열영향부를 갖는 특징과 잘 일치되었다. 또한 열원이 일정 펄스 주파수를 가지고 이동하므로 Fig.
- Fig. 13은 Fig. 11, Fig. 12와 동일조건에서 빔 속도만을 2mm/sec로 변화시킨 결과로서 해석의 용융부 사이 간격은 0.4mm로 실험과 일치되었으며 레이저 빔 조사표면에서 용융부의 중첩도는 약 51%로 예측되었고 실험결과는 약 48%였다.
- 11에서와 같이 펄스 주파수가 같기 때문에 용융부 사이 간격은 일치되었다. 그리고 해석을 통해 예측된 용융부의 중첩도는 약 63%, 실험시편 용융부들의 충첩도는 약 59%로 비교적 잘 일치되었다.
- 10에서 용접시편 단면(a)와 동일조건의 해석 결과(b)를 비교했을 때, 실제 용접부와 약간의 형상 차이가 있으나 직경과 깊이는 비교적 잘 일치함을 볼 수 있다. 따라서 빔 파워 변화에 대한 실험과 해석결과를 검토해 볼 때 본 연구 방법은 용접변수 변화에 따른 적정 레이저 빔 조건 설정에 있어서 매우 유용할 것으로 생각된다.
- 위의 Fig. 11〜13에서 빔속도가 1, 1.5, 2mm/sec로 증가함에 따라 용융부의 간격이 넓어짐을 확인할 수 있었고 예측된 용융부의 유효깊이, 사이간격 등의 값은 실험을 통해 검증되었다. 따라서 펄스레이저 용접조건 설정에서 주어진 빔 파워에 적합한 속도설정도 열해석을 통해 가능할 것으로 생각된다.
후속연구
- (2) 빔 파워 및 속도변화에 대해서 설계된 열원 모델을 이용한 용융부 및 온도분포 예측은 실험을 통해 검증됨으로써 본 연구방법은 펄스 레이저 용접 변수변화에 따른 레이저빔의 적정조건 설정에 유용할 것이다.
- (4) 용접시편과의 용융부 단면 형상차이로 열원 모델의 재수정이 요구되며 이를 위한 새로운 열원 형태의 구상, 열원의 수학적 표현, 서브프로그램 작성 등이 필요할 것으로 생각된다.
- 5, 2mm/sec로 증가함에 따라 용융부의 간격이 넓어짐을 확인할 수 있었고 예측된 용융부의 유효깊이, 사이간격 등의 값은 실험을 통해 검증되었다. 따라서 펄스레이저 용접조건 설정에서 주어진 빔 파워에 적합한 속도설정도 열해석을 통해 가능할 것으로 생각된다. 그리고 충첩도가 3~5%정도 차이가 남을 볼 수 있는데 이는 해석과 실험의 용융부 단면 형상차이에 기인한 것으로 생각된다.
- 7의 해석 결과를 비교하면 빔파워 증가와 재료 가열정도의 상호관계를 추정할 수 있다. 따라서 해석결과는 용접조건의 설정에 매우 유용할 것이다.
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