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최근 레이저와 아크를 동시에 사용하여 용접 속도와 품질을 향상시킬 수 있는 하이브리드 용접 기술이 개발되어 활발히 연구가 진행되고 있다. 레이저와 아크를 동시에 사용하게 되면 각각의 열원이 서로 영향을 주어 새로운 용접 열원으로서 동작하게 되는데 특히 레이저에 의해서 발생하는 모재의 금속 증기는 아크 플라즈마의 안정화를 가져오는 것으로 알려져 있다. 또한 금속 증기 속의 이온과 전자가 아크 플라즈마의 음극점을 형성하는데 도움을 줌으로써 플라즈마의 국부적인 온도 상승을 가져오게 된다. 본 연구에서는 effective electrical potential 개념을 도입하여 이러한 현상을 해석하였고 용접 조건에 따른 플라즈마의 거동 변화를 시뮬레이션 하였다.

최근 레이저와 아크를 동시에 사용하여 용접 속도와 품질을 향상시킬 수 있는 하이브리드 용접 기술이 개발되어 활발히 연구가 진행되고 있다. 레이저와 아크를 동시에 사용하게 되면 각각의 열원이 서로 영향을 주어 새로운 용접 열원으로서 동작하게 되는데 특히 레이저에 의해서 발생하는 모재의 금속 증기는 아크 플라즈마의 안정화를 가져오는 것으로 알려져 있다. 또한 금속 증기 속의 이온과 전자가 아크 플라즈마의 음극점을 형성하는데 도움을 줌으로써 플라즈마의 국부적인 온도 상승을 가져오게 된다. 본 연구에서는 effective electrical potential 개념을 도입하여 이러한 현상을 해석하였고 용접 조건에 따른 플라즈마의 거동 변화를 시뮬레이션 하였다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 이러한 레이저에 의한 재료의 금속 증기 방출이 포함된 플라즈마 해석을 통해 아크 플라즈마가 어떻게 집중된 열원으로 작동하는지 이를 해석하고자한다.

가설 설정

• 금속 증기의 부분압은 가운데 지점에서 Fe의 성분이 100%가 되고 Ar의 성분이 0%, 형상의 경계 지점에서 Fe의 성분이 0%, Ar의 성분이 100%가 되게 하며 그 사이 영역에서는 선형적으로 감소하는 것으로 가정하였다.
• Anode의 변형은 생기지 않는다. 실제로는 레이저에 의한 금속 증기의 발생과 아크 플라즈마의 용융으로 인해 융융풀영역에서 변형(deformation)이 생기지만 낮은 전류의 아크에서는 녹는 영역이 적고 레이저에 의한 표면 변형도 무시할만하다고 가정하였다.
• 해석 영역에 레이저 유도 플라즈마의 형상을 고려하기 위해 그 형상을 가정하였는데 레이저 파워에 따라 발생하는 플라즈마의 폭(rd)은 레이저 spot의 size로 일정하게 하고 높이(lp)는 실제 실험 결과와 유사하게 정하였다. 이런 형상의 가정하에서 금속 증기의 성분비는 다음의 식으로 표현되는 Fe 와 Ar 의 부분압으로 나타내어진다 [5, 6, 7],

제안 방법

• 기본적인 지배 방정식으로 질량 보존, 에너지보존, 운동량 보존, 전류 연속 방정식을 사용하였으며 플라즈마의 성분이 순수 Ar에서 metal vapor가 포함된 혼합 성분으로 바뀌었으므로 금속 증기의 농도에 따른 전기 전도도의 변화를 고려하였다. 그 이외의 물성치는 식 (1)을 이용하여 부분압에 따라 그 성질이 달라지는 것으로 표현하였다.
• 레이저 아크 하이브리드 플라즈마의 해석을 통해 그 주요 변수에 따라 플라즈마의 온도가 어떻게 변하는지 시뮬레이션 하였다. 레이저에 의해 유도되는 금속 증기를 해석의 경계 조건에서 고려하기 위해 effective electrical potential을 도입하였으며 이것은 금속 증기가 플라즈마에 주는 효과를 전압의 형태로 대체한 것이다.
• 1과 같이 하였는데 이때 anode boundary에서 의 경계조건이 해석의 중요한 요소가 된다. 본 연구에서는 anode boundary에서 레이저에 의해 anode가 가열되어 이온화된 금속 증기의 형태로 방출될 때 이를 경계에서의 전위차 형성으로 생각하였다.
• 따라서 현상을 모사할 수 있는 물리적인 근거가 있는 가정을 통해 해석을 단순화하여야 한다. 해석의 용이성을 위해 먼저 참고 문헌을 기초로 레이저에 의해 발생되는 레이저 유도 플라즈마(laser induced plasma)를 가정하고 가정된 레이저 유도 플라즈마가 아크 해석의 영역과 경계에 어떤 영향을 주는지 파악하며 최종적으로 레이저의 금속 증기 발생에 의한 아크 플라즈마의 상태 변화를 시뮬레이션 하였다

성능/효과

• 플라즈마 온도 상숭이 보인다. 즉 레이저를 사용하여 금속 증기를 발생시킴으로써 아크 플라즈마의 국부적인 온도 상승 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
• 레이저에 의해 유도되는 금속 증기를 해석의 경계 조건에서 고려하기 위해 effective electrical potential을 도입하였으며 이것은 금속 증기가 플라즈마에 주는 효과를 전압의 형태로 대체한 것이다. 해석 결과를 보면 레이저가 조사되는 지점에서 플라즈마의 온도 상승을 확인할 수 있었다.

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