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문제 정의
- GMA 용접에서 용융지의 형상은 운동량과 용융된 용접봉에서 용적(droplet) 흐름의 특별한 분배를 결정함으로서 나타낸다. 본 연구에서는 열입력 분포를 중앙원형 단면에 균일한 용적 온도 및 아크와 동일한 원형면적에 아크열 소스로 묘사하였다. 또한 용융된 용접봉이 정규 (gaussian) 분포 속도를 가지고 용융지 표면으로 이송된다고 가정하였다.
- 본 연구에서는 용융풀의 거동을 분석하기 위한 수학적인 모델을 개발하였다. Fig.
- 본 연구에서는 용접부의 품질을 좌우하는 용융풀의 형상을 분석하기 위한 컴퓨터 프로그램을 개발하였고 이를 통해 용융풀에 작용하는 구동력인 중력. 표면장력.
- 용융풀의 형상을 결정짓는 변수로는 마랑고니 효과(marangoni effect)에 의한 표면장력, 표면 양쪽의 압력, 중력, 전자기력, 부력 등이 있다. 실제로 용융풀에서는 유동이 발생하기 때문에 이들이 풀 형상에 영향을 주지만 이에 대한 해석은 매우 복잡하고 많은 시간을 요하므로 온도 해석을 통해 결정된 용융 영역을 해석경계로 하여 용융풀의 표면 형상 해석을 수행하고자 하였다.
가설 설정
- (1) 유체의 흐름을 뉴턴(Newtonian) 및 비압축성으로 가정한다.
- (3) 모델에 적용되는 금속의 물성치는 상수로 취급한다.
- (5) 문제를 단순화하기 위해 용융풀 표면의 변형은 고려하지 않는다.
- 스위프 수는 초기추정, 재료의 상태량, 세밀하게 조정한 완화변수와 같은 변수들에 의존하는 수렴한 해를 달성 시킨 것이다. 계산은 언제 다음시간 단계로 갈 것인지를 결정하는 기준오차는 온도를 계산하기 위하여 10-9로 가정하였다.
- 본 연구에서는 열입력 분포를 중앙원형 단면에 균일한 용적 온도 및 아크와 동일한 원형면적에 아크열 소스로 묘사하였다. 또한 용융된 용접봉이 정규 (gaussian) 분포 속도를 가지고 용융지 표면으로 이송된다고 가정하였다. 분포 속도는 반복계산 방법으로 용융지 표면에 유체요소의 속도를 수렴하여 삽입하였다.
- 용가재에 의해서 생성된 비드위에 열원이 계속 가해지면 모재의 용융부는 점점 크게 형성되고 비드와 모재의 용융부는 모두 액체상태이므로 응집력에 의해서 합쳐지게 된다. 실제로 이 부분에 나타나는 물리적 현상은 에너지가 최소화되는 방향으로 두 액체가 합쳐지나 위와 같은 현상을 해석하는데 많은 난점이 있어서 본 연구에서는 용융된 비드가 용융상태의 모재쪽으로 응집력에 의해서 합쳐진다고 가정하였으며, 이를 비드형상 예측을 위한 경계조건으로 사용하였다.
- 여기에서, 정상유동과 전기전도도는 상수로 가정하였다. Ampere 법칙에 의한 자기장에 관한 식은 다음과 같이 나타내어진다.
- 중력은 온도에 의존한 밀도에 의하여 발생되며, 낮은 온도 지역에서는 상승하고, 높은 온도지역의 무거운 액체는 용융풀이 용접아크에 의하여 형성된다. 일반적으로 중력은 잘 알려진 보시네크(Boussinesq) 근사법으로 온도에 의존하는 분배체적력으로 가정하여 계산한다.
- 전계는 준정상상태로 가정하였다. 선형 단열 전도체에 대하여 Ohm 법칙에 의하여 주어진 전류밀도는 다음과 같이 나타낸다.
- 최근까지 주로 용융풀(weld pool)과 관련된 연구는 주로 가스텅스텐아크(GTA)용접에 국한되어 있거나, 가스금속 아크(GMA)용접의 경우 아크압력이 비드형상을 결정하 는데 미치는 영향이 중력에 비하여 무시할 만큼 작다고 가정하고 용융풀 모델링을 수행하였다. 용접부의 크기와 용접 부 형상과의 관계를 실험적으로 결정하기 위해 실제적인 데이터로 사용할 수 있지만 여기서 사용된 용접조건은 아크전압, 용접전류 그리고 용접속도 등과 같은 실제적인 값들이 아니므로 다양한 용접공정변수에 따른 용접부 형상을 예측 하기란 매우 어렵다.
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