초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 고휘도 레이저를 이용한 레이저-아크 하이브리드 용접 공정의 3차원 수치해석 및 가시화를 목표로 다음과 같은 세부 목표를 가지고 연구를 진행 하였다.
- 아크 용접의 현상 이해와 수치해석 및 가시화
- 고휘도 레이저 특성의 이해와 레이저 용접의 수치해석 및 가시화
- 박판부터 후판까지 다양한 두께에 대한 하이브리드 용접의 수치해석 및 가시화
- 용접공정 수치해석에서 가시화를 통한 용융풀 거동, 기공형성, 합금원소 분포 거동 등의 이해 및 매개변수 연구
연구결과
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연구의 목적 및 내용
본 연구는 고휘도 레이저를 이용한 레이저-아크 하이브리드 용접 공정의 3차원 수치해석 및 가시화를 목표로 다음과 같은 세부 목표를 가지고 연구를 진행 하였다.
- 아크 용접의 현상 이해와 수치해석 및 가시화
- 고휘도 레이저 특성의 이해와 레이저 용접의 수치해석 및 가시화
- 박판부터 후판까지 다양한 두께에 대한 하이브리드 용접의 수치해석 및 가시화
- 용접공정 수치해석에서 가시화를 통한 용융풀 거동, 기공형성, 합금원소 분포 거동 등의 이해 및 매개변수 연구
연구결과
- 아크 용접에서 아크 열원, 아크 압력, 전자기력, 표면장력, 부력, 차폐가스에 의한 항력과 같은 주요 요소들에 대한 기존모델의 비교검토를 통해서 용접변수의 변화가 용융풀의 형상, 결함형성, 합금원소 분포 등 용접부 품질에 미치는 현상을 3차원으로 가시화
- 고휘도 레이저 용접에서 레이저빔 특성을 고려하여 키홀 내부에서 빔이 반복적으로 반사되는 다중반사와 Fresnel 흡수, 금속의 증발압력, 레이저 유기 플라즈마에 의한 빔의 레일리산란 등을 고려한 수치해석을 수행하여 키홀의 안정성을 정량적으로 분석하고 키홀의 붕괴에 의해 생성되는 기포 및 기공현상을 3차원으로 가시화
- 키홀 깊이에 영향을 받지 않는 통합 모델을 제시하여 기존 연구에서 불가능했던 키홀 및 용융풀 형성 과정 모사의 완성
- 하이브리드 용접에서 앞에서 언급한 아크와 레이저 용접 모델을 통합하여 하이브리드 용접의 3차원 가시화를 완성
- 조선용 중후판에 대해 하이브리드 용접의 통합 수치해석 모델을 개발하여 고휘도 레이저를 이용한 하이브리드 용접의 3차원 가시화
연구결과의 활용계획
- 고휘도 레이저를 사용한 하이브리드 용접공정의 용접부를 적은 시간과 자금의 투자만으로도 효율적으로 예측할 수 있어 제품의 생산단가와 개발기간을 단축
- 실험에 의존했던 용접부 품질 평가를 해석을 통해 함으로써 산업체에서 정량화된 지표를 통해 일관된 제품 개발 가능
- 자동차용 박판의 용접에 적용하여 생산성 및 품질 향상 가능
- 조선 및 구조물의 중후판 용접에 적용하여 생산성 및 품질 향상 가능
- 다물리 현상을 가지는 용접 수치해석 분야에서 세계적 경쟁력 확보 가능

Abstract ▼

Purpose& contents
In this study, the three dimensional numerical analysis and visualization of high brightness laser-arc hybrid welding are completed according to following particular goals.
- Numerical analysis and visualization of arc welding based on understanding of arc welding phenomena

Purpose& contents
In this study, the three dimensional numerical analysis and visualization of high brightness laser-arc hybrid welding are completed according to following particular goals.
- Numerical analysis and visualization of arc welding based on understanding of arc welding phenomena
- Numerical analysis and visualization of high brightness laser welding based on understanding of characteristics of fiber and disk laser
- Numerical analysis and visualization of hybrid welding with various thickness steel plates
- Understanding of molten pool behaviour, pore generation, and alloying element distribution and parametric study by numerical simulations
Result
- In arc welding, after the important factors such as arc heat source, arc pressure, electromagnetic force, surface tension, buoyant force, arc plasma induced drag force are formulated, their effects on molten pool behavior, weld defects, and alloying element distribution can be analyzed and visualized.
- In high brightness laser welding, simulations are conducted considering the multiple reflection, Fresnel absorption, recoil pressure and scattering by laser induced plasma and keyhole stability and pore generations are analyzed and visualized.
- By developing integration model independent of keyhole depth, the processes of keyhole and molten pool can be expressed.
- In hybrid welding simulations, 3 dimensional visualization is conducted by integrating arc and laser models.
- In hybrid welding simulations which include high brightness laser, 3 dimensional visualization of thick plate for shipbuilding is conducted by developing integration model.
Expected Contribution
- Reduction of manufacturing cost as well as developing period because of effective prediction of weldment without considerable capital investment.
- High feasibility of consistent research and development based on numerically obtained quantitative index.
- Improvement of productivity and quality in thin plate welding for automobile
- Improvement of productivity and quality in thick plate welding for shipbuilding
- Assurance of international competitiveness in numerical simulation of multi-physical welding phenomenon.