In the area of laser welding, numerous studies have been performed in the past decades using either analytical or numerical approaches, or both combined. However, most of the previous studies were process-oriented and modeled differently in conduction and keyhole welding. In this research, various heat source equation that have been proposed in previous studies were calculated and compared with the new model. This is to address the problem of predicting, by numerical means, the thermo-mechanical behaviors of laser spot welding for thin stainlness steel plates. A finite element code, ABAQUS is used for the heat transfer analysis with a three-dimensional model. Experimental studies of laser spot welding have also been conducted to validate the numerical models presented. The results suggest that temperature profiles and weld dimensions vary according to the heat source equation of the laser beam, For this reason, it is essential to incorporate an accurate description of the heat source.
Finite element method (FEM) and neural network were applied for predicting the bead shape in LSW (laser spot welding) of type 304 thin stainless steel sheets. The parameters of pulsed Nd:YAG laser spot welding such as pulse energy, pulse duration, sheet metal thickness and gap between sheets were varied for various experiments and numerical simulations. The penetration depth and nugget size of spot welds measured for specimens without gap were compared with the calculated results to verity the proposed finite element model. Sheet metal thickness, gap size and bead shape of the workpiece without gap were selected as the input variables for the back-propagation learning algorithm of neural network, while the bead shape of the workpiece with and without gap was considered as its output variable. Various combinations of stainless steel sheet metal thickness were considered to calculate the laser spot weld bead shape of the work piece without gap, which was then sued as the input variable of neural network to predict the bead shape for various gap sizes. This combined model of finite element analysis and neural network could be effectively applied for the prediction of bead shapes of laser spot welds, because the numerical analysis of lase spot welding for the workpiece with gap between two sheets is highly limited.
From the results of prediction of weld shape, mechanical analysis was performed for sheet metals. Because workpieces are heated locally by lase beam in the spot welding, the thermal fields being generated in joining area are highly non-uniform and change throughout spot welding cycle. During spot welding, plastic deformation, shrinkage and distortion accompany the thermal strains produced in the joining region. Consequently, residual stresses remain after spot welding is completed. Distortion in weld joint is caused by thermal stresses that are induced by non-uniform thermal expansion and contraction of adjoining base metals. The major contributing factors to this are the temperature fields developed in welded joint, yield strengths of the materials involved the thermal properties such as the expansion coefficient and diffusivity. Material subject to the welding cycle is postulated to be behaving as an elasto-plastic continuum, which obeys to an associated flow rule. Since the laser spot welding is performed in a few mili-seconds, the time-dependent creep effect is not taken into account. Thus, the time-independent plasticity model was adopted, for which an isotropic hardening rule was considered. The von Mises yield criterion is used to define the onset of yielding, and the associated flow rule to define the plastic strain rate when the stress reaches the yield surface. The high tensile residual stresses are induced in the welded joint due to a large thermal gradient in joining part. comparing the resultant residual stresses with yield point of the base metal, the magnitude of residual stresses was significant which could impair the mechanical properties of the joint. A post-heat treatment of mechanical loading method might be a consideration to decrease the level of residual tensile stresses in the welded joint. To verify the results of calculated thermal distortion, ESPI(Electronic Speckle Pattern Interferometry) was performed. The application of ESPI is well suited for measurement of out-of-plane of welded plates. Because speckle patterns are digitized, arithmetical operations such as subtraction between digitized speckle patterns are performed precisely and flexibly. The proposed finite element model could estimate displacement of thin stainless steel sheets precisely when the lase spot-weld is performed.
Despite numerous studies on laser welding techniques for large joint applications, only limited information is available for micro-scale joints such as optoelectronic applications in which the PWS in the important issue for package yield. Factors of joint geometry, lase parameters, beam-to-beam energy balance, angle of beam incidence, and material composition of the oint show various degrees of influence of th PWS. In this work I present experimental measurements and finite-element method(FEM) calculations to predict the lase weld shape and thermal distortion for a DIP type optoelectronic component which has high sensitivity to mechanical optical alignment and joint. This work has led to an understanding of the effect of lase energy variation and joint design on the PWS and thermal distortion which may provide the design guidelines to produce a reliable laser module with high yield and high performance.
레이저에 의한 재료가공의 방법은 금속의 표면경화, 금속의 용접, 여러 가지 금속과 비금속 재료의 절단과 천공, 반도체의 어닐링과 박판의 미소가공 등 매우 다양하다. 레이저빔은 광학부품으로 초점위치에 매우 큰 에너지를 유지시킬 수 있어 통상적인 방법보다 가공이 빠르고 부품의 내부에 열로 인하여 야기되는 열응력, 뒤틀림 및 균열 등을 방지할 수 있어 부품의 손상을 최소한으로 할 수 있고 복잡한 부품의 가공도 가능하다.
본 연구에서는 이러한 레이저의 특성을 이용한 재료 가공 중 최근 전자산업과 미세 부품의 접합에 있어서 응용이 활발한 레이저 용접에 관하여 이론적 실험적 해석을 시도하였다. 정확한 용접부를 해석하기 위하여 새로운 열원의 방정식을 고려한 FEM모델과 신경회로망을 이용한 용접부 예측 모델을 제안하였고, 소형부품의 레이저 용접시 발생하는 미세변형을 비접촉식으로 측정하기 위하여 ESPI(Electronic Speckle Pattern Interferometry) 시스템을 구성하여 이론적 해석 모델의 신뢰성을 확립하였다.
먼저 새로운 열원의 방정식을 제안하기 위하여 기존에 제시된 선행연구자들의 열원의 방정식을 이용하여 레이저 점 용접이 이루어 졌을때의 해석을 수행하였다. 레이저 점 용접은 레이저의 초점위치, 빔 펄스타임, 빔 에너지 변화에 매우 민감하게 반응하여 깊이용접(keyhole welding)과 열전도 용접(conduction welding)의 형태뿐 아니라 그 중간의 형태를 갖는 용접도 존재하면서 실험 조건에 따라 용접부의 급격한 변화를 야기시킨다. 기존의 열원의 방정식을 이용하여 해석한 결과는 이러한 변화를 반영하는 용접부의 예측예석에 있어 어려움이 있는 것으로 나타났으므로 미세용접부의 해석에 있어서는 부적절함을 알 수 있었다. 그래서 실제 레이저 빔에 의한 재료의 용접되는 현상을 고려한 새로운 열원의 방정식을 제안하게 되었고 이 식을 이용한 용접부의 결과는 실험결과와 매우 잘 일치하는 결과를 주었다.
두 판사이에 간극이 없는 경우에 대한 이러한 정확한 해석결과를 이용하여 간극이 있는 경우에 대한 용접부의 예측도 시도하였다. 일정한 간극을 두 판사이에 가하여 실험하고 제한된 실험으로부터 얻어진 데이터와 수치해석으로 얻어진 결과를 조합하여 신경회로망을 이용한 용접부의 예측도 수행하였다. 이러한 조합은 시편의 두께, 간극의 크기, 레이저의 공정변수의 변화등과 같은 여러 조건의 변화에 대해서도 매우 정확한 용접부의 예측 결과를 주는 것을 알 수 있었다.
또한 미세 접합부의 변형예측을 위하여 열해석으로부터 얻어진 결과를 바탕으로 열변형 해석을 수행하였다. 이것은 열원의 방정식에 따라 다른 결과를 나타내었는데 이것을 실제 실험 결과와 비교하기 위하여 ESPI법을 이용하여 변위의 분포와 이력(history)을 측정하였다. 결과는 레이저의 용접 원리를 반영한 새로운 열원의 방정식이 보다 정확한 결과를 주는 것을 볼 수 있었다. 이것은 정확한 변형의 예측을 위해서는 용접부의 형상뿐만 아니라 용접공정까지 고려한 열원의 식이 중요한 예측 조건이 되는 것을 말해주고 있다.
이러한 결과를 적용하기 위하여 레이저 용접이 실제 적용되는 광전자 부품(opto-electronic component)에 적용하기 위하여 소형모델을 제작하였다. 다이오드 레이저에서 나오는 광신호 전송을 위한 모듈(module)은 수 마이크로 이내의 열변형을 요구하므로 정밀한 용접이 요구되나 부품의 가격이 고가이므로 실험을 통한 조건의 선정뿐 아니라 변형예측에 어려움이 있다. 본 연구에서 제안한 식을 사용하여 해석한 결과는 실험후 단면을 현미경으로 관측하여 본 결과와 비교해 볼 때 겹치기 용접부의 형상뿐만 아니라 맞대기 용접부의 형태를 갖는 용접부에 있어서도 매우 정확한 예측결과를 주는 것을 알 수 있었다. 열해석과 함께 변형예측을 위한 기계적 해석을 통하여 레이저 용접이 이루어 지기전에 구조물에 분포하는 응력을 해석적으로 구하였다. 화이버의 지지대(tunnel)부분과 화이버를 감싸고 있는 튜브(ferrule)부분은 탄성력으로 지지되고 있으므로 이것을 고려한 기계해석이 먼저 이루어 지고 레이저 빔에 의한 열해석이 이루어 지도록 열전달과 응력이 커플된 수치해석 모델을 적용하였다. 레이저 용접이 이루어 지면서 동시에 ESPI법에 의하여 측정된 변위의 결과는 열변형의 정확한 예측이 이루어 지는 것을 보여줌으로써 소형구조물의 변형예측을 위한 FEM모델을 구성할 수 있음을 알수있었다. 이렇게 제안된 FEM모델을 이용하여 미세변형을 최소화하기위한 접합부의 설계를 할 수 있었으며 변형의 결과를 가지고 빔의 위치의 보정과 같은 공정변수의 조정을 가능하게 할 수 있었다.
본 논문에서 이루어진 연구는 점차 응용이 확대되고있는 전자산업에서 초소형제품의 접합에 응용되어 고비용의 실험을 대치하는 이론적 모델을 구성하는데 기여할 것으로 사료된다.
