The formation and stability of stationary laser weld keyholes are investigated using a numerical simulation. The effect of multiple reflection in the keyhole is estimated using the ray-tracing method, and the free surface profile, flow velocity and temperature distribution are calculated numerically. In the simulation, the keyhole is formed by the displacement of the melt induced by evaporation recoil pressure, while surface tension and hydrostatic pressure oppose cavity formation. A transition mode having the geometry of the conduction mode with keyhole formation occurred between conduction and keyhole modes.
At laser powers of 500W and greater, the protrusion occurs on the keyhole wall, which results in keyhole collapse and void formation at the bottom. Initiation of the protrusion is caused mainly by collision of upward and downward flows due to the pressure components. Keyhole instability and sudden collapse in cooling stage are two main causes of void formation. In full penetration, the void does not occur in collapse of keyhole. Additional ramp power in cooling stage prevents sudden keyhole collapse, and induces the molten metal to flow down the keyhole wall to keyhole bottom and suppress void formation.
A heat source model for the laser keyhole welding is investigated using a three-dimensional Gaussian function and modified to include the effects of the gap and thickness difference for the laser welding. Keyhole depth, welding efficiency, power density distribution constant in the depth direction, gap factor and thickness difference factor are 5 parameters of heat source model. Keyhole depth of partial penetration is found to be same as penetration depth based on the numerical results. Penetration depth is obtained by $2^nd$ order curve fitting based on the experimental data. Welding efficiency is calculated by ray-tracing method on simplified keyhole. Power density distribution constant is affects on bead shape and does not be changed in same melting mode. In this study, power density distribution constant is determined based on the experimental data. The gap affects the welding efficiency such that the melting area decreases linearly with the gap. While thickness difference does not influence the melting area, bead width of the thick and thin plates vary depending on the thickness factor.
Full penetration is classified into the transition, normal and excessive mode because the welding efficiency changes depending on the degree of keyhole opening. Transition velocity between full penetration and partial penetration is calculated from penetration depth equation, and melting mode is predicted sequentially. After prediction of melting mode, heat source parameters are assigned to each melting mode properly and Thermal analysis is performed. The calculated results using the proposed heat source shows reasonably good agreements with the experimental results and appears to be applicable to the bead-on-plate, butt and tailored blank welding.
본 연구는 레이저 점 용접에서 발생하는 키홀의 거동을 수치 해석하여 키홀의 안정성과 기공 생성과정을 규명하였으며, FEM에 사용할 수 있는 열원 모델을 제안하여 다양한 조인트 형상에 대해 열해석을 수행하였다.
키홀은 증발 압력에 의해 형성되며, 키홀의 깊이와 용융부의 크기가 증가함에 따라 정수압과 표면장력에 의한 압력이 증가하여 키홀 내부의 용융 금속은 외부로 완전히 배출되지 못한다. 증발 압력에 의한 유동과 표면장력과 정수압에 의한 유동이 만나게 되면 키홀 벽면에서 돌출부가 발생하고, 다중반사에 의한 레이저 에너지가 돌출부에 집중되어 키홀이 붕괴된다. 이와 같은 키홀의 붕괴는 주기적으로 발생하므로 키홀은 항상 불안정하다.
레이저의 파워 밀도에 따라 열전도 모드와 키홀 모드가 발생하며, 키홀은 형성되지만 고액 경계면이 완만한 열전도 모드의 용융부를 갖는 천이 모드가 두 모드 사이에서 존재한다.
기공 발생의 유형을 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째 유형은 키홀의 부분적 붕괴에 의해 생성된 기공으로 천이 모드와 키홀 모드 모두에서 관찰 되며, 크기가 비교적 작은 특징을 갖는다. 두 번째 유형은 세장비가 큰 키홀 모드의 냉각과정에서 발생되는 기공으로 키홀 입구 부분의 용융 금속이 키홀 중심 방향으로 빠르게 붕괴되면서 발생한다. 기공의 크기와 냉각속도에 따라 기공의 배출 여부가 결정된다.
완전용입에서는 아랫면 비드가 외부로 노출 되어 있기 때문에 부분 붕괴에 의한 기공은 생성되지 않는다. 냉각과정에서 용융금속에 의해 키홀 입구가 막히면서 붕괴지만 키홀 내부의 기체들은 노출된 아랫면 비드 쪽으로 배출 되면서 기공이 생성 되지 않는다.
키홀 모드에서 발생하는 기공을 제거하기 위해서 레이저 파워의 차단 직후 Ramp 형상의 파워를 추가적으로 인가하여 용융 금속의 급격한 붕괴를 막고 키홀 벽면을 따라 순차적으로 흘러내리는 효과를 얻어 기공 생성을 억제 하는 해석적인 결과를 얻었다. 천이 모드에서도 추가적인 Ramp 파워의 인가를 통해 파워 차단 직후의 키홀 상태와 관계없이 기공을 감소 시키는 해석 결과를 얻었다.
레이저 용접에서 발생하는 용융 모드에 모두 적용할 수 있는 3차원 Gaussian 열원을 제안하였으며, gap 효과와 단차 효과를 고려할 수 있도록 하여 다양한 조인트 형상에 대해서 적용 가능 하다. 열원을 결정하는 열원 인자는 용융 깊이와 관련된 키홀 깊이, 용융량을 결정하는 용접 효율 상수, 비드 길이 및 단면의 용융 형상과 관련된 열원 밀도 분포 상수 등 3개의 기본 열원 인자와 gap과 단차를 고려하기 위해 추가적으로 도입한 열원 인자인 gap factor와 단차효과 factor등 총 5개의 인자로 구성된다.
용접 속도에 따라 부분용입 모드와 완전용입 모드가 발생하며, 부분용입의 경우 키홀 깊이가 주어지면 다중반사 효과와 키홀 불안정성을 고려한 용접 효율을 예측 할 수 있다. 완전용입의 경우 키홀 바닥의 열림 정도에 따라 용접 효율과 용융 형상이 달라지며 이러한 용융 특성을 고려하기 위해서 과도 모드, 정상모드, 천이모드의 3개 영역으로 구분 정의하였으며, 각 세부 모드에 대한 열원 인자를 선정하였다.
열원의 용접 효율과 열 분포 상수는 과도 모드, 정상모드 천이모드 부분용입 모드의 순서로 증가한다. 안정적인 완전용입을 얻기 위해서는 정상 모드를, 높은 생산성을 얻기 위해서는 이보다 용접 속도가 더 높으면서 완전용입이 발생하는 천이모드를 사용할 수 있다. 천이 모드에서 적절한 gap은 완전용입을 보장하는 효과를 가져온다.
부분용입의 용입 깊이를 용접 속도에 대한 3차원 근사식으로 가정하여 실험값에 대한 curve fitting 을 통해 예측하였으며, 근사한 용입 깊이 식을 이용하여 부분용입과 완전용입의 천이를 예측하였다. 완전용입의 세부 모드 중 천이모드는 천이 속도에서 1.0m/min 이내의 영역으로 결정하고, 과도 모드는 윗면비드와 아랫면비드의 비율이 0.8 이상인 영역으로 결정하였다. 이처럼 레이저 용접에서 발생하는 각 모드의 영역을 예측 가능하였다. 열원 모델을 이용하여 BOP, Butt, TB 용접에 대해 열해석을 수행하였으며, 10% 내외의 오차 범위에서 비교적 정확히 용융부의 예측이 가능하였다.
