The phase changing problem at the liquid-solid interface that occurs during the stationary GTA welding has been studied, by considering the four driving forces for weld pool convection, i.e., the electromagnetic force, the buoyancy force, the aerodynamic drag force, and the surface tension force at the weld pool surface. It was found that the effect of the buoyancy force was small, but that the aerodynamic drag force and the electromagnetic force might have a strong effect on the weld pool convection. Particularly when dσ/dT is positive, as can occur in the presence of minor elements, both the surface tension force and the electromagnetic force promote heat transfer from the heat source to the weld pool bottom, and thus produce a deep weld penetration. But when the aerodynamic drag force is included, the surface tension effects of the minor elements were negligibly small.
This study is also concerned with the effect of weld pool surface deformation on the weld penetration under the arc pressure. For the welding current of 100 A the shape of liquid-solid interface is little affected by the weld surface deformation. However, when the weld pool surface is deformed for the welding current of 200 or 300 A, it encourages the conductive heat transfer from the arc to the liquid-solid interface. But, as the weld surface deformation is serious, the aerodynamic drag force becomes dominant in the weld pool convection, thus impeding the flow induced by the electromagnetic force, and producing a shallow weld penetration.
In the numerical simulation, difficulties associated with the irregular shape of the deformed weld pool surface and the moving liquid-solid interface have been successfully overcome by adopting a Boundary-Fitted Coordinate system. This method also can be applied effectively to this transient weld pool development problem with the phase change condition.
To provide a basis for comparison and to guide the development of the numerical model, experiments were run for the stationary weld pool. As a result, we could see that the wider and shallower weld pool shapes were formed with the longer arc length or with the decrease of the electrode tip angle. Although slight disagreement arose, the calculated ad the observed weld pool shapes were in reasonable accordance.
로보트등을 이용한 용접공정의 자동화 및 우수한 기계적성질을 갖는 용접부를 얻기 위한 최적의 용접조건을 설정함에 있어서 용접부에서의 열전달 및 유체유동현상에 대한 연구는 필수적이다. 본 연구에서는 용융부와 고체의 경계면과 같은 불규칙한 형상을 갖는 이동경계면 (Moving Boundary) 과 플라즈마 제트 (Plasma Jet)에 의해 변형된 용융부 표면에서의 해석상의 어려운 점들을 해결하고, 이동경계면에서 발생하는 상변화 (Phase Change)에 의한 잠열(Latent Heat) 의 영향을 보다 정확하게 고려하기 위해 일반적인 직교좌표계를 이용하지 않고 경계밀착 좌표계 (Boundary-Fitted Coordinate)를 이용하였으며, 유한차분법에 의한 수치해석을 수행하였다.
용융부의 형성은 열전도만에 의하지 않고, 자연대류(Buoyancy Force), 전자기력(Electromagnetic Force) 그리고 자유표면에서의 표면장력 (Surface Tension Force) 및 플라즈마 제트에 의한 항력(Drag Force) 등으로 인하여 발생하는 용융금속의 유동에 의해 많은 영향을 받았다. 특히 전자기력은 용융부 표면에서의 용융금속을 반경방향의 중심을 향하여 이동하게 하므로써, 축중심에서 아랫방향으로의 유동을 유도하여 용입을 깊게 하는 효과가 있었다. 그리고 용융부의 표면에서는 표면장력과 항력이 작용하는데 이 중 표면장력은 용융부의 표면에서의 온도구배에 의해 발생하는 힘이며, 항력은 아-크(Arc) 내에서의 플라즈마의 유동에 의해 형성되는 힘이다. 용융부의 표면에서 전단응력을 형성하므로써 용융부 내부에서의 유동을 유발하는 점에서는 두 힘이 유사하다고 할 수 있겠으나, 항력의 경우에는 그 힘의 영향이 용융부의 중심에서도 나타나기 때문에 용융부의 중심에서보다 용융부의 가장자리에서 용입(Penetration)이 오히려 깊어지는 결과가 되었다. 또한 이러한 용융부의 형태는 본 실험을 통하여서도 실제적으로 나타났으며, 특히 아-크 길이(Arc Length)가 길어짐에 따라 항력의 분포가 넓어지므로써 이러한 경향이 두드러졌다.
용접전류가 100 A인 경우에는 용융부의 표면 위에 작용하는 플즈마 제트에 의한 용융부 표면의 변형이 용입량에 미치는 영향은 미미했으나, 용접전류 200-300A의 경우에는 매우 컸다. 이것은 용융부 표면의 변형이 심해짐에 따라 항력이 용융부의 유동에 지배적으로 작용하여 용입의 깊어짐을 저지하기 때문이다.
따라서 용융부에서의 유체유동은 용입깊이, 용융부의 폭, 용접부의 형상 및 용접부 부근에서의 온도구배에 의한 미세조직(Micro-Srtucture)의 변화에 따른 용접부의 기계적성질 등에 많은 영향을 미치므로 자동용접공정 등의 설계에 있어서 반드시 고려되어야 할 것이다.
