Characterization of partial penetration welding was carried out with a fiber laser at 9 kW laser power on 20 mm thick plates in different positions using both experimental and numerical methods. Experiments were carried out using a 9 kW laser at four different angular positions at 1.5 m/min welding speed. All four cases showed a tail like structure of molten pool on the top surface. The in-depth mechanisms of the energy input characteristics for fiber laser position welding at eight different positions were studied using numerical simulation, using the Volume of Fluid (VOF) method. Experimental and numerical results were compared for four cases and they showed fair agreement. Observation of the flow pattern and bead shape revealed that gravity had little influence on the bead shape and flow structure, but changed the pore structure considerably. Flow structure showed a periodic behavior which is probably the reason the effect of gravity was cancelled in position welding. Most of the laser rays reached the bottom of the keyhole without interruption and then multiple reflections started within the key-hole. The first five reflections inside the keyhole delivered around seventy percent of the total energy.
In order to simulate the fiber welding phenomenon at higher powers, additional consideration of vapor-plume heating is very important, and a model was proposed to improve the simulation of the vapor-plume heat source by utilizing the energy gained from vaporization as re-condensation flux. A total of 90% re-condensation was considered, based on recent available experimental results. The energy lost by vaporization was redistributed as re-condensation flux, which increased linearly from the bottom of the keyhole towards the opening of the key-hole. It was found that the vapor plume is especially effective in widening the bead at the upper surface. The resulting model appears to improve the modeling capability of simulations, especially for high laser power, of 18.8 kW.
The work on partial penetration welding was then extended for full penetration laser-GMA hybrid welding with GMA leading and trailing configuration. It was found that the molten pool at the lower surface is longer than the molten pool at the upper surface. The addition of GMA made the upper bead wider, and this effect was more prominent in the case of GMA trailing. Experimental results showed that leading and trailing configuration of GMA had greater influence on the bead shape, compared to the gap in between the plates. The simulation results also showed a similar trend of bead shape change in the case of GMA leading and trailing configuration.
Mixing behavior of the incoming filler wire and base metal was also evaluated by both experimental and simulations and compared. In the GMA leading configuration the mixing was more in the upper part of the bead while in GMA trailing a deeper mixing was observed in the case of welding without a gap. Simulation results show that this difference in mixing behavior is due to flow patterns. The laser is the main source providing full penetration and forms a molten pool on the upper and root surfaces. In the GMA leading configuration, the incoming filler wire does not disturb the upper surface molten pool, but in the GMA trailing configuration, the incoming molten pool directly impinges on the upper surface molten pool and thus introduces a flow pattern opposite to the flow pattern of the laser.
본 연구는 고출력 레이저를 이용한 파이프 용접에 대한 현상을 수치해석적인 분석을 통해 체계적인 분석을 진행 한 내용을 담고 있다. 최근의 디스크와 파이버 레이저를 이용한 레이저 용접기술의 진보에 의해 의해 현장에서의 고출력 레이저 파이프 용접 공정이 가능해졌다. 파이프 용접은 레이저 공정의 쉽지 않은 조건인 대기에서의 고출력을 이용한 후판용접조건을 말한다. 이러한 공정의 수치해석적인 연구는 실험적인 연구와 비교하여, 완전용입과 부분용입 조건에서의 유체 유동 및 열 전달 특성을 분석할 수 있는 점과 비용적인 측면에서 서의 이점을 가지고 있다.
레이저 용접에 대한 수치 해석적인 계산은 질량 보존 방정식, 운동량 보존 방정식 (나비에-스톡스, Navier-Stokes), 에너지 보존 방정식과 VOF(Volume-Of-Fluid) 방정식의 기본형태를 통해 진행되었다. 상용 소프트웨어인 FLOW3D 를 통하여, 열 전달과 유체의 유동은 계산되었으며, 용접 공정 중 자유표면의 추적은 다음의 가정과 단순화를 통하여 진행되었다. 용융금속은 비압축성 층류유동을 가지는 뉴턴 유체로 가정하였으며, 키홀의 자유표면을 추적하기 위하여, VOF 방정식과 함께 광선 추적 기법과 키홀 내부에서의 다중 반사 현상을 수식화 하여 사용하였다. 레이저의 빔의 에너지 분포는 키홀 입구에서 가우스(Gaussian) 분포를 띄는 것으로 가정하였다. 레이저 빔이 키홀에 입사 될 때 레이저의 다중 반사 현상은 프레넬 흡수(Fresnel absorption) 모델과, 하겐-루벤 단순화(Hagen？Ruben’s simplification)를 통해 계산하였다. 금속의 용융 천이 영역(mushy zone)의 거동은 카르만-코제니 방정식(Carman？Kozeny equation) 이 사용되었다. 가스와 플라즈마의 영역은 고체와 액체상태의 금속 대비 매우 낮은 밀도를 가지므로 빈(void) 영역으로 처리하였다. 용융 금속 내부의 가스 기포는 단열거동으로 가정 하였다.
레이저에 의한 에너지는 777개의 개별 에너지 묶음으로 모델링 하였다. 초기 777개의 에너지 묶음은 초점 면에서 가우스 분포를 가지도록 설정 하였다. 에너지 묶음의 초기 경로는 레이저 광선 경로의 회절 효과를 고려하였다. 레이저 광선 경로를 따라 초점 까지는 에너지 묶음의 방향이 빔의 중앙으로 수렴하고, 초점 이후부터는 발산한다. 광선추적과 에너지 분포에 대한 계산은 키홀 내부의 자유표면을 만날 때까지 계속된다. 자유 표면의 선택은 연산 영역 내부의 임의의 셀을 둘러싸는 26개의 셀을 검사함으로써 이루어진다. 만약 26개의 셀 중 하나의 셀이 비어있고, 비어 있는 셀의 외부의 자유표면과 연결이 되어 있다면, 비어있는 셀이 자유 표면 셀로 선택이 된다. 레이저의 에너지 묶음은 용접 대상의 표면에 도달 할 때까지 계산된 경로로 진행하며, 용접 대상의 표면에서의 반응을 통하여, 내부의 키홀을 생성한다. 키 홀 내부의 레이저의 다중 반사는 프레넬 반사와 하겐-루벤 관계를 고려한다. 레이저 에너지의 다중반사와 흡수는 초기 에너지 묶음이 가진 에너지의 대부분을 소진하거나, 키홀의 바깥으로 향할 때까지 연산되며, 초기 777개의 개별 에너지 묶음에 대해 모두 연산된다. 이러한 레이저의 기초적인 거동과 함께 vapor induced shear stress, vapor plume heat source, vapor re-condensation heat source, bubble pressure model, recoil pressure model, Marangoni flow 와 Boussinseuq model 이 고려되었다.
파이프 용접 공정을 단순화 한 작업 방향에 따른 부분용입 조건을 통해 연구를 진행하였다. 작업방향에 따른 용접공정은 파이버레이저의 다중 반사를 이용한 3차원 유동 해석을 통해 진행되었다. 향후 작업 방향에 따른 공정 재현은 파이프 용접으로 확대 할 수 있다. 고출력 파이버 레이저 용접은 키홀 아래 부분에 고정된 독특한 재순환 유동을 보인다. 이 유동은 용융금속이 키홀의 내부와 외부로 파동과 같이 이동하는 주기적인 현상을 보인다. 이러한 파동과 같은 유동은 작업방향의 변화에 따른 중력의 영향을 감소시키거나 제거함에 의해 발생하는 것으로 보인다. 따라서 작업방향의 변화에 따른 중력은 용융 깊이, 흐름의 구조, 비드의 형상에 대해 큰 영향을 미치지 않으며, 용융 부 내부의 결함인 기공(pore) 의 제거에도 크게 관여 하지 않는 것으로 보인다. 파이버 레이저 용접에서는 레이저 빔의 대부분이 다른 방해 없이 키홀의 바닥에 닫게 된다. 다중반사는 키홀 바닥에서 시작되어, 키홀의 입구 방향으로 진행이 된다. 따라서 대부분의 에너지는 키홀 내부에서 초기 수회 반사를 통해 소산된다. 레이저 출력 9kW 조건에서 키홀 바닥근처와 입구 근처에서 용융 풀의 영역이 넓어지나, 중간 부분에서는 용융 풀의 영역이 좁아지는 특이한 유동 구조가 확인되었다. 이는 레이저의 산란에 의한 확장으로 보이며, 이러한 산란은 키홀 입구영역에서 좀 더 도드라지는 것으로 확인되었다. BOP(Bead On Plate) 용접 조건에서 진행한 실험 결과의 용접 비드의 형상은 작업방향에 따른 용접과 파이프 용접에 대해 상사 성을 가진다.
고출력 레이저를 통한 부분용입 공정을 분석하기 위하여, 고출력 레이저 모델에 대한 부분적인 개선을 제안 하였다. 18.8kW 출력의 파이버 레이저 용접에 대한 해석은 (a) 프레넬 반사, (b) 프레넬 반사 + 키홀 내부에서의 Vapor re-condensation flux, 그리고 (c) 프레넬 반사 + 키홀 내부에서의 Vapor re-condensation flux + vapor plume heating의 세 가지 모델로 진행되었다. 고출력 레이저를 이용한 공정은 Vapor re-condensation flux 와 vapor plume heating 에 대한 고려가 중요하다. 프레넬 반사 모델은 반발 압력과 함께 깊은 용입 깊이를 만들지만, 비드의 형상은 상부에서 상대적으로 좁게 형성이 된다. 반발 압력은 용융 풀 내부의 증발에 비례한다. 고출력 레이저 용접에서는 키홀 바닥에서 높은 수준의 증발이 발생한다. 증발에 의해 생성된 기체는 키홀 입구로 배출된다고 가정 하면, 증기가 생성되는 바닥에서 키홀 입구로 이동하는 과정에서 증기가 가지는 에너지의 일부를 전달하게 되고, 이에 의한 에너지가 비드 상부의 형상을 넓게 만들 수 있다. 이러한 에너지 전달, re-condensation 의 비율은 실험적인
결과를 기반으로 90%로 설정하였다. 증기의 존재는 복사 현상을 통해 상부 표면에서의 밝은 빛의 방사로 확인할 수 있다. Vapor re-condensation flux 에 의한 복사 현상을 고려한 고출력에서의 레이저 용접의 결과는 기존모델 대비 보다 높은 정도를 보인다. 용융 풀 내부의 입자 이동을 확인하기 위하여, 텅스텐의 물성을 가진 입자를 해석 영역에 삽입 하였다. 삽입된 입자는 키홀 바닥 면에서 재 순환되는 거동을 보이는데, 이는 텅스텐 입자를 포함한 용융 풀의 거동을 X-ray 를 통해 측정한 실험적인 연구에서도 동일하게 확인되는 내용이다. 입자이동에 따른 Peclet 수를 확인 하였으나 전반적인 경향을 확인할 수 없었으며, 임의의 지점에서 과도하게 높거나 낮은 분포를 보인다. 키홀 입구를 향해 선형적으로 증가하는 vapor re-condensation flux 모델의 사용은 키홀 중간의 압력이 키홀 바닥 면과 입구의 압력보다 낮다는 실험결과를 통해 추가적인 신뢰를 가진다. 이 모델은 향후 진행될 키홀 내부의 증발 온도 분포 변화에 기초가 될 수 있다.
레이저 용접은 틈을 가진 용접 대상의 완전용입조건에서 좋은 용접방법이 아니기 때문에 GMA (Gas Metal Arc welding) 요소가 추가된 레이저-GMA 하이브리드 용접을 실시한다. 이때 GMA 요소는 레이저의 앞부분 혹은 뒷부분에 위치 할 수 있다. 하이브리드 레이저 용접은 GMA와 레이저 용접공정을 동시에 하는 것으로 공정 속도가 빠르고, 용접부의 품질이 좋으며, 그리고 깊은 용융 깊이를 얻을 수 있는 장점이 있으며 특히 파이버 레이저를 이용한 하이브리드 레이저 용접은 1회의 용접으로 후판을 용접 할 수 있게 한다. 레이저 용접과 GMA 용접의 공정은 다 물리적 현상으로 두 공정의 현상을 동시에 모델링 하기가 쉽지 않다. 부분용입 조건과 완전용입조건에서의 레이저 용접은 다른 특성을 가지며, GMA 요소의 위치에 따라, 유동 현상에 영향을 주며, 이 유동의 변화가 GMA 를 통한 금속의 용입 및 혼합을 결정하게 된다. 레이저의 다중반사, 아크 열원모델, 플라즈마 항력 모델, 전자기력 모델 그리고 아크 압력모델을 모두 고려하는 다 물리 현상의 모델의 연산은 기본적인 연속 방정식들과 함께 진행된다. 본 연구에서는 완전 용입조건에서 GMA 의 위치에 따른 유동의 차이를 비교하고, GMA 를 통해 용입 되는 금속혼합의 결과를 분석하였으며, 용접 대상물이 가지는 틈의 유무에 따른 결과도 비교하였다.
레이저 용접, GMA가 앞에 위치하는 하이브리드 용접, 그리고, GMA 가 뒤에 위치하는 하이브리드 용접에 대해 완전용입 조건에서 해석과 실험을 통해 연구하였다. 완전용입 조건에서 레이저 용접은 용접물의 틈의 유무와 상관없이 바닥 면의 용융풀이 좀더 불안정한 거동을 보였으나, 틈의 크기를 0.4mm 이상으로 하였을 경우 안정화 되면서 비드의 형상도 안정화 되었다. 그러나 상단 면의 언더컷 형상은 모든 경우에서 발생하였다. 틈이 없는 용접조건의 일부 영역에서 비드의 과잉보상에 의한 형상이 발생하였다. GMA가 앞에 위치하는 하이브리드 용접 조건에서는 용융 풀의 유동 양상이 레이저에 지배적으로 영향을 받는다. 상단 면에 가까운 재순환 유동과 바닥 면에 가까운 재순환 유동이 따로 존재함을 확인하였다. GMA를 통한 용입금속은 GMA 와 레이저 사이에 축적되며, 크로늄의 분포는 상부 면에 집중되었다. 텅스텐 입자와 유사한 두 세트의 입자는 용융 풀 상부의 1/4 영역에 설정하였으며, 해당입자의 대부분은 상부 용융 풀에서 순환하였으며, 14개의 입자 중 한 개의 입자만이 바닥 면에 가까운 용융 풀에서 순환하였다. 바닥 면에 가까운 유동은 항상 상단 면에 가까운 유동보다 길이가 길었으며, 이러한 현상은 완전용입조건 의 레이저 용접에서의 일반적인 현상과 유사하다. GMA 가 뒤에 위치하는 하이브리드 용접 조건에서는 GMA를 통한 용입금속의 혼합이 용융 풀의 상층에 균일하게 분포한다. 해당 조건에서의 입자의 이동은 전 영역에서 깊이 방향으로 순환하며, GMA가 앞에 위치하는 하이브리드 용접 조건의 결과와 상당히 다른 양상을 보여 준다. 두 조건에 의해 비드 형상도 다른 경향을 보여준다. 0.4mm 의 틈을 준 조건은 용접 비드의 전체 형상에는 영향이 거의 없으나 틈에 의해 용접 비드의 폭이 증가 하였다. 틈이 없는 조건에서의 GMA 가 뒤에 위치하는 하이브리드 용접에서는 균일한 GMA 용입금속의 혼합이 관찰되었으나, 틈이 있는 조건에서는 용접 상단 면에 주로 집중 되는 것을 확인할 수 있었다. 해석 결과는 틈이 없는 조건에서의 실험결과와 상사를 확인하였다. GMA 의 위치에 따른 결과의 전체적인 경향은 유사하였으나, 실험과의 비교에서 GMA가 앞에 위치하는 하이브리드 용접 조건의 결과가 좀더 높은 상사 성을 가짐을 확인하였다. 부분용입조건의 결과와는 다르게 완전용입조건에서의 용융금속의 유동 방향을 결정하는 중력의 영향은 언더컷의 형성에 크게 작용한다. 위로보기 용접 조건에 대한 실험에서는 용접 공정에 투입되는 분위기 가스의 전단응력에 의하여, 용융금속의 처짐이 다소 저감되나, 이를 반영하지 않은 해석결과에서는 상대적으로 용융 금속의 처짐이 상대적으로 크게 나타났다.
본 연구를 통해 레이저 용접과 하이브리드 용접의 현상을 성공적으로 재현할 수 있었으며, 실험 결과와의 상사 성도 높은 수준으로 확보되었다. 본 연구에서는 맞대기 용접이 그루브가 없는 형상에서 진행되었으며, 향후 다른 그루브 형상을 가진 용접 대상에 대해 부분용입 및 완전용입 조건에서의 연구를 진행할 예정이다. 서술한 모델에 분위기 가스의 역할을 추가 할 수 있다면 보다 향상된 해석의 진행이 가능하다. 이와 함께 다수의 GMA 전극을 가지는 하이브리드 용접이나, GMA 대신 용융금속의 용입이 없는 GTA(Gas Tungsten Arc welding) 과의 하이브리드 용접 공정도 본 연구의 내용의 개선을 통해 진행 할 수 있다.
