The characteristics of argon arc in TIG welding have been studied by considering the electrode shape which has an effect on the current density distribution near the electrode tip. For including the electrode surface configuration into the solution domain, the boundary-fitted coordinates system was employed. Then, a non-rectangular computational region in the physical domain was transformed into a rectangular area with uniformly spaced grids in the computational domain using the second order central difference method. With the geometric transformation coefficients, the finite difference equations were derived in the transformed domain.
The influences of the parameters such as electrode angle, welding current and arc length on the TIG welding arc using Ar shielding gas have been studied by assuming the current density distribution along the cathode surface. Its distribution was assumed to have a Gaussian form which is characterized by the maximum current density at the electrode tip or the distribution parameter.
For determining these two characteristic values according to the electrode angle and welding current, the temperature distributions of the 60 deg. angle electrode were calculated for 100, 200 and 300 A welding currents and compared with experimental measurements obtained by the previous researcher. As a result, the distribution parameter for the 60 deg. angle electrode was determined such that the maximum current density at the electrode tip have 136.5 A/mm2 irrespective of welding current. With this reference value, for electrodes below 60 deg. angle the distribution parameter was increased to maintain the maximum current density to be 136.5 A/mm2, on the other hand, for electrodes above 60 deg. angle the distribution parameter was set to be the same as the 60 deg. angle electrode.
Using these assumed current density distributions as the boundary condition for the current continuity equation, the heat flux and current density on the base plate were calculated for the various influencing parameters and compared with the experimental results obtained under the same welding conditions. Furthermore, other transporting phenomena acting on the anode plate, such as arc pressure and shear stress were calculated.
The heat transfer and fluid flow in the molten pool during stationary TIG welding using Ar shielding gas have been studied with emphasis on the effect of the electrode angle. The transporting phenomena from the welding arc to the molten pool, such as heat flux, current density and shear stress acting on the surface of molten pool were taken from the simulation results of the corresponding welding arc. Driving forces responsible to the weld pool convection, i.e., the self-induced electromagnetic force, surface tension due to the temperature gradient at the surface of molten pool and drag force by arc plasma flow, were considered. Furthermore, the effect of surface depression due to the arc pressure acting on the surface of the molten pool was considered.
Because fusion boundary has a curved and unknown shape during welding, a boundary-fitted coordinates system was adopted to precisely describe the boundary for the momentum equation. Then, through the same numerical procedure as the analysis of TIG welding arc, the finite difference discretizations were derived in the uniformly spaced transformed domain.
The numerical model was applied to the stainless steel of SUS 304L and compared with the experimental results for the different welding currents, electrode angles and arc lengths. Furthermore, the variation of the TIG welding arc with welding time was investigated by considering the surface depression.
용접봉끝단 부근의 전류흐름에 영향을 미치는 용접봉각을 고려하여 TIG 용접시 발생하는 용접아크의 특성을 해석하였다. 용접봉의 형상을 해석영역에 포함하도록 경계밀착좌표계를 이용하여 용접봉의 형상을 나타내었다. 따라서 굴곡진 실제영역을 정방형의 격자로 이루어진 계산영역으로 변환하였다. 이때 이 두영역을 연결하는 기하학적 변환계수에 의하여 계산영역에서 지배방정식에 대한 차분방정식을 유도하였다.
전극봉표면에서의 전류밀도를 가정하므로써 TIG 용접시 용접봉각, 용접전류 및 아크길이의 영향을 해석하였다. 이 용접봉표면에서의 전류밀도분포는 Gaussian 형태를 갖는다고 가정하였으며, 이는 용접봉끝단에서의 최대전류밀도나 분포계수에 의하여 결정하도록 하였다.
용접봉각 및 용접전류에 따라 이 두가지 특성치를 결정하기위하여 용접전류가 100, 200 및 300 A 이고 용접봉각이 60 deg. 일 때의 용접아크의 온도분포를 계산하여 Hsu 등이 얻은 실험치를 비교하였다. 따라서 용접봉각이 60 deg. 일때는 용접전류와 관계없이 최대전류밀도가 136.5 A/㎟ 일 경우 실험에 의한 용접아크의 온도분포가 계산치와 잘 일치하는 것을 알 수있었다. 이 값을 기준으로 정하고 용접봉각이 60 deg. 보다 작은 경우는 최대전류밀도가 136.5 A/㎟ 를 유지하도록 분포계수를 증가하고, 이와는 반대로 용접봉 각이 60 deg. 보다 큰 경우는 분포계수를 60 deg. 인 경우와 동일하도록 하여 최대전류밀도가 감소하도록 하였다.
이렇게 정의된 전류밀도분포를 전류연속방정식을 푸는 경계조건으로 사용하여 모재로 유입되는 열속분포와 흘러나가는 전류밀도분포를 여러 용접조건에 따라 계산하였으며, 같은 용접조건의 실험치와도 비교 분석하였다. 또한 용접아크에 의해 모재에 전달되는 아크압력과 전단응력도 제시하였다.
용접시 형성되는 용융지의 열 및 유동현상을 용접봉각에 중점을 두어 해석하였다. 용융지에 가해지는 용접열속, 전류밀도, 아크압력 및 전단응력의 분포는 아크해석에 의한 결과를 이용하였다. 용융지의 유동을 유발하는 구동력은 용접전류의 흐름에 의한 유도자기력, 용융지표면에서 발생하는 온도구배에 의한 표면장력 및 아크프라즈마 유동에 의해 표면에 가해지는 전단력을 고려하였다. 이때 아크압력에 의해 용융지표면에 생기는 변형도 고려하여 용융지를 해석하였다.
용융지의 형상 역시 굴곡이 진 형상이며 용접중 크기가 계속 변하므로 경계밀착좌표계를 도입하여 해석영역을 표현하였다. 용접아크의 해석시와 동일한 수치해석과정을 거쳐 일정한 격자로 나타낸 계산영역에서의 차분방정식을 유도하였다.
이 수치해석모델을 용접전류, 용접봉각 및 아크길이에 따라 SUS 304L 재료에 적용하여 보았으며, 같은 용접조건하에서 행한 실험결과와 비교 분석하였다. 또한 용접중 용융지표면의 변형 및 온도변화에 따른 용접아크의 변화를 고려한 용융지의 해석도 시도하였다.
