The main purpose of this study is the numerical simulation of laser keyhole welding in vacuum environment by consideration for multi-physics phenomena. The main advantage of laser keyhole welding in vacuum environment is deeper penetration depth than laser keyhole welding in atmospheric environment. To consider vacuum environment, following effects were considers in numerical simulations, the change of vaporization temperature and recoil pressure by ambient pressure, and the laser power attenuation by scattering and absorption due to the metal particles in plume.
To depict multiple-reflection which is one of the most important physical phenomena in laser keyhole welding, the two ray tracing methods, Direct Search Method (DSM) by Cho et al and Progressive Search Method (PSM) by Ahn et al, were compared and applied in the numerical simulations of laser keyhole welding. For numerical simulations of laser keyhole welding, Gaussian heat source, Fresnel reflection model, buoyancy force, Marangoni effect, recoil pressure calculated as dominant driving force, adiabatic bubble, vapor induced shear stress and heat source model were applied. The simulation results of these two methods were similar. However, because PSM has faster calculation speed and more theoretical validity, and can depict the multi-path phenomenon such as scattering, PSM was used as main ray tracing method in this study.
By PSM, the models for transmission, and, scattering and absorption by metal particle in plume were suggested and applied in numerical simulations. For transmission model, the result was mathematically and physically proper. However, there is no transmission effect in real cases because of no transmission phenomenon in metal. For scattering and absorption models, the effects of models were increased when the range and coefficient of models were increased in numerical simulations with simple assumptions. And this results means that the working processes of models were theoretically validated. Scattering model was applied in laser keyhole welding simulations to check the effect of model for welding cases. The 10% of artificial scattering probability had major effect and it can cause the change of weld bead shapes. When scattering range became wider, penetration depth decreased.
To consider vacuum environment, the change of vaporization temperature and modified recoil pressure by ambient pressure were considered. The basic assumption in modified recoil pressure model is that metal vapor gains additional pressure through intense evaporation by laser. Modified model can cover previous model and depict the effect of the change of ambient pressure.
Laser is attenuated by scattering and absorption of metal particle when it moves through plume range. And this phenomenon was experimentally investigated and reported as major effect of laser attenuation by previous researches. In scattering and absorption calculations, plume range and coefficient can have major effect of laser attenuation. However, experimental results of other researchers have too large range. Due to this large range, the characteristic of plume property can’t be decided from experimental results. Therefore, various assumptions were suggested. Artificial values were used in 1atm condition and the coefficients in the other conditions were calculated by assumptions. By these assumptions, plume model was applied in the numerical simulations of laser keyhole welding in vacuum environment and the trend of the penetration depth in vacuum was estimated. However, the detail bead shapes had differences with experimental results. The reason is imperfect consideration of plume characteristic such as the distribution of particle size and temperature distribution in plume.
To analyze the metallurgical, mechanical behavior of laser keyhole welding in vacuum, CFD-FEM combination method by Cheon et al was applied. By this framework, the trend of Vickers hardness and residual stress were calculated and compared for validation of models. The trends of results were similar with experimental results. However the detail results had differences caused by the differences between CFD and experiments results. Because CFD-FEM combined simulation used CFD simulation results, therefore, the differences were caused by CFD simulation precision. The reason for lower hardness in 3000Pa was the slower cooling rate in 3000Pa by higher heat input and bigger weld pool size from vacuum environment. In results of residual stress, the trends were similar and magnitude of value had differences. Because the results of previous researches had also similar trend with this study, the results of CFD-FEM combined simulation were validated as reasonable results. However, there were the limitations such as effect of dendrite structure and numerical error from simulation scheme, and this limitation should be considered in future work.
본 연구의 목적은 다물리 현상이 고려된 레이저 키홀 용접의 수치해석에 있으며 최종적으로 진공에서의 레이저 키홀 용접을 수치해석적으로 모사하는데 있다. 진공에서의 레이저 키홀 용접의 가장 큰 특징은 진공도가 높아질수록 용입 깊이가 증가한다는 장점에 있으며, 이를 모사하기 위해 본 연구에서는 진공도에 따른 기화 온도 및 반발 압력의 변화, 그리고 플룸 특성 가정을 통한 플룸 모델을 제안하여 플룸 내 미세 입자에 의한 스캐터링 및 흡수를 통한 레이저 파워 감소 효과를 고려하였다.
레이저 키홀 용접은 다양한 다물리 현상이 포함되어 있으며 가장 중요한 현상 중 하나인 다중 반사 현상을 모사하기 위해서는 광선 추적 기법이 적용되어야 한다. 다양한 광선 추적 기법에 대한 비교를 위해 레이저 키홀 용접 수치해석에 주되게 사용되었던 Che et al 의 DSM 방식과 Ahn et al 의 PSM 방식의 방법론에 대해서 비교 분석하고 이를 실제 수치해석에 적용하여 두 방식의 장단점을 비교하였다. 각 광선 추적 기법이 Gaussian 열원, Fresnel 반사, 부력, Marangoni 유동, 반발 압력, 단열 기포 압력, 금속 증기에 의해 유발된 전단 응력 및 열원 등이 고려된 레이저 키홀 용접 CFD 수치해석에 적용되어 수행했을 때 두 기법의 용접 비드 형상 결과 사이의 큰 차이점은 나타나지 않았다. 다만 PSM의 계산 속도가 DSM에 비해 두 배 가량 빨랐고, PSM 방식이 더 높은 이론적 타당성을 보유하고 있으며, 스캐터링과 같은 레이저의 다중 경로를 모사할 수 있기 때문에 이후 수치해석에는 PSM이 주되게 적용되었다. 주요 구동력의 경우 반발 압력이 가장 큰 영향을 보임을 확인하였다.
PSM 기법을 기반으로 침투 모델을 적용하여 확인 하였고, 플룸 내 금속 미세 입자에 의한 스캐터링 및 흡수 모델을 제안하고 적용하였다. 침투 모델의 경우 해석 결과가 수학적, 물리적으로 타당한 결과를 보이지만 실제 금속에서는 침투가 발생하지 않기 때문에 실제 레이저 키홀 용접 해석을 수행할 때는 침투 모델을 고려하지 않았다. 스캐터링 및 흡수 모델의 경우 범위와 정도가 높아지면 플룸에 의한 레이저 파워 감소 효과가 증가함을 수치해석적으로 보였으며, 적용된 모델의 작동 기작이 이론을 잘 따르고 있음을 확인하였다. 스캐터링 효과가 실제 레이저 키홀 용접에 영향을 미칠 수 있는지 확인하기 위해 임의로 스캐터링 확률을 10%로 설정하여 CFD 수치해석을 수행하였고, 스캐터링 범위가 넓게 설정된 순서대로 얕은 용접부 형상을 보이는 결과를 획득함으로써 스캐터링 효과가 실제 레이저 키홀 용접에 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.
진공 환경을 고려한 레이저 키홀 용접의 CFD 수치해석을 수행하기 위해 진공도에 따른 기화 온도의 변화를 고려하였고 기존의 반발 압력을 수정하여 사용하였다. 수정된 반발 압력은 레이저로 인한 강렬한 기화로 인해 금속 기체의 포화 증기압에 추가적인 압력이 더해지는 가정을 기본으로 하며, 기존에 사용되던 반발 압력 모델의 포함 및 주위 환경 압력에 의한 영향이 고려되었다.
발표된 선행 연구를 통해 플룸이 레이저 빔에 미치는 영향이 작지 않음을 확인 할 수 있었으며, 이러한 영향을 가진 플룸의 효과를 특정하기 위해 레이저 빔 경로에 대한 플룸의 중첩 여부, 플룸 내 금속 미세 입자의 공간적 분포를 다양한 가정을 통해 실제 레이저 키홀 용접 CFD 수치해석에 적용하였다. 선행 연구에서 나타난 레이저 파워 감소 범위가 매우 넓어 이를 특정 지을 수 없기 때문에 1atm 조건의 레이저 특성을 임의로 설정하고 선행 연구와 이상기체 방정식을 기반으로 하는 가정을 통해 다른 압력 조건에서의 플룸 특성을 계산하여 수치해석에 적용하였다. 수행된 수치해석을 통해 주위 환경 압력이 낮아지면 용입 깊이가 증가하는 결과를 획득하였고 이는 실제 현상과 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 하지만 용접부 형상의 정밀도 등에서 실험과의 차이를 보이는데, 이는 아직 고려하지 못한 플룸 내 미세 입자 크기의 분포, 플룸의 위치 별 온도 분포 등과 같은 특성에 대한 영향으로 판단된다.
레이저 키홀 용접에 대한 금속학적, 기계적 예측을 위해 Cheon et al 에 의해 제안된 CFD-FEM 연계해석 방법을 채택하여 CFD 온도이력을 기반으로 한 실시간 금속학적, 기계적 예측 해석을 수행하였다. 사용된 모델을 검증하기 위하여 비커스 경도를 측정하여 실험과 해석의 결과를 비교하였다. 전반적인 경향은 실험과 유사하지만 정밀도에 있어서 실험과 차이를 보이는데 이는 CFD 수치해석 결과와 실험 결과의 용접부 크기 및 형태의 차이로 인해 오차로, CFD-FEM 연계해석이 CFD 수치해석 결과의 온도 데이터를 사용하는데 원인이 있다. 101325Pa 조건의 경도가 3000Pa 조건의 경도 보다 높은 값을 가지는데 이에 대한 원인이 3000Pa 조건에서 더 높은 열 입량과 큰 용융풀의 크기로 인한 냉각 속도 저하에 있음을 확인하였다. 잔류응력을 통한 기계적 예측의 경우 실험과 수치해석상의 결과가 그 값에서는 차이를 보이지만 유사한 경향을 보임을 확인하였으며 선행 연구 결과와 비교할 때 본 연구를 통해 얻어진 결과가 비교적 타당한 결과임을 확인하였다. 다만 용융부의 구조 변화에 대한 대응 및 해석 구조로 인한 온도의 불연속성 획득 등에 대한 과제가 한계로 남아있다.
