Recently introduced hybrid welding scheme is a refined process which combines two different welding heat sources as one. Among the various hybrid welding schemes, one of the most fabulous process is the combination of laser and GMAW (gas metal arc welding). The combination compensates the drawbacks of both laser and GMAW processes and increases the efficiency. Solution of monitoring or observation of welding process is one of the difficult problems for the high temperature and the sparks of the molten pool. Therefore various methods are reported to observe the molten pool’s behavior such as measuring arc current and voltage or indirect observation by x-ray transmission. However, the things going on inside the molten pool are not available by these actual experiments. But, it can be achieved to observe the pool’s behavior directly with the help of computational analysis and the simulations of the molten pool in this process will help to understand the fluidic phenomena and mechanism of welding procedure. Molten pool analysis is accomplished by solving three governing equations. The first one is continuity equation which is representing the conservation of mass. Momentum equation is the second and it is generally referred as Navier-Stokes equation. The last one is energy equation to provide temperature profile and express melting, evaporation and re-solidification of material. Enthalpy method and continuum formulation is adopted in energy equation. In addition to these three governing equation, famous VOF (volume of fluid) method is hired to track free surface of molten pool. Arc is assumed to have Gaussian distribution and applied as surface heat flux in company with environmental convective and radiative boundary conditions. The molten surface is suppressed and dimpled because the arc is a kind of plasma flow. This arc pressure is mathematically modeled and applied as a pressure boundary condition including surface tension and its gradient depending on temperature. Electric current inside the workpiece induces electromagnetic force as an additional body force of the fluid and it is also considered in simulation. Narrow and deep shape of cross sectional bead in laser welding is referred as keyhole. Highly concentrated energy of laser quickly evaporates the metal surface and the resultant recoil pressure makes keyhole shape. Due to its unique shape, laser travels inside of keyhole through multiple reflections therefore this raises material’s total energy absorption. In this research, multiple reflection effect is realized in real-time during the simulation according to proposed ray tracing technique for a fixed grid system and the implemented result shows good agreement with experiment. Although the mechanism of metal’s laser absorption is complicated, it can be much simpler if Fresnel’s reflection theory is adopted with an assumption of specular surfaces. Especially, polarization of the beam is counted in the Fresnel’s model when it is used for calculation of absorption rate of metal surface. Simulation results considering the effect of laser’s polarization show that the keyhole shape is elongated a little along the direction of polarization and therefore the keyhole’s cross section looks like an ellipse under a linearly polarized beam. It is recommended to adopt radially polarized beam in both welding and cutting in ideal cases because the generated kerfs are always meet the laser in p-polarization with maximum absorption rate and its extremely good efficiency is proved by simulations comparing to circularly polarized beam. Simulations of laser-GMA hybrid welding are achieved by merging GMAW and keyhole models together under the assumption that there is no interaction between laser and arc. Analyses are achieved for BOP (bead on plate), butt and fillet joint hybrid welding. The results show relatively good agreement with experiments for top bead width and penetration depth. However, it is still not enough to accomplish bumped up shape of top bead and back bead in butt and fillet joint welding. It is revealed that the pores generated by laser at the beginning of the process are inevitable but they are quickly reduced to almost zero when the pool comes into quasi steady state in BOP welding simulation.
최근들어 각광받고 있는 하이브리드 용접법은 두 가지의 다른 용접 열원을 하나로 사용하는 방법이다. 다양하게 소개되어 있는 여러가지 하이브리드 용접법 중 매력적이며 효용가치가 높은 방법은 레이저와 GMAW의 하이브리드이다. 이 조합은 레이저와 GMAW 각각의 단점을 보완해 주면서 용접 효율은 극대화되는 장점을 보인다. 용융풀은 매우 고온이며, 아크와 용융 금속에 의한 스파크 등의 강한 빛으로 인해 그 관찰이 매우 어려운 문제 중의 하나이다. 따라서, 아크 전류와 전압을 측정하거나, 엑스레이 투과 사진을 이용한 간접적인 관찰 방법들이 소개되고 있으나, 이런 방법들은 용융풀 내의 거동을 관찰하는 것이 불가능한 단점이 있다. 하지만, 컴퓨터 계산의 도움으로 용융풀의 거동을 모사를 통해 추론할 수 있고 그에 따른 용융풀 해석은 용접 공정의 유동학적 현상이나 용접 현상의 기작을 설명하는데 많은 도움을 주고 있다. 용융풀 해석은 기본적으로 세 가지 지배 방정식을 수치 계산학적으로 푸는 것이다. 그 첫번째 방정식은 질량 보존을 의미하는 연속 방정식이며, 두 번째는 Navier-Stokes 식으로 대변되는 운동량 방정식, 그리고 마지막은 열전달과 금속 용융을 설명하기 위한 에너지 방정식이다. 본 연구에서는 이 세가지 기본 지배 방정식에 용융 금속의 자유 표면을 표현하기 위한 VOF방법을 사용하여 용융풀 해석을 하기로 한다. 아크는 정규분포를 갖는 것으로 가정하고 해석 영역에 표면 열입력의 경계조건으로 입력하였다. 물론, 여기에는 대류와 복사에 의한 열손실이 포함되었다. 아크에 의한 용융된 금속 표면은 아크 압력에 의해 변형을 일으키고, 이러한 아크 압력 역시 정규분포를 갖는 것으로 가정되어 표면의 압력 경계 조건으로 적용되었다. 아크는 일종의 전류 흐름으로 이 전류는 금속 모재를 통과하므로, 용융풀은 유도기전력을 체적력으로 받게 된다. 이 전자기력은 중력과 비슷한 수준으로 알려져 있어 용융풀 거동을 지배하는 큰 인자 중의 하나이므로 본 연구에서는 3차원으로 간략하게 유도된 전자기력을 적용하였다. 키홀은 레이저와 같은 고밀도 열원을 사용하는 용접법에서 관찰되는 비드 형상을 일컫는 것으로 좁고 깊은 형상이 그 특징이다. 고밀도로 집중된 열원은 금속 표면을 급속히 증발 시키고, 이 증발 압력의 반발 압력으로 인해 용융풀 표면은 더 깊이 패이게 된다. 이 과정이 반복되면 너비보다 깊이가 더 큰 키홀 형상이 형성되는 것이다. 이 키홀 안으로 들어온 레이저는 키홀 벽면을 따라 여러 번의 반사 과정을 반복한 후 빠져나가게 되는데, 이러한 다중 반사가 키홀을 더 깊게 만들며, 모재의 레이저 흡수량을 증가시키는 것으로 알려져 있다. 이제까지 키홀 용접의 다중 반사를 용융풀 모사에 포함시키려는 노력이 여러 연구자들에 의해 이루어졌지만, 그 대부분의 연구 결과들은 가상의 키홀 형상 안에서 광선 추적에 의한 다중 반사 효과를 수식적으로 구하고, 이를 해석에 적용한 것으로, 다소 현실성이 떨어지는 모델이라 할 수 있다. 본 연구에서는 이를 개선하여 고정 격자계를 갖는 해석 영역에서 사용될 수 있는 광선 추적 알고리즘을 제안하였으며, 이 광선 추적이 용융풀의 자유 표면 계산의 모든 단계에서 작동하도록 하여, 실시간으로 다중 반사 효과가 용융풀 해석에 적용될 수 있도록 하였다. 레이저가 금속 표면에 조사되면, 레이저의 에너지 일부는 흡수되고, 일부는 반사되며 나머지는 산란에 의해 흩어지게 된다. 이런 복잡한 과정을 다중 반사와 함께 수식화 하기는 매우 어려운 문제이지만, 금속의 고상, 액상 표면을 경면으로 가정하고, Fresnel 반사 이론을 적용하면, 비교적 간단하게 표면의 레이저 흡수율을 계산할 수 있다. 본 연구에서는 Fresnel 반사 이론을 적용함에 있어 레이저의 편광을 고려한 일반적인 Fresnel 반사 모델을 적용하였으며, 이를 키홀 모사에 적용해 편광된 레이저가 키홀 형성에 미치는 영향을 이론적으로 고찰하였다. 실험 결과에 의해 선형 편광된 레이저에 의해 조사된 금속은 편광 방향으로 다소 늘어나 있는 키홀 형상을 보인다. 이는 키홀의 벽면이 그 위치에 따란 선형 편광 레이저에 대한 흡수율이 다르기 때문이며, 이러한 이론적 고찰을 통해 가장 효과적인 레이저는 반지름(radial) 방향의 편광된 빔임을 알 수 있으며, 마찬가지로 이를 이론적으로 검증하였다. 앞서 언급한 GMAW 모델과 레이저의 키홀 모델을 융합하여 최종적으로 레이저-GMA 하이브리드 용접의 용융풀 해석 모델을 제안하였다. 제안된 하이브리드 용접 용융풀 모델을 해석에 적용하여 그 결과를 실험 결과와 비교함으로써 해석 모델의 타탕성을 검증하였다. 해석과 실험은 BOP(bead on plate), 맞대기, 필렛 이음부의 레이저-GMA 하이브리드 용접에 대해 수행하였으며, 상호 비교 검토 결과 비교적 합당한 해석 모델임을 알 수 있었다. 다만, 맞대기 용접과 필렛 용접의 경우 간극을 통해 빠져 나온 용융 금속이 모재에 다시 용착되어 발생한 후면 비드의 형상은 해석과 실험이 다소 차이를 보여 이에 대한 추가적인 연구가 필요함을 알 수 있었다.
