Due to low pressure, the ignition and discharge of a conventional GTAW process is not appropriate to the space environment so Gas Hollow Tungsten Arc Welding (GHTAW) using a hollow tungsten electrode was developed. In order to clarify the phenomena of GHTAW under space environment, an investigation of thermal and physical properties of the GHTAW arc plasma was experimentally performed under low pressure conditions. Furthermore, the molten pool behavior and weldment of GHTAW were understood by CFD-based numerical analysis using the modeling of GHTAW a heat source, arc pressure and electromagnetic force induced by arc plasma with the captured images by a CCD camera. The purpose of this paper is to understand the behavior of GHTAW process under the space environment with the experiment and numerical analysis.
The typical feature of the GHTAW arc plasma under low pressure was a transient arc discharge. The period of transient arc discharge could be shortened by shortening the arc length and increasing gas flow rate. The effect of the gas flow rate and arc length on arc voltage and weldment were investigated as well. The arc voltage gets higher with a decreasing gas flow rate and increasing arc length. The penetration depth and bead width were increased with a increasing gas flow rate due to the fact that, a increasing gas flow rate results in the concentration arc plasma, the higher heat input to the work piece and the higher arc pressure.
The intensity distribution of arc plasma is obtained by a CCD camera and converted into the emission distribution by Abel inversion. The heat flux of GHTAW on anode could be expected with the emission distribution obtained at the anode boundary. The obtained emission distribution was similar to Gaussian distribution and some literature mentioned GHTAW heat sour follows Gaussian distribution. Therefore, the heat flux is assumed to have Gaussian distribution and applied as surface heat flux after measuring the effective arc radius. The effective arc radius decreases with more gas flow rate and it causes more heat input to the anode. The modeling of the arc heat source, arc pressure and electromagnetic force was verified by comparing the result of experiments in vacuum condition and numerical analysis. With result of this, the numerical analysis under the micro-gravity was conducted. The result shows that the effect of gravity on the flow pattern in molten pool is very small compared with arc pressure, surface tension and electromagnetic force.
우주와 같은 진공에서의 GTAW 공정의 경우 점화와 방전의 문제로 인해 사용이 힘들기 때문에 중공관 형태의 전극봉을 가지는 GHTAW 공정을 사용하게 된다. 우주에서의 GHTAW 의 물리적 현상을 규명하기 위해 진공챔버를 제작하여 실험을 실시하였다. 실험을 통해 아크 플라즈마의 열원 및 구동력을 고속 CCD 카메라를 이용하여 모델링을 실시하여 이를 바탕으로 CFD에 근거한 수치해석적인 방법으로 용접 비드 및 용융지의 거동을 분석했다. 본 연구의 목적은 실험 및 수치 해석적인 방법으로 GHTAW 공정을 이용한 우주용접의 특성을 이해하는데 있다.
진공에서의 GHTAW 아크 플라즈마의 특징은 과도 아크이다. 과도 아크 구간은 아크 길이와 가스 유량이 커질수록 짧아지는 특성을 가지게 된다. 아크 길이와 가스유량의 아크전압 및 용접비드에 대한 효과도 알아보았다. 아크 전압은 아크 길이가 길어질 수록 가스 유량이 줄어들수록 커지는 현상을 보였다. 가스 유량이 커질 수록 아크 플라즈마가 집중되어 모재로 전달되는 열에너지와 아크 압력의 증가로 인해 용입의 깊이와 비드 폭이 커지는 결과를 가져 왔다.
CCD 카메라를 이용하여 획득한 아크 플라즈마의 이미지를 아벨 역산을 이용하여 광 방출량으로 전환시켰다. anode boundary 근처에서 획득한 광 방출량으로부터 모재로 전달되는 GHTAW 아크 열원을 모델링했다. 열원 모델링 방법은 GHTAW의 분포를 가우시안 열원이라 가정하고 아크 유효 반경을 측정하여 열원을 모델링했다. 가스 유량에 따른 아크 유효반경을 측정하여 열원 및 아크 압력 그리고 전자기력을 모델링하여 진공에서 실험한 용접 비드를 비교 분석하여 열원 모델링의 타당성을 검증했다. 검증된 모델링을 바탕으로 미소 중력에서의 용융지 거동을 시뮬레이션 하고 중력을 조절해 가며 용융지 특성을 분석했다.
