Laser-arc hybrid welding provides the advantages of both laser and arc heat sources, welding productivity and quality can be improved simultaneously, and is accordingly garnering increased attention. In various fields of industry such as ship building, which involves thick plates, and the automotive industry, which handles thin plates, hybrid welding techniques are increasingly been adapted. However, because of the complex, multi-physical nature of laser-arc hybrid welding, few researchers have addressed molten metal flow in relation to this technique despite that it strongly affects weld quality. The studies carried out to date can be divided into experimental and numerical approaches. Among experimental approaches, the X-ray transmission in-situ observation method is the most comprehensively developed method to monitor the molten pool dynamics in welding. However, the necessary equipment is expensive and bulky and the results are limited in 2D. Due to the limitations of experimental approaches as well as advances in computer and numerical techniques, numerical approaches have been explored as an alternative method for analyzing molten pool behavior in welding. In this study, numerical simulations on molten pool behavior in arc welding, laser welding and laser-arc hybrid welding are conducted based on the physical assumptions and mathematical models. A single-phase problem is solved rather than a multiphase problem for numerical simplicity: and the solution is based on the assumption that the region of gas or plasma can be treated as a void because fluid (solid or liquid steel) has a greater density level than gas or plasma. The volume-of-fluid method is used to calculate the free surface shape which is the boundary between fluid and void. Simulation results are validated by the comparison of fusion zone shape or alloying element distribution. It is shown that welding phenomena can be explained by the numerical simulations.
In the numerical simulation of arc welding process, well-defined arc welding models by many other researchers are introduced. Based on the hypothesis that fluid flow inside a molten pool might affect the alloying element distributions, an additional conservation equation is newly suggested and united with the other models to examine the hypothesis and the validity of the models. It is found that similar fusion zones and alloying element distributions are predicted by 3D numerical simulations of moving arc welding. Additionally, the effects of driving forces such as buoyancy force, drag force, arc pressure, electro-magnetic force, Marangoni force and droplet impingement on the molten pool behavior are analyzed by axisymmetric numerical simulations of stationary arc welding.
In the numerical simulation of laser welding process, ray-tracing algorithm to estimate the multiple reflections is adopted with keyhole shape calculated by VOF method. General Fresnel’s reflection model by Drude theory and simplified one by the Hagen-Rubens relation for handling a laser beam interaction with materials are used. In those models, for a laser- and material-dependent quantity such as complex refractive index and ε, which is the function of material properties and laser wavelength and decides the reflectivity together with incident, the theoretical values rather than the compensated value are used for steel and disk or CO2 laser. Factors considered in the simulations include buoyancy force, Marangoni force and recoil pressure; furthermore, pore induced by a keyhole collapse is simulated by means of an adiabatic bubble pressure model. Models of the shear stress on the keyhole surface and of the heat transfer to the molten pool via a vapor plume are introduced in simulations of the weld pool dynamics. Analysis of the temperature profile characteristics of the weld bead and molten pool flow in the molten pool is based on the results of the numerical simulations. The simulation results are used to estimate the weld fusion zone shape; and the results of the simulated fusion zone formation are compared with the results of the experimental fusion zone formation and found to be in good agreement. The effects of laser beam profile (Gaussian vs. measured), vapor shear stress, vapor heat source and sulfur content on the molten pool behavior and fusion zone shape are analyzed.
In the numerical simulation of hybrid welding process, three-dimensional transient simulations of CO2 laser-GMA hybrid welding and disk laser-GMA hybrid welding for the laser trailing the arc are conducted by combining the arc welding model and the laser welding model without any interactive effect between the two. The temperature profile characteristics of the weld bead and molten pool flow and alloying element distribution in the molten pool are analyzed. It is found that similar fusion zones and alloying element distributions are predicted by numerical simulations. It is thought that the assumptions and models used in this study are appropriate.
Despite those fair prediction results, it is important to note that some other effects have not been taken into consideration in the proposed algorithm, including: (a) the inverse Bremsstrahlung representing the laser-arc plasma interactions; (b) the Rayleigh scattering representing the laser-metal vapor interactions; and (c) the heat and mass exchanges between the molten metal and the bubble. Accordingly, it is deemed that further study that takes into account the overlooked effects noted above is necessary
레이저-아크 하이브리드 용접은 기존 레이저 용접과 아크 용접의 장점을 동시에 지닐 수 있어 각광받고 있는 용접법으로 최근 후판을 사용하는 조선업부터 박판을 사용하는 자동차제조업까지 다양한 산업분야에 대한 적용이 증가하는 추세이다. 레이저-아크 하이브리드 용접에 관한 연구에서 복잡하고 다양한 물리적 현상을 이해해야 하는 용융풀 거동에 대한 연구는 그 중요성에 비해 아직 미진하다. 이런 용융풀 거동에 관한 연구는 크게 실험적인 접근법과 수치해석적인 접근법의 두 가지로 나눌 수 있다. 실험적 접근법 중에서는 실시간 X-ray 투과기법을 이용한 연구가 가장 발전된 형태로 보여지나 필요한 장비의 비용적인 측면과 결과물이 제한적이라는 이유로 널리 이용되고 있지는 않다. 이러한 실험적 접근법의 한계와 최근 컴퓨터의 연산속도와 수치해석 알고리즘의 발전으로 인해 수치해석 기법이 용융풀 거동을 분석하는데 대안으로 여겨지고 있다. 본 연구에서는 물리적 가정과 수학 모델을 이용하여 아크 용접, 레이저 용접, 그리고 레이저-아크 하이브리드 용접에서 용융풀 거동에 대한 수치해석을 수행하였다. 용접현상을 다상유동이 일어나는 문제로 보기 보다는 단상유동의 문제로 간소화하여 수치해석을 수행했다. 이를 위해 유체영역(고상 또는 액상의 용접부)가 기체 또는 플라즈마 영역에 비해 큰 밀도를 가진다는 이유로 기체 또는 플라즈마 영역은 void로 가정하였다. 이런 void와 유체영역의 경계인 자유표면을 계산하기 위해서는 volume-of-fluid 방법이 이용하였다. 실험결과(용융부 형상 또는 합금원소분포)와 비교를 통해 수치해석에 대한 검증을 진행하였으며 수치해석 기법을 통해 용접현상에 대한 설명이 가능함을 보였다.
먼저, 아크 용접공정에 대한 수치해석에서는 기존 다른 연구자들에 의해 정립된 아크 용접 모델을 제시하고 여기에 더해 용융풀 내부에서 합금원소의 거동을 살펴보기 위해 보존방정식을 도입하였다. 3차원 아크 용접해석 결과 용융부와 합금원소 분포 모두에서 유사한 예측이 가능함을 보였다. 추가로 아크 용접에서 용융풀 거동에 대한 부력, 항력, 아크압력, 전자기력, Marangoni 힘 그리고 용적에 의한 충돌과 같은 구동력의 영향을 살펴보기 위해 축대칭 수치해석을 수행하였다.
다음으로 레이저 용접공정에서 수치해석을 수행하는데 VOF 방법에 의해 계산된 키홀 형상에 대해 광선추적 알고리즘을 적용하여 키홀 내에서의 다중반사효과를 나타냈다. 키홀 내부에서 반사되는 광선이 반사되는 위치에서 흡수되는 에너지를 결정하기 위해 Drude 이론에 의한 일반적인 Fresnel’s 반사 모델과 Hagen-Rubens 관계에 의해 간소화 된 반사 모델을 사용하였다. 이 모델들에서 모재의 물성치와 레이저의 파장에 대한 함수로 나타나는 복소 굴절 계수나 ε 값은 보정하지 않고 이론치를 그대로 적용하였다. 해석에서 부력, Marangoni 힘, 반발압력과 같은 구동력의 영향이 고려되었으며 단열 기포 압력 모델을 이용해 키홀의 붕괴로 인해 생기는 기포의 거동을 구현하였다. 추가적으로 키홀에서 발생하는 금속증기기둥의 영향을 고려하여 키홀 벽면에 작용하는 전단응력과 열전달 현상을 모델링하여 해석에 적용하였다. 수치해석 결과를 통해 용접부에서의 온도분포와 용융풀의 거동을 분석하였다. 최종 용융부 형상을 추출하기 위해 온도이력결과를 이용했으며 실험결과와 비교했을 때 유사한 용융부 형상을 예측할 수 있음을 확인하였다. 다음으로 레이저 빔의 분포형상(Gaussian vs. 측정치), 금속증기로 인한 전단응력과 열전달, 황 함유량 등이 용융풀 거동과 최종 용융부 형상에 미치는 영향을 살펴보았다.
하이브리드 용접공정에서는 CO2 레이저-아크 하이브리드 용접과 disk 레이저-아크 하이브리드 용접공정에 대한 3차원 과도 해석을 수행하였다. 모든 해석은 레이저가 후행하는 경우에 대해 이뤄졌으며 앞서 아크 용접과 레이저 용접공정의 수치해석에서 사용했던 모델들이 상호작용이 없다는 가정하에 통합되어 사용되었다. 수치해석 결과를 이용하여 용접부에서의 온도분포와 용융풀의 거동 그리고 합금원소 분포를 분석하였다. 또한 해석결과 용융부 형상과 합금원소 분포에서 실험결과와 유사함을 밝혔으며 따라서 본 연구에서 사용된 가정과 용접해석 모델이 적절하다고 생각할 수 있다.
이렇게 해석을 통해서 적절한 예측이 가능했지만 본 연구에서 고려하지 못한 현상으로 (a) 레이저와 아크 플라즈마 사이의 상호작용을 나타내는 역제동복사, (b) 레이저와 금속 증기간의 상호작용을 나타내는 Rayleigh scattering, (c) 용융풀과 기포간의 열전달과 물질전달이 있다. 향후해석에서는 이러한 현상에 대한 고찰이 필요할 것으로 보인다.
