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민하 임
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1 67 연구논문 레이저 -GMA 하이브리드용접에서유동에의한기포및기공형성해석 조원익 * 조정호 ** 조민현 *** 이종봉 *** 나석주 * * KAIST 기계공학과 ** Industrial, Welding and System Engineering Department, Ohio State University *** POSCO 기술연구소 Numerical Simulation of Bubble and Pore Generations by Molten Metal Flow in Laser-GMA Hybrid Welding Won-Ik Cho*, Jung-Ho Cho**, Min-Hyun Cho***, Jong-Bong Lee*** and Suck-Joo Na* *Department of Mechanical Engineering, KAIST, Daejeon , Korea **Edison Joining Technology Center, Ohio State University, 1248 Arthur E Adams Drive, Columbus, OH 43221, USA ***Joining research group, Technical research laboratories, POSCO, Pohang , Korea *Corresponding author : sjna@kaist.ac.kr (Received September 4, 2008 : Revised October 14, 2008 ; Accepted October 15, 2008) Abstract Three-dimensional transient simulation of laser-gma hybrid welding involving multiple physical phenomena is conducted neglecting the interaction effect of laser and arc heat sources. To reproduce the bubble and pore formations in welding process, a new bubble model is suggested and added to the established laser and arc welding models comprehending VOF, Gaussian laser and arc heat source, recoil pressure, arc pressure, electromagnetic force, surface tension, multiple reflection and Fresnel reflection models. Based on the models mentioned above, simulations of laser-gma hybrid butt welding are carried out and besides the molten pool flow, top and back bead formations could be observed. In addition, the laser induced keyhole formation and bubble generation duo to keyhole collapse are investigated. The bubbles are ejected from the molten pool through its top and bottom regions. However, some of those are entrapped by solid-liquid interface and remained as pores. Those bubbles and pores are intensively generated when the absorption of laser power is largely reduced and consequently the full penetration changes to the partial penetration. Key Words : Laser-GMA hybrid welding, Welding simulation, Bubble, Pore 1. 서론 레이저 -아크하이브리드용접은레이저와아크열원의장점을동시에가짐으로써용접공정의효율을높이며용접부의품질을향상시키기위한방법으로최근각광을받고있다. 레이저용접은적은열영향으로깊은 용입을얻을수있는장점이있지만, 용접부의갭이음성이떨어지는단점이있다. 반면, 아크용접은용접부의갭에크게영향을받지않는장점이있지만, 열영향부가커서모재의잔류응력이커지고, 용입이깊지못한단점이있다. 하이브리드용접은이두가지열원을함께사용하여두열원의장점을고루취함으로써, 조선산업등의후판용접뿐만아니라자동차산업의박판용접에 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 6 號, 2008 年 12 月 611

2 68 조원익 조정호 조민현 이종봉 나석주 까지다양한분야로의적용이활발히이루어지고있는기술이다. 이러한레이저- 아크하이브리드용접에대한연구는실험적인접근과해석적인접근으로나눌수있으며전자의경우 JWRI 의 x-ray 투과법을이용한실시간키홀모니터링기법 1) 이가장발전된형태로볼수있다. 하지만, 장비가고가인점과해상도와프레임속도의제한등단점이있다. 이러한실험적인연구의한계와함께과거용접공정이공정의생산성에관점을맞췄다면현재는품질의관점으로옮겨가고있어기공등의용접결함의기구를설명하는데해석적연구가유리할것으로판단된다. 따라서용접현상에대한해석학적접근을시도하여용접부단면비드형상예측과함께용접결함을예측함으로써실험이갖고있는한계를극복하고궁극적으로용접부품질향상을이루고자하는노력이필요하다. 이에최근험핑 2), 기공 3) 등용접결함형성에대한해석결과가발표되고있다. 하지만기공형성에관해서는아직실제용접현상과는상이한조건에서얻은결과에그치고있어이에대한더많은연구가필요하다. 따라서본연구에서는실제용접에서의기공현상에근접한해석학적접근을시도하였다. 이를위해기존의레이저용접과아크용접해석모델에기포형성모델을추가하여수치해석을수행하였다. 참고로본연구에서기포 (bubble) 는기포를둘러싸고있는용접부가액상선이상으로용융풀의거동에의해영향을받는부분으로정의하였고기공 (pore) 는기공주위가고상선이하로더이상움직이지못하고용접부에갇혀최종적으로결함으로남는부분으로정의하였다. 2. 해석모델 기본적으로 GMA-레이저하이브리드용접에서의용융풀거동을모사하기위해본 3차원과도해석에서사용한지배방정식은다음과같은질량보존방정식, 운동량보존방정식, 에너지방정식, 상태방정식과자유표면추적을위한 VOF 방정식 4) 이다. (1) (2) (3) (4) 자유표면에서의경계조건으로아크열원은다음과같은가우시안함수로가정하여표면에입력하였으며아크플라즈마에의해발생하는아크압력역시가우시안함수로가정하여자유표면에작용하도록하였다. (5) (6) 다음으로아크전류흐름에따라서용융풀에작용하는전자기력은모제의두께에대한평균값으로계산하여다음과같은체적력으로모델링하였다. (7) (8) (9) 매우높은에너지밀도를가지는레이저열원역시가우시안함수형태의표면열원으로가정했지만레이저빔의발산각을고려하여다음과같이유효반경이위치에따라바뀌도록하였다. (10) where 612 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 2008

레이저 -GMA 하이브리드용접에서유동에의한기포및기공형성해석 69 Pressure[Mpa) 14 12 10 8 6 4 Clausius-Clapeyron eq Semak& Matsunawa (1997) Chen & Wang(2001) Anisimov(1969) Absorptivity 0.45 0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 Fig.

3 레이저 -GMA 하이브리드용접에서유동에의한기포및기공형성해석 69 Pressure[Mpa) Clausius-Clapeyron eq Semak& Matsunawa (1997) Chen & Wang(2001) Anisimov(1969) Absorptivity Fig Temperature[k] Comparison of calculated recoil pressure values based on various suggested models Incident angle[red] Fig. 2 Absorptivity calculated by Fresnel reflection model as a function of the incident angle (ε=0.2) 레이저용접에서좁고깊은단면비드를일컫는키홀을형성하는데가장큰역할을하는것은바로반발압력으로알려진모재의증발압력이다. 따라서본연구에서는기존의증발모델중실험결과와비교적잘일치하면서도수식형태가비교적간단한다음과같은모델 (Anisimov(1969)) 을이용하여증발압력을표면경계조건으로설정해주었다 5). (11) 다른모델과의비교를위해 Fig. 1에상온에서 5000K 까지의계산결과를함께나타냈다. 그결과실제증발압력이 Clausius-Clapeyron 식으로부터계산된포화압력의절반정도라는사실로부터 Anisimov 에의해제안된위식이적합함을판단할수있다. 마지막으로, 레이저빔의키홀에서의다중반사를고려해주기위해다중반사모델을해석에적용하였고자유표면에서의레이저빔의흡수는다음과같은 Fresnel 반사모델을적용하여모든자유표면이존재하는셀에서빔의입사각에따라변화하는흡수율을계산하였다 6,7). (12) 식 (12) 에서 ε=0.2 로가정했을때입사각에대한흡수율은 Fig. 2와같이계산되고다중반사를고려했을경우와고려하지않았을경우 6kW 레이저에대한키홀 Power[W] Time[sec] Fig. 3 Comparison of absorbed laser powers with multiple reflection model and without multiple reflection model (laser power= 6kW) 에흡수된레이저파워는 Fig. 3과같았다. 여기서, 0.00, 0.03, 0.06, 0.09 초에서의키홀의형상 (Fig. 4) 을비교해본결과키홀이깊어질수록다중반사가더많이일어나더많은레이저에너지가흡수됨을유추할수있었다. 다음으로기존에사용했던모델의경우기포가일정압력을유지하고있어기포가발생했더라도곧바로사라지는비물리적현상이발생하였다. 이에대한해결책으로써본연구에서는단열기포모델을제안하였다. 이모델은기포내부를이상기체로가정하였고기포와유체간의열전달을무시하였다. 그리고마지막으로매계산시간마다기포내부의압력과온도는일정하게유지된다고가정하였다. 이러한가정에의해아래의에너지보존의법칙과이상기체의상태방정식을이용하여부피감소에따라압력이증가하여기포가유지될수있는식 (15) 와같은모델을계산하였다. (13) (14) 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 6 號, 2008 年 12 月 613

70 조원익 조정호 조민현 이종봉 나석주 t=0.00 sec t=0.03 sec Extraction of free surface Re-extraction of free surface where multiple reflection occurs Fig. 4 Fig. 5 t=0.06 sec t=0.09 sec Keyhole shape at t=0.00, 0.

5와같이길이 24mm 에너비는 30mm 높이는 6mm로설정했으며 BOP(Bead-On- Plate) 용접부와중앙에 0.2mm 의갭이존재하는맞대기용접부를고려하였다. 그리고레이저와아크의상대거리는 3mm로주었고재료의물성치는일반적인연강으로가정하였다.

이와같은문제는기존알고리즘에서는단순히레이저의벡터와레이저가도달하는자유표면의법선벡터의관계로부터레이저흡수여부를결정했기때문에발생하였다. 이를해결하기위해본연구에서는 Fig.

4 70 조원익 조정호 조민현 이종봉 나석주 t=0.00 sec t=0.03 sec Extraction of free surface Re-extraction of free surface where multiple reflection occurs Fig. 4 Fig. 5 t=0.06 sec t=0.09 sec Keyhole shape at t=0.00, 0.03, 0.06 and 0.09 sec (laser power=6kw) (a) gap free (b) 0.2mm gap Schematic diagram of laser-gma hybrid butt joint welding simulation (15) 해석모델은 Fig. 5와같이길이 24mm 에너비는 30mm 높이는 6mm로설정했으며 BOP(Bead-On- Plate) 용접부와중앙에 0.2mm 의갭이존재하는맞대기용접부를고려하였다. 그리고레이저와아크의상대거리는 3mm로주었고재료의물성치는일반적인연강으로가정하였다. 사용된레이저의파워는 6kW이고아크의전압과전류는각각 20V와 240A이며용접속도는 1m/min 인레이저선행용접공정을시뮬레이션하였다. 3. 결과고찰 기존하이브리드용접의용융풀해석알고리즘에기공모델을추가했을때생기는가장큰문제점은키홀뿐만아니라기포에도레이저의광이흡수되는비물리적현상이발생한것이다. 이와같은문제는기존알고리즘에서는단순히레이저의벡터와레이저가도달하는자유표면의법선벡터의관계로부터레이저흡수여부를결정했기때문에발생하였다. 이를해결하기위해본연구에서는 Fig. 6에서와같이실시간으로키홀형상을추출하여기포에레이저가도달하지못하도록수정하였다. Fig. 6 Procedure of extraction of free surface on which multipul reflection occurs 이를통해물리적으로합당한해석을수행할수있었으며그결과를 Fig. 7, Fig. 8, Fig. 10에나열하였다. 먼저 Fig. 7의갭이존재하지않은경우의결과를살펴보면부분용입이일어나는동안에는불안정한키홀의끝에서기포가생성되고부력과유동에의해서상부비드쪽으로이동하다서로결합해비교적큰기포를생성한후상부비드쪽으로빠져나갔다. 반면에완전용입이일어난후에는기포가상부비드보다는가까운하부비드쪽으로빠져나갔고이는부력에비해키홀에의해발생된유동이큰역할을한것으로판단된다. 다음으로 Fig. 7의 0.2mm 갭이존재하는경우의결과를살펴보면부분용입이일어나는동안에서의기포생성과유동은앞의갭이없는경우와유사했다. 하지만완전용입이일어난후에도기포가하부비드쪽으로빠져나가지못하고부력에의해용융풀상부로이동해기공을형성하는점에서는갭이없는경우와분명한차이를보였다. 이와같은현상은 Fig.8 의길이방향단면결과에서자세히살펴볼수있으며한가지이유로갭이존재하는경우에키홀로부터발생한기포의크기가갭이없는경우보다크기때문에유동에비해부력의영향을크게받는것으로판단된다. 그리고갭을통한비주기적인레이저파워의손실과급격한유동으로인한안정정인키홀형성의방해또한기포와기공형성의원인으로생각된다. 이러한기공의발생의조건은다음과같이정리할수있겠다. 1. 불안정한키홀또는부분용입으로인한과도한기포형성 2. 용융풀내부에기포가갇힐수있는고상경계면의존재 따라서, 위의조건을만족하는갭이있는용접부에서상대적으로많은기공이발생하는것으로판단되며이 614 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 2008

5 레이저 -GMA 하이브리드용접에서유동에의한기포및기공형성해석 71 (a) gap free (a) gap free (b) 0.2mm gap Fig. 7 Sequential snapshots of transparent scenes of hybrid welding 를증명하기위해 Table 1과같이해석과동일한조건에서하이브리드용접시험을수행하였으며시험에는 CW CO 2 레이저와 DCEP 전원특성의 MIG 용접기를사용하였다. 시험의재현성을위해동일한조건에서 2회반복시험을수행했으며시험후방사선투과시험 (Fig. 9) 을통해갭이존재하는경우인 A1과 A1-1( 반복시험 ) 이 B1과 B1-1( 반복시험 ) 에비해기공현상이두드러짐을확인할수있었으며이는위해석결과와같은맥락으로설명할수있겠다. 마지막으로 Fig. 10에용접부중심에서의단면의형상을도시했으며갭이존재하는경우고상경계면상의기공을관찰할수있다. (b) 0.2mm gap Fig. 8 Sequential snapshots of cross-sectional side view of hybrid welding 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 6 號, 2008 年 12 月 615

72 조원익 조정호 조민현 이종봉 나석주 Table 1 Hybrid welding conditions Fig. 9 RT test results No Leading Process Laser Power (kw) Feed rate (m/min) Arc A V Welding Speed (m/min) Gap (mm) A1 Laser 6 7.5 240 20 1 0.

6 72 조원익 조정호 조민현 이종봉 나석주 Table 1 Hybrid welding conditions Fig. 9 RT test results No Leading Process Laser Power (kw) Feed rate (m/min) Arc A V Welding Speed (m/min) Gap (mm) A1 Laser A1-1 Laser B1 Laser B1-1 Laser 위에서열거한해석결과는실험을통해서는실시간으로관찰하기에난해한과제를해석으로가시화하는의미있는시도로생각된다. 4. 결론 (a) gap free 본연구를통해얻은결론은다음과같다. 1) 하이브리드용접의용융풀해석모델제시하여다물리현상을가지는용접공정을전산유체역학을통해이해할수있는기반을마련하였고본연구에서는고체의모재가액체로용융되는상변화및이에따른용융금속의자유표면까지해석가능한모델을제시하였다. 이를위해용접공정에서고려해야할물리적특성즉, 반발압력, 아크압력, 전자기력, 표면장력및다중반사화 Fresnel 흡수모델등을해석에서고려하였다. 2) 기공현상등관찰이어려운용융풀의거동이해할수있는계기가마련되었다. 실제로엑스레이를이용한용접공정의실시간관찰이가능하지만, 이는지극히 2차원적인문제로키홀에국한되는용융풀의빈공간만을볼수있어제한적인정보만을얻을수있을뿐만아니라비용적으로나시간적으로불리한점이많다. 본연구에서는이런문제를넘어서서, 용융풀의거동을유동벡터와함께자유표면의변형을보여줌으로써용융풀거동과기공등용접결함이발생하는기구를실시간으로관찰가능하여앞으로공정변수별영향을분석할수있고이를통해기공형성을피할수있는최적조건을도출할수있을것으로예상된다. 후기 본연구는 BK21 및 POSCO 기술연구소의연구비지원에의하여이루어졌으며, 이에감사드립니다. Fig. 10 (b) 0.2mm gap Sequential snapshots of cross-sectional front view of hybrid welding 참고문헌 1. N. Seto, S. Katayama, and A. Matsunawa : High-speed simultaneous observation of plasma and keyhole behavior 616 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 2008

7 레이저 -GMA 하이브리드용접에서유동에의한기포및기공형성해석 73 during high power CO 2 laser welding: Effect of shielding gas on porosity formation, J. Laser Appl., 12-6 (2000), M. H. Cho and D. F. Farson : Simulation Study of a Hybrid Process for the Prevention of Weld Bead Hump Formation, Welding Journal, 86-9 (2007), A. F. H. Kaplan, M. Mizutani, Seiji Katayama and A. Matsunawa : Unbounded kehole collapse and bubble formation during pulsed laser interaction with liquid zinc, J. Phys. D: Appl. Phys., 35 (2002), C. W. Hirt and B. D. Nichols : Volume of fluid method for the dynamics of free boundaries, J. Comp. Phys. 39 (1981), M. Allmen and A. Blatter : Laser-Beam Interactions with Materials(2nd Edition), Springer, J. H. Cho : An analysis of three-dimensional molten pool in laser-gma hybrid welding, KAIST Doctoral Thesis (2007) (in Korean) 7. J. H. Cho and S. J. Na : Implementation of real-time multiple reflection and Fesnel absorption of laser beam in keyhole, J. Phys. D: Appl. Phys. 39 (2006), Nomenclature 부 록 모재두께 기화점 비열 액상점 체적력 고상점 아크전류 내부에너지 비열비 아크전압 열전도도 속도벡터 증발잠열 좌표 압력 진공유전율 대기압 금속유전체상수실수부 플라즈마유전체상수 반발압력 실수부 포화압력 아크효율 특정기체상수 점도 일반기체상수 진공투자율 반경 금속투자율 레이저초점반경 밀도금속의단위길이당전 아크유효반경 기전도도 레이저유효반경 비체적 온도 레이저각주파수 大韓熔接接合學會誌第 26 卷第 6 號, 2008 年 12 月 617

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DBPIA-NURIMEDIA 88 연구논문 김철희 * 채현병 * 이창우 * 김정한 * 이세헌 ** * 한국생산기술연구원정밀접합팀 ** 한양대학교공과대학기계공학부 Development of Laser-Rotating Arc Hybrid Welding Process Cheol-Hee Kim*, Hyun-Byung Chae*, Chang-Woo Lee*, Jeong-Han Kim* and Se-Hun