A numerical investigation on high power laser welding characteristics of pipes

Abstract

본 연구는 고출력 레이저를 이용한 파이프 용접에 대한 현상을 수치해석적인 분석을 통해 체계적인 분석을 진행 한 내용을 담고 있다. 최근의 디스크와 파이버 레이저를 이용한 레이저 용접기술의 진보에 의해 의해 현장에서의 고출력 레이저 파이프 용접 공정이 가능해졌다. 파이프 용접은 레이저 공정의 쉽지 않은 조건인 대기에서의 고출력을 이용한 후판용접조건을 말한다. 이러한 공정의 수치해석적인 연구는 실험적인 연구와 비교하여, 완전용입과 부분용입 조건에서의 유체 유동 및 열 전달 특성을 분석할 수 있는 점과 비용적인 측면에서 서의 이점을 가지고 있다.

레이저 용접에 대한 수치 해석적인 계산은 질량 보존 방정식, 운동량 보존 방정식 (나비에-스톡스, Navier-Stokes), 에너지 보존 방정식과 VOF(Volume-Of-Fluid) 방정식의 기본형태를 통해 진행되었다. 상용 소프트웨어인 FLOW3D 를 통하여, 열 전달과 유체의 유동은 계산되었으며, 용접 공정 중 자유표면의 추적은 다음의 가정과 단순화를 통하여 진행되었다. 용융금속은 비압축성 층류유동을 가지는 뉴턴 유체로 가정하였으며, 키홀의 자유표면을 추적하기 위하여, VOF 방정식과 함께 광선 추적 기법과 키홀 내부에서의 다중 반사 현상을 수식화 하여 사용하였다. 레이저의 빔의 에너지 분포는 키홀 입구에서 가우스(Gaussian) 분포를 띄는 것으로 가정하였다. 레이저 빔이 키홀에 입사 될 때 레이저의 다중 반사 현상은 프레넬 흡수(Fresnel absorption) 모델과, 하겐-루벤 단순화(Hagen？Ruben’s simplification)를 통해 계산하였다. 금속의 용융 천이 영역(mushy zone)의 거동은 카르만-코제니 방정식(Carman？Kozeny equation) 이 사용되었다. 가스와 플라즈마의 영역은 고체와 액체상태의 금속 대비 매우 낮은 밀도를 가지므로 빈(void) 영역으로 처리하였다. 용융 금속 내부의 가스 기포는 단열거동으로 가정 하였다.

레이저에 의한 에너지는 777개의 개별 에너지 묶음으로 모델링 하였다. 초기 777개의 에너지 묶음은 초점 면에서 가우스 분포를 가지도록 설정 하였다. 에너지 묶음의 초기 경로는 레이저 광선 경로의 회절 효과를 고려하였다. 레이저 광선 경로를 따라 초점 까지는 에너지 묶음의 방향이 빔의 중앙으로 수렴하고, 초점 이후부터는 발산한다. 광선추적과 에너지 분포에 대한 계산은 키홀 내부의 자유표면을 만날 때까지 계속된다. 자유 표면의 선택은 연산 영역 내부의 임의의 셀을 둘러싸는 26개의 셀을 검사함으로써 이루어진다. 만약 26개의 셀 중 하나의 셀이 비어있고, 비어 있는 셀의 외부의 자유표면과 연결이 되어 있다면, 비어있는 셀이 자유 표면 셀로 선택이 된다. 레이저의 에너지 묶음은 용접 대상의 표면에 도달 할 때까지 계산된 경로로 진행하며, 용접 대상의 표면에서의 반응을 통하여, 내부의 키홀을 생성한다. 키 홀 내부의 레이저의 다중 반사는 프레넬 반사와 하겐-루벤 관계를 고려한다. 레이저 에너지의 다중반사와 흡수는 초기 에너지 묶음이 가진 에너지의 대부분을 소진하거나, 키홀의 바깥으로 향할 때까지 연산되며, 초기 777개의 개별 에너지 묶음에 대해 모두 연산된다. 이러한 레이저의 기초적인 거동과 함께 vapor induced shear stress, vapor plume heat source, vapor re-condensation heat source, bubble pressure model, recoil pressure model, Marangoni flow 와 Boussinseuq model 이 고려되었다...