우주환경에서 GHTAW 아크 특성과 용융지 해석에 관한 연구

Abstract

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.