Simulations of Weld Pool Dynamics in V-Groove GTA and GMA Welding

V-그루브 GTA 및 GMA 용접의 용융 풀 동역학 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

• V-그루브 용접에서는 용접 아크의 열 유속, 아크 압력 및 전자기력(EMF)을 해석하는 것이 중요함.
• 기존의 축대칭 모델은 V-그루브 용접에서 발생하는 타원형 대칭 아크를 정확히 반영하지 못함.

연구 목적

• 타원형 대칭 아크 모델을 사용하여 용융 풀 거동을 CFD(전산유체역학) 기반으로 시뮬레이션.
• 전자기력 분포를 새로운 방식으로 계산하여 보다 정확한 용접 해석 제공.
• GTAW(가스 텅스텐 아크 용접) 및 GMAW(가스 금속 아크 용접)에서의 차이를 비교 분석.

연구 방법

수치 모델링 및 경계 조건

• Navier-Stokes 방정식 및 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 용융 풀의 유동 해석 수행.
• 아크 열 유속(QA), 대류 및 복사 열 손실(Qconv, Qrad), 증발 열 손실(Qevap) 고려.
• 타원형 대칭 아크 모델을 도입하여 기존 축대칭 모델 대비 개선된 열분포 및 전자기력 예측 수행.

전자기력(EMF) 모델 개발

• 좌표 변환을 활용하여 전자기력 모델을 타원형 대칭 형상에 맞게 조정.
• GTAW와 GMAW의 용융 풀 형상 차이에 따라 EMF 적용 방법 차별화.
• 좌표 매핑을 이용한 새로운 V-그루브 전자기력 모델을 개발하여 기존 모델의 한계를 극복.

주요 결과

GTAW와 GMAW에서의 용융 풀 거동 차이

• GTAW에서는 EMF 좌표 매핑이 필요, GMAW에서는 필요 없음.
• GTAW에서는 용융 풀 표면이 기울어져 있지만, GMAW에서는 평평하게 형성됨.
• 좌표 매핑 후 용융 풀 흐름 방향이 보다 현실적으로 재현됨.

시뮬레이션 및 실험 비교

• GTAW 및 GMAW 실험 결과와 시뮬레이션 비교 시 높은 일치도 확인.
• 좌표 매핑을 적용한 모델이 기존 모델 대비 더 정확한 용접 비드 형상 예측 가능.
• 전자기력 모델을 수정한 후 용접 비드의 폭과 침투 깊이가 실험값과 더욱 유사해짐.

결론 및 향후 연구

결론

• 타원형 대칭 아크 모델과 새로운 전자기력 모델을 적용하여 용접 시뮬레이션의 정확도를 향상.
• GTAW에서는 좌표 매핑을 적용한 EMF 모델이 필수적임.
• GMAW에서는 좌표 매핑 없이도 타원형 대칭 EMF 모델을 직접 사용할 수 있음.

향후 연구 방향

• 더 다양한 용접 공정 조건(전류, 전압 변화)에 따른 모델 개선 연구.
• 실제 산업 환경에서의 적용 가능성 평가 및 추가 검증.
• 다층 용접에서의 용융 풀 거동 예측 및 최적화 연구.

연구의 의의

이 연구는 V-그루브 용접에서 기존의 축대칭 모델이 아닌 타원형 대칭 모델을 적용하여 용융 풀 거동을 보다 정확히 예측할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 용접 품질 개선 및 최적화 설계가 가능하며, 향후 다양한 용접 공정에 응용될 수 있다.

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