Fig. 3 Frictional heat generation rate

전산유체역학을 활용한 마찰교반용접의 해석적 접근에서 표면추적을 위한 알고리즘 연구

A Study on an Interface Tracking Algorithm in Friction Stir Welding Based on Computational Fluid Dynamics Analysis

Fig. 3 Frictional heat generation rate
Fig. 3 Frictional heat generation rate

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 고상 용접 기술로, 기존 용접 방법보다 결함이 적고 알루미늄과 같은 난용접 소재에도 적용 가능함.
  • 기존 CFD 해석에서는 툴과 모재 간의 마찰에 의한 열원을 정확히 모델링하지 못하고 소성변형에 의한 열원만 고려하는 경우가 많았음.

연구 목적

  • FLOW-3D를 활용하여 FSW 공정에서 툴과 모재 간의 마찰열원을 정밀하게 모델링할 수 있는 표면추적 알고리즘 개발.
  • 새로운 알고리즘을 통해 툴의 회전과 이동을 동시에 고려한 마찰열원 계산을 수행하고, 해석 결과를 이론적 계산값과 비교하여 검증.

연구 방법

표면추적 알고리즘 개발

  • 툴의 형상(숄더, 핀 측면, 핀 밑면) 및 이동 궤적을 반영한 인터페이스 추적 기법 적용.
  • 툴의 중심 좌표와 셀 중심 간의 거리를 계산하여 툴 표면 셀을 추적.
  • 표면적 평균값을 활용하여 마찰열원의 크기를 계산하는 방식 도입.

FSW 시뮬레이션 모델링

  • 유체역학 모델: 점성 유동(visco-plastic flow) 고려.
  • 열 전달 모델: 마찰열과 소성변형열을 포함한 3D 열원 모델 구축.
  • 경계 조건: 모재 하부의 받침판(backing plate)과의 열전달을 대류 경계조건으로 가정.
  • 수치해석 도구: Flow-3D 유저 서브루틴(user subroutine) 활용하여 해석 수행.

주요 결과

마찰열 모델 검증

  • 새로운 표면추적 알고리즘을 적용한 해석 결과, 이론적으로 계산한 마찰열원 값과 최대 3% 이내의 오차율을 보이며 높은 정확도 확인.
  • 해석 결과에서 숄더 > 핀 측면 > 핀 밑면 순으로 열 발생량이 많음, 이는 접촉면적과 속도의 영향 때문임.
  • 기존 연구들과 비교 시, 툴 이동과 회전을 동시에 고려하면서도 보다 정확한 마찰열원을 부여할 수 있음을 입증.

결론 및 향후 연구

결론

  • 제안된 표면추적 알고리즘이 FSW 공정에서 마찰열원을 정확히 반영할 수 있음을 확인.
  • 툴의 이동 및 회전을 동시에 고려하면서 마찰열원을 부여할 수 있는 새로운 접근법을 제시.
  • 기존 방법 대비 이론값과의 오차율이 3% 이내로 줄어들어, 해석 신뢰도가 향상됨.

향후 연구 방향

  • 다양한 툴 형상 및 재료에 대한 적용 연구.
  • 다층 용접 및 비대칭 툴 형상에서의 추가 검증.
  • 실제 실험 데이터를 활용한 모델의 보정 및 개선.

연구의 의의

본 연구는 전산유체역학(CFD)을 활용한 FSW 해석에서 마찰열원의 정밀한 모델링을 가능하게 하는 표면추적 알고리즘을 제안하였다. 이 접근법은 기존의 한계를 극복하며, FSW 공정 최적화 및 용접 품질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

Fig. 2 Tool shape
Fig. 3 Frictional heat generation rate

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