Welding

Effect of Laser Oscillation and Beam Incident Angle on Porosity in Double-Sided Filler Welding of 2219 Aluminum Alloy T Joint

레이저 진동 및 빔 입사각이 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 양면 충진 용접 시 기공(Porosity)에 미치는 영향

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 2219 알루미늄 합금은 항공우주 분야에서 연료탱크 제조에 널리 사용되며, 고강도 및 우수한 용접성을 제공한다. 그러나 레이저 빔 용접(LBW, Laser Beam Welding) 시 키홀(Keyhole) 불안정성과 불순물로 인해 기공(Porosity) 결함이 발생한다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 시뮬레이션을 이용하여 빔 진동(Laser Oscillation) 및 빔 입사각(Beam Incident Angle)이 기공 형성 메커니즘에 미치는 영향을 분석.
    • 2219 Al-Cu 합금 T 조인트의 양면 레이저 빔 충진 용접(DLBW)과 진동 레이저 빔 충진 용접(DLBOW)을 비교.
    • 빔 입사각(20°~40°)과 빔 진동이 기공 억제 및 기계적 특성에 미치는 영향을 실험 및 시뮬레이션을 통해 평가.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 시뮬레이션 조건
    • 재료 및 장비:
      • 2219-T8 알루미늄 합금을 피부재(Skin), 2219-T6 알루미늄 합금을 스트링거(Stringer)로 사용.
      • Dual Fiber Laser System을 활용하여 양면에서 동시에 용접 수행.
      • 3D X-ray CT 스캔을 통해 용접부 내 기공의 3차원 위치 및 형태 분석.
      • IPG YLS-6000 및 YLS-10000 레이저 시스템 사용.
      • FLOW-3D v12 소프트웨어의 Flow WELD 모듈을 이용하여 키홀 동작 및 기공 형성 시뮬레이션 수행.
  2. 시뮬레이션 모델링
    • Cartesian 좌표계에서 모델을 구축하고, Gaussian Heat Source를 적용.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 가스-액체-고체 접합 모델링.
    • 표면 장력, 반동 압력, 열 부력 등의 구동력(driving forces)을 고려하여 실험 결과와의 일치도를 높임.
  3. 레이저 용접 변수
    • 빔 입사각: 20°, 30°, 40°.
    • 레이저 출력: 3500 W (DLBW), 3900 W (DLBOW).
    • 용접 속도: 20 mm/s.
    • 와이어 공급 속도: 5 m/min.
    • 진동 주파수: 300 Hz.
    • 진동 진폭: 1.0 mm.

주요 결과

  1. 기공 형성 메커니즘
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과:
      • DLBW(Dual Laser Beam Welding)에서는 키홀 불안정성으로 인해 큰 기포(Bubble) 형성 및 기공 결함 증가.
      • DLBOW(Dual Laser Beam Oscillation Welding)에서는 빔 진동이 키홀을 안정화시켜 기공 억제 효과가 나타남.
      • 20° 입사각에서 기공률이 0.26%로 가장 낮았으며, 기계적 특성도 가장 우수함.
      • 기공 크기는 DLBW에서 2.15 mm, DLBOW에서 0.85 mm로, 진동 레이저가 기공 크기를 60% 이상 감소시킴.
  2. 기계적 특성 개선
    • 20° 입사각 DLBOW에서 후프 인장 강도(Hoop Tensile Strength)는 403 MPa, T-Pull 인장 강도는 302 MPa로 측정됨.
    • 이는 기초 금속(Base Metal) 강도 대비 각각 89.5%, 71.6% 수준을 기록.
    • 빔 입사각 증가 시 인장 강도 감소:
      • DLBW: 후프 강도 352 MPa → 313 MPa, T-Pull 강도 302 MPa → 214 MPa.
      • DLBOW: 후프 강도 403 MPa → 364 MPa, T-Pull 강도 301 MPa → 284 MPa.
  3. 미세구조(Microstructure) 분석
    • DLBOW에서는 미세 결정립(Equiaxed Grain Zone, EQZ)이 작아지고, 부분 용융대(Partially Melted Zone, PMZ) 폭 감소.
    • DLBW에서는 ‘V’ 형태의 용접 단면이 관찰되었으며, DLBOW에서는 ‘W’ 형태로 변화.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 레이저 빔 진동 및 작은 입사각이 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 기공 억제에 효과적.
    • 20° 입사각 DLBOW에서 기공률 0.26%로 기계적 특성 개선 및 기공 결함 감소.
    • FLOW-3D 시뮬레이션이 키홀 불안정성 및 기공 형성 메커니즘을 정량적으로 설명할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 용접 속도 및 레이저 출력 조건에서 기공 억제 메커니즘 추가 분석.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 기공 예측 모델 개발.
    • 산업 응용을 위한 최적화 설계 연구.

연구의 의의

이 연구는 레이저 빔 진동 및 입사각 조절을 통한 기공 억제 메커니즘을 규명하고, 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 용접 품질을 향상시킬 수 있는 실질적인 설계 지침을 제공하며, 항공우주 산업의 경량화 및 생산성 증대에 기여할 수 있다​.

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