01 논문소개
현재 레이저-아크 하이브리드 용접에서 와이어 간격이 용접 결함을 유발하는 이유에 대해서는 관심이 거의 없으며, 특히 후판 형성의 불안정성이 크고 용접 결함이 발생할 가능성이 높은 후판 용접에서는 더욱 그렇습니다. 후판 하이브리드 용접에서 와이어 간격이 결함 형성에 미치는 영향을 더 자세히 이해하기 위해 이 연구에서는 고속-고속-전력 와이어-레이저 하이브리드 용접을 사용하여 12mm 두께의 AH36 해양 강판을 용접했습니다. 액적 이동과 용융 풀 흐름을 관찰하기 위해 고속- 카메라가 사용되었으며, 용융 풀의 특정 흐름 거동을 연구하기 위해 수치 시뮬레이션이 사용되었습니다. 이는 와이어 간격이 와이어{10}하이브리드 용접에서 결함 형성에 영향을 미치는 메커니즘을 명확히 합니다.
02 논문 개요:
레이저{0}}아크 하이브리드 용접(LAHW)은 널리 유망한 접합 방법으로 조선업의 두꺼운 판 접합에서 큰 주목을 받고 있습니다. 레이저-아크 하이브리드 용접에서 가장 중요한 용접 매개변수 중 하나인 레이저 빔과 아크 사이의 간격은 특히 고출력 레이저와 고속-용접 조건에서 레이저와 아크 사이의 결합 효과에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 용접에 대한 빔 간격의 영향을 탐구하는 것은 향후 연구 및 산업 생산에 중요한 이론적 중요성을 갖습니다. 본 논문에서는 용접 공정의 고속 사진을 사용하여 빔 간격이 액적 전달 및 용융 풀 흐름의 안정성에 미치는 영향을 분석하고 수치 시뮬레이션을 결합하여 용접 결함의 형성 메커니즘을 조사합니다. 결과는 적절한 빔 간격이 명백한 용접 결함 없이 잘 형성된 용접을 달성할 수 있음을 보여줍니다.- 빔 간격이 너무 가까우면 레이저와 아크 사이의 과도한 결합 효과로 인해 불안정한 액적 전달 및 용융 풀 흐름이 발생하여 스패터 및 언더컷과 같은 용접 결함이 발생합니다. 빔 간격이 너무 크면 두 열원의 결합 효과가 약해지고 용접 강화가 감소하며 기공 결함이 발생할 수 있습니다.
03 그래픽 분석:
서로 다른 레이저 빔 간격에 따른 용접 표면 형태와 단면 형태의 이미지(그림 1)에서 용접 표면 형성은 레이저 빔 간격에 따라 크게 달라지는 반면, 간격이 서로 다른 용접의 단면 형태는 유사하며 모두 잔 모양-으로 나타남을 알 수 있습니다. 레이저 빔 간격이 4mm이면 뚜렷한 용접 결함이 없으며 용접 형성이 최적입니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 광섬유 사이의 간격이 0mm에서 8mm까지 점차 증가함에 따라 단락-회로 천이의 빈도가 처음에는 감소하다가 증가합니다.
그림 3에서 볼 수 있듯이 순수 MAG 용접이 사용되는 경우 제트 전이 모드에서 제트 전이 방향은 와이어 팁의 지연된 선을 따릅니다. 하이브리드 용접에 레이저를 추가하면 제트 전이의 편향 각도가 크게 변경됩니다.
그림 5의 통계 차트에서 단락-회로 전환 빈도가 처음에는 감소하다가 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 제트 전이 편향 각도의 크기는 광섬유 사이의 거리가 0mm에서 4mm로 증가함에 따라 점차 감소합니다. 섬유 간격이 6-8mm로 더 증가하면 제트 전이 편향 각도에 대한 레이저의 영향이 점차 사라집니다.
그림 6에서 볼 수 있듯이 스패터 결함의 일부는 불안정한 단락-회로 전이로 인해 발생합니다. T+5.9 ms에서 용융 금속 브릿지는 '네킹 파열' 현상을 겪으며 수많은 미세한 스패터를 형성합니다.
그림 7에서 볼 수 있듯이, 키홀 내부의 금속 증기력의 영향과 액적 전이로 인한 충격으로 인해 키홀 후면 위치에서 용접 풀 표면의 용융 금속이 너무 빨리 흘러 풀에서 분리되어 스패터 결함이 형성됩니다.
그림 8의 수치 시뮬레이션 결과에서 레이저와 아크의 복합 효과로 인해 용융 풀 중심 근처의 용융 금속 온도가 더 높고 유속이 더 빠르다는 것을 알 수 있습니다. 이로 인해 용융 금속이 수영장 중앙쪽으로 축적됩니다. 용접부가 냉각됨에 따라 양쪽의 용융 금속이 마랑고니 힘의 영향을 받아 계속해서 중간 영역으로 이동하여 용접부 양쪽에 언더컷 결함이 형성됩니다.
그림 9에서 알 수 있듯이 필라멘트 사이의 간격이 너무 크면 아크 예열 효과가 약해지고 키홀 하부의 레이저 가열 효과가 감소하여 홀의 안정성이 저하됩니다. 용접 바닥으로 전달되는 에너지가 부족하여 키홀의 아래쪽 절반이 불안정해지고 지속적으로 열린 상태를 유지할 수 없게 되어 내부 기포가 빠져나가기 어렵게 되어 결국 다공성 결함이 발생하게 됩니다.
03 요약 및 전망
이 문서에서는 12mm 두께의 AH36 강철에 고출력 레이저-MAG 하이브리드 용접을 사용하여 용접 형성, 액적 전이 및 용융 풀 유동 거동을 연구합니다. 또한, 레이저 와이어 간격이 용접 공정에 미치는 영향과 용접 결함 형성 메커니즘에 대해 논의합니다. 주요 결론은 다음과 같습니다.(1) 레이저 출력이 9.5kW, 와이어 공급 속도는 10m/min, 용접 속도는 1.8m/min, 레이저 와이어 간격은 4mm일 때 언더컷, 스패터 또는 다공성과 같은 결함 없이 0.28mm의 용접 강화와 5.02mm의 용접 폭으로 최상의 용접 형성이 달성됩니다.(2) 레이저 와이어 간격은 액적 전이(제트 + 제트 + 단락-회로 전환). 레이저 와이어 간격이 증가함에 따라 단락-회로 전이 빈도는 먼저 감소한 다음 증가합니다. 레이저 와이어 간격이 0, 2, 4, 6, 8mm일 때 단락{25}}전환 주파수는 각각 161Hz, 124Hz, 95Hz, 116Hz 및 138Hz입니다. 제트 전이의 편향 각도는 와이어 간격이 증가함에 따라 감소합니다. 와이어 간격이 6mm보다 크면 편향 각도는 더 이상 와이어 간격에 의해 영향을 받지 않으며 이는 단일 MAG 용접과 일치합니다.(3) 스패터는 주로 레이저 키홀 위와 용융 풀의 후면에 형성됩니다. 단락-회로 액적 전이는 액체 금속 브리지의 네킹 및 파열을 유도하여 여러 개의 작은 금속 액적을 형성하며, 이는 열쇠 구멍에서 배출되는 금속 증기의 영향을 더 받아 스패터를 발생시킵니다. 또한, 용융 풀은 증기 기둥과 액적 전이의 충격력에 의해 영향을 받아 후면의 용융 금속 유속이 증가합니다. 용융 금속이 0.3 m/s의 속도로 대각선 위쪽으로 흐를 때 용융 금속의 일부가 풀에서 분리되어 스패터를 형성합니다.(4) 언더컷 결함의 형성은 용융 풀 흐름과 밀접한 관련이 있습니다. 가스 분사 영역과 열쇠 구멍 주변의 용융 금속은 계속해서 뒤로 흘러 수영장의 뒷면이 상승하게 됩니다. 용접 영역이 점차 응고됨에 따라 Marangoni 힘에 의해 용접의 상대적으로 차가운 쪽의 용융 금속이 뜨거운 중심을 향해 흘러 용접 토우에 용융 금속이 불충분하게 남아 언더컷 결함이 발생합니다.(5) 레이저 와이어 간격이 너무 크면 용접 내부에 다공성이 발생할 가능성이 있습니다. 레이저와 아크 사이의 결합 효과가 크게 약화되어 레이저와 아크 용융 풀이 거의 분리되어 용접 바닥으로 전달되는 에너지가 감소합니다. 이는 열쇠 구멍 바닥의 안정성을 감소시켜 기포가 용융 풀에서 빠져나가는 것을 어렵게 만들고 결국 용접이 냉각되고 응고됨에 따라 다공성 결함을 형성합니다.
