전산유체역학을 활용한 마찰교반용접 툴 형상 비교에 대한 연구

Abstract

마찰교반용접이 1991년에 개발된 후, 기존 방법(레이저, 아크 등)으로 용접이 힘들던 알루미늄 박판과 같은 소재에 적용이 가능하며 모재의 융점이하에서 진행되는 고상용접이기 때문에, 균열이나 모재내에 발생하는 구멍과 같은 용접결함이 적은 용접기술로서 많은 주목을 받고 있다. 이러한 장점으로 현재까지 차량, 항공기, 선박, 철도 및 반도체 분야 등 많은 산업분야에서 광범위하게 적용이 되고 있다.

최근까지 실험적, 해석적인 연구가 활발히 진행되어 많은 부분에서 괄목할만한 성과가 이어지고 있다. 특히 해석적인 연구에서 전산유체역학을 기반으로 한 해석은 실험으로 측정하기 힘든 모재 내부의 유동 및 점성분포등을 확인할 수 있는 등의 장점이 있어 많은 연구자들이 택하고 있는 방법이다. 하지만 마찰교반용접의 전산유체역학을 이용한 해석에서는 용접공정 중 발생하는 열원 을 구현하기 위해 많은 연구자들이 툴과 모재와의 마찰에서는 완전 접촉을 가정하여 소성변형 에 의한 열원을 적용하고 있다. 그 이유는 툴과 모재와 접촉하는 면이 시간에 따라 계속 변하여 매 순간마다 접촉면과 그 면적을 찾기가 힘들기 때문이다.

본 연구에서는 전산유체역학을 기반으로한 해석적인 접근을 바탕으로 임의의 툴 형상에 적용할 수 있는 표면추적기법에 대해 제시를 하였다. 또한 추적된 표면에 마찰열원을 적용하기 위해 평균 표면적의 개념을 적용하였다. 연구에는 총 세 가지 형상(실린더, 스크류, 탭)이 사용되었는데, 그 중에서 실린더 형상으로는 마찰교반점용접을 통한 검증을, 탭 형상에 대해서는 마찰교반용접을 통한 검증을 하였다. 검증방법으로는 토크와 온도가 과도상태부터 준 정상상태까지 비교되었다. 또한 세 가지 형상의 비교를 위해 유동의 크기 및 방향, 토크 등이 사용되었고 각 형상별로 나타나는 현상들에 대해 분석을 하였다.