고성능 컴퓨팅을 활용한 레이저 용접 열·기계 시뮬레이션

초록

본 논문은 레이저 빔 용접(LBW) 과정에서 발생하는 고체화 균열을 평가하기 위해, 제어 인장 연성(CTW) 실험과 고성능 컴퓨팅(HPC) 기반의 대규모 열·기계 유한요소 시뮬레이션을 결합한 방법을 제시한다. 상용 ANSYS와 자체 개발한 FE2TI 라이브러리를 하이브리드 파이프라인으로 활용하여, 실험과 수치 결과를 정성적으로 비교하고, 도메인 분할 및 PETSc 기반 솔버의 확장성을 검증한다.

상세 분석

이 연구는 레이저 용접 중 발생하는 고체화 구역의 온도·변형률이 균열 발생에 미치는 영향을 정량화하기 위해 두 가지 핵심 요소를 결합한다. 첫 번째는 BAM에서 개발한 CTW 시험법으로, 용접 중에 전단 방향으로 일정한 전역 인장 변형률을 가하면서 고해상도 sCMOS 카메라와 적외선 열화상으로 국부 변형과 온도장을 실시간 측정한다. 실험에서는 AISI 304 스테인리스 시트를 1 mm 두께로 사용하고, 레이저 파라미터(출력 1 kW, 속도 1 m/min 등)를 고정한 뒤 전역 변형률을 0.02~0.035 범위에서 단계적으로 적용한다.

두 번째는 수치 모델링이다. 저자들은 ANSYS를 이용해 전체 시편의 거시적 열전달을 먼저 계산하고, 경계면에서 얻은 온도·변위 데이터를 FE2TI로 전송한다. FE2TI는 PETSc 기반의 병렬 도메인 분할 솔버(오버랩핑 Schwarz, GDSW 코어스페이스)를 사용해 완전 결합된 열‑탄소‑플라스틱(소변형) 문제를 해결한다. 재료 모델은 온도 의존성 탄성계수와 포아송비를 포함한 다중선형 등방성 경화 모델이며, von Mises 항복조건과 다중선형 경화곡선을 통해 플라스틱 변형을 기술한다. 자유에너지 함수와 열‑기계 연성(ε = εᵉ+εᵖ+εᵗ)을 기반으로 한 소변형 가정 하에, 열전달 방정식과 운동량 균형을 동시에 풀어 온도와 응력·변형률을 강하게 결합한다.

수치 해석에서는 시간 적응 스키밍, 솔버 재활용, 직접 스파스 솔버 선택 등 다양한 최적화 기법을 적용해 시뮬레이션 시간을 수시간 수준으로 단축하고, 에너지 소비를 최소화한다. 확장성 테스트에서는 코어 수가 64에서 1024까지 증가함에 따라 거의 선형적인 속도 향상을 보였으며, 이는 대규모 3차원 헥사hedral 메쉬(수백만 자유도)에서도 안정적인 수렴을 확보함을 의미한다.

실험 결과와 수치 결과를 비교한 정성적 평가는 두 접근법이 온도 프로파일과 변형률 분포에서 유사한 패턴을 보임을 확인한다. 특히, 고체화 구역에서의 응력 집중과 변형률 급증이 균열 발생 가능 영역과 일치한다. 그러나 정량적 차이는 아직 존재하며, 이는 재료 모델의 미세구조적 파라미터(예: δ‑페라이트 함량)와 광학 측정의 해상도 제한, 경계 조건의 이상화 등에서 기인한다.

전체적으로 이 논문은 실험적 CTW 테스트와 HPC 기반 고해상도 열·기계 시뮬레이션을 통합함으로써, 레이저 용접 공정의 고체화 균열 메커니즘을 이해하고 예측하는 새로운 프레임워크를 제시한다. 향후 연구에서는 재료 모델을 미세구조 기반으로 정교화하고, 실시간 피드백을 통한 공정 최적화 전략을 모색할 필요가 있다.