[학위논문]전기차 경량 프레임 제작을 위한 Al7075의 TIG용접 및 열처리 영향에 관한 연구 A Study on the Effect of TIG welding and Heat Treatment of Al7075 for the Fabrication of Electric Vehicle Lightweight Frame원문보기
최근 자동차 산업에 있어서 화석연료고갈 및 기후변화협약 등의 환경규제의 심화에 따른 친환경 자동차의 필요성이 증가하고 있다. 특히 미래자동차의 경우 하이브리드, 전기자동차 및 연료전지차와 같은 전기 기반의 자동차가 기존의 내연기관자동차를 대체할 것으로 예상되고 있으며 이러한 전기구동기반 자동차의 경우 배터리효율이 낮아 주행거리 및 주행속도 등의 성능개선에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 미래 친환경 자동차의 경우 연비규제 및 환경규제 뿐만 아니라 안전장치 및 주행편의성 향상을 위해 장착되는 기능성 부품 수가 증가함에 따라 차량의 무게도 증가하고 있으며 따라서 차량의 중량감소를 위한 경량화 기술이 적용되고 있다. 차체중량의 30% 정도를 차지하는 차체 및 ...
최근 자동차 산업에 있어서 화석연료고갈 및 기후변화협약 등의 환경규제의 심화에 따른 친환경 자동차의 필요성이 증가하고 있다. 특히 미래자동차의 경우 하이브리드, 전기자동차 및 연료전지차와 같은 전기 기반의 자동차가 기존의 내연기관자동차를 대체할 것으로 예상되고 있으며 이러한 전기구동기반 자동차의 경우 배터리효율이 낮아 주행거리 및 주행속도 등의 성능개선에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 미래 친환경 자동차의 경우 연비규제 및 환경규제 뿐만 아니라 안전장치 및 주행편의성 향상을 위해 장착되는 기능성 부품 수가 증가함에 따라 차량의 무게도 증가하고 있으며 따라서 차량의 중량감소를 위한 경량화 기술이 적용되고 있다. 차체중량의 30% 정도를 차지하는 차체 및 섀시를 경량화하기 위하여 현재 알루미늄, 마그네슘, 고분자 복합소재, 고강도 철강소재 등이 적용되어 기존의 철강소재를 점차 대체하고 있으나, 전기자동차와 같은 미래자동차의 경우 주행성능 확보를 위해서는 추가적인 경량화가 필요한 상황이다. 알루미늄합금의 경우 비강도가 우수하고 비교적 저렴한 소재가격으로 철강 다음으로 가장 많이 사용되는 경량금속소재이다. 특히 자동차 차체의 경량화 소재로서 각광받고 있으며, 고급대형차를 위주로 적용되어 왔으나 최근에는 중소형 차종에 까지 적용될 정도로 보편적으로 사용되는 경량화 소재이다. 본 연구에서는 현재 수송 분야에서 경량화를 목적으로 주로 사용되고 있는 7075 알루미늄 합금을 TIG 용접(GTAW)을 이용하여 접합하고 기계적 특성을 강화하기 위해 필수적으로 열처리를 진행, 기존 알루미늄 용접에 주로 사용되는 용가재인 ER4043, ER5356을 사용하여 용접하고, 추가로 Al7075를 용가재로 사용할 수 있도록 가공하여 맞대기 용접을 진행한다. TIG 용접은 Ar, He 등 불활성 가스 분위기 중에서 비소모성 전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜, 그 열에 의하여 모재 및 용접봉을 용융시켜 접합하는 방식이다. ER4043은 5% Si 및 12% Si를 표준 조성으로 하는 Al-Si 합금으로, 용접금속의 고온 균열에 대한 저항성이 크기 때문에 6000계열 합금 또는 Al 합금 주물의 용접에 사용된다. 이 용가재는 용접금속의 연성 및 인성이 낮고, 양극처리를 실시하면 모재와 다른 색조를 띈다. Al-Mg 계 합금의 용접에 사용하면 Mg2Si 화합물을 만들어 용접부의 성능이 저하되므로 주의하여야 한다. ER5356은 5% Mg을 표준 조성으로 하는 합금으로 Al-Mg계(예:A5083), Al-Mg-Si계(예:6061), Al-Zn-Mg계(예:A7N01) 등의 용접에 사용되며 가장 일반적인 용가재이다. Al7075의 경우 Al-Zn-Mg계 합금으로 본 연구에서 사용하는 모재와 동일한 재질이며 Al7075 판재를 3.2mm로 가공하여 용가재로 사용한다. Al7075를 용접하기 위한 조건은 용접 전류 200A, 용접 속도 100mm/min, 보호 가스 Ar 100%, 가스 유량 15L/min으로 용가재 모두 동일한 조건 하에 용접을 진행하고, T6 열처리는 용체화처리 505℃에서 4시간, 상온에서 퀜칭 후 인공시효를 190℃에서 24시간으로 진행한다. 이러한 조건으로 가공 및 제작한 파이프에서 시험편을 채취하여 인장시험 KS B ISO 4136(금속 용접부 파괴시험 – 횡 방향 인장시험)규격 시험으로 진행하고, 인장강도 시험 후 결과에 따라 미세조직 관찰, 성분분석을 실시하여 Al7075-T6 용접에 가장 적합한 용가재가 무엇인지 파악한다.
최근 자동차 산업에 있어서 화석연료고갈 및 기후변화협약 등의 환경규제의 심화에 따른 친환경 자동차의 필요성이 증가하고 있다. 특히 미래자동차의 경우 하이브리드, 전기자동차 및 연료전지차와 같은 전기 기반의 자동차가 기존의 내연기관자동차를 대체할 것으로 예상되고 있으며 이러한 전기구동기반 자동차의 경우 배터리효율이 낮아 주행거리 및 주행속도 등의 성능개선에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한 미래 친환경 자동차의 경우 연비규제 및 환경규제 뿐만 아니라 안전장치 및 주행편의성 향상을 위해 장착되는 기능성 부품 수가 증가함에 따라 차량의 무게도 증가하고 있으며 따라서 차량의 중량감소를 위한 경량화 기술이 적용되고 있다. 차체중량의 30% 정도를 차지하는 차체 및 섀시를 경량화하기 위하여 현재 알루미늄, 마그네슘, 고분자 복합소재, 고강도 철강소재 등이 적용되어 기존의 철강소재를 점차 대체하고 있으나, 전기자동차와 같은 미래자동차의 경우 주행성능 확보를 위해서는 추가적인 경량화가 필요한 상황이다. 알루미늄합금의 경우 비강도가 우수하고 비교적 저렴한 소재가격으로 철강 다음으로 가장 많이 사용되는 경량금속소재이다. 특히 자동차 차체의 경량화 소재로서 각광받고 있으며, 고급대형차를 위주로 적용되어 왔으나 최근에는 중소형 차종에 까지 적용될 정도로 보편적으로 사용되는 경량화 소재이다. 본 연구에서는 현재 수송 분야에서 경량화를 목적으로 주로 사용되고 있는 7075 알루미늄 합금을 TIG 용접(GTAW)을 이용하여 접합하고 기계적 특성을 강화하기 위해 필수적으로 열처리를 진행, 기존 알루미늄 용접에 주로 사용되는 용가재인 ER4043, ER5356을 사용하여 용접하고, 추가로 Al7075를 용가재로 사용할 수 있도록 가공하여 맞대기 용접을 진행한다. TIG 용접은 Ar, He 등 불활성 가스 분위기 중에서 비소모성 전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜, 그 열에 의하여 모재 및 용접봉을 용융시켜 접합하는 방식이다. ER4043은 5% Si 및 12% Si를 표준 조성으로 하는 Al-Si 합금으로, 용접금속의 고온 균열에 대한 저항성이 크기 때문에 6000계열 합금 또는 Al 합금 주물의 용접에 사용된다. 이 용가재는 용접금속의 연성 및 인성이 낮고, 양극처리를 실시하면 모재와 다른 색조를 띈다. Al-Mg 계 합금의 용접에 사용하면 Mg2Si 화합물을 만들어 용접부의 성능이 저하되므로 주의하여야 한다. ER5356은 5% Mg을 표준 조성으로 하는 합금으로 Al-Mg계(예:A5083), Al-Mg-Si계(예:6061), Al-Zn-Mg계(예:A7N01) 등의 용접에 사용되며 가장 일반적인 용가재이다. Al7075의 경우 Al-Zn-Mg계 합금으로 본 연구에서 사용하는 모재와 동일한 재질이며 Al7075 판재를 3.2mm로 가공하여 용가재로 사용한다. Al7075를 용접하기 위한 조건은 용접 전류 200A, 용접 속도 100mm/min, 보호 가스 Ar 100%, 가스 유량 15L/min으로 용가재 모두 동일한 조건 하에 용접을 진행하고, T6 열처리는 용체화처리 505℃에서 4시간, 상온에서 퀜칭 후 인공시효를 190℃에서 24시간으로 진행한다. 이러한 조건으로 가공 및 제작한 파이프에서 시험편을 채취하여 인장시험 KS B ISO 4136(금속 용접부 파괴시험 – 횡 방향 인장시험)규격 시험으로 진행하고, 인장강도 시험 후 결과에 따라 미세조직 관찰, 성분분석을 실시하여 Al7075-T6 용접에 가장 적합한 용가재가 무엇인지 파악한다.
Recently, the need for eco-friendly cars in the automobile industry has been increasing due to environmental regulations such as fossil fuel depletion and the Convention on Climate Change. In particular, electric-based vehicles such as hybrids, electric vehicles and fuel cell vehicles are expected t...
Recently, the need for eco-friendly cars in the automobile industry has been increasing due to environmental regulations such as fossil fuel depletion and the Convention on Climate Change. In particular, electric-based vehicles such as hybrids, electric vehicles and fuel cell vehicles are expected to replace conventional internal combustion engine vehicles, and for such electric-driven vehicles, the low battery efficiency has led to a growing demand for improved performance, such as mileage and speed of driving. In addition, for future eco-friendly vehicles, many technologies are being applied to reduce the weight of increased vehicles as the number of functional components fitted to enhance the comfort of safety and operation increases. Although aluminum, magnesium, high-molecular composite materials, and high-strength steel materials are applied to gradually replace existing steel materials to make the body and chassis lighter, additional light weight is required for future vehicles such as electric vehicles. In this study, the lightweight material Al7075 is bonded using TIG welding and T6 heat treatment is performed to compare mechanical properties of Al7075-T6 welded by filler metals to determine which filler metal is most suitable for Al7075. TIG welding, also called GTAW, creates arcs between the Non-Dissipate electrode and the parent metal among inert gas atmosphere such as Ar and He, and solves the parent metal and weld rods by melting them by heat. ER4043 is Al-Si alloy with 5% Si and 12% Si as standard formulation, used for welding of 6000 series alloy or Al alloy casting because of its high resistance to hot cracking of weld metal. ER5356 is an alloy with 5% Mg as standard and is used for welding of Al-Mg (ex:A5083), Al-Mg-Si (ex:6061), Al-Zn-Mg (ex:7N01), and is the most common commodity. In the case of Al7075, the material is Al-Zn-Mg alloy and is not generally sold as a weld rod, so the Al7075 plate was machined to 3.2mm and used as a weld rod. The conditions of welding are under the same conditions, with a weld current of 200A, a weld speed of 100mm/min, a protective gas Ar of 100%, and a gas flow rate of 15L/min. T6 Solution treatment is performed for 4 hours at 505°C, quenching is performed ordinary temperature, artificial time is performed 24 hours at 190°C. The tensile test shall be carried out with KS B ISO 4136 standard test. Using SEM (Scanning Electron Microscope), the surface of the welded specimen is observed for each material and EDX (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) is used for component analysis.
Recently, the need for eco-friendly cars in the automobile industry has been increasing due to environmental regulations such as fossil fuel depletion and the Convention on Climate Change. In particular, electric-based vehicles such as hybrids, electric vehicles and fuel cell vehicles are expected to replace conventional internal combustion engine vehicles, and for such electric-driven vehicles, the low battery efficiency has led to a growing demand for improved performance, such as mileage and speed of driving. In addition, for future eco-friendly vehicles, many technologies are being applied to reduce the weight of increased vehicles as the number of functional components fitted to enhance the comfort of safety and operation increases. Although aluminum, magnesium, high-molecular composite materials, and high-strength steel materials are applied to gradually replace existing steel materials to make the body and chassis lighter, additional light weight is required for future vehicles such as electric vehicles. In this study, the lightweight material Al7075 is bonded using TIG welding and T6 heat treatment is performed to compare mechanical properties of Al7075-T6 welded by filler metals to determine which filler metal is most suitable for Al7075. TIG welding, also called GTAW, creates arcs between the Non-Dissipate electrode and the parent metal among inert gas atmosphere such as Ar and He, and solves the parent metal and weld rods by melting them by heat. ER4043 is Al-Si alloy with 5% Si and 12% Si as standard formulation, used for welding of 6000 series alloy or Al alloy casting because of its high resistance to hot cracking of weld metal. ER5356 is an alloy with 5% Mg as standard and is used for welding of Al-Mg (ex:A5083), Al-Mg-Si (ex:6061), Al-Zn-Mg (ex:7N01), and is the most common commodity. In the case of Al7075, the material is Al-Zn-Mg alloy and is not generally sold as a weld rod, so the Al7075 plate was machined to 3.2mm and used as a weld rod. The conditions of welding are under the same conditions, with a weld current of 200A, a weld speed of 100mm/min, a protective gas Ar of 100%, and a gas flow rate of 15L/min. T6 Solution treatment is performed for 4 hours at 505°C, quenching is performed ordinary temperature, artificial time is performed 24 hours at 190°C. The tensile test shall be carried out with KS B ISO 4136 standard test. Using SEM (Scanning Electron Microscope), the surface of the welded specimen is observed for each material and EDX (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) is used for component analysis.
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