[논문]마찰교반 점용접(FSJ)을 이용한 Mg 합금의 접합성 평가

조현진; 김흥주; 천창근; 장웅성

문제 정의

FSW 공정을 응용한 새로운 기술인 마찰교반점 용접 (Friction Spot Joining)는 이러한 점에서 최근 주목받고 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 일반적으로 상용되고 있는 대표적인 마그네슘 합금인 AZ계 합금 (Mg-Zn-Al합금)인 AZ31B -H24에 대하여 최적의 FSJ 접합 조건을 설정하고 접합 특성을 평가하고자 한다.

제안 방법

AZ31B-H24 소재에 대한 접합 실험은 마찰 교반 점 용접장치에 숄더 직경 11mm, 핀 직경 3mm, 핀 길이 1.8mm인 툴을 이용하여 마찰교반점접합을 실시하였다. 접합 실험은 Table 2와 같이 접합용 툴의회전속 도(rotating speed), 삽입된 툴이 접합부 내에서 머무르는 시간(Dwelling time), 툴의 삽입 깊이 (plunging depth)를 변화시켜 결함이 없는 건전한 접합부를 얻고자 한다.
건전한 접합부의 결함 유무는 육안에 의한 접합부 외관 관찰 및 접합한 재료를 절단하여 마운팅을 한 다음 폴리싱 연마 후 광학현미경을 사용하여 접합부 조직을 관찰하였으며 접합부와 모재, 열영향부의 결정 립 크기를 측정하기 위해 ASTM E112에 규정된 Heyn Lineal Intercept Procedure법을 이용하여 결 정립 크기를 측정하였다. Fig 3.2.1과 같이 결정립 크기를 측정하기 위한 시료로써 모재의 압연 방향과 평행한 방향(longitudinal, 1(0°))와 수직한 방향(transverse, t(90°))방향과 표면 방향과 평면의 방향(planar, p(90°))에서 각각 채취한 시료로부터 각 영역별로 200배율 사진을 준비한 후 한선의 길이를 100mm로 하여 4개의 선을 교차시켜 측정하였다.
또한 건전한 접합부에 대하여 기계적 특성 파악을 하기 위하여 경도시험(0.3kgf, 12sec) 및 인장전단 시험 을 실시하였으며, 접합부인장전단시험은 JIS Z 3140규격에 맞추어 시편을 제작하여 실시하였으며, 미세조 직적 특징은 광학현미경(Optical Microscope)을 이용하여 미세조직을 관찰하였으며, SEM (Scanning Electron Microscopy) 을 이용하여 접합부 단면 및 파단면을 관찰하고 EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy)를 사용하여 각 상들의 조성을 분석하였다.
마찰 교반 점용접(FSJ)를 이용하여 전신 재 마그네슘 합금 AZ31B-H24에 대해 접합 실험을 실시한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 합금에 대한 중요 원소에 대한 화학 조성과 기계적 특성을 Table 1에 나타내었다. 본 실험에서는 100x30x1.5 크기의 두 부재를 겹치기 형태로 접합을 실시하였다.
8mm인 툴을 이용하여 마찰교반점접합을 실시하였다. 접합 실험은 Table 2와 같이 접합용 툴의회전속 도(rotating speed), 삽입된 툴이 접합부 내에서 머무르는 시간(Dwelling time), 툴의 삽입 깊이 (plunging depth)를 변화시켜 결함이 없는 건전한 접합부를 얻고자 한다. 건전한 접합부의 결함 유무는 육안에 의한 접합부 외관 관찰 및 접합한 재료를 절단하여 마운팅을 한 다음 폴리싱 연마 후 광학현미경을 사용하여 접합부 조직을 관찰하였으며 접합부와 모재, 열영향부의 결정 립 크기를 측정하기 위해 ASTM E112에 규정된 Heyn Lineal Intercept Procedure법을 이용하여 결 정립 크기를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 마그네슘 합금은 우수한 강도와 연성을 가지는 전신재 합금으로 가공경화와 일부 어닐 링 되어진 것으로 두께 1.5mm의 AZ31B-H24 합금 을 사용하였으며, 이는 현재 가장 널리 사용되고 있는 Mg 합금 중 하나이다. 이 합금에 대한 중요 원소에 대한 화학 조성과 기계적 특성을 Table 1에 나타내었다.

이론/모형

접합 실험은 Table 2와 같이 접합용 툴의회전속 도(rotating speed), 삽입된 툴이 접합부 내에서 머무르는 시간(Dwelling time), 툴의 삽입 깊이 (plunging depth)를 변화시켜 결함이 없는 건전한 접합부를 얻고자 한다. 건전한 접합부의 결함 유무는 육안에 의한 접합부 외관 관찰 및 접합한 재료를 절단하여 마운팅을 한 다음 폴리싱 연마 후 광학현미경을 사용하여 접합부 조직을 관찰하였으며 접합부와 모재, 열영향부의 결정 립 크기를 측정하기 위해 ASTM E112에 규정된 Heyn Lineal Intercept Procedure법을 이용하여 결 정립 크기를 측정하였다. Fig 3.

성능/효과

1) AZ31B-H24 합금은 회전 속도 1000rpm, 툴삽입 입깊이 2.2mm, 툴삽입 후 유지시간 3sec 일 경우 가장 양호한 접합부를 형성하였다.
2) 접합부의 결정립 크기는 약 10um로 모재 약&im에 비해 크게 변하지 않았고 열영향부는 약 20um 로 열 영향에 의해 조대한 결정립을 지니는 것으로 나타났다.
3) 마찰 교반 점 접합부의 인장 강도는 허용 전기 저항 점용접부의 인장강도(Welding handbook, vol 3, AWS)에 비해 119% 증가한 우수한 접합부가 생성되었다.
2mm-2sec의 조건에서 발생하는 것을 볼 수 있다. 설정한 조건 중 유지시간과 삽입 깊이의 경우는 최초 상승하다 정점을 지나 다시 하강하는 분포를 나타내었으나 회전 속도의 경우는 최소 조건 1000rpm보다 낮은 조건에서는 불충분한 마찰 열로 인해 접합이 되지 않는 현상이 관찰되었다.
적정 조건에서 실시한 접합 실험에서 접합부의 결정립 크기 변화는 모재의 결 정립 크기 약 8㎛에 비해 약 10 ㎛로 약간 조대해졌고, 열영향부의 경우 약 22㎛로 크게 조대해진 결정립을 지녔다.

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