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문제 정의
- 본 연구는 기계적 성질은 우수하나 타 알루미늄 합금에 비해서 용접성이 떨어지는 A2024-T4 동종재로 형상이 중 실축이고 지름이 같은 두 재료를 마찰 용접하였을 때 외주부로부터 반경 변화 위치에 따른 기계적 성질을 고찰하고, 중 실축의 내부의 변화 중에서 축 중심이 중공이 된 중공축에 대해 외주부로부터 반경 변화 위치에 따른 기계적 성질을 고찰해 봄으로써 마찰 용접 후 중실축 및 중공축의 외주 부가가공변화 되었을 때 기계적 성질 변화를 예측하여 기계 구조설계에 도움을 주고 품질을 향상하는데 목적을 두었다.
제안 방법
- 경도시험은 용접시험편의 축 단면을 절단하여 연마(Polishing) 한 후, 마이크로비커어스 경도시험기의 클램프에 고정시킨 후 하중을 300g으로 설정한 후 Fig. 3과 같이 원주 부로부터 중심부 쪽으로 외주부의 변화 길이(L)를 1mm씩 증가하면서 용접계 면 수직방향으로 양쪽 4mm씩 총 8mm에 대해 0.2mm 간격으로 경도 측정하고, 양쪽 4mm에서 10mm까지 총 12mm에 대해 0.5mm 간격으로 경도를 측정하였다.
- 굽힘 시험은 만능재료시험기를 이용하여 3점 지지법으로 실시하였다. 시험편은 인장시험편과 같이 제작하여 각각의 시험편을 Fig.
- 마찰용접 시험편의 형상은 Fig. 1과 같이 중실축(Solid shaft)은 직경 020mm 환봉을 길이 100mm씩 절단 가공하였고 중공축 (Hollow shall)은 중실축의 크기에 alOmm 드릴로 직경의 중심에서 축 방향으로 50mm 중공을 만들어 제작하였으며 마찰용접 직전에 용접면을 정밀하게 선삭 가공 하고 이물질제거를 위해 아세톤으로 세척하였다.
- 마찰용접은 문헌연구 및 예비실험을 통하여 적정한 압력과 시간을 설정하여 마찰용접을 실시하였다. 용접조건 중 회전수 2000rpm, 마찰압력 50MPa, 업셋압력 120MPa로 고정하고 마찰 시간과 업셋 시간을 변화를 주어 최적 조건을 구한 후 이 용접조건으로 본 실험을 위한 마찰 용접을 실시하였다.
- 마찰조건을 회전수(N) 2000rpm, 마찰시간(h) 1.5sec로하고 마찰압력(R) 50MPa, 업셋시간(t2) 3sec, 업셋압력(P2) 120M@a로 주었을 때 중실축과 중공축의 조직사진을 관찰하였다.
- 본 실험은 마찰용접, 인장시험, 인장 파단면 검사, 경도시험, 굽힘시험, 조직검사 순으로 진*). 행하였다(3,5,6)
- 본 연구에서는 항공기 구조용, 트럭차륜, 내식용 재료로 많이 사용되는 A2024-T4 열처 리용 알루미늄 합금 동종 재를, 회전수 2000rpm, 마찰압력 50MPa, 마찰시간 1.5sec, 업셋압력을 120MPa, 업셋시간 3sec에서 두 봉재 마찰용접과 A2024-T4의 중심 에 010로 중공된 봉재의 마찰용접 에대해 외주부로부터 반경 변화 위치에 따른 기계적 성질을 고찰하였다.
- 시험편은 인장시험편과 같이 제작하여 각각의 시험편을 Fig. 3과 같이 지그(Jig)에 펀치의 하중작용점이 용접 계면에 위치하도록 시험편을 장착하고 크로스헤드(Cross Head)의 이송속도를 1mm/min로 설정하여 굽힘 시험하였다. 굽힘강도는 다음 식 (1)로 구하였다.
- 시간을 설정하여 마찰용접을 실시하였다. 용접조건 중 회전수 2000rpm, 마찰압력 50MPa, 업셋압력 120MPa로 고정하고 마찰 시간과 업셋 시간을 변화를 주어 최적 조건을 구한 후 이 용접조건으로 본 실험을 위한 마찰 용접을 실시하였다. 이러한 용접조건을 Table 3에 나타내었다.
- 인장시험은 마찰용접에 의해 발생한 시험편의 플래시를 선반 가공하여 제거한 다음 용접 부위에 나사바이트를 이용하여 60º의 각도로 노치를 주어 실시하였고, 외주부 변화량에 따른 결과를 관찰하기 위해 노.치의 깊이를 중실축은 1~ 5mm, 중공축은 1 ~4mm까지 각각 외주부 변화를 1mm씩증가시켜 Fig.
- 인장시험편 절단면 검사는 절단된 인장시험편을 10mm 길이로 절단한 후 디지털카메라의 줌기능를 이용하여 초점을 맞춘 후 근접 찰영하여 관찰하였다.
- 조직검사는 광학현미경을 이용하였으며 시험편 준비는 축 단면을 절단하여 채취한 시험편을 폴리 코트(Polycoat)로 마운팅 (Mounting)한 다음 용접단면을 사포(Sandpaper) 입도 #800, #1200, #1500 순으로 표면을 연마한 다음 연마재 1/um의 알루미나 분말을 증류수와 혼합하여 연마기 (Model95-2810)로 연마 하였다. 시험편의 부식은 염산 20ml와 물 30ml 용액을 섞어 에칭액을 만들었으며 시험편을 에칭액에 10초간 담근 후 에칭액 제거를 위해 2분간 흐르는 물에 세척하고 건조기로 다시 3분간 건조시켰으며 위 부식 과정은 과부 식을 방지하기 위해 신속히 처리하였다.
- 따른 결과를 관찰하기 위해 노.치의 깊이를 중실축은 1~ 5mm, 중공축은 1 ~4mm까지 각각 외주부 변화를 1mm씩증가시켜 Fig. 2와 같이 각각 5개, 4개의 시험편을 제작하여 만능재료시험기로 인장시험 하였다.
대상 데이터
- 본 실험에 사용된 재료는 A2024-T4로 화학조성과 기계적 성질을 Table 1과 Table 2에 각각 나타내었다. 마찰용접 시험편의 형상은 Fig.
성능/효과
- (1) 인장시험 결과 중실축은 외주부 변화에 대해 인장강도가 증가하며, 중공축은 외주부에서의 길이 (L)가 2mm 일 때 인장강도가 가장 높으며 중심부로 갈수록 강도가 감소함을 알 수 있다. 최대인장강도는 외주부 변화가 5mm일 때 640MPa이며, 이 값은 모재의 인장강도 512NIPa의 125%에 해당한다.
- (2) 경도측정 결과 용접계면에 대해서 증가하다가 감소하는 것으로 나타났으며 중실축의 L=5mm 지점에서 최대값 155Hv를 얻었다. 용접계면 수직방향은 경도값이 증가 감소를 불규칙적으로 반복하였으나 용접계면 근처 수직거리 0.
- (3) 굽힘시험 결과 중실축은 외주부의 거리 변화(L)에 대해 선형적으로 증가하였으며 중공축은 선형적으로 감소하였다. 최대굽힘강도는 중실축 L=5mm에서 103MPa을 얻었으며 이는 모재의 139%에 해당된다.
- (4) 용접계면의 조직사진 관찰 결과 모재와 열영향부의 경계가 구분되어 용접계면 주변으로 조직이 미세화 되었으며 용접계면의 외주부 변화가 증가함에 따라 중 실축은 중심부로 갈수록 조직이 미세화 되며 중공축은 조직이 미세화 되다가 다시 커짐을 알 수 있으며, 이는 용접 시 온도 분포의 영향으로 경도와 강도등 기계적 성질이 변화됨을 볼 수 있다.
- 얻었다. 용접계면 수직방향은 경도값이 증가 감소를 불규칙적으로 반복하였으나 용접계면 근처 수직거리 0.5mm내에서 경도값이 높게 나타났으며 2mm 근처까지 감소하다 다시 증가하고 감소하는 현상을 보였다.
- 5와 같이 그래프로 나타내었다. 중 실축과 중공축을 비교하기 위해 결과를 함께 표기 했으며 마찰용접 조건은 예비실험을 통해 얻은 최적조건(마찰용접기 회전수(N) 2000rpm, 마찰시간(h) 1.5sec, 업셋시간(t, 3.0sec, 업셋압력(P2) 120MPa)을 설정하여 얻은 결과이다.
- 모재의 139%에 해당된다. 중실축과 중공축의 굽힘 강도 차이는 34MPa이며 외주부의 변화가 커질수록 강도의 차이는 급격히 증가함을 알 수 있다.
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