[논문]이종 알루미늄의 FSW에서의 물질혼합에 관한 연구

홍성태

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.2.108

이종 알루미늄의 FSW에서의 물질혼합에 관한 연구
Mixing of Materials in FSW of Dissimilar Aluminum Alloys 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.2 = no.281, 2009년, pp.108 - 113

Abstract ▼ AI-Helper

The mixing of two dissimilar aluminum alloys in friction stir welding (FSW) was investigated using etching. The results show that the materials from the retreating side mixed into the advancing side in rather narrow and elongated bands whereas the materials from the advancing side mixed into the retreating side in the form of thick bands and lobes. A computational method using smoothed particle hydrodynamics (SPH) is introduced as a way to properly describe the complex mixing behavior in FSW.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 두 종류의 다른 알루미늄 합금들의 FSW 공정 중의 혼합거동을 에칭에의 반응성의 차이를 이용하여서 연구하였다. 광학현미경 분석 결과에 의하면, FSW 공정 중의 두 소재간의 혼합은 불균등하다.
본 논문에서는 우선 FSW 공정 온도 영역에서의 각각의 알루미늄 합금들의 기계적 특성을 측정하여 상온에서의 기계적 특성들과 비교하였다.

제안 방법

FSW 공정 중의 소재의 물성치의 변화의 이해를 위해서 본 연구에서 사용된 알루미늄 소재들의 인장 실험을 상온과 고온에서 각각 수행하였다. FSW 공정 중에, 접합부의 소재의 온도는 상승한다.
FSW 접합부의 광학현미경 분석을 수행하였다. 에폭시 마운트에 고정된 시편은 정밀연마(polishing)를 거쳐서 Keller 에칭법⁽²²⁾으로 처리되었다.
SPH의 FSW 모델링에의 적용가능성을 평가하기 위하여, 실험에서와 같이 연한 소재인 알루미늄 5182-O이 공구의 전진 측에 그리고 경한 소재인 알루미늄 6111-T4 이 공구의 후진 측에 놓여진 FSW을 SPH를 이용해서 시뮬레이션 하였다(Fig. 5). Fig.
이어서 두 종류의 알루미늄 합금의 에칭에 대한 각기 다른 반응성을 이용하여 공정 중의 공구 핀의 중단 면의 위치와 일치하는 FSW 접합부 단면에서의 소재간의 혼합거동을 연구하다. 마지막으로 FSW 에서의 불균질한 유동과 혼합거동을 연구하는 수치해석 방법들 중 하나인 Smoothed Particle Hydrodynam cs (SPH) 소개한다.
고온인장시험을 위해서 전기로가 장착된 Instron 인장시험기를 사용하였으며 실험 중의 온도는 400±5°C 의 범위에서 유지되었다. 시편 전체의 균일한 온도분포를 위하여 전기로의 온도가 설정치에 도달하고서 15 분 후에 인장시험을 실시하였다.⁽²⁰⁾인장시험을 위한 시편은 ASTM 기준에 따라 제작되었으며, 고온인장시험과 상온인장시험 모두 0.
2 는 시편제작을 위한 FSW 공정을 개략적으로 나타내고 있다. 시편제작을 위해서 회전하는 FSW 공구를 두 알루미늄 판재들의 접촉면을 따라서 직선운동을 시켜 두 판재들간의 접합을 유도하였다. 시편제작을 위한 FSW 공정의 파라미터들은 Table 2 에 나타내어져 있다.
이어서 두 종류의 알루미늄 합금의 에칭에 대한 각기 다른 반응성을 이용하여 공정 중의 공구 핀의 중단 면의 위치와 일치하는 FSW 접합부 단면에서의 소재간의 혼합거동을 연구하다. 마지막으로 FSW 에서의 불균질한 유동과 혼합거동을 연구하는 수치해석 방법들 중 하나인 Smoothed Particle Hydrodynam cs (SPH) 소개한다.

대상 데이터

그러므로, 본 연구에서는 고온 인장 실험을 위한 실험온도를 임의로 알루미늄 5182 합금의 용융점(20)의 65%정도인 400°C로 선택하였다.
본 연구에서는 두께 2.07 mm 의 알루미늄 5182-O 판재와 두께 1.45 mm 의 알루미늄 6111-T4 판재가 소재로서 사용되었다. 본 연구에서 사용된 두 알루미늄 합금들은 에칭에 대하여 확연히 다른 반응성을 가지고 있다.

이론/모형

FSW 접합부의 광학현미경 분석을 수행하였다. 에폭시 마운트에 고정된 시편은 정밀연마(polishing)를 거쳐서 Keller 에칭법⁽²²⁾으로 처리되었다. 본 연구에서 관찰한 접합부의 단면의 개략적인 위치가 Fig.

성능/효과

또한 광학현미경 분석 결과는 FSW 공정 중에 알루미늄 6111-T4 의 얇은 층들이 알루미늄 5182-O와 공구 핀의 둘레의 사이에 형성됨을 보여준다. 공구 핀 둘레에 형성된 알루미늄 6111-T4 의 얇은 층들은 아마도 공구 핀의 후면에서 전진 측으로 빨려 들어간 후퇴 측의 소재이거나 혹은 단면 AA’의 위의 후퇴 측의 소재들이 공구핀의 나사산을 따라서 아래로 빨려 들어온 것으로 추정된다.
참고로, 본 연구에서 사용된 두 합금들 중에서 알루미늄 6111-T4이 알루미늄 5182-O 에 비하여 상온과 400°C 모두에서 더 경한 특성을 보여준다.

후속연구

마커삽입법은 용접공정에 인위적인 불순물을 포함시키게 된다. 그러므로 본 논문에서와 같이 이종 금속재료간의 혼합거동을 연구할 경우에는 마커삽입법 보다는 에칭(etching)에 대한 금속재료들의 각기 다른 반응성을 사용하는 방법이⁽¹⁹⁾혼합거동에 관한 정보를 좀 더 정확하게 제공 할 수 있을 것이다.
^(7~14) 성공적인 FSW의 수치모델의 중요한 요소들 중의 하나는 접합부의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는 용접과정 중의 소재들의 유동과 혼합을 정확히 예측하는 것이다. 그러므로, FSW의 수치모델에서 예측된 소재들의 유동과 혼합거동의 실제 실험결과와의 비교를 통해서 FSW의 수치해석 결과의 정확도를 검증할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	성공적인 FSW의 수치모델의 중요한 요소는?	그러나 일반적으로, 특정한 응용분야에 관한 FSW공정의 개발은 실험적인 방법에 의존하여왔으며,(2~6) 최근에 들어서야 FSW에 대한 수치해석적인 다양한 연구들이 보고되고 있다.(7~14) 성공적인 FSW의 수치모델의 중요한 요소들 중의 하나는 접합부의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는 용접과정 중의 소재들의 유동과 혼합을 정확히 예측하는 것이다. 그러므로, FSW의 수치모델에서 예측된 소재들의 유동과 혼합거동의 실제 실험결과와의 비교를 통해서 FSW의 수치해석 결과의 정확도를 검증할 수 있을 것이다.
	마찰교반용접이란?	마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW)은 동종 혹은 이종 소재간의 접합이 소재의 용융점 이하에서 고형상태로 이루어지는 비용융 접합방법이다.(1) 기존의 용융접합 공정들에 비해서 FSW이 가지는 장점들을 다음과 같다.
	마찰교반용접이 기존의 용융접합 공정들에 비해서 가지는 장점은?	● 적은 용접결함 ● 낮은 잔류응력 ● 우수한 피로강도 ● 높은 연성과 인성 ● 이종소재 혹은 일반적인 용접방법으로는 용접이 힘들거나 불가능한 소재의 용접이 가능 ● 현격한 에너지/생산비용 절감

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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