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문제 정의
- 본 연구는 고강도 시효 경화재인 Al6061-T6합금을 사용하여 공구 회전 방향과 교반속도, 용접속도 등 용접조건변화에 따른 접합부의 강도특성 및 용접성을 관찰하고 그 영향을 분석하였다. 또한 접합부 단면의 경도분포와 파단거동의 상관성 그리고 용접부 횡단면의 매크로적 거동, 미시적 조직의 변화 등을 고찰하였다.
가설 설정
- (6) 너깃과 TMAZ와 같이 열과 기계적 영향에 의한 EDX상의 결합고용상태와 온도만에 의한 EDX상의 결합고용상태는 서로 다르다. 용접과정 동안 기계적 교반 및 마찰열로 인한 조직변형은 미세조직 기구의 형성에 크게 영향을 미친다.
제안 방법
- 2°전진각과 반시계방향으로 교반속도 250, 800, 1800 및 2500rpm마다 용접속도 41, 87, 124 및 267mm/min로 변화시켜 용접된 접합부에 대해 나안과 광학현미경으로 용접부위의 용접상태를 고찰하였다.
- Al6061-T6합금판재의 FSW용접부 횡단면의 에칭에 의한 거시적 및 미시적 거동을 관찰 하였다. Fig.
- FSW접합에 사용된 공구의 치수는 어깨지름이 15 및 20mm로, 핀의 직경은 4 및 5mm로, 핀의 길이는 4.5mm로, 핀 외주에는 나사피치 1.0mm의 오른나사로 제작하였으며, 2°의 전진각(Tilting angle), 반시계방향 및 시계방향, 핀의 삽입깊이 4.5mm, 교반속도 250∼2500rpm이내 및 용접속도 41∼267mm/min로 Table 2와 같은 용접조건으로 용접을 실시하였다.
- 에칭은 Keller용액에 20min동안 침적시킨 후 증류수로 세척(18) 건조하였다. 광학현미경(X40) 및 SEM(X1000)으로 용접부 횡단면의 너깃, 열-기계적 영향부, HAZ등의 마크로 및 미시 조직의 촬영과 EDX분석을 실시하였다.
- 본 연구는 고강도 시효 경화재인 Al6061-T6합금을 사용하여 공구 회전 방향과 교반속도, 용접속도 등 용접조건변화에 따른 접합부의 강도특성 및 용접성을 관찰하고 그 영향을 분석하였다. 또한 접합부 단면의 경도분포와 파단거동의 상관성 그리고 용접부 횡단면의 매크로적 거동, 미시적 조직의 변화 등을 고찰하였다.
- 용접부의 압입변형저항을 측정하기 위하여 경도시험을 실시하였다. 용접부의 거시적 경도 경향 그리고 용접부내의 경도수준분포를 상세 규명하기 위하여 2종의 측정을 실시하였다. 즉 하나는 용접부 횡단면을 가로방향의 측정간격 1mm, 세로방향1, 2.
- 용접부의 압입변형저항을 측정하기 위하여 경도시험을 실시하였다. 용접부의 거시적 경도 경향 그리고 용접부내의 경도수준분포를 상세 규명하기 위하여 2종의 측정을 실시하였다.
- 용접부의 항복점, 인장응력 및 연신율 등의 기계적 성질을 구하기 위하여 인장시험을 실시하였다.(14~17) 인장시험편은 한국공업규격KS B 0801 5호로 제작하였다.
- 이 시험에 사용된 마이크로 비커스 경도시험기는 SHIMADZU사의 HVM-2시험기로서 배율은 X40으로, 135°의 다이아몬드 피라미드 압자를 사용하여 하중 1.98N과 하중시간 10sec로 실시하였다.
- 이 시험에 사용된 인장 시험기는 유압식(INSTRON 8516)이며, series Ⅸ 프로그램을 이용하여 인장속도 0.2mm/min으로 인장하여 하중-변위 선도 및 응력-변형율 선도를 구했다.
- 즉 하나는 용접부 횡단면을 가로방향의 측정간격 1mm, 세로방향1, 2.5 및 4mm 깊이에서 측정하였으며, 또 하나는 보다 조밀한 0.5×0.5mm 일정 간격으로 너깃, TMAZ, HAZ 및 경도연화온도영역 등에 대해서 경도를 측정 하였다.
대상 데이터
- (14~17) 인장시험편은 한국공업규격KS B 0801 5호로 제작하였다.
- 용접에 사용된 판재는 270×80×5mm의 2매를 1조로 사용하였다.
성능/효과
- (1) 2°전진각, 반시계방향, 공구교반속도 2500rpm 및 용접속도를 267mm/min으로 용접한 경우의 용접성이 가장 양호하였다.
- 그림에서 용접부 횡단면의 마크로 형태 즉 너깃, TMAZ 및 HAZ가 거시적으로 잘 드러나 보인다.(18) 대체적으로 공구의 교반마찰의 영향을 직접 받은 용접부의 경도는 모재경도 116Hv의 60~75%로 상당히 낮게 분포하였다. 용접부 저부에서의 경도는 모재의 60~65%로 매우 낮은 경도분포를 보였다.
- (2) 양호하게 교반용접된 인장시편의 항복점은 141MPa, 인장응력은 228MPa, 연신율 7.2% 및 파단 시까지의 저장에너지는 53101N-mm이다.
- (3) 실험교반속도와 용접속도가 높아질수록 항복점, 인장응력, 연신율 및 저장에너지 등의 기계적 성질은 개선되었다.
- (4) 용접부의 경도가 모재의 것에 비해 크게 낮아졌다. 용접중심(weld center) 선에서 후퇴측(retreating side)으로 2mm이동한 축을 중심으로 경도가 좌우 대칭적으로 분포하였다.
- (5) HAZ의 전진측(advancing side)에 약 50°경사진 실선방향으로 경도(모재의 60%미만)가 가장 낮게 분포하였다. 이 경사선을 따라 파단 하였다.
- 또한 2500rpm와 267mm/min조건에서 시계방향과 반시계방향의 항복점은 거의 같게 나타났다. 6061-T6 Al합금과 같은 열처리형 합금 및 시효경화재는 비열처리합금인 Al5083O(18)와 반대로 교반속도와 용접속도가 클수록 항복점 및 인장응력이 크게 개선됨을 알 수 있었다.
- 800rpm 이상의 동일 교반속도에서 용접속도가 클수록 용접상태는 양호하였다. 250rpm과 같이 교반속도가 아주 낮은 경우에는 교반부족으로 용접속도에 관계없이 용접결과는 크게 불량하였다.
- 너깃과 TMAZ와 같이 열과 기계적 영향에 의한 EDX상의 결합고용상태 와 온도 만에 의한 EDX상의 결합고용상태가 서로 다른 것을 알 수 있다. 결국 재고용거동, 조직형태, 조직분석을 통하여 용접과정동안 기계적 교반 및 마찰열로 인한 조직변형은 미세조직 기구의 형성에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다.
- 4은 각각의 용접속도에서 교반속도변화와 공구의 회전방향에 따른 항복점의 거동을 나타낸 그림이다. 동일 용접속도에서 교반속도의 변화에 따른 항복점의 크기는 거의 일정하였으나 일정교반속도에서는 용접속도가 클수록 항복점이 증가하는 것을 확인하였다.
- 또한 전진측(advancing side) HAZ영역인 너깃저부에서 어깨외주로 이어지는 약 50°경사진 사선(D)위에 가장 낮은 경도 분포가 선상으로 존재함을 확인하였으며 재료의 기계적 특성으로 판단하면 경도가 가장 낮은 이곳에서 사선방향으로 시편이 파단 될 가능성이 높다고 판단된다.
- 5는 2°전진각과 반시계방향으로 교반속도 2500rpm와 용접속도 267mm/min의 조건에서 용접된 3개의 시편에 대한 응력-변형률 선도를 나타낸 것이다. 모재의 항복강도 274MPa에 비해서 항복점은 51%인 140MPa 모재의 인장강도 321MPa에 비해 인장응력은 71%인 228MPa, 연신율은 모재 16.6%에 비해 43%인 7.2% 및 파단시 까지 흡수에너지는 53101N-mm을 나타냈다. 설계기준 강도를 적용할 경우 모재의 71%의 강도를 갖는 FSW용접부 강도는 구조물 용접에 적용이 가능하다고 판단된다.
- 2% 및 파단시 까지 흡수에너지는 53101N-mm을 나타냈다. 설계기준 강도를 적용할 경우 모재의 71%의 강도를 갖는 FSW용접부 강도는 구조물 용접에 적용이 가능하다고 판단된다. 항복점과 연성은 크게 모재의 것에 비해서 저하됨을 알 수 있다.
- 3은 41, 87, 124 및 267mm/min(이 용접속도의 경우 시계 및 반시계 방향에 대해)와 같은 각 용접속도에 대해 공구교반속도를 증가시킴에 따라 변화되는 인장 응력의 거동을 보여준 그림이다. 일반으로 동일교반속도에서 용접속도가 클수록 인장응력은 크게 나타났다. 2500rpm, 267mm/min 조건에서 공구 회전방향에 따른 인장응력은 반시계방향은 228MPa이고 시계방향은 225MPa로 되어 회전방향에 크게 영향을 받지 않았음을 알 수 있다.
- 용접부 저부에서의 경도는 모재의 60~65%로 매우 낮은 경도분포를 보였다. 특이사항은 용접선에서 공구어깨의 외주로부터 약 10mm 떨어진 영역까지 교반마찰열의 전도현상의 영향으로 낮았던 경도가 선형적으로 모재의 경도 값까지 증가해가는 것을 확인하였다.
- 2 그리고 Table 3에서 800~1800rpm과 124~267mm/min의 조건에서 용접한 경우가 용접부의 비드와 칩, 결함 유무 등 겉보기 양태와 기계적 특성으로 판단할 때 비교적 양호한 용접조건으로 판단된다. 하지만 회전수 2500rpm 및 용접속도 267mm/min 조건에서 용접된 용접부 표면 상태와 기계적 특성이 가장 우수하였다. Fig.
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