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문제 정의
- 또한, 본 연구에서 피접합재로 선정한 5454-O 알루미늄합금 압연판재의 경우에 있어서는 자동차 차체부품용 소재로 사용되고 있음에도 불구하고, 이 소재에 대한 마찰교반점접합기술에 관한 연구는 거의 이루어지고 있지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 현재 자동차 차체부품용 소재로서 적용되고 있는 이종두께, 즉 두께 1.4 및 1.0 mm의 5454-O 알루미늄합금 판재 간의 접합에 마찰교반점접합기술을 적용하여, 접합용 공구의 회전속도 및 삽입깊이에서의 유지시간 등과 같은 접합인자가 접합부의 외관형상, 단면조직, 경도특성 및 인장 전단특성 등에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 현재 5454-O 알루미늄합금 판재를 적용한 양산부품의 모듈화에 적용되고 있는 MC 기술과의 비교를 위하여, 양산에서 적용되고 있는 접합조건과 동일한 조건에서 MC 접합체를 제조한 후 접합체 간의 기계적 특성을 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는, 두께 1.4 및 1.0 mm의 5454-O 알루미늄합금 이종두께 판재 간의 접합에 마찰교반점접합기술을 적용하고, 접합인자가 접합부 특성에 미치는 영향을 조사하여, 다음과 같은 결과가 얻어졌다.
제안 방법
- 이때, 부하하중 및 하중유지시간은 각각 100 gf 및 10 sec로 하였다. 또한, 접합체의 인장특성을 조사하기 위하여, 인장속도를 1 mm/min으로 일정하게 하여 상온인장전단시험을 실시하였다.
- 0 mm의 5454-O 알루미늄합금 판재 간의 접합에 마찰교반점접합기술을 적용하여, 접합용 공구의 회전속도 및 삽입깊이에서의 유지시간 등과 같은 접합인자가 접합부의 외관형상, 단면조직, 경도특성 및 인장 전단특성 등에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 현재 5454-O 알루미늄합금 판재를 적용한 양산부품의 모듈화에 적용되고 있는 MC 기술과의 비교를 위하여, 양산에서 적용되고 있는 접합조건과 동일한 조건에서 MC 접합체를 제조한 후 접합체 간의 기계적 특성을 상호 비교하였다.
- 2 mm Proof Load)을 각각 나타낸다. 여기에서, 0.2 mm Proof Load를 조사한 이유는, Fig. 6 (a)에 나타낸 것과 같이, 접합체의 상온인장전단시험에 있어서 탄성변형영역으로부터 소성변형변형영역으로 천이가 일어나는 항복하중이 명확하게 관찰되지 않았기 때문에, 이를 대신하여 조사하였다. 모든 회전속도에서 FSSW 접합체가 MC 접합체보다 높은 평균 최대인장전단하중값을 나타낸다.
- 8 mm까지 삽입하였다. 이때, 삽입깊이에서의 유지시간이 접합부 특성에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 유지시간을 0에서 7 sec까지 변화시켰다. 접합용 공구의 삽입속도 및 제거속도는 100 mm/min으로 일정하게 유지하였다.
- 이와 같이, 접합부의 경도가 모재부보다 높게 나타나는 현상은, 5052 알루미늄합금 판재의 마찰교반점접합부8) 뿐만 아니라 마찰교반선접합부15) 에서도 나타나며, 이는 접합부의 결정립미세화에 기인하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 마찰교반점접합공정에 의해 경도값의 변화를 수반한 영역을 접합부로 취급하기로 한다. 또한, 하부 및 상부 판재의 접합부에서의 경도값을 비교해 보면, 하부 보다 상부 판재의 접합부가 비교적 높은 경도값을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
- 접합부의 단면조직을 관찰하기 위하여, 접합부의 중앙을 절단 및 경면연마한 후 상온에서 1% HF 수용액을 이용하여 에칭(Etching)하였다. 접합부의 경도분포를 조사하기 위하여, 접합부 중앙으로부터 좌우 11 mm씩 약 22mm의 범위 내에서 상부 및 하부 판재의 중앙부를 따라 0.5 mm 간격으로 비커스 미소경도(Vickers Micro-Hardness)를 각각 측정하였다. 이때, 부하하중 및 하중유지시간은 각각 100 gf 및 10 sec로 하였다.
- 접합부의 단면조직을 관찰하기 위하여, 접합부의 중앙을 절단 및 경면연마한 후 상온에서 1% HF 수용액을 이용하여 에칭(Etching)하였다. 접합부의 경도분포를 조사하기 위하여, 접합부 중앙으로부터 좌우 11 mm씩 약 22mm의 범위 내에서 상부 및 하부 판재의 중앙부를 따라 0.
- 접합용 공구의 삽입속도, 삽입깊이 및 삽입깊이에서의 유지시간을 각각 100 mm/min, 1.8 mm 및 3 sec로 일정하게 유지하고, 접합용 공구의 회전속도를 500에서 2500 rpm까지 변화시켜 접합체를 제작한 후, 접합용 공구의 회전속도가 접합부 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
- 접합용 공구의 회전속도, 삽입속도 및 삽입깊이를 각각 500 rpm, 100 mm/min 및 1.8 mm로 일정하게 유지하고, 접합용 공구의 삽입깊이에서의 유지시간을 0에서 7 sec까지 변화시켜 접합체를 제작한 후 삽입깊이에서의 유지시간이 접합부 특성에 미치는 영향을 조사하였다.
대상 데이터
- 1은 본 연구에서의 실험방법을 나타낸다. 두께가 각각 1.4 및 1.0 mm인 5454-O 알루미늄합금 압연판재를 압연방향(Rolling Direction, 이하 RD로 표시)으로 길이 및 폭이 각각 100 및 30 mm가 되도록 기계가공한 후 피접합용 모재로 사용하였다. 먼저, 두께 1.
- 접합용 공구의 삽입속도 및 제거속도는 100 mm/min으로 일정하게 유지하였다. 접합용 공구로서는 공구강 SKD61을 숄더(Shoulder)부의 직경이 12 mm이고, 길이가 1.8 mm인 프로브(Probe)를 M5의 나사모양으로 가공하여 사용하였다.
성능/효과
- 접합부의 상부 및 하부 표면의 외관형상을 관찰한 결과, 모든 회전속도에서 균열 등과 같은 육안으로 관찰 가능한 접합결함은 접합부 부근에서 형성되지 않았다. 그러나, (b) 1500 및 (c) 2500 rpm의 회전속도에서는 접합부 주위에 비교적 많은 양의 버가 발생하였으며, 이러한 결과는 회전속도의 증가에 따른 접합부의 온도 상승 및 소성유동량의 증가에 기인하는 것으로 추론된다.
- 1) 모든 접합조건에서 접합부 부근에 균열과 같은 결함이 형성되지 않은 접합체가 얻어졌다.
- 2) 접합용 공구의 회전속도를 500에서 2500 rpm까지 변화시킨 결과, 500 rpm의 경우에는 접합계면이 초기의 직선적인 형태를 유지하고 있었지만, 1500 rpm 이상에서는 접합계면이 볼 형상 조직의 외곽부분을 감싸는 형태로 변형되어 있었다.
- 3) 접합용 공구의 삽입깊이에서의 유지시간을 0에서 7 sec까지 변화시켰지만, 접합부의 외관형상 및 단면조직에는 큰 변화가 수반되지 않았다.
- 4) 접합용 공구의 회전속도 및 삽입깊이에서의 유지시간을 변화시켰음에도 불구하고, 접합부 내의 평균 경도에는 큰 변화가 수반되지 않았지만, 모든 접합조건에서 모재부 이상의 평균 경도값을 나타내었다.
- 5) 상온인장전단시험의 결과, 접합용 공구의 삽입깊이에서의 유지시간은 접합체의 인장전단특성의 변화에 큰 영향을 미치지 않았다.
- 6 (a))의 면적으로부터 산출하였다. 500 및 1500 rpm에 있어서는 FSSW 접합체가 MC 접합체보다 낮은 평균 최대변위량을 나타내었지만, 2500 rpm에서는 FSSW 접합체가 MC 접합체보다 높은 평균 최대변위량을 나타내었다. 또한, 회전속도가 증가함에 따라 FSSW 접합체의 평균 최대변위량이 증가하는 경향을 나타내며, 특히 2500 rpm에서는 MC 접합체의 약 1.
- 6) 마찰교반점접합기술을 이용하면 MC 기술을 적용한 경우보다 우수한 상온인장전단특성을 갖는 접합체의 제조가 가능하였다.
- 7 (a)에 나타낸 것과 같이, 파단에 이르기까지의 최대변위량이 증가하기 때문인 것으로 추론된다. 또한, 이러한 결과로부터, 마찰교반점접합기술을 이용하면 MC 접합체보다 높은 인성을 갖는 접합체의 제조가 가능하다는 것을 알 수 있다.
- 2 mm Proof Load)을 각각 나타낸다. 모든 회전 속도에서 FSSW 접합체의 평균 최대인장전단하중 및 0.2 mm의 소성변형이 일어났을 때의 평균 하중이 MC 접합체보다 높은 값을 나타낸다. Cho 등의 연구결과8) 와는 달리, 유지시간을 변화시켰음에도 불구하고, 평균 최대인장전단하중 및 0.
- 9 kN의 가장 높은 값을 나타낸다. 이러한 결과로부터, 마찰교반점접합기술을 이용하면 MC 접합체보다 높은 인장전단하중 및 강성을 갖는 접합체의 제조가 가능하다는 것을 알 수 있다.
- 즉, 접합부 내에서 볼 형상의 조직은 명확히 관찰되지 않으며, 홀부분의 양측에 형성된 상부 및 하부 판재 간의 접합계면이 초기의 직선적인 형태를 유지하고 있다. 이러한 결과로부터, 삽입깊이에서의 유지시간은 접합부의 단면조직에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.
- 2 (a)에 나타낸 유지시간 3 sec의 경우와 유사한 외관형상을 나타낸다. 이러한 결과로부터, 삽입깊이에서의 유지시간은 접합부의 형상에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다.
- 3 kN의 최대평균전단인장하중을 얻을 수 있었다고 보고를 하였다. 이러한 연구결과들로부터, 피접합용 소재로서 동일 소재를 사용한다고 할지라도, 접합조건에 따라 상이한 특성을 갖는 접합부가 얻어진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 마찰교반점접합기술을 실구조물에 적용하여 실용화하기 위해서는 다양한 소재를 대상으로 접합인자, 접합부 형상 등에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다.
- 한편, 접합용 공구와 직접적인 접촉이 일어나지 않는 접합부의 하부 표면에서는 접합용 공구의 숄더 및 프로브부분의 직경과 유사한 크기의 흔적이 관찰되지만, 모재부와 유사하게 평활한 상태를 유지하고 있다. 접합부의 상부 및 하부 표면의 외관형상을 관찰한 결과, 모든 회전속도에서 균열 등과 같은 육안으로 관찰 가능한 접합결함은 접합부 부근에서 형성되지 않았다. 그러나, (b) 1500 및 (c) 2500 rpm의 회전속도에서는 접합부 주위에 비교적 많은 양의 버가 발생하였으며, 이러한 결과는 회전속도의 증가에 따른 접합부의 온도 상승 및 소성유동량의 증가에 기인하는 것으로 추론된다.
후속연구
- 이러한 연구결과들로부터, 피접합용 소재로서 동일 소재를 사용한다고 할지라도, 접합조건에 따라 상이한 특성을 갖는 접합부가 얻어진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이러한 마찰교반점접합기술을 실구조물에 적용하여 실용화하기 위해서는 다양한 소재를 대상으로 접합인자, 접합부 형상 등에 대한 연구가 지속적으로 수행되어야 할 것이다. 동종소재 간의 접합에 있어서도, 실구조물에서는 이종두께를 갖는 소재 간에 접합부를 형성하는 경우도 있다.
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