이종합금인 알루미늄 합금 6061-T6와 알루미늄 합금 5083-O의 용접을 위해 마찰교반 용접기술을 사용하였다. 마찰교반 용접된 이종 접합부에 대하여 기계적 특성, 경도 및 조직변화를 관찰하였다. 용접재의 기계적특성은 후진 측에 위치한 알루미늄 합금의 교반영역에 형성되는 미세조직이 주요한 변수로 작용하였다. 이종 알루미늄 합금이 교차한 양파 모양 형상의 얇은 층을 이루었다. 미세조직관찰에서 공구회전방향과 무관하게 이종합금 접합부에 기공이 관찰되지 않았으나 6061-T6 쪽 열영향부 영역에서 결정립 조대화기 뚜렷하였다. 본 논문의 연구결과, 결함이 없는 최상의 용접조건은 Al 6061-T6를 공구 진행방향에 전진 측에, Al 5083-O를 후진 측에 위치하고, 이송속도 124 mm/min, 1250 rpm의 공구의 회전수, 5 mm의 프루브 직경, 4.5 mm의 프루브 길이, 20 mm의 공구어깨, $2^{\circ}$의 공구 경사각 이다. 이때 용접재의 최대인장강도는 231 MPa이였고, 항복강도는 121 MPa을 나타내었다.
이종합금인 알루미늄 합금 6061-T6와 알루미늄 합금 5083-O의 용접을 위해 마찰교반 용접기술을 사용하였다. 마찰교반 용접된 이종 접합부에 대하여 기계적 특성, 경도 및 조직변화를 관찰하였다. 용접재의 기계적특성은 후진 측에 위치한 알루미늄 합금의 교반영역에 형성되는 미세조직이 주요한 변수로 작용하였다. 이종 알루미늄 합금이 교차한 양파 모양 형상의 얇은 층을 이루었다. 미세조직관찰에서 공구회전방향과 무관하게 이종합금 접합부에 기공이 관찰되지 않았으나 6061-T6 쪽 열영향부 영역에서 결정립 조대화기 뚜렷하였다. 본 논문의 연구결과, 결함이 없는 최상의 용접조건은 Al 6061-T6를 공구 진행방향에 전진 측에, Al 5083-O를 후진 측에 위치하고, 이송속도 124 mm/min, 1250 rpm의 공구의 회전수, 5 mm의 프루브 직경, 4.5 mm의 프루브 길이, 20 mm의 공구어깨, $2^{\circ}$의 공구 경사각 이다. 이때 용접재의 최대인장강도는 231 MPa이였고, 항복강도는 121 MPa을 나타내었다.
Dissimilar joining of aluminum 6061-T6 alloy to aluminum 5083-O alloy was performed using friction-stir welding technique. The mechanical properties, hardness, macro- and micro-structure on dissimilar friction-stir-weld aluminium alloy were investigated. Mechanical properties of the weld mainly depe...
Dissimilar joining of aluminum 6061-T6 alloy to aluminum 5083-O alloy was performed using friction-stir welding technique. The mechanical properties, hardness, macro- and micro-structure on dissimilar friction-stir-weld aluminium alloy were investigated. Mechanical properties of the weld mainly depend on which Al alloy is placed at the retreating sides of the rotating tool respectively during dissimilar friction-stir weld because the microstructure of stir zone was mainly composed of welded Al alloys of the retreating side. Onion ring pattern was observed like lamella structure stacked by each Al alloy in turn. It apparently results in defect-free weld zone that traverse speed was changed to 124 mm/min under conditions of tool rotation speed like 1250 rpm with 5 mm of tool's prove diameter, 4.5 mm of prove length, 20 mm of shoulder diameter, and $2^{\circ}$ of tilting angle. The 231 MPa of ultimate stress and the 121 MPa of yield point are obtained about the friction-stir-welded Al 6061-T6(AS) to Al 5083-O(RS).
Dissimilar joining of aluminum 6061-T6 alloy to aluminum 5083-O alloy was performed using friction-stir welding technique. The mechanical properties, hardness, macro- and micro-structure on dissimilar friction-stir-weld aluminium alloy were investigated. Mechanical properties of the weld mainly depend on which Al alloy is placed at the retreating sides of the rotating tool respectively during dissimilar friction-stir weld because the microstructure of stir zone was mainly composed of welded Al alloys of the retreating side. Onion ring pattern was observed like lamella structure stacked by each Al alloy in turn. It apparently results in defect-free weld zone that traverse speed was changed to 124 mm/min under conditions of tool rotation speed like 1250 rpm with 5 mm of tool's prove diameter, 4.5 mm of prove length, 20 mm of shoulder diameter, and $2^{\circ}$ of tilting angle. The 231 MPa of ultimate stress and the 121 MPa of yield point are obtained about the friction-stir-welded Al 6061-T6(AS) to Al 5083-O(RS).
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문제 정의
본 연구는 알루미늄합금 Al5083-O와 Al6061- T6 합금으로 이종접합을 실시하고 접합부의 응력 특성 및 용접성, 이들에 미치는 영향을 관찰한다. 또한 접합부 단면의 매크로적 및 미시적 조직 등을 고찰한다.
제안 방법
2°의 전진 각(Tilting angle), 반시계방향 및 시계방향, 프루브의 삽입깊이 4.5 mm, 공구 회전속도는 800, 1250 그리고 2500 rpm 및 용접 이송속도는 32, 87 그리고 124 mm/min의 용접조건에서 Al5083-O 판재가 전진 측(AS) 및 후진 측(RS)이 되도록 2회씩 용접을 실시하였다.
이후 Al5083-O 조직상을 보기 위하여 Tucker 에칭용액을 사용하였으며, Al6061-T6의 조직상을 관찰하기 위하여 Keller 에칭용액을 사용 하였다[4]. 광학현미경으로 용접부 횡단면의 모재(base metal, BM), 교반부(stir zone, SZ), 열기계적 영향부(thermo-mechanically affected zone, TMAZ), 열영향부(heat affected zone, HAZ) 등의 마크로 및 미시 조직의 촬영과 분석을 실시하였다.
98 N과 하중시간 10 sec로 실시하였다. 또한 용접부에서의 기공이나 용접균열과 같은 결함 그리고 용접부 단면의 용접상태 및 용접 조직의 유동 거동 및 미세조직의 변화를 관찰하기 위하여 절단된 시편의 용접부를 #2000까지 연마한 후 Al2O3 분말을 이용하여 경면연마 하였다. 이후 Al5083-O 조직상을 보기 위하여 Tucker 에칭용액을 사용하였으며, Al6061-T6의 조직상을 관찰하기 위하여 Keller 에칭용액을 사용 하였다[4].
본 연구는 알루미늄합금 Al5083-O와 Al6061- T6 합금으로 이종접합을 실시하고 접합부의 응력 특성 및 용접성, 이들에 미치는 영향을 관찰한다. 또한 접합부 단면의 매크로적 및 미시적 조직 등을 고찰한다.
용접부 평가를 위하여 인장시험, 경도시험, 조직 관찰을 실시하였다. 우선 용접부의 항복점, 인장응력 및 연신율 등의 기계적 성질을 구하기 위하여 INSTRON 8516 장비를 활용하여 인장속도 0.
2 mm/min으로 인장시험을 실시하였다. 용접부의압입변형저항을 측정하기 위하여 경도시험을 실시한 후 용접부의 경도분포를 조사하기 위하여 용접 방향에 수직한 용접부 횡단면을 가로방향은 등간격 1 mm로, 세로방향은 1, 2.5 및 4 mm 깊이의 각 위치에서 경도 측정하였다. 이 시험에 사용된 마이크로 비커스 경도시험기는 SHIMADZU사의 HVM-2 시험기로서 하중 1.
용접부 평가를 위하여 인장시험, 경도시험, 조직 관찰을 실시하였다. 우선 용접부의 항복점, 인장응력 및 연신율 등의 기계적 성질을 구하기 위하여 INSTRON 8516 장비를 활용하여 인장속도 0.2 mm/min으로 인장시험을 실시하였다. 용접부의압입변형저항을 측정하기 위하여 경도시험을 실시한 후 용접부의 경도분포를 조사하기 위하여 용접 방향에 수직한 용접부 횡단면을 가로방향은 등간격 1 mm로, 세로방향은 1, 2.
대상 데이터
FSW 이종접합에 사용된 공구의 치수는 어깨지름이 20 mm, 프루브의 직경은 5 mm, 프루브의 길이는 4.5 mm, 프루브 외주에는 나사 피치 1.0 mm의 오른나사로 제작하였다. 두께 5 mm인 Al5083-O와 Al6061-T6 판재를 각각 270 × 80× 5 mm의 2매를 1조로 용접하였다.
(b)의 열영향부 영역은 마찰 교반 용접 시 발생된 열에 의하여 결정립이 약 150μm정도의 크기로 관찰되어졌는데 모재 대비 4 ~5배 정도 조대화 되었다.
열영향부는 결정립의 조 대화와 압연 가공 시 형성된 전위들의 소멸에 기인한 강도 저하로 용접부재의 가장 취약한 부분을 형상한 것으로 사료된다. (c)의 기계적-열 영향부에서는 마찰교반용접 공구의 회전에 의한 기계적인 변형이 일어나 결정립 배열의 변화가 45˚의 각도로 조직이 배열되어 있었으며 부분적인 재결정현상으로 모재에 비해 다소 미세한 결정립을 관찰할 수 있었다. (d), (e)의 교반부에서는 6061-T6 결정 립의 크기는 모재에 비해 대단히 미세한 결정립을 관찰할 수 있으며 이는 마찰 교반열과 기계적인 영향으로 재결정화에 따른 것으로 판단된다.
2. 이종합금 중 Al 5083-O합금보다는 Al 6061-T6합금 쪽의 경도가 교반마찰에 따른 고온의 열과 기계적 소성유동의 영향을 크게 받아 낮게 나타내었다. 이것은 5083-O 쪽에 비해 6061-T6쪽 열영향부 영역에서 결정립 조대화가 대단히 뚜렷하며 이에 따른 용접부 강도 및 경도 저하를 초래한 것으로 사료된다.
하지만 이송속도가 32 mm/m in의 경우 용접부 육안검사에서는 양호하였으나 이종 합금의 완전한 교반 부족으로 만족할 만한 기계적 특성을 나타내지 못한 것으로 판단되며 파단면 또한 결함이 존재하고 있었다. Al 6061-T6를 후진 측에 고정하고 이종 용접을 실시한 조건들 중 1250 rpm에서 32 또는 87 mm/min으로 용접하였을 때 보다 124 mm/min의 경우 연신율은 낮지만 항복응력은 121 MPa와 최대인장응력은 232 MPa을 나타내어 실험한 용접 조건 변수 중 가장 우수한 기계적 특성을 보였다.
또한 전진 측 열영향부에서 Al 6061-T6합금의 경도가 가장 작은 값 56 Hѵ을 보였다. 결과적으로 경도 실험의 경우, 어느 알루미늄 이종합금을 후진 측에 고정하였느냐에 관계없이 Al 5083-O합금보다는 Al 6061-T6합금 쪽의 경도가 교반마찰에 따른 고온의 열과 기계적 소성유동의 영향을 크게 받는 것으로 특징지을 수 있다. 이것은 비열처리 합금인 알루미늄 5000계열과 달리 알루미늄 6000계열 합금은 열처리계 합금으로 마찰교반용접 과정에서 발생한 열에 의하여 열영향부에서 석출의비평형상(GP zone)의 소멸과 과시효 효과로 인한 석출물의 성장으로 6000계열 쪽에서 응력저하에 따른 연하부를 생성한 것으로 사료된다[9].
결과적으로 이종 접합 시 5083-O측에 비해 6061-T6측 열영향부 영역에서의 결정립 조대화가 대단히 뚜렷하며 이에 따른 강도 및 경도 저하로 앞서 인장시험 시 6061-T6 열영향부에서 파단이 발생한 사실과 상응한다.
반면 (d), (e) 그리고 (f)에 나타낸 바와 같이 기계적 교반의 영향을 받은 영역은 모재대비 현저하게 미세화된 결정립을 확인 할 수 있다. 교반부와 기계적-열적 영향부 관찰결과 오른 나사의 교반에 기인하여 연화된 상태에서 교차한 소성유동 형상을 관찰할 수 있으며 두 재료간의 접합계면에서의 결함은 전혀 관찰되지 않았으므로 매우 건전한 용접성을 나타낸 것으로 판단된다.
특히 이송속도가 32와 87 mm/min의 경우 소성유동이 크게 발생하여 네킹 구간에서 변화의 폭이 상대적으로 적고 인성이 크게 나타나는 현상을 보였다. 그리고 용접 이송속도가 증가함에 따라 항복점과 최대인장응력은 상승하였으나 연신율은 감소하는 경향을 보였다. 이종 마찰교반용접된 인장 시험편의 파단은 교반부에서는 나타나지 않았으며 열영향부 영역에서 발생하였다.
Al5083-O와 Al6061-T6재료의 화학적 조성비는 Table 1과 같으며 Al5083-O와 Al6061-T6재료의 기계적 특성은 Table 2와 같다. 표에서 보여 주듯이 화학적 조성에서는 Mg 함량의 확연한 차이를 보였으며, 최대인장응력은 큰 차이가 없으나 Al5083-O가 Al 6061-T6보다 항복점은 낮으나 연신율은 더 크게 나타났다. 또한 비커스 경도도 낮은 값을 나타내었으므로 Al5083-O가 Al6061- T6보다 연성이 풍부함을 알 수 있다.
Figure 3은 Al 6061-T6합금을 후진 측에 고정하고 Al 5083-O합금 측을 전진 측으로 접합한 결과, 용접부의 후진 측 경도만이 크게 감소하면서 불규칙한 거동을 보이나 전진 측은 경도의 변화가 균일하고 경도 저하가 비교적 적었다. 후진측 Al 6061-T6합금 쪽 두께 중앙선 위치 HAZ에서 가장 작은 경도 값 즉, 모재 경도 112 Hv의 약 50 % 정도의 경도를 보였으나 전진 측인 Al 5083-O합금 쪽의 경도는 감소가 거의 없었다.
후속연구
3. 알루미늄 합금 용접에 있어 강도가 높은 재료를 후진 측에 배열하고 마찰교반용접을 이행하는 것이 좀더 바람직할 것으로 사료된다.
이것은 알루미늄재가 환경친화적이며 경량화가 가능하면서도 높은 내구성을 지니고 있기 때문이다. 그러나 알루미늄의 가격과 용접기술의 문제로 어선이나 중소형 선박에 FRP 재료를 대신하여 알루미늄이 도입되는 데는 좀 더 시일이 필요할 것으로 생각된다. 이와 같이 선박 구조물의 경량화를 위하여 알루미늄과 같은 비철금속의 이종합금의 접합이 조선공정에서 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄재의 장점은?
우리나라의 경우 어업지도선 및 해양경찰선과 같은 관공선을 중심으로 알루미늄선박이 증가하고 있다. 이것은 알루미늄재가 환경친화적이며 경량화가 가능하면서도 높은 내구성을 지니고 있기 때문이다. 그러나 알루미늄의 가격과 용접기술의 문제로 어선이나 중소형 선박에 FRP 재료를 대신하여 알루미늄이 도입되는 데는 좀 더 시일이 필요할 것으로 생각된다.
알루미늄 합금 용접 시 어떻게 마찰교반용접을 하는것이 바람직한가?
3. 알루미늄 합금 용접에 있어 강도가 높은 재료를 후진 측에 배열하고 마찰교반용접을 이행하는 것이 좀더 바람직할 것으로 사료된다.
참고문헌 (14)
박재철, 김성종, "5456-H116 합금에 대하여 최적 마찰교반 프로세싱 조건 규명 및 기계적 특성 평가," 한국표면공학회지, 제42권, 제1호, pp. 13-20, 2009.
이원배, Gehard Biallas, Martin Schmuecker, 정승부, "마찰교반접한 오스테나이트계 스테인리스강과 6013 알루미늄합금 이종 접합부의 접합 특성 및 계면 성질," 대한용접학회지, 제23권, 제5호, pp. 469-476, 2005.
S. Katsas, R. Dashwood, M. Jackson, R. Grimes, "Influence of subsequent cold work on the superplastic properties of a friction stir welded (FSW) aluminium alloy," Materials Science and Engineering A, vol. 527, no. 4-5, pp. 1022-1026, 2010.
P.M.G.P. Moreira, M.A.V. de Figueriredo, and P.M.S.T. de Castro, "Fatique behaviour of FSW and MIG weldments for two aluminium alloys," Theoretical and Applied Fracture Mechanics, vol. 48, no. 2, pp. 169-177, 2007.
H. Lombard, D. G. Hattingh, A. Steiwer, and M. N. James, "Optimising FSW process parameters to minimise defects and maximise fatigue life in 5083-H321 aluminium alloy," Engineering Fracture Mechanics, vol. 75, no. 3-4, pp. 341-354, 2008.
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