[논문]자동차용 경량 비철 소재의 마찰교반점접합 기술 동향

최돈현; 연윤모; 정승부

doi:10.5781/kwjs.2011.29.5.522

자동차용 경량 비철 소재의 마찰교반점접합 기술 동향
Friction Stir Spot Welding of Light Non Ferrous Metal for Automobile 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.5, 2011년, pp.24 - 30

최돈현 (성균관대학교 신소재공학부) , 연윤모 (수원과학대학 신소재응용과) , 정승부 (성균관대학교 신소재공학부)

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문제 정의

Choi 등이">.D.H.Choi등이 보고한 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 이종 마찰교반점접합 연구결과에 대하여 소개하고자 한다¹⁷⁾. Fig.
따라서 본 논문에서는 이러한 알루미늄 및 마그네슘합금의 마찰교반점접합에 있어서 지금까지 보고된 연구 결과를 조직 및 기계적 특성을 중심으로 정리하여 소개하고자 한다.
차체 경량재료로서 알루미늄 마그네슘 합금의 적용시 동종 재료의 접합 뿐만 아니라 이종 재로의 접합 또한 필수 불가결한 접합 공정이나 기존 공정으로 알루미늄과 마그네슘의 이종 접합 시 조대한 금속간 화합물을 형성하는 것으로 알려져 있으며 이를 해결하고자 최근 이종 재료에 대한 마찰교반점접합 결과 또한 보고가 되고 있는 바이다. 후)마찰교반점 접합을">마찰교반점접합을 이용하여 차체 재료로서의 적용 가능성을 나타내고 있다. 하지만 최근 마그네슘 합금의 마찰교반점접합 시 liquid penetration induced (LPI) cracking에 관한 문제가 연구를 통해서 제기되고 있으며 이러한 LPI 문제의 원인 및 해결방안에 대하여 간략히 고찰하고자 한다. 마그네슘 합금의 경우 일반적으로 수%의 알루미늄이 합금원소로 첨가가 되어 L – Mg+Mg₁₇Al₁₂ 의
제안 방법
- 후)관찰할">관찰 할 수 있다. 이러한 결과는 각 합금내에서 알루미늄 원자가 마그네슘 모재내에 확산되는 확산 속도가 다른 것으로 해석이 되며 이러한 결과를 정량적으로 해석하기 위하여 Fick의 확산방정식을 이용하여 각 합금 내에서의 확산속도를 계산하였고 그 결과를 하기에 나타내었다.

성능/효과

후)관찰할">관찰 할 수 있었다. CT 툴의 경우 삽입 깊이가 증가함에 따라 전단 강도가 일부 상승을 하였으나 최고 전단 하중 값은 다른 두가지 툴의 결과치보다 매우 낮게 측정되는 것을 관찰 할 수 있었으며 모든 접합 조건에서 전단 파단형태를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. CTP 툴의 경우에는 삽입 깊이 0.
후)확인할">확인 할 수 있었다. CTP 툴의 경우에는 삽입 깊이 0.5mm를 기준으로 전당 하중 값이 약 1.5배 이상 상승 하는 것을 확인할 수 있었으며 전단 하중 값의 큰 증가와 함께 파단 형태도 전단 파단에서 플러그 파단 형태로 바뀌는 것을 관찰 할 수 있었다. 또한 최대 전단 후)마찰교반점 접합한">마찰교반점접합한 5083 알루미늄 합금의 특성을 보고하였다¹⁵⁾. Fig. 4에서 관찰할 수 있는 바와 같이 접합부는 크게 3가지 영역 - completely bonded region, partially bonded region, and unbonded region 으로 나뉘어지는 것으로 관찰 되었으며 툴의 형상에 따라 이러한 영역에서 나타나는 접합 형태는 각기 다르게 나타나는 것을 확인 할 수 있다.
3에 나타내었다. TP 형태 툴을 이용하여 접합하였을 경우 삽입 깊이에 따른 접합부의 전단 강도의 차이는 크지 않는 것을 관찰 할 수 있으며 삽입 깊이 1.60mm를 기준으로 이보다 낮은 삽입 깊이에서는 전단 파단 형태를 나타내었으나 이상의 깊이에서는 플러그 형태의 파단 형상을 나타내는 것을 관찰 할 수 있었다. CT 툴의 경우 삽입 깊이가 증가함에 따라 전단 강도가 일부 상승을 하였으나 최고 전단 그림에서 보는 바와 같이 상판과 하판사이에서는 계면 조직이 형성되었으며 그 두께는 툴 회전속도와 툴 삽이 후 유지 시간이 증가함에 따라 3.5µm에서 최대 6.5µm 로 증가하는 것을 관찰 할 수 있으며 계면 조직이 가장 두꺼운 조건에서는 수평으로 크랙이 발생된 것을 관찰 할 수 있었다.
후)관찰할">관찰 할 수 있었다. 또한 최대 전단 하중 값 또한 약 4.5kN으로 3가지 툴 중에서 가장 높은 값을 나타내는 것을 확인 할 수 있었다.
2에 나타내었다. 모든 접합 조건에서 접합부내에는 결함 및 크랙 등은 관찰 되지 않았으며 그림에서 보는 바와 같이 툴 형상에 따라서 접합부 단면의 형상은 서로 다른 형상을 나타내는 것을 관찰 할 수 있었다. TP 툴의 경우 삽입된 핀 11은 접합부의 파단면에 대한 XRD 분석 결과를 나타낸다. 분석되는 면은 분석 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 알루미늄 합금 판재 계면에서는 주로 Al₃Mg₂ 상이 검출되었고 반대로 마그네슘 합금 판재 계면에서는 Al₁₂Mg₁₇상이 검출되었다. 이러한 결과는 접합부 계면에는 2가지의 후)인장 전단">인장전단 시험 결과를 나타낸다. 시험 결과에서도 확인할 수 있는 바와 같이 cylindrical 핀의 경우 약 1700N을 나타내었으며 triangular 핀의 경우에는 약 3500N 으로 전단 하중이 약 2배 정도가 차이가 나는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 핀의 형상에 따른 알루미늄 및 마그네슘 합금의 마찰교반점접합 결과에 대해 상기와 같이 조사ㆍ정리한 결과 이들 재료에 대한 접합 변수와 미세조직의 관계, 미세조직과 기계적 특성과의 관계 등의 분석 결과를 확인 할 수 있었으며 이에 따라 알루미늄 및 마그네슘 합금의 마찰교반점접합이 매우 실용적인 수준까지 연구가 진행 된 것을 확인할 수 있었다. 다만 이러한 계면 조직을 EDS를 이용하여 성분 분석을 한 결과 크게 5개 층으로 나뉘어지는 것을 관찰 할 수 있으며 순서대로 나열하면 알루미늄 모재 영역- 알루미늄 천이 영역 - 반응 영역 – 마그네슘 천이 영역 – 마그네슘 모재 영역으로 관찰 되었다.
이러한 실험 결과들을 정리하자면 AZ31과 AM60 합금의 마찰교반점접합 시 툴 삽입 후 유지시간을 4초 이상으로 한다면 LPI 문제가 발생하지 않으나 AZ91 합금의 경우에는 이보다 더 오랜 시간을 필요로 하는 것을 알 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 접
14는 접합부의 인장전단 시험 결과를 나타낸다. 접합부의 인장전단 시험 결과 모든 파단은 상판과 하판의 계면사이에서 발생이 되었으며 툴 회전속도 높을수록 그리고 툴 삽입 후 유지시간이 길어질수록 전단 하중은 감소하는 것으로 나타났으며 이러한 결과는 앞에서 언급한 바와 같이 마찰열이 더 많이 발생하는 조건에서 더 두꺼운 금속간화합물이 형성하기 때문에 나타나는 결과로 해석할 수 있다. 이러한 결과들을 토대로 정리해
후속연구
- 후)툴삽입">툴 삽입 후 유지시간을 4초 이상으로 한다면 LPI 문제가 발생하지 않으나 AZ91 합금의 경우에는 이보다 더 오랜 시간을 필요로 하는 것을 알 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 접합 시 추가적인 열원을 접합부에 가하거나 또는 접합 시 더 많은 마찰열이 발생할 수 있도록 마찰계수가 높은 툴 재질의 선정, 툴 형상의 디자인 등이 필요로 할 것으로 사료된다.
- 후)연구결과가">연구 결과가 부족한 상황으로 파악되었다. 향후 알루미늄 및 마그네슘 합금 차체 재료로서 차지하는 비중이 점차 늘어나는 것을 고려할 때 마찰교반점접합의 적용 확대를 위하여 보다 다양하면서도 세밀한 연구가 계속되어야 할 것으로 생각되고, 특히 기술 국산화를 위한 국내 연구진들의 노력이 더욱 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 합금이 용접하기 쉽지 않은 이유는 무엇인가?	하지만 알루미늄 합금은 강판에 비해 열전도도 및 비열이 높고 전기저항이 낮아 발열하기 어려우면서도 열이 방출되기 쉬워 용접하기가 쉽지 않았다. 이 때문에 기존의 점용접 기술로 알루미늄 합금 판재를 용접하는 경우, 고전류․고가압력․단시간의 용접이 필요하여2) 용접주변설비의 대형화가 요구된다.
	소재별로 나누었을 때 자동차 경량화 재료의 분류는 어떻게 나눌 수 있는가?	￭박육 철강 소재 : HSST, UASS, STS, TRIP 등 ￭경량 비철 소재 : 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등 ￭고분자 소재 : 엔지니어링 플라스틱 등
	자동차의 경량소재 기술은 어떻게 나눌 수 있는가?	이에 발맞추어 최근 자동차 개발 추세는 소형화․경량화․연비향상․고성능화․고안전화 등을 목표로 하고 있으며 따라서 자동차 경량소재 및 부품 관련 산업 또한 꾸준히 증가하고 있는 상황이다. 자동차의 경량소재 기술은1) 자동차 부품의 콤팩트화를 위한 설계 및 해석 기술, 2) 기존 소재를 경량소재로 대체하기 위한 신경량소재 개발로 나눌 수 있다. 차체 설계 및 해석 기술의 경우 차체 경량화의 일정 부분에 대해서 영향을 미칠 수 있으나 가장 큰 영향을 미치는 부분은 근본적으로 차체 재료 즉 소재의 경량화가 가장 큰 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (17)

소재기술백서 2010
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D.H. Choi, B.W. Ahn, C.Y. Lee, Y.M. Yeon, K. Song, S.B. Jung: Effect of Pin Shapes on Joint Characteristics of Friction Stir Spot Welded AA5J32 Sheet, Mater. Trans., 51 (2010), 1028-1032

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M. Yamamoto, A. Gerlich, T.H. North, K. Shinozaki: Cracking in the stir zones of Mg-alloy friction stir spot welds, J. Mater. Sci., 42 (2007), 7657-7666

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D.H. Choi, B.W. Ahn, C.Y. Lee, Y.M. Yeon, K. Song, S.B. Jung: Formation of intermetallic compounds in Al and Mg alloy interface during friction stir spot welding, Intermetallics, 19 (2011), 125-130

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