[논문]전산 열.구조해석에 의한 알루미늄 6061 마찰교반용접 특성 연구

박찬우; 팽진기; 옥주선

doi:10.7736/kspe.2012.29.6.632

전산 열.구조해석에 의한 알루미늄 6061 마찰교반용접 특성 연구
A Study on Numerical Thermo-Mechanical Analysis for Aluminum 6061 Friction Stir Welding 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.29 no.6, 2012년, pp.632 - 639

박찬우 (경상대학교 항공우주시스템공학과) , 팽진기 (경상대학교 항공우주시스템공학과) , 옥주선 (경남테크노파크 항공센터)

Abstract ▼ AI-Helper

A fully coupled thermo-mechanical model is adopted to study the temperature distribution and the material deformation in friction stir welding(FSW) process. Rotational speed is most important parameters in this research. Three dimension results under different process parameters were presented. Result indicate that the maximum temperature is lower than the melting point of the welding material. The higher temperature gradient occurs in the leading side of the workpiece. The maximum temperature can be increased with increasing the tool angular velocity, rpm in the current numerical modeling. In this research ABAQUS Ver.6.7 is to analyze a fully coupled thermo-mechanical model. ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian) finite element formulation is used for the large deformation in FSW process and using the Mass scaling for the analysis time efficiency.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

FSW tool 은 steel 재질을, 용접 모재는 Al 6061 재질을 선택하였다. 구조해석의 시간을 줄이고, 해석의 효율을 올리기 위해 FSW tool 은 강체로 가정하였다. 용접 모재로 선택된 Al 6061 은 온도의 영향에 의해 그 재료 물성치가 달라진다.
)에 의한 열 유속의 합으로 나타낼 수 있다. 그러나 본 과제에서는 대류와 복사에 의한 열 유속은 마찰에 의한 열 유속에 비해 그 값이 극히 미미함으로 대류와 복사에 의한 열 유속은 무시하였다. 그리고 마찰에 의한 열 유속은 Fig.
따라서 현재까지 시험적인 방법을 통해 FSW tool 과 용접 모재 사이에 얻어진 정확한 마찰 계수의 결과는 확인되지 않고 있다. 그리하여 FSW tool 과 용접 모재의 Contact condition 에서 사용된 마찰 계수는 Avallone et al¹⁸ 를 참조하여 Fig. 5 와 같이 온도 변화에 따른 마찰 계수를 3 가지로 가정하여 적용하였다.

제안 방법

따라서 온도는 온도 의존 재료 특성을 통해 기계적 상태에 영향을 미치게 된다. CFD models^12,13과 thermal model¹⁴ 은 FSW 를 유한체적 법으로 모제를 유동장으로하여 수치계산을 통해 tool 주위의 회전속도변화 및 온도변화를 구현하였다. 이와 같이 FSW 에 대한 다양한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
마찰교반용접은 FSW tool 과 용접 모재의 마찰에 의해 접합이 이루어진다. FSW tool 의 pin, shoulder 와 용접 모재 사이의 Contact condition 은 열-구조해석의 중요한 인자 중의 하나로, 본 연구에서는 비소모성 FSW tool 과 용접 모재의 접합을 마찰 응력(Frictional stress)과 열 유속(Heat flux)으로 나타냈다.
FSW 과정에서는 경계 조건, 소성 변형, Contact condition, 대변형과 같은 많은 해석 시간을 요구하는 비선형 요인들을 포함하고 있다. 그래서 본 과제에서는 구조해석 시간의 단축시키고 해석 효율을 높이고자 Mass scaling^7,16을 도입하였다.
2 에서 나타낸 것과 같다. 따라서 FSW tool 과 용접 모재의 contact model 에 적절한 경계로 본 논문에 적용되었다.
)을 적용하였다. 또한 FSW 접합부에서 가정된 마찰계수들(Fig 5)을 적용하여 400, 500, 600, 700rpm 각각의 용접 tool shoulder 회전 속도에 대해 6 초 동안의 시간변화에 따른 용접 모재의 열 분포와 응력 특성을 파악하고자 한다.
본 논문은 FSW 접합부에 나타나는 역학적 특성들을 전산 수치적 시뮬레이션(Abaqus V6.7 Explicit)을 이용하여 FSW 과정에서 주요 공정 변수인 tool shoulder 회전 속도 변화와 병진 속도 변화에 따른 용접 모재의 열 분포 특성 및 역학적 특성을 규명하였다.
본 논문은 앞서 언급한 용접 모재(Al 6061-T6)에 재료 물성치와 기계적 특성을 적용하였으며, FSW tool shoulder 병진 속도는 1 mm/s 와 2 mm/s 각각에 대하여 shoulder 에 60 MPa 의 하중(Pc)을 적용하였다.
본 연구에서는 FSW 과정 중에 발생하는 대변형에 의한 용접 모재의 극심한 왜곡 현상을 Sliding boundary 와 Eulerian boundary 를 적용하여 해결하였다. 용접 모재를 inflow surface 와 outflow surface 로 구분하여 이 두 면을 Eulerian boundary 로 각각 설정하였고, 두 Eulrian boundary 를 연결하는 용접 모재의 윗면을 Sliding boundary 로 지정하여 ALE 유한요소 정식화의 경계를 Fig.
본 연구에서는 FSW 과정 중에 발생하는 대변형에 의한 용접 모재의 극심한 왜곡 현상을 Sliding boundary 와 Eulerian boundary 를 적용하여 해결하였다. 용접 모재를 inflow surface 와 outflow surface 로 구분하여 이 두 면을 Eulerian boundary 로 각각 설정하였고, 두 Eulrian boundary 를 연결하는 용접 모재의 윗면을 Sliding boundary 로 지정하여 ALE 유한요소 정식화의 경계를 Fig. 2 에서 나타낸 것과 같다. 따라서 FSW tool 과 용접 모재의 contact model 에 적절한 경계로 본 논문에 적용되었다.
이에 비해 국내의 연구개발 활동은 소수의 연구기관에서만 수행되고 있으며 기초적인 연구개발에 한정되어 있어 수치해석에 의한 FSW 접합부에 대한 열 분포 특성 연구가 아직까지 미비한 설정이다. 이에 본 논문에서는 선행연구 논문 중 Zhang et al¹ 의 논문을 기본으로 하여 알루미늄 6061 합금에 나타나는 FSW 접합부의 열 분포 및 역학적 특성을 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS Ver. 6.7 로 해석하였다.

대상 데이터

FSW tool 은 steel 재질을, 용접 모재는 Al 6061 재질을 선택하였다. 구조해석의 시간을 줄이고, 해석의 효율을 올리기 위해 FSW tool 은 강체로 가정하였다.
용접 모재는 격자 생성을 용이하게 하기 위하여 두께 3mm, 반지름 40mm 의 원형으로 구성하였으며, FSW tool 은 반지름 3mm, 높이 4mm 인 pin 과 반지름 9mm 인 shoulder 로 구성하여 Fig 3 와 같다.
용접 모재와 FSW tool 의 모든 요소는 변위와 온도의 영향을 고려할 수 있는 8개의 절점을 가진 6면체 요소(C3D8RT)16로 Table 1 과 같이 구성하였다.

이론/모형

물체의 표면에 대한 열적 경계조건은 물체 내에 온도 차가 존재하면 열은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동한다는 푸리에 법칙(Fourier's law) 을 따른다.
일반적으로 Mass scaling factor 를 사용했을 때 내부 에너지(internal energy)에 대한 운동 에너지(kinetic energy)의 최대 비율이 10 을 초과하지 않아야 한다. 본 연구에 적용된 Mass scaling factor 는 10⁶을 사용하였다.

성능/효과

(1) 용접 모재의 온도 분포는 FSW tool shoulder 와 용접 모재 사이의 마찰계수에 의해 크게 좌우 된다는 것을 확인하였으나, 현재까지 시험적인 방법을 통해 얻어진 정확한 마찰 계수의 결과는 확인되지 않고 있다. 따라서 Avallone et al¹⁸을 참조하여 가정된 마찰계수들 중 Assumed friction coefficient-3 을 적용하였을 때 선행연구 문헌자료와 유사한 용접 모재의 온도 분포를 확인할 수 있었다.
(2) FSW 과정 중에 용접 모재에 발생하는 온도 분포를 통해 FSW tool shoulder 가 용접 모재에 가장 많은 영향을 미침을 알 수 있다. 또한 FSW tool shoulder 회전 속도가 증가함에 따라 용접 모재의 온도 변화를 증가 시켰으며, FSW tool shoulder 병진 속도가 증가함에 따라 모재 온도 변화에 통해 정상상태 도달이 빨라짐을 볼 수 있다.
(3) FSW tool shoulder 회전속도 변화에 따른 용접 모재의 최대 응력값은 유사한 값을 나타나내었다. 이는 동일한 구속조건과 하중조건에서 응력의 대부분이 열에 의한 열응력으로 회전 속도가 증가 함에 따라 최대온도가 유사하여 최대 응력 값도 유사하다고 판단된다.
(1) 용접 모재의 온도 분포는 FSW tool shoulder 와 용접 모재 사이의 마찰계수에 의해 크게 좌우 된다는 것을 확인하였으나, 현재까지 시험적인 방법을 통해 얻어진 정확한 마찰 계수의 결과는 확인되지 않고 있다. 따라서 Avallone et al¹⁸을 참조하여 가정된 마찰계수들 중 Assumed friction coefficient-3 을 적용하였을 때 선행연구 문헌자료와 유사한 용접 모재의 온도 분포를 확인할 수 있었다.
또한 FSW tool shoulder 회전 속도가 증가함에 따라 용접 모재의 온도 변화를 증가 시켰으며, FSW tool shoulder 병진 속도가 증가함에 따라 모재 온도 변화에 통해 정상상태 도달이 빨라짐을 볼 수 있다. 따라서 모재의 온도 변화를 통해 FSW 과정에서 shoulder 의 크기, 회전속도, 병진속도가 주요 공정 변수임을 확인 할 수 있었다.
(2) FSW 과정 중에 용접 모재에 발생하는 온도 분포를 통해 FSW tool shoulder 가 용접 모재에 가장 많은 영향을 미침을 알 수 있다. 또한 FSW tool shoulder 회전 속도가 증가함에 따라 용접 모재의 온도 변화를 증가 시켰으며, FSW tool shoulder 병진 속도가 증가함에 따라 모재 온도 변화에 통해 정상상태 도달이 빨라짐을 볼 수 있다. 따라서 모재의 온도 변화를 통해 FSW 과정에서 shoulder 의 크기, 회전속도, 병진속도가 주요 공정 변수임을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가스메탈 아크용접(GMAW)이나 저항용접 및 레이저용접으로 알루미늄을 접합하는 경우 단점은?	가스메탈 아크용접(GMAW)이나 저항용접 및 레이저용접으로 알루미늄을 접합하는 경우에는 용접속도가 느리고 생산성이 낮으며 용접성이 저하 된다. 반면에 1991년 영국의 TWI(The Welding of Institute)에서 특허 출원된 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding) 기술은 고상접합기술로서 새롭고 독특한 공정이다.
	알루미늄을 접합을 위해 1991년에 새롭게 제시된 공정은?	가스메탈 아크용접(GMAW)이나 저항용접 및 레이저용접으로 알루미늄을 접합하는 경우에는 용접속도가 느리고 생산성이 낮으며 용접성이 저하 된다. 반면에 1991년 영국의 TWI(The Welding of Institute)에서 특허 출원된 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding) 기술은 고상접합기술로서 새롭고 독특한 공정이다.
	항공기 구조물 제작 시 FWS를 적용하는 경우 기대되는 원가 부분에서의 이점은?	항공기 구조물 제작 시 FWS 를 적용하는 경우 기대되는 이점은 매우 다양한데 원가 절감과 관련 하여 리베팅보다 빠르고 조립이 단순하며 부품재고를 줄일 수 있다. 이러한 저원가 이점 외에도 이음부 fastener, butt strap, doubler, bonding, rivet 등이 필요 없어져 동체중량이 가벼워지는 이점이 있어 항공 선진국들이 많이 연구하고 있다.

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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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