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문제 정의
- 그러나 아직까지 교반속도나 용접속도와 같은 접합조건에 따른 최종 접합재의 기계적 특성에 관한 연구는 질적으로 양적으로 많은 보고가 이루어져 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 자동차 부품으로 사용되는 고강도 시효 경화재인 6061-T6 합금 판재를 사용하여 마찰교반 용접 시회전 Tool pin에 따른 회전방향과 교반속도, 용접속도 등 용접조건 변화에 따른 접합부의 강도 특성 및 용접 건전성에 대해 분석을 하였다.
제안 방법
- 마찰 교반용접 시 회전 Tool의 변화를 통하여 재료 간의 교반에 따른 기계적 성질 변화를 알아보기 위하여 회전 Tool pin 부분 중앙에 홈을 내어 제작하였다. 그리고 회전 Tool은 마찰교반용접 시 발생하는 열의 원활한 배출을 위하여 몸통부에 방열부분을 제작하였다. 용접 Tool shoulder 부분의 직경은 7.
- 본 연구에서는 고강도 시효 경화재인 A6061-T6에 마찰 교반용접 시 마찰용접의 변수를 설정하기 위하여 마찰교반용접속도를 200~400 mm/min로 변화시켰고, Tool의 회전수를 2000~3000 rpm으로 변화시켰다. 또한 마찰교반용접 Tool Pin의 너비에 따라 마찰교반용접을 수행하였다. A6061-T6의 화학조성과 기계적 특성을 Table 1과 Table 2에 나타내었다.
- 또한 용접부에서 기공이나 용접균열과 같은 결함 그리고 용접부 단면의 용접상태를 확인하기 위하여 광학현미경(×15)으로 확대하여 관찰하였다.
- 1은 각각의 마찰교반용접 Tool pin 형상을 나타내었다. 마찰 교반용접 시 회전 Tool의 변화를 통하여 재료 간의 교반에 따른 기계적 성질 변화를 알아보기 위하여 회전 Tool pin 부분 중앙에 홈을 내어 제작하였다. 그리고 회전 Tool은 마찰교반용접 시 발생하는 열의 원활한 배출을 위하여 몸통부에 방열부분을 제작하였다.
- 마찰교반용접 후 기계적 성질 평가를 위해 인장시험 및 미세경도시험을 수행하였다. 위와 같이 인장시험편을 제작하였으며, Instron 4206 인장시험기를 이용하여 1 mm/min의 조건으로 인장시험을 수행하였다.
- Tool의 선단에서 높은 마찰열과 전단응력이 발생하므로 고온에서 동적, 정적성질이 우수한 STD61, 또는 마르텐자이트계 스테인리스강(STS440C)을 사용하며, 용접재료에 따라 그 형상을 달리한다. 본 연구에서는 고강도 시효 경화재인 A6061-T6에 마찰 교반용접 시 마찰용접의 변수를 설정하기 위하여 마찰교반용접속도를 200~400 mm/min로 변화시켰고, Tool의 회전수를 2000~3000 rpm으로 변화시켰다. 또한 마찰교반용접 Tool Pin의 너비에 따라 마찰교반용접을 수행하였다.
- 이때 용접부의 단면을 표면 에칭을 수행 하였으며, 거친 연마(#400) 및 미세연마(#2000), 산화알루미늄을 사용하며 정밀연마 하였다. 에칭(Etching)은 Keller용액을 이용하여 용접부의 단면을 관찰하였다.
- 마찰교반용접 후 기계적 성질 평가를 위해 인장시험 및 미세경도시험을 수행하였다. 위와 같이 인장시험편을 제작하였으며, Instron 4206 인장시험기를 이용하여 1 mm/min의 조건으로 인장시험을 수행하였다. 또한 미세경도 시험은 측정 범위는 용접부의 횡단면의 중심을 1 mm 간격으로 15개소 측정하였으며, 경도시험의 배율은 ×40으로 135도 크기의 피라미드형 입자를 이용하였다.
대상 데이터
- 또한 미세경도 시험은 측정 범위는 용접부의 횡단면의 중심을 1 mm 간격으로 15개소 측정하였으며, 경도시험의 배율은 ×40으로 135도 크기의 피라미드형 입자를 이용하였다.
- 또한 용접부에서 기공이나 용접균열과 같은 결함 그리고 용접부 단면의 용접상태를 확인하기 위하여 광학현미경(×15)으로 확대하여 관찰하였다. 이때 용접부의 단면을 표면 에칭을 수행 하였으며, 거친 연마(#400) 및 미세연마(#2000), 산화알루미늄을 사용하며 정밀연마 하였다. 에칭(Etching)은 Keller용액을 이용하여 용접부의 단면을 관찰하였다.
성능/효과
- (1) Al6061-T6을 이용하여 마찰교반용접 시 회전 Tool pin 형상에 따라 A type pin과 B type pin으로 A type pin은 B type pin보다 양호한 외관 비드가 관찰 되었다.
- (2) 인장강도 시험결과 모든 시험편의 파단은 마찰용접부에서 일어났으며, 최대인장강도는 A type pin의 400 mm/min, 300 rpm 조 건에서 197.8 MPa로 나타났다.
- (3) 미세경도 시험결과 모든 시험편에서 마찰교반용접부가 대체로 낮은 경도의 분포가 나타났다. 또한 A type pin과 B type pin 각각 용접속도 400 mm/min에서 Tool의 회전속도 2000 rpm 의 경우 Hv48, Hv50으로 나타났다.
- (4) 광학현미경으로 이용하여 미세조직을 관찰한 결과, Pin형상에 따른 미세조직의 영향은 미비하였으며, 교반부는 Pin의 회전에 의한 소성변형이 일어나 미세하고 균일하게 나타났으며, 열기계적 열영향부에서는 소성변형과 부분적인 재결정이 존재하였다. 열영향부에서는 마찰교반용접시 발생된 열에 의해 결정립이 조대화되었다.
- A type pin과 B type pin을 갖는 회전 Tool을 사용하여 제작된 마찰교반용접 시험편의 외관은 마찰교반용접 Tool pin의 형상이나 용접조건에 관계없이 모든 시험편에서 전체적인 마찰용접면의 외관은 회전 Tool Shoulder부분이 회전하면서 발생하는 용접부가 나타났으며, 기공 또는 미용접부가 발생하지 않았다. 즉, 마찰교반 용접 된 시험편의 외관 관찰 결과, 일반적으로 모든 마찰교반용접 조건에서 양호한 외관이 나타났다.
- 2(b)와 같이 이동속도를 빠르고 회전수를 느리면용접부 비드(bead)는 회전무늬가 나타났으며, 비드의 표면이 거친 형상이 나타났다. 이는 A type pin과 B type pin의 형상에 따른 용접표면 비드의 형상이 차이를 보였으며, A type pin을 이용하여 이동속도는 느리고 회전수를 빠르게 하는 조건에서 용접 비드형상이 미려해지는 것을 관찰 할 수 있었다. 또한 이러한 비드 형상의 차이는 인장강도와 미세경도에 영향을 미칠 것 이라 사료된다.
- 9%로 가장 높게 나타났지만, A type pin과 B type pin 연신율의 차이는 미미하였다. 전체적으로, 각각의 조건에서 Tool의 회전속도와 용접속도는 큰 차이를 보이지 않았으며, 인장시험편의 파단은 용접부에서 발생 하였다. 이는 용접부 중심보다 경도 값이 낮게 측정된 열영향부(HAZ)나 열기계적영향부(TMAZ)에 집중되었다.
후속연구
- (5) 현재 압출용 알루미늄으로는 강도가 비교적 떨어지는 6063 계열이 주로 사용되고 있으나, 6063 계열에 비해 강도가 높은 6061 계열은 현재 특수 용도로만 제조가 되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구로 인하여 6061 계열뿐만 아니라 고강도이면서 좋은 기계적 특성을 갖는 새로운 알루미늄 합금이 계속 개발되는 추세이므로 본 연구의 적용과 앞으로의 연구개발이 추가적으로 필요하다고 판단된다.
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