Electric resistance spot welding has been used to join overlapped steel sheets in automotive bodies. Recently to reduce weight in automotive vehicles, non-ferrous metals are being used or considered in car bodies for hoods, trunk lids, doors parts, etc. Various welding processes such as laser weldin...
Electric resistance spot welding has been used to join overlapped steel sheets in automotive bodies. Recently to reduce weight in automotive vehicles, non-ferrous metals are being used or considered in car bodies for hoods, trunk lids, doors parts, etc. Various welding processes such as laser welding, self-piercing rivet, friction stir welding are being used. In the current study, a new electric resistance heated friction stir spot welding is suggested for the spot welding of non-ferrous metals. The welding method can be characterized by three uses of heat -- electric resistance heating, friction stir heating and conduction heating of steel electrodes -- for the fusion joining at the interfacial zone between the two sheets. The welding process has variables such as welding current, diameter of the steel electrodes, revolutions per minute (rpm) of the friction stir pin, and the insert depth of the stir pin. In order to obtain the optimal welding variables, which provide the best welding strength, many experiments were conducted. From the experiments, it was found that the welding strength could be reached to the required production value by using an electrode diameter of 10mm, a current of 7.6kA, a stirring speed of 400rpm, and an insert depth of 0.8mm for the electric resistance heated friction stir spot welding of 5052 aluminum 1.5mm sheets.
Electric resistance spot welding has been used to join overlapped steel sheets in automotive bodies. Recently to reduce weight in automotive vehicles, non-ferrous metals are being used or considered in car bodies for hoods, trunk lids, doors parts, etc. Various welding processes such as laser welding, self-piercing rivet, friction stir welding are being used. In the current study, a new electric resistance heated friction stir spot welding is suggested for the spot welding of non-ferrous metals. The welding method can be characterized by three uses of heat -- electric resistance heating, friction stir heating and conduction heating of steel electrodes -- for the fusion joining at the interfacial zone between the two sheets. The welding process has variables such as welding current, diameter of the steel electrodes, revolutions per minute (rpm) of the friction stir pin, and the insert depth of the stir pin. In order to obtain the optimal welding variables, which provide the best welding strength, many experiments were conducted. From the experiments, it was found that the welding strength could be reached to the required production value by using an electrode diameter of 10mm, a current of 7.6kA, a stirring speed of 400rpm, and an insert depth of 0.8mm for the electric resistance heated friction stir spot welding of 5052 aluminum 1.5mm sheets.
새로운 접합기술이 산업에 적용되기 위하여 가장 중요한 항목은 새로운 접합방법으로 접합된 판재의 강도가 규격에서 요구하는 충분한 접합강도를 가지는지를 파악하는 것이다. 따라서 본 연구의 주요 목적은 전기저항가열 마찰교반점용접을 이용하여 비철금속인 알루미늄합금 판재를 용접하였을 때 산업현장에서 요구하는 표준 점용접강도를 얼마만큼 만족하는지를 파악하는 것이다. 부가적으로 몇 가지 주요 인자들과 접합강도 사이의 영향력에 대한 자료와 최적의 접합강도를 가지는 조건 등에 대하여 조사하는 것이 부가 목적이다.
따라서 본 연구의 주요 목적은 전기저항가열 마찰교반점용접을 이용하여 비철금속인 알루미늄합금 판재를 용접하였을 때 산업현장에서 요구하는 표준 점용접강도를 얼마만큼 만족하는지를 파악하는 것이다. 부가적으로 몇 가지 주요 인자들과 접합강도 사이의 영향력에 대한 자료와 최적의 접합강도를 가지는 조건 등에 대하여 조사하는 것이 부가 목적이다.
제안 방법
마찰교반점용접은 접합하고자 하는 접합면에 회전공구를 삽입하여 빠르게 회전시킬 때 발생하는 회전공구와 금속면상의 마찰열과 교반에 의한 소성유동 및 회전공구의 가압력을 이용하여 중첩된 두 금속판재를 접합한다. 하지만 접합시간이 많이 소요되고 접합부 표면에 회전공구의 삽입으로 인한 홀 형상의 접합흔적이 발생하는 문제점을 가지고 있다.
본 연구는 알루미늄 5052판재를 효율적으로 점용접 하기 위하여 고안된 전기저항가열 마찰교반점용접의 실험용 장치를 설계 및 제작하였고, 실험 장치를 이용하여 필 시험에 의한 전류조건의 확립 및 인장전단실험을 통하여 용접에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 인자에 대하여 분석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 전기저항가열 마찰교반점용접된 판재의 정적 전단 인장시험을 통하여 접합강도를 분석하였고, 분산분석을 이용하여 주요인자들의 영향력을 분석하였다. 실험 조건의 설정에는 간이 테스트법인 필 테스트(peel test)를 이용하여 서로 다른 선단경(diameter of the electrode tip)을 가지는 전극들에 대한 용접가능 적합전류조건을 찾아내어 실험조건의 범위를 좁혔다.
용접가능 적합 전류조건 실험은 선단경과 전류의 세기를 제외한 변수인 통전시간, 삽입깊이, 교반속도를 90cycle, 0mm, 1200rpm으로 고정 하였다. 이렇게 얻어진 선행 실험 결과는 Table 3과 같다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 전기저항가열 마찰교반점용접된 판재의 정적 전단 인장시험을 통하여 접합강도를 분석하였고, 분산분석을 이용하여 주요인자들의 영향력을 분석하였다. 실험 조건의 설정에는 간이 테스트법인 필 테스트(peel test)를 이용하여 서로 다른 선단경(diameter of the electrode tip)을 가지는 전극들에 대한 용접가능 적합전류조건을 찾아내어 실험조건의 범위를 좁혔다.
대상 데이터
교반핀은 회전과 동시에 압력에 의한 압축하중을 받기 때문에 작은 면적에서도 높은 비틀림 강성과 압축강성이 좋아야 하고, 철계전극과 접촉하여 회전하기 때문에 외주면이 매우 경면일 필요성이 있다. 따라서 이모든 조건을 만족하는 금속인 초경합금을 사용하였다.
철계전극의 경우 열간금형강(SKD61)을 이용하여 높은 온도와 압력에도 버틸 수 있도록 설계 제작되었다. 세부 치수로는 교반핀의 교반영역을4.6mm로 하였고, 전극 끝단의 직경인 접촉 선단경(diameter of electrode tip)은 총 세 가지 수준의 실험을 위하여12mm, 10mm, 8mm로 제작되었다. 교반핀의 직경을 4.
실험에 사용된 금속은 알루미늄 5052합금 소재를 사용하였고, 세부적인 물성치 및 형상치수는 Table 1과 같다. 본 소재를 사용한 이유는 차량용 외판소재로 주로 많이 사용되는 5000계열 알루미늄 합금 중에서도 국내에 쉽게 구할 수 있고 현장에 사용되는 소재와 매우 흡사한 물성을 가지기 때문이다.
철계전극의 경우 열간금형강(SKD61)을 이용하여 높은 온도와 압력에도 버틸 수 있도록 설계 제작되었다. 세부 치수로는 교반핀의 교반영역을4.
데이터처리
9와 같이 나타내었다. 그리고 현장에 사용되기에 적합한지를 판단하기 위하여 KA B ISO 18595규격의 두께 1.5mm의 알루미늄 판재를 점용접 할 때 요구하는 최소 전단 용접강도를 구하여 비교해 보았다. 결과적으로 선단경이 12mm일때는 그 요구치를 만족하지 못했지만 10mm와 8mm에서는 만족하였다.
이론/모형
실험계획을 바탕으로 전기저항 마찰교반점용접된 시험편을 제작하였고, 제작된 시험편을 KS B 0801규격을 기초하여 Fig. 7과 같이 정적 인장 전단 시험을 진행 하였다.
그 외적으로 표면상에 큰 접합흔적은 발견되지 않았고 기존의 마찰교반점용접과 같은 교반핀의 구멍 흔적도 없는 상태이다. 이렇게 접합된 소재를 이용하여 필 시험(peel test) 및 인장전단시험(lap shear test)을 진행하였다.
성능/효과
(1) Peel test실험을 통하여 교반핀의 직경이 4.6mm일 때 가열전극의 접촉직경인 선단경 12mm, 10mm, 8mm의 철계전극을 사용할 때 선단경의 70%이상에 해당하는 너겟직경을 가지는 적합한 용접전류조건은 7.8kA, 7.6kA, 7.4kA임을 알 수 있었다.
(2) KS B 0801규격에 의거한 인장 전단 실험으로 가열전극의 선단경 10mm, 교반핀의 삽입깊이 0.8mm, 교반핀의 교반속도 400rpm의 조건에서 가장 높은 용접강도가 나오는 것을 알 수 있었다.
(3) 분산분석을 통하여 선단경, 삽입깊이, 교반속도 중 선단경의 수준변화가 용접강도에 지배적인 영향을 주는 것을 알 수 있었고, 1.5mm두께의 알루미늄 5052 판재의 전기저항 마찰교반점용접에 있어서 선단경 10mm가 99%확률로 가장 높은 용접강도를 확보할 수 있음을 알 수 있었다.
(4) 최적의 조건에서 얻어진 용접강도는 KA B ISO 18595규격에서 요구하는 최소 전단강도의 약 152%가 됨을 알 수 있었고, 산업 현장에 충분히 사용가능한 용접강도를 얻을 수 있었다.
4개의 형태로 분류한 필테스트 결과에서 각각의 선단경당 용접가능한 전류의 세기가 하나씩 있음을 확인하였다. 결과적으로 선단경이 12mm일 때 7.8kA, 10mm일 때 7.6kA, 8mm일 때 7.4kA의 전류 세기를 사용하는 것으로 용접이 가능함을 파악 할 수 있었다.
그 결과 Table 6과 같은 표가 나왔고, 표를 살펴보면 풀링전과는 달리 모든 기각치를 F0 웃도는 것을 알 수 있다. 따라서 결과적으로 선단경의 수준변화는 99%의 확률로 전기저항 마찰교반점용접강도에 영향을 주는 것으로 사료된다.
상기와 같이 전기저항가열 마찰교반점용접으로 접합된 시편에 대한 접합강도를 조사한 결과 새로 제안된 전기저항가열 마찰교반점용접법에 대한 사용가능성을 알 수 있었고 용접변수들의 영향에 따른 접합강도의 일정한 변화가 있는 것으로 보아 용접변수들의 적절한 선택에 따라 용접의 성능조절이 가능함을 알 수 있었다.
실제로 모든 실험을 할 경우 동일조건 3회 반복 실험을 가정하면 81회 실험이 되어야한다. 하지만 세 가지 인자의 교호작용을 무시할 수 있다고 가정하고 각각의 인자가 접합강도에 주는 영향을 분석하기 위한 실험임을 가정하면 L9(34)형 직교배열표에 의한 실험계획법으로 27회의 실험만으로도 원하는 정보를 얻을 수 있다.
참고문헌 (8)
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S. J. Lee, T. H. Kim, I. T. Jin, 2014, A Study on the Effect of Pin Height on Weld Strength in Extru-Rivet Spot Welding of Aluminum Plates, Trans. Mater. Process, Vol. 23, No. 5, pp. 282~288.
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