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가설 설정
- 열처리 시간이 8 hr 인 (a)에 비하여 24 hr 인 (b) 의 경우 용접부의 미세조직이 매우 조밀하게 발달한 것을 확인할 수 있다. (a)와 (b) 시편의 HAZ 에서는 비슷한 크기의 결정립이 형성되었다. 두 조건의 인장강도는 223 MPa 로 동일하게 측정되었다.
제안 방법
- MIG 용접후의 시편은 Fig. 1 의 규격과 같이 인장시험시편을 제작하여 인장강도 및 항복강도를 측정하였다.
- Al 6061-T6 합금의 MIG 용접 후 저하되는 강도를 확인하고 기준이 되는 온도와 시간으로 열처리를 하였을 때 개선되는 정도를 파악하였다.
- Taguchi method 를 이용한 실험계획법의 작성에 앞서 열처리조건의 주요인자로 온도와 시간을 선정하였다.
- Taguchi method를 도입하여 열처리 조건을 강건 설계하였으며 주효과 그래프를 통해 강도에 영향을 미치는 인자별 수준을 분석하였다.
- 9 의 조건 (a) [160℃, 8hr], (b) [160℃, 24hr], (C) [175℃, 24hr], (d) [190℃, 24hr]의 경도를 그래프로 나타낸 것이다. 경도 측정은 로크웰 F 스케일로 용접부 중심에서 양옆으로 2 mm 간격씩 11회를 측정하였다.
- 두께 12t 의 Al 6061-T6 합금을 맞대기 용접을 하기 위해 V 형 그루브 용접을 수행하였다. 높은 열전도율과 전기전도를 가지는 알루미늄 합금의 특성으로 용접 시 입열에 의한 변형 및 기계적 성질의 저하를 최소화하기 위해 단시간에 대전류로 용접을 수행하였다.
- 다음은 Table 3에서 시편 No. 3 [175℃, 8hr], No. 10 응력제거 [310℃, 2hr], No. 11 응력제거와 열처리 병행 [310℃, 2hr / 175℃, 8hr] 의 세 가지 조건에 대한 인장강도 결과를 비교하였다.
- 다음은 열처리조건에 따라 Al 6061-T6 합금의 강도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 인장시험 시 파단이 발생하는 용접부와 HAZ 의 미세조직구조를 관찰하였다.
- 대표적인 구조물 용재로 사용되는 Al 6061-T6 합금을 MIG 용접 후 저하되는 강도를 개선시키기 위해 열처리를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 두께 12t 의 Al 6061-T6 합금을 맞대기 용접을 하기 위해 V 형 그루브 용접을 수행하였다. 높은 열전도율과 전기전도를 가지는 알루미늄 합금의 특성으로 용접 시 입열에 의한 변형 및 기계적 성질의 저하를 최소화하기 위해 단시간에 대전류로 용접을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Taguchi method 실험 계획법을 적용하여 Al 6061-T6 합금의 MIG 용접 후 열처리조건을 강건 설계하고 강도에 영향을 미치는 주요인자 및 최적의 열처리조건을 파악하였다.
- 3 은 Table 2 의 기초 실험으로 수행된 [모재, 맞대기 용접 후, 기본 열처리 후]의 강도를 나타낸 그래프이다. 시편의 신뢰성을 위해 각 조건 당 3 개의 시편을 만들어 인장시험을 진행하였으며 Fig. 3 에 나타낸 그래프는 측정된 인장 및 항복강도의 평균값이다.
- 시편제작 시 용접 전류는 180 ~ 190A, 작업각 90˚, 진행각 75˚ 로 진행하였으며 극성은 DCEP 로 용접을 수행하였다.
- 열처리 조건 No. 2 [160, 18hr] 일 때 가장 높은 인강강도 288 MPa 을 확인하였으며 향후 Al 6061-T6 합금의 용접 후 열처리 조건의 기초 데이터를 제공하였다.
대상 데이터
- 실험을 통하여 Al 6061-T6 합금의 용접 후 저하되는 강도를 후열처리를 통하여 개선시킬 수 있었으며 주효과 그래프를 사용하여 최적화된 열처리 조건 범위를 선정하였다.
이론/모형
- Al 6061-T6 합금의 MIG 용접 후 저하되는 강도를 확인하고 기준이 되는 온도와 시간으로 열처리를 하였을 때 개선되는 정도를 파악하였다. 그 후 인자별 수준을 정하여 Taguchi 실험계획법을 작성하였다.
성능/효과
- 각 조건에 대해 인장강도의 평균값을 비교해보면 모재 [324.3 MPa], 맞대기 용접 후 [212.7 MPa], 기본 열처리 후 [218.7 MPa] 가 측정되었다. 용접 후의 인장강도는 모재의 인장강도 대비 65.
- 경도의 경우 열처리 온도와 시간에 따라 증가하며 특히, 인장시험 시 파단이 발생한 용접부와 HAZ 사이에서 높은 경도가 측정되었다.
- 각 조건 당 2 개의 시편을 제작하여 실험하였으며 그래프는 평균값을 나타낸 것이다. 그래프상의 모든 조건은 모재의 인장강도보다는 낮게 측정되었지만 후열처리를 수행한 결과 용접 후의 인장강도보다 향상되었음을 확인할 수 있었다.
- 미세조직구조를 관찰하여 열처리 온도와 시간에 따라 용접부의 결정립 성장모습과 알루미늄 석출물로 추정되는 점을 확인하였다.
- 세 가지 조건의 측정값을 비교해보면 시편 No. 3[175℃, 8hr] 에서 가장 높은 인장강도 237 MPa 이 측정되었으며 No. 10 응력제거 [310℃, 2hr] 를 수행한 경우 220 MPa, No. 11 응력제거 후 열처리를 병행하였을 경우 가장 낮은 212 MPa 이 측정되었다.
- 알루미늄합금은 MIG 용접 후 모재에 비해 인장강도가 65.6 % 저하되었지만, 열처리를 적용할 경우 1.55 ~ 35.4 % 까지 향상되었음을 확인하였다.
- 7 MPa] 가 측정되었다. 용접 후의 인장강도는 모재의 인장강도 대비 65.6 % 감소되었지만, 기본 열처리 후에는 2.74 % 증가하였음을 확인하였다. 이를 통해 알루미늄 합금은 MIG 용접 후 강도 현저히 저하되지만 후열처리를 통해 강도를 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다.
- 열처리 온도의 경우 160℃ > 190℃ > 175℃ 순서로 인장강도에 영향을 주며, 열처리 시간은 18 hr > 24 hr > 8 hr 순서가 된다. 위 그래프를 통하여 가장 높은 인장강도는 [180℃, 18 hr] 의 조건임을 알 수 있지만 시편제작 시 경제성을 고려한다면 온도 160℃ ~ 168℃, 시간 11 hr ~ 18 hr 의 열처리조건이 최적의 범위임을 확인할 수 있다.
- 7 HRF 가 측정되었다. 이러한 결과를 토대로 경도는 열처리 시간과 온도에 비례함을 알 수 있으며 용접부와 HAZ 사이에서 경도가 가장 높게 측정됨을 확인하였다.
- 74 % 증가하였음을 확인하였다. 이를 통해 알루미늄 합금은 MIG 용접 후 강도 현저히 저하되지만 후열처리를 통해 강도를 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다. 항복강도 그래프 또한 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다.
- 특히, No. 2 [160℃, 18hr] 의 열처리조건에서 가장 높은 인장강도인 288 MPa 이 측정되었으며 용접 후의 인장강도에 비해 35.4 % 향상되었다. 위 실험을 통하여 용접 후 강도가 저하된 알루미늄 합금에 대하여 최적의 열처리조건을 적용한다면 강도가 개선된 제품을 얻을 수 있을 것이라 예상된다.
후속연구
- 4 % 향상되었다. 위 실험을 통하여 용접 후 강도가 저하된 알루미늄 합금에 대하여 최적의 열처리조건을 적용한다면 강도가 개선된 제품을 얻을 수 있을 것이라 예상된다.
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