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문제 정의
- 특히 마그네슘 합금 종류 중에서도 AZ61 마그네슘 합금은 AZ31, AZ91 마그네슘 합금에 비해 발표되는 문헌의 수가 비교적 적다[7]. 따라서 본 연구에서는 마그네슘 합금의 실용화 및 응용에 앞서 기초적인 연구로, 마찰교반용접에서 가장 주요한 두 가지 변수인 이송속도와 회전속도에 따른 용접부의 기계적 물성평가를 수행하였다. 또한, 미세조직 분석을 바탕으로 용접부의 물성변화 원인을 밝히고, 제시한 용접조건 내에서 AZ61 마그네슘 합금에 가장 적합한 마찰교반용접 조건을 도출하였다.
- 마찰교반용접부의 인장강도, 항복강도 그리고 연신율과 같은 기계적 물성을 알아보기 위하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험에 사용된 장비는 독일 ZWICK사의 10ton 상온 인장 시험기(Z100)를 사용하였고, 시험속도는 5mm/min으로 수행하였다.
제안 방법
- )과 동일하게 용접을 수행하였다. 마그네슘 합금을 마찰교반용접 하는데 적합한 용접 조건을 찾기 위해서 실험 계획한 용접 변수로는 이송속도와 회전속도 두 가지로 선정하였고 회전속도는 400, 600, 800rpm으로, 이송속도는 200, 300, 400mm/min으로 9가지의 용접 조건을 수행하였다. 마찰교반용접 장비는 밀링머신을 개량한 장비로 수직 방향의 변위를 제어하는 방식으로 용접이 진행된다.
- 마찰교반용접부의 압입저항을 측정하기 위하여 경도 시험을 수행하였다. 용접부의 영역별 경도분포 수준을 객관적으로 판단하기 위하여 조직시편과 동일한 크기로 가공하여 시편 횡단면 중앙에서 경도를 측정하였다.
- 용접부의 영역별 경도분포 수준을 객관적으로 판단하기 위하여 조직시편과 동일한 크기로 가공하여 시편 횡단면 중앙에서 경도를 측정하였다. 본 시험에 사용된 마크로 비커스 경도 시험기는 Mitutoyo사의 HM-112모델 시험기로 경도측정 시 하중 2kgf, 인접 측정부위의 영향을 피하기 위해 측정점 간 거리를 0.55mm로 유지하였고, 하중 지속시간은 10초로 수행하였다.
- 본 연구에서는 용접조건에 따른 AZ61 마그네슘합금 압출 판재 맞대기 마찰교반용접 후 기계적 물성 평가와 미세조직 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 마찰교반용접에 사용된 판재 시편은 치수 100mm×500mm×5mm(폭×길이×두께)의 직사각형 형상이다. 용접 시편과 툴 사이의 틸팅(Tilting)은 0o, 툴의 회전 방향은 시계방향, 맞대기 용접으로 마찰교반용접을 수행하였다. 마찰교반용접 수행정보 및 시편의 배치는 Fig.
- 미세조직 시편의 폭은 18mm이고 미세조직 관찰을 위하여 피크릭산 3g, 아세트산 10mL, 증류수 10mL, 에탄올 100mL를 혼합한 에칭액을 사용하였다. 용접부의 결함상태 유무, 영역별 미세조직 형성상태, 교반상태 및 결정립의 크기 등과 기계적 물성과의 연관성을 알아보기 위하여 미세조직관찰을 수행하였다. 조직관찰에 사용된 광학현미경 장비는 Nikon사의 EIPHOT200 모델(X500 촬영)과 Olympus사의 BX51M 모델(X25, X1000 촬영)을 각각 사용하였다.
- 마찰교반용접부의 압입저항을 측정하기 위하여 경도 시험을 수행하였다. 용접부의 영역별 경도분포 수준을 객관적으로 판단하기 위하여 조직시편과 동일한 크기로 가공하여 시편 횡단면 중앙에서 경도를 측정하였다. 본 시험에 사용된 마크로 비커스 경도 시험기는 Mitutoyo사의 HM-112모델 시험기로 경도측정 시 하중 2kgf, 인접 측정부위의 영향을 피하기 위해 측정점 간 거리를 0.
- 일반적으로 인장강도가 높으면 경도도 높은 이러한 비례관계에 있지만 본 연구에서는 독립적인 결과로 나타났다. 이러한 원인은 광학현미경을 이용하여 용접부 단면과 파단면 관찰을 통해서 분석해보았다.
- 인장시험에 사용된 장비는 독일 ZWICK사의 10ton 상온 인장 시험기(Z100)를 사용하였고, 시험속도는 5mm/min으로 수행하였다. 인장시편, 조직시편, 경도시편은 용접방향(압출방향)에 수직(90o)된 방향으로 마찰교반용접종료지점(End hole)에서 약 50mm 떨어진 위치에서 KS B 0802에 따라 각각 3개씩 제작하여 모재의 인장시험 결과와 비교하였다(Fig. 3 참조).
대상 데이터
- 마찰교반용접에 사용된 판재 시편은 치수 100mm×500mm×5mm(폭×길이×두께)의 직사각형 형상이다.
- 미세조직 시편의 폭은 18mm이고 미세조직 관찰을 위하여 피크릭산 3g, 아세트산 10mL, 증류수 10mL, 에탄올 100mL를 혼합한 에칭액을 사용하였다. 용접부의 결함상태 유무, 영역별 미세조직 형성상태, 교반상태 및 결정립의 크기 등과 기계적 물성과의 연관성을 알아보기 위하여 미세조직관찰을 수행하였다.
- 본 연구에서 마찰교반용접 수행에 사용된 판재는 AZ61 마그네슘 합금으로 압출하였다. 화학적 구성 성분과 기계적 특성은 다음 Table 1 및 Table 2와 같다.
- 마찰교반용접부의 인장강도, 항복강도 그리고 연신율과 같은 기계적 물성을 알아보기 위하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험에 사용된 장비는 독일 ZWICK사의 10ton 상온 인장 시험기(Z100)를 사용하였고, 시험속도는 5mm/min으로 수행하였다. 인장시편, 조직시편, 경도시편은 용접방향(압출방향)에 수직(90o)된 방향으로 마찰교반용접종료지점(End hole)에서 약 50mm 떨어진 위치에서 KS B 0802에 따라 각각 3개씩 제작하여 모재의 인장시험 결과와 비교하였다(Fig.
이론/모형
- 용접부의 결함상태 유무, 영역별 미세조직 형성상태, 교반상태 및 결정립의 크기 등과 기계적 물성과의 연관성을 알아보기 위하여 미세조직관찰을 수행하였다. 조직관찰에 사용된 광학현미경 장비는 Nikon사의 EIPHOT200 모델(X500 촬영)과 Olympus사의 BX51M 모델(X25, X1000 촬영)을 각각 사용하였다.
성능/효과
- 1. 용접조건 800rpm_200mm/min 그리고 800rpm_300mm/min 조건을 제외한 모든 조건의 파단면에서 tool probe의 나사산 흔적을 관찰할 수 있었다. 나사산 흔적은 이송속도가 증가함에 따라 범위가 넓어지며 최대인장강도를 감소시켰다.
- 2. 모든 용접부의 AS 부위에서 파단이 발생하였으며 파단의 형태는 측면에서 관찰할 때 약 45o 사선의 형태로 관찰되었다. 동일 회전속도에서 이송속도가 높을수록 경도 분포가 더 높게 측정되었다.
- 3. 미세조직관찰 결과 800rpm_200mm/min 그리고 800rpm_300mm/min 용접조건에서 결함이 없었다. 용접 툴 프로브(tool probe)에 의한 미세화로 결정립은 교반부(SZ)에서 가장 작게 나타났다.
- 4. 이송속도가 증가함에 따라 입열량은 감소하고 이에 용접부는 마찰열에 의한 결정립의 성장보다는 용접 툴 프로브(probe)에 의한 물리적 영향이 더 많아 이송속도가 높을수록 용접부에서 결정립의 크기가 작게 나타났다. 이는 교반부의 경도분포가 높게 나타난 것과 일치하였다.
- 5. 본 연구에서 제시한 용접조건 내에서는 800rpm_200mm/min 용접조건의 기계적 물성이 가장 우수했으며 모재대비 최대인장강도, 항복강도 그리고 연신율은 각각 79.0%, 65.4%, 30.1%로 측정되었다. 또한 회전속도가 높더라도 이송속도 변화를 통해 입열량을 제어하여 결함이 없고 기계적 물성이 우수한 최적의 용접조건을 도출할 수 있는 가능성을 보았다.
- 9가지 용접조건 내에서 기계적 물성평가 결과 이송속도가 200mm/min인 (C) 조건에서 파단면에 결함이 없었으며 기계적 물성이 우수한 경향을 보였다. 이러한 원인으로는 같은 시간 동안 제자리에 머무르는 시간이 길었던 (C) 조건이 타 조건에 비해 소재 접합에 더 적합한 입열량을 발생시키는 것으로 판단된다.
- 일반적으로 마찰교반 용접부는 교반부(Stirz Zone, SZ), 열기계적 영향부(Thermo Mechnical Affected Zone, TMAZ), 열 영향부(Heat Affected Zone, HAZ), 모재부(Base Metal, BM)로 분류되며 용접부의 영역별 결정립의 크기는 Table 6에 나타내었다. 대체적으로 열 영향부와 열기계적 영향부의 결정립 크기는 큰 차이가 없었으나 교반부는 확연하게 다른 영역에 비해서 결정립의 크기가 작았다. 마찰교반용접 시 마찰열에 의한 입열량은 결정립 크기 성장에 영향을 미치는데 이때 교반부에서는 용접 툴 프로브의 물리적 영향에 의해 결정립 성장에 방해를 받은 것으로 판단되고, 열 영향부와 열기계적 영향부에서는 마찰열에 의한 결정립 성장으로 판단된다.
- 1%로 측정되었다. 또한 회전속도가 높더라도 이송속도 변화를 통해 입열량을 제어하여 결함이 없고 기계적 물성이 우수한 최적의 용접조건을 도출할 수 있는 가능성을 보았다.
- 따라서 본 연구에서는 마그네슘 합금의 실용화 및 응용에 앞서 기초적인 연구로, 마찰교반용접에서 가장 주요한 두 가지 변수인 이송속도와 회전속도에 따른 용접부의 기계적 물성평가를 수행하였다. 또한, 미세조직 분석을 바탕으로 용접부의 물성변화 원인을 밝히고, 제시한 용접조건 내에서 AZ61 마그네슘 합금에 가장 적합한 마찰교반용접 조건을 도출하였다.
- 200-400mm/min으로 이송속도의 증가는 결정립의 성장에 충분한 열량을 공급하지 못하며, 동시에 용접 툴프로브에 의한 영향으로 교반부(SZ)의 결정립은 더욱더 미세화 되어 매우 작은 결정립을 형성하게 된다. 또한, 회전속도가 감소하는 경우도 경도가 높게 측정되는 동일한 경향을 보였다.
- 인장시험 결과는 Table 5에 나타내었다. 마찰교반용접 조건에 따른 압출 판재 용접부의 최대인장강도는 (C) 용접조건에서 255.1MPa로 측정되었고, 최대 항복강도는 (I) 용접조건에서 167.2MPa로 나타났다. 모든 조건에서의 연신율은 5% 이하로 취성에 가까운 특성을 보였다.
- 2MPa로 나타났다. 모든 조건에서의 연신율은 5% 이하로 취성에 가까운 특성을 보였다. 최대인장강도가 높을수록 상대적으로 연신율도 높은 선형적 결과를 관찰할 수 있었다.
- 모재부(BM)와 비교하여 교반부는 결정립 크기가 비슷했고, 열영향부 및 열기계적 영향부의 경우 약 4-6µm 정도 더 크게 측정되었다.
- 최대인장강도가 높을수록 상대적으로 연신율도 높은 선형적 결과를 관찰할 수 있었다. 반면에 항복강도의 경우 연신율과 최대인장강도의 선형적 관계와는 대조적으로 최대인장강도와 연신율과의 연관 없이 독립적인 결과를 확인했다.
- 또한 Razal Rose [7]의 경우 동일 이송속도에서 회전속도만 변화시켜 AZ61 마그네슘 합금 마찰교반용접부의 기계적 물성 평가를 하였다. 본 연구에서 가장 유사한 조건인 800rpm_90mm/min 용접조건에서 기계적 물성은 모재대비 최대인장강도, 항복강도 그리고 연신율이 각각 50.2%, 50.2%, 52.4%로 나타났다. 추후에 용접 툴 또는 용접조건 변화를 통해서 기계적 물성을 알루미늄 합금 수준 이상으로 개선해야할 것으로 판단된다.
- 해당 논문에서 A6005 알루미늄 합금에 마찰교반용접을 적용한 결과 최대인장강도, 항복강도, 연신율은 모재대비 각각 약 85%, 75%, 50% 수준이었다. 본 연구에서 제시한 (C)조건과 비교하였을 때 A6005 알루미늄 합금의 기계적 물성이 더 높은 수준으로 나타났다. 또한 Razal Rose [7]의 경우 동일 이송속도에서 회전속도만 변화시켜 AZ61 마그네슘 합금 마찰교반용접부의 기계적 물성 평가를 하였다.
- 이러한 결함은 더 많은 소성 유동을 발생시킴으로써 해결될 수 있다고 보고되었다[13]. 본 연구에서도 회전속도가 높아짐에 따라서 결함의 크기가 작아지는 것을 관찰할 수 있었다. 결함을 피하기 위해 회전속도를 증가시키는 것은 소성 유동을 많이 일으켜 도움이 될 수 있지만, 과도한 회전속도는 조성적 액화로 금속간화합물이 다량 발생하여 오히려 기공결함을 증가시킬 수 있다[14].
- 9는 용접조건 (B), (E), (H)의 교반부와 열기계적 영향부 사이 경계면이다. 용접부 단면에서 관찰되는 교반부(SZ)와 열기계적 영향부(TMAZ) 사이의 경계면은 AS 영역에서만 관찰되며 RS(Retreating Side)영역에서는 관찰되지 않았으며, AS 영역의 경계면에서 metal flow를 관찰할 수 있었다. Metal flow는 툴의 회전에 의한 유동의 흐름으로 결정립들이 변형에 따라 늘어나 있는 구조를 관찰할 수 있었다.
- 6(1), (2), (3)과 같은 파단 형태는 소성 유동 부족으로 인한 probe 나사산의 흔적이 남은 것으로 판단된다. 용접조건과 무관하게 모두 AS(Advancing Side) 부위에서 파단이 발생하였으며, 측면에서 관찰 시 대부분 약 45o 사선의 형태로 파단이 발생하였다. 파단 위치(Fig.
- 2mm에 위치하며, 파단 위치는 용접부 중심에서 AS 방향으로 약 5mm 내외에 존재했다. 이러한 결과를 바탕으로, 인장시험 시 결함 또는 교반부 하부에서 균열이 시작되어 교반부와 열기계적 영향부의 사이 경계면으로 균열진전이 발생한 것으로 판단된다.
- 4는 각 용접조건별 모재대비 기계적 물성이다. 이를 바탕으로 기계적 물성이 가장 우수한 용접조건은 (C)조건으로 나타났고, 최대인장강도는 255.1MPa로 모재 대비 79.0%이고, 항복강도는 158.2MPa로 모재대비 65.4%이며, 연신율은 4.6%로 모재 대비 30.1%이다. Choi 등 [8]은 현재 국내의 철도차량 또는 경전철 객차 차체에 적용되고 있는 A6005 알루미늄 합금 소재에 마찰교반용접과 MIG를 적용하여 기초적인 물성을 비교하였다.
- 특히 회전속도가 일정할 때 이송속도가 증가할수록 파단 형상의 범위가 확대되었고 이러한 영향으로 인해 인장강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이송속도가 200-400mm/min으로 증가함에 따라 입열량이 감소하였고 그 결과, 소성 유동이 부족하여 교반이 원활하지 않았던 것으로 사료된다. 따라서 Fig.
- 인장시험 결과와 결정립 간의 연관성을 살펴보면, 상대적으로 우수한 기계적 물성을 나타냈던 (C), (F) 용접조건의 경우 타 용접조건에 비해서 결정립의 크기가 더 큰 것으로 측정되었다. 모재부(BM)와 비교하여 교반부는 결정립 크기가 비슷했고, 열영향부 및 열기계적 영향부의 경우 약 4-6µm 정도 더 크게 측정되었다.
- 모든 조건에서의 연신율은 5% 이하로 취성에 가까운 특성을 보였다. 최대인장강도가 높을수록 상대적으로 연신율도 높은 선형적 결과를 관찰할 수 있었다. 반면에 항복강도의 경우 연신율과 최대인장강도의 선형적 관계와는 대조적으로 최대인장강도와 연신율과의 연관 없이 독립적인 결과를 확인했다.
- AS 부위에서 metal flow와 교반부(SZ)와 열기계적 영향부(TMAZ)를 구별할 수 있는 경계면이 존재했다. 특히 교반부(SZ)와 열기계적 영향부(TMAZ) 사이 경계면은 인장시험 시 파단 부위와 일치하는 것을 확인하였다.
- 6의 (1), (2),(3)과 같은 파단 형상이 관찰되었다. 특히 회전속도가 일정할 때 이송속도가 증가할수록 파단 형상의 범위가 확대되었고 이러한 영향으로 인해 인장강도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이송속도가 200-400mm/min으로 증가함에 따라 입열량이 감소하였고 그 결과, 소성 유동이 부족하여 교반이 원활하지 않았던 것으로 사료된다.
- Choi 등 [8]은 현재 국내의 철도차량 또는 경전철 객차 차체에 적용되고 있는 A6005 알루미늄 합금 소재에 마찰교반용접과 MIG를 적용하여 기초적인 물성을 비교하였다. 해당 논문에서 A6005 알루미늄 합금에 마찰교반용접을 적용한 결과 최대인장강도, 항복강도, 연신율은 모재대비 각각 약 85%, 75%, 50% 수준이었다. 본 연구에서 제시한 (C)조건과 비교하였을 때 A6005 알루미늄 합금의 기계적 물성이 더 높은 수준으로 나타났다.
후속연구
- 하지만 경도가 높게 분포했던 용접부 중심에서 파단이 이루어지지 않고 열 기계적 영향부와 교반부 사이 경계면에서 파단이 발생하였기 때문에 앞서 언급했던 인장강도와 경도가 독립적인 결과로 나타난 것으로 판단된다. 따라서 가장 취약한 부위인 교반부와 열 기계적 영향부의 경계면에서 발생하는 파단을 용접부 중심에서 발생하도록 유도 한다면 개선된 물성과 경도분포에 비례하는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.
- 경도가 높아 인장강도 또한 높게 나타날 것으로 예상했으나 열기계적 영향부와 교반부의 사이 경계면에서 파단이 발생하여 용접부 중심에서 정확한 인장강도를 알 수 없었다. 추후 파단을 용접부 중심으로 유도한다면 개선된 기계적 물성을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 4%로 나타났다. 추후에 용접 툴 또는 용접조건 변화를 통해서 기계적 물성을 알루미늄 합금 수준 이상으로 개선해야할 것으로 판단된다.
- 따라서 기계적 교반 영향보다는 마찰열에 의한 영향으로 타 용접조건에 비해 결정립이 더 큰 것으로 판단되며 이때의 입열량이 9가지 용접조건 내에서 가장 적합한 마찰교반용접 조건으로 판단된다. 향후 입열량의 정량적 수치화를 통해 결함의 유무와 기계적 물성 수준을 지표로 나타낼 수 있는 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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