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유동 해석을 통한 마그네슘 합금의 마찰교반용접 분석 연구
Analysis of Friction Stir Welding Process of Mg alloy by Computational Fluid Dynamics 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.12, 2017년, pp.679 - 684  

김무선 (한국철도기술연구원 광역도시철도융합연구실) ,  선승주 (한국철도기술연구원 첨단소재연구팀) ,  김정석 (한국철도기술연구원 첨단소재연구팀)

초록
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마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)은 금속 소재 대상으로 용접 툴과 용접 재료의 마찰열을 이용하여 재료 융점 이하의 온도에서 접합하는 용접 기법이다. 이번 연구에서는 금속 접합시 쓰이는 마찰 교반 용접 기법을 활용하여 마그네슘 합금(AZ31)을 용접할 때, 용접시 발생하는 용접 대상인 마그네슘 합금의 온도 및 속도 변화에 대해 유동 해석 기법을 활용하여 분석하였다. 분석을 위해 유동 해석 툴인 플루언트를 활용하여 모델링 및 해석을 진행하였다. 먼저 용접 소재는 온도에 따라 변하는 고점도 뉴턴 유체로 가정하였으며, 나선형 홈이 있는 용접 툴의 회전에 의한 회전 유동 발생을 모사하기 위해 회전 영역과 정지 영역으로 구분하여 모사하였다. 용접 툴과 용접 재료 사이의 인터페이스는 마찰 및 미끄러짐 경계조건을 부여하여 용접 툴로의 열전달 효과를 고려하였다. 위의 유동 해석 모델링을 통한 과도 해석 결과로부터 시간의 변화에 따른 용접 소재의 속도와 온도 특성을 파악할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Friction Stir Welding is a metal welding technique, in which friction heat between a welding tool and a welding material is used to weld parts at temperatures below the melting point of a material. In this study, the temperature and velocity changes in a magnesium alloy (AZ31) during the welding pro...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이번 연구에서는 유동해석 기법을 활용하여 마그네슘 합금인 AZ31을 대상으로 시간에 따른 FSW의 용접특성을 분석하였으며 다음과 같이 결과를 정리할 수 있다.

가설 설정

  • 이번 연구에서는 slip rate 값을 정의하기 위해, 해석조건과 동일한 조건의 시험을 진행하여 얻은 특정 위치의 온도 값을 근거로, 그 값에 최대한 근접한 해석 값을 얻을 수 있도록 slip rate값을 가정하여 그 값을 해석조건으로 부여하였다. 향후 연구로는 다양한 조건에서의 해석결과가 타당할 수 있도록, 회전 및 이송속도에 따른 slip rate 변화 특성을 시험을 통하여 분석하고자 한다.
  • 해석 대상 유동 소재인 AZ31의 점도는 Newtonian 유체로 가정하여 온도에 관한 함수로 다음과 같이 정의하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
FSW 기법의 강점은? FSW 기법은 1991년 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 기술로서, 용접툴과 용접소재의 마찰로부터 발생하는 열을 이용하여, 고상의 소재를 용융점 이하에서 접합하는 기술이다. 마찰에 의한 용접 온도는 융점 이하이기 때문에 용접부의 기계적 성질이 상대적으로 우수한 장점이 있으며, 기존 융융방식 용접과 달리 용접봉과 같은 별도의 용접재가 필요하지 않다. 그 외 장점으로, 용접시 유해가스 및 유해 광선을 발생하지 않기 때문에 친환경적인 특성을 가지고 있으며, 자동화 설비를 기반으로 공정이 이루어지기 때문에 일관된 물성을 얻을 수 있다[1].
마찰 교반 용접이란? 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding)은 금속 소재 대상으로 용접 툴과 용접 재료의 마찰열을 이용하여 재료 융점 이하의 온도에서 접합하는 용접 기법이다. 이번 연구에서는 금속 접합시 쓰이는 마찰 교반 용접 기법을 활용하여 마그네슘 합금(AZ31)을 용접할 때, 용접시 발생하는 용접 대상인 마그네슘 합금의 온도 및 속도 변화에 대해 유동 해석 기법을 활용하여 분석하였다.
마그네슘 합금을 철도 차량에 적용하여 차체 구조물을 제작할 때 어떤 방법을 사용하는가? 또한 마그네슘 합금을 철도차량에 적용하기 위해 난연 특성이 우수한 마그네슘 제작에 관한 연구도 활발히 진행중이다. 일반적으로 마그네슘 합금을 철도 차량에 적용시 압출 등의 공정과 용접을 통하여 차체 구조물을 제작하게 된다. 이 때 경량소재의 용접을 위한 대표적인 기술로 마찰교반용접(Friction Stir Welding; FSW) 기법을 들 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. H. I. Dawood, K. S. Mohammed, M. Y. Rajab, "Advantages of the green solid state FSW over the conventional GMAW process", Advances in Materials Science and Engineering, vol. 2014, pp. 1-10, 2014. DOI: https://doi.org/10.1155/2014/105713 

  2. S. Sun, J. Kim, W. Lee, "Evaluation on Temperature of FSW Zone of Magnesium Alloy using Experiment and FE Analysis", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 7, pp. 434-441, 2016. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.7.434 

  3. S. Sun, J. Kim, W. Lee, J. Lim, "Evaluation of Mechanical Properties of Extruded Magnesium Alloy Joints by Friction Stir Welding : Effect of Welding Tool Geometry", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 10, pp. 280-288, 2016. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.10.280 

  4. W. Lee, J. Kim, S. Sun, J. Lim, "Characteristics of Dissimilar Materials Al alloy(A6005)-Mg alloy(AZ61) Under Friction Stir Welding for Railway Vehicle", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, vol. 17, no. 8, pp. 706-713, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.8.706 

  5. K. Gok, M. Aydin, "Investigations of friction stir welding process using finite element method", Int J Adv Manuf Technol, vol. 68, pp. 775-780. DOI: https://doi.org/10.1007/s00170-013-4798-z 

  6. P.A. Colegrove, H.R.Shercliff, "3-Dimensional CFD modelling of flow round a threaded friction stir welding tool profile", Journal of Materials Processing Technology, vol. 169, pp. 320-327, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.03.015 

  7. S.D. Ji, Q.Y. Shi, L.G. Zhang, A.L. Zou, S.S. Gao, L.V.Zan, "Numerical simulation of material flow behavior of friction stir welding influenced by rotational tool geometry", Computational Materials Science, vol. 63. pp. 218-226, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.06.001 

  8. A.N. Albakri, B. Mansoor, H. Nassar, M. K. Khraisheh, "Thermo-mechanical and metallurgical aspects in friction stir processing of AZ31 Mg alloy-A numerical and experimental investigation", Journal of Materials Processing Technology, vol. 213, pp. 279-290, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2012.09.015 

  9. W. Gale, T. Totemeier, Smithells Metals Reference Book (8th Edition), Elsvier, 2004. 

  10. N. Nguyen, O.S. Seo, C.A. Lee, M. Lee, J. Kim, H.Y. Kim, "Mechanical Behavior of AZ31B Mg Alloy Sheets under Monotonic and Cyclic Loadings at Room and Moderately Elevated Temperatures", Materials, vol. 7, pp. 1271-1295, 2014. DOI: https://doi.org/10.3390/ma7021271 

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