[논문]용접 속도에 따른 AZ61 마그네슘 합금 마찰교반용접부 기계적 특성 평가

선승주; 김정석; 이우근; 임재용

doi:10.5762/kais.2017.18.5.278

용접 속도에 따른 AZ61 마그네슘 합금 마찰교반용접부 기계적 특성 평가
Evaluation of Mechanical Properties of AZ61 Magnesium Alloy Joints at various Welding Speeds 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.5, 2017년, pp.278 - 284

선승주 (한국철도기술연구원) , 김정석 (한국철도기술연구원) , 이우근 (한국철도기술연구원) , 임재용 (대구대학교 기계공학부)

초록
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본 연구에서는 일정한 회전 속도에서 용접 속도를 제어하여 AZ61 마그네슘 합금에 적합한 입열량 조건을 도출하였다. 또한 산업적 측면에서는 더 빠른 용접 속도가 요구되기 때문에 용접 속도에 따른 효과를 연구하였다. 회전 속도 변수는 800rpm으로 일정하게 적용하였고, 용접 속도는 100 - 500mm/min 으로 변화시켜 용접부의 거동을 관찰 및 평가하였다. 기계적 물성 평가를 위하여 인장 및 경도 시험을 수행하였으며, 미세구조 관찰과 용접부의 건정성을 판단하기 위하여 광학현미경을 사용하였다. 용접 속도가 400mm/min 이상 적용되었을 때 용접부 내부에서 결함이 관찰되었다. 용접 속도가 증가할수록 교반부의 결정립 크기는 작아졌으며, 경도 또한 비례 증가하는 경향을 보였다. 회전속도 800rpm, 용접 속도 200mm/min과 300mm/min 일 때, 용접부 내 외부 적으로 결함이 없었으며, 우수한 기계적 물성이 기록되었다. 이때, 접합 효율은 각각 100.5%, 101.2%이었고, 최대인장강도가 모재의 강도와 유사하였다. 인장 시편의 파괴는 시편의 전진측과 교반부 사이에서 발생하였으며, 이는 횡단면부 경도 분포에서 경도가 일시적으로 감소하는 위치와 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the heat input conditions suitable for the AZ61 magnesium alloy were derived by controlling the welding speed at a constant rotational speed. In addition, from an economic point of view, industry demands higher welding speeds. Therefore,the effects of the welding speed were studied. The rotational speed applied was 800rpm, and the welding speed was varied from 100 to 500mm/min to evaluate the behavior of the welded regions. Tensile and hardness tests were conducted to examine the mechanical properties. Optical microscopy was used to observe the microstructure and soundness of the welded regions. Defects were observed at the welded region when the welding speed was more than400mm/min. As the welding speed increased, the grain size of the stir zone decreased and the hardness tended to increase proportionally. When the rotational speed was 800 rpm and the welding speed was 200mm/min and 300mm/min, there wereno defects in the welded region and excellent mechanical properties were recorded. In addition, the joint efficiencies were 100.5% and 101.2%, respectively, and the ultimate tensile strength was similar to that of the base metal. Fracture of the tensile specimen occurred between the advancing side and stir zone, and the fracture location coincided with the region where the hardness decreased temporarily.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구의 목적은 입열량 관계식을 기반으로 용접 속도가 기계적 물성, 미세구조에 미치는 영향과AZ61 마그네슘 합금에 적합한 용접 조건을 도출하는데 있다.

제안 방법

본 연구는 용접 속도에 따른 영향을 알아보기 위함으로 회전 속도는 800rpm으로 고정된 회전 속도를 적용하였고, 용접 속도를 100 - 500mm/min 으로 변화시켜 5가지의 용접 조건을 수행하였다.(Table 1)
본 연구에서는 동일한 회전속도에서 다양한 용접 속도 변수를 적용하여 AZ61 마그네슘 합금 판재에 적합한 용접조건을 제시하였고, 이에 따른 기계적 물성 평가와 미시적 분석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

5mm를 유지하였다. 마찰교반용접을 수행한 방향의 수직인 횡단 면부를 채취하여 미세구조 분석을 수행하였으며, 미세구조 관찰을 위하여 피크릭산(picric acid) 3g, 아세트산(acetic acid) 10ml, 증류수(water) 10ml, 에탄올(ethanol) 100ml를 혼합한 에칭액을 사용하였다.
본 연구에서 사용된 AZ61 마그네슘 합금 압출 판재의 크기는 가로 55mm, 세로 145mm, 두께 5mm 이다.Fig.

이론/모형

각 용접조건 별 교반부의 결정립 크기와 경도 분포에 대한 관계를 알아보기 위하여 Hall-Petch 관계식[15, 16]을 적용하였고, 해당 결과를 Fig. 4 에 나타내었다. 용접속도가 증가할수록 경도 또한 증가하는 것을 확인하였다.

성능/효과

(1) 용접 속도가 가장 느린 100mm/min일 경우, 많은 양의 플래시를 야기했다. 또한 용접 속도가400mm/min과 500mm/min일 때, 용접부 내부에 터널 결함이 관찰되었다.
(2) 회전속도 800rpm, 용접 속도 200mm/min과300mm/min인 경우, 접합효율은 각각 100.5%,101.2% 로 모재의 최대인장강도와 비슷하였다. 반면 항복강도의 경우, 모재대비 약 80% 수준으로 모재보다 더 낮게 기록되었다.
(3) 인장시험을 통해 파괴 위치를 살펴본 결과, 모든 시편은 전진측과 교반부 사이에서 파괴가 발생하였으며, 파괴된 위치와 경도가 일시적으로 감소하는 영역과 일치하였다.
2% 로 모재의 최대인장강도와 비슷하였다. 반면 항복강도의 경우, 모재대비 약 80% 수준으로 모재보다 더 낮게 기록되었다.

후속연구

용접 속도가 빠를수록 산업적 측면에 유리하지만 기계적 물성을 고려하여 적절한 용접 속도를 선정하는 것이 매우 중요할 것으로 판단된다. 또한 추후 시험에서 회전 속도를 증가하여 적용할 경우 더 빠른 용접 속도를 적용 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘 합금이 산소와 친화적인 특징을 가짐에 따라 결함을 최소화할 수 있는 방안은?	하지만 기존의용융 용접의 경우, 소재의 변형(Distortion), 응고 균열(Solidification cracking) 등과 같은 결함[2]으로 인해 용접부의 우수한 기계적 물성을 확보하기 어려웠다. 또한 마그네슘 합금은 산소와 친화적인 특징으로 인해서 용융점 이하에서 용접 공정이 이뤄져야 결함을 최소화 할 수 있다. 마찰교반용접(Friction stir welding, FSW)은 고상접합(Solid-state joining) 공정[3]으로 용융 용접의 단점을 극복 가능하며, 소재의 용융 없이 고상인 상태로 접합을 수행하기 때문에 쉽게 산소와 반응하는 마그네슘 합금에 적합한 용접 기술이다.
	수송산업에서 마그네슘 합금을 경량화하려는 이유는 무엇인가?	또한 높은 비강도, 비강성 등과 같은 이점으로 인해서 산업에 적용되는 빈도는 점차 증가하는 추세이다. 특히, 수송산업에서는 온실가스의 주요 원인인 이산화탄소 규제와 에너지효율 등의 문제점을 극복하기 위해서 마그네슘 합금의구조물 적용에 대한 경량화 연구가 활발하다[1]. 이러한 마그네슘 합금을 구조물에 적용하기 위해서는 접합 기술이 매우 중요하다.
	마찰교반용접에서 입열량이 부족할 경우 어떤 문제를 야기하는가?	마찰교반용접 공정 동안에 발생하는 입열량은 용접부의 건정성과 기계적 물성에 많은 영향을 미친다. 입열량이 부족할 경우, 터널 결함(Tunnel defect), 키싱 본드(Kissing bond)와 같은 결함을 야기한다. 반면 입열량이 과도한 경우, 많은 양의 플래시(Flash), 산화물(Oxide)석출과 같이 기계적 물성 악화의 원인이 되는 결함이 발생하게 된다.

참고문헌 (19)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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