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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 연구되지 않은 마그네슘 합금 AZ61의 압출 판재 맞대기 용접에 대한 용접부의 온도 변화에 따른 용접부의 기계적 특성 및 미세조직을 평가하기 위해 6가지의 용접 조건을 설정하여 마찰교반용접을 실시하였다. 시편에 열전대를 설치하여 용접시 발생하는 온도를 측정하고, 기계적 특성을 알아보기 위하여 용접부의 인장시험을 진행하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 AZ61 마그네슘합금 마찰교반용접부의 온도를 측정하여 용접부의 발생온도에 따른 용접부의 기계적 특성 변화와 미세조직 변화를 평가하여 향후 마그네슘합금 적용 구조물 접합에 적합한 용접온도를 제시하였다.
제안 방법
- 인장시편 채취용 용접시편은 은 Fig. 3(a)와 같이 수행 하였고, 용접방향의 수직 방향으로 ASTM E8에 따라 케이스별 5개씩 제작하였다(Fig. 3(b)).
- 이 현상은 시편의 부분적으로 다른 텍스쳐들이 외력에 대해 반응하는 거동이 서로 다르고 이 다른 부분들이 맞닿아 있는 부분인 TMAZ에서 결국 파괴가 일어난 것으로 생각된다. 각 용접조건에 따른 부위별 텍스쳐 강도의 차이가 물성에 영향을 미칠것으로 예상하여 각 부분의 텍스쳐 강도를 조사하였다. 회전속도 400 rpm의 용접조건 시편은 SZ과 AS-TMAZ 부분의 텍스쳐 강도 차이가 SZ과 RS-TMAZ 부분의 텍스쳐 강도 차이값 보다 더 크게 나타난 것을 관찰하였다.
- )를 이용하여 10S/s로 취득하였다. 각 케이스당 3번의 반복시험을 통해 측정값의 신뢰도를 높였다.
- 5 mm의 구멍을 만들어 열전대를 설치하였다. 또한 Advancing side (AS)와 Retreating side (RS) 방향의 온도차와 용접진행 시간에 따른 온도변화를 관찰하기 위하여 AS와 RS 각각 용접의 시작, 중간, 끝 3부분의 동일한 위치에 서 온도를 측정하였다. 온도측정에 사용된 열전대는(Thermocouple, TC) K 타입으로 지름 1.
- 시편에 열전대를 설치하여 용접시 발생하는 온도를 측정하고, 기계적 특성을 알아보기 위하여 용접부의 인장시험을 진행하였다. 또한 미세조직 관찰을 통해 용접부 온도변화에 따른 미세조직과 집합조직의 경향을 확인하였다.
- 모재와 용접부의 미세조직을 관찰하기 위해 광학현미경을 사용하였고 광학현미경은 Nikon Epiphot 200 장비를 사용하였다. 부위에 따른 국부적 텍스쳐의 차이를 알아보기 위해 Electron backscatter diffraction (EBSD)를 실시하였다.
- 본 연구에서는 마그네슘 합금 AZ61 (Al 5.6 wt.%, Zn 0.78 wt.%, Mn 0.2 wt.%, balance Mg) 압출 판재를 55 mm × 300 mm × 5 mm의 크기로 가공하여 맞대기 용접을 수행하였다.
- 모재와 용접부의 미세조직을 관찰하기 위해 광학현미경을 사용하였고 광학현미경은 Nikon Epiphot 200 장비를 사용하였다. 부위에 따른 국부적 텍스쳐의 차이를 알아보기 위해 Electron backscatter diffraction (EBSD)를 실시하였다. 장비는 Hitachi SU-6600 전계 방사형 주사전자현미경에 부착된 EBSD 검출기를 이용하였다.
- 따라서 본 논문에서는 기존에 많이 연구되지 않은 마그네슘 합금 AZ61의 압출 판재 맞대기 용접에 대한 용접부의 온도 변화에 따른 용접부의 기계적 특성 및 미세조직을 평가하기 위해 6가지의 용접 조건을 설정하여 마찰교반용접을 실시하였다. 시편에 열전대를 설치하여 용접시 발생하는 온도를 측정하고, 기계적 특성을 알아보기 위하여 용접부의 인장시험을 진행하였다. 또한 미세조직 관찰을 통해 용접부 온도변화에 따른 미세조직과 집합조직의 경향을 확인하였다.
- 2와 같이 열전대를 삽입 할 수 있도록 시편을 가공하였다. 온도측정위치는 툴과 열전대간의 간섭을 방지하기 위해 용접선에서 12 mm 떨어지고, 두께 방향으로는 윗면에서 3 mm 지점에 1.5 mm의 구멍을 만들어 열전대를 설치하였다. 또한 Advancing side (AS)와 Retreating side (RS) 방향의 온도차와 용접진행 시간에 따른 온도변화를 관찰하기 위하여 AS와 RS 각각 용접의 시작, 중간, 끝 3부분의 동일한 위치에 서 온도를 측정하였다.
- 용접 후의 미세조직뿐만 아니라 각 부위별 텍스쳐도 용접부의 물성에 영향을 줄 것으로 예상되어 일부 용접조건에 대한 용접 부위별 텍스쳐를 EBSD를 이용하여 관찰하였고 결과를 Fig. 7 에 나타내었다. 모든 방위는 용접 진행방향에 수직한 단면을 관찰한 것이다.
- 1). 용접조건에 따른 온도차를 뚜렷하게 구분하기 위하여 툴 회전속도 400 rpm, 800 rpm, 1,600 rpm, 용접 속도 100 mm/min, 300 mm/min을 조합한 총 6가지 조건으로 용접을 진행하였다. 툴의 재질은 SKD61이고 테이퍼에 나사산이 있는 형상으로 자세한 툴 정보는 Table 1에 나타나 있다.
대상 데이터
- 미세조직관찰과 EBSD 측정은 용접방향의 수직단면에서 수행되었다. 광학현미경 관찰을 위한 시편은 3 g picric acid + 10 ml acetic acid + 10 ml distilled water + 100 ml ethanol의 에칭액을 사용하였다. EBSD 는 1 μm의 스 =텝 사이즈로 측정하였고, pole figure계산과 inverse pole figure =는 스캔면적 490 μm × 650 μm의 범위에서 스캔된 것을 토대로 계산되었다.
- 또한 Advancing side (AS)와 Retreating side (RS) 방향의 온도차와 용접진행 시간에 따른 온도변화를 관찰하기 위하여 AS와 RS 각각 용접의 시작, 중간, 끝 3부분의 동일한 위치에 서 온도를 측정하였다. 온도측정에 사용된 열전대는(Thermocouple, TC) K 타입으로 지름 1.5 mm를 사용하였고 데이터는 샘플링은 DAQ (NI9213, National Instrument Co.)를 이용하여 10S/s로 취득하였다. 각 케이스당 3번의 반복시험을 통해 측정값의 신뢰도를 높였다.
- 부위에 따른 국부적 텍스쳐의 차이를 알아보기 위해 Electron backscatter diffraction (EBSD)를 실시하였다. 장비는 Hitachi SU-6600 전계 방사형 주사전자현미경에 부착된 EBSD 검출기를 이용하였다. 미세조직관찰과 EBSD 측정은 용접방향의 수직단면에서 수행되었다.
성능/효과
- 용접속도의 변화는 툴 회전수변화에 비해 용접부 온도 상승에 민감하게 나타났다. 동일한 툴 회전수에서 용접속도 100 mm/min 의 결과가 용접속도 300 mm/min의 결과보다 온도가 모두 높게 측정되었다. 또한 용접속도가 빨라질수록 툴 회전수에 따른 온도의 변화폭은 줄어들었고, 용접진행 시간이 지날수록 툴의 온도 상승으로 인해 측정온도가 증가하는 경향을 보였다.
- 첫 번째는 최고 온도는 AS 약 210°C~315°C, RS 약 254°C~ 339°C로 용접조건에 따라 약 100°C이상의 온도차를 보였고, 용접시 발생된 burr의 형상에 의해 RS의 평균온도가 AS보다 높게 측정되었다. 두 번째로는 모재대비 용접부의 항복강도와 인장강도는 최대 약 84.4%, 96.9%로 기존 용접방법에 비해 매우 높게 측정되었다. 또한, 항복강도는 용접부의 온도 상승에 따라 저하되는 현상을 보였고, 인장강도와 연신률은 용접부의 온도보다 교반 정도에 따라 물성의 변화를 보였다.
- 또한, 집합조직이 교반용접 되면서 툴의 표면부에 서 재결정과 교반시 생성되는 마찰열로 인해 성장이 일어나게 됨으로 나타났다. 따라서 모재와는 전혀 다른 방위의 집합조직이 생성되게 되고 이것이 각 부위에 따른 소재의 이방성을 초래하는 것을 확인하였다.
- 또한 RS에서는 약 254°C~339°C 용접 조건에 따라 약 85°C의 차이로 AS보다 편차는 적게 측정 되었지만 최고온도평균이 AS보다 약 30°C 높게 측정되었다.
- 동일한 툴 회전수에서 용접속도 100 mm/min 의 결과가 용접속도 300 mm/min의 결과보다 온도가 모두 높게 측정되었다. 또한 용접속도가 빨라질수록 툴 회전수에 따른 온도의 변화폭은 줄어들었고, 용접진행 시간이 지날수록 툴의 온도 상승으로 인해 측정온도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 용접부의 길이가 증가했을 때 균일한 건전성 확보에 중요한 요인이므로 향 후 더 긴 시편의 온도 테스트를 통해 온도 상승 정도를 파악해 일정한 용접온도를 유지하는 방안에 대한 연구가 필요하다고 할 수 있다.
- 세 번째, 결정립도의 크기는 용접부의 온도가 상승할수록 크게 측정 되었고, 위치에 따라 다르게 나타났다. 또한, 집합조직이 교반용접 되면서 툴의 표면부에 서 재결정과 교반시 생성되는 마찰열로 인해 성장이 일어나게 됨으로 나타났다. 따라서 모재와는 전혀 다른 방위의 집합조직이 생성되게 되고 이것이 각 부위에 따른 소재의 이방성을 초래하는 것을 확인하였다.
- 9%로 기존 용접방법에 비해 매우 높게 측정되었다. 또한, 항복강도는 용접부의 온도 상승에 따라 저하되는 현상을 보였고, 인장강도와 연신률은 용접부의 온도보다 교반 정도에 따라 물성의 변화를 보였다. 세 번째, 결정립도의 크기는 용접부의 온도가 상승할수록 크게 측정 되었고, 위치에 따라 다르게 나타났다.
- 파단면 관찰결과 높은 회전수와 느린 용접속도로 인해 용접부에 열량이 과도하게 발생하여 소재가 일부 산화되면서 기계적 물성을 저하 시켰다고 할 수 있다. 마찰교반용 접시 항복강도는 용접부온도 상승에 따라 저하되는 현상을 보였고, 인장강도와 연신률은 용접부의 온도보다 교반정도에 따라 물성의 변화를 보이는 것을 확인 하였다.
- 5(a), (b))에서는 용접부의 교반이 적절하게 이루어지지 않아 인장강도와 연신률이 작게 측정된 것을 확인 할 수 있다. 반면에 SZ에서 파단이 일어난 조건에서는 교반이 잘 이루어져 인장강도와 연신률이 크게 측정된 것을 확인하였다. Fig.
- 또한, 항복강도는 용접부의 온도 상승에 따라 저하되는 현상을 보였고, 인장강도와 연신률은 용접부의 온도보다 교반 정도에 따라 물성의 변화를 보였다. 세 번째, 결정립도의 크기는 용접부의 온도가 상승할수록 크게 측정 되었고, 위치에 따라 다르게 나타났다. 또한, 집합조직이 교반용접 되면서 툴의 표면부에 서 재결정과 교반시 생성되는 마찰열로 인해 성장이 일어나게 됨으로 나타났다.
- 또한 항복강도 기준으로는 400 rpm-300 mm/min의 조건이 가장 높게 나타났지만 인장강도와 연신률은 800 rpm-300 mm/min 조건에서 가장 높게 나타났다. 시험 결과 인장강도와 연신률은 비례하는 경향을 보였고 인장강도와 항복강도는 비례하지 않았다. 용접 온도가 처음부터 300°C 이상으로 높게 측정된 1,600 rpm-100 mm/min과 800 rpm-100 mm/min에서 항복강도가 낮게 측정되었고, 1,600 rpm-100 mm/min는 항복강도뿐만 아니라 인장강도와 연신률도 가장 낮게 측정되었다.
- 이 현상은 주로 RS-TMAZ 부분에서보다 AS-TMAZ 부분에서 더 눈에 띄게 관찰되었다. 아울러 인장시험 후의 시편 파단경향을 관찰한 결과 회전속도 400 rpm 조건의 시편은 주로 AS-TMAZ 부근에서 파단되는 반면, 회전속도 800 rpm의 조건에서는 SZ 부분에서 불규칙한 형태로 시편이 파단되는 것을 관찰하였다. 이 현상은 시편의 부분적으로 다른 텍스쳐들이 외력에 대해 반응하는 거동이 서로 다르고 이 다른 부분들이 맞닿아 있는 부분인 TMAZ에서 결국 파괴가 일어난 것으로 생각된다.
- 온도측정시험 결과 마찰교반용접시 발생되는 최고 온도의 범위는 AS에서 약 210°C~315°C로 용접 조건에 따라 약 100°C가 넘는 차이를 보였다.
- Table 3에는 용접부의 인장시험 결과인 항복 강도, 인장강도, 연신율이 나타나 있다. 용접부의 항복강도와 인장강도는 모재대비 최대 약 84.4%, 96.9%로 기존 용접방법에 비해 높게 측정되었지만 연신률은 모재대비 최대 약 49.1%로 50% 이상 성능이 저하되는 결과를 보여준다. 또한 항복강도 기준으로는 400 rpm-300 mm/min의 조건이 가장 높게 나타났지만 인장강도와 연신률은 800 rpm-300 mm/min 조건에서 가장 높게 나타났다.
- 첫 번째는 최고 온도는 AS 약 210°C~315°C, RS 약 254°C~ 339°C로 용접조건에 따라 약 100°C이상의 온도차를 보였고, 용접시 발생된 burr의 형상에 의해 RS의 평균온도가 AS보다 높게 측정되었다.
- , 이론 적으로도 회전 방향과 진행방향이 동일한 AS에서 더 많은 에너 지가 발생하기 때문에 온도가 높게 발생하게 된다. 하지만 본 연구의 결과는 반대로 RS에서 AS보다 온도가 높게 측정되는 경향을 보였다. 그 이유로는 AS와 RS에 발생하는 burr형상의 차이 때문이라고 할 수 있다.
- 각 용접조건에 따른 부위별 텍스쳐 강도의 차이가 물성에 영향을 미칠것으로 예상하여 각 부분의 텍스쳐 강도를 조사하였다. 회전속도 400 rpm의 용접조건 시편은 SZ과 AS-TMAZ 부분의 텍스쳐 강도 차이가 SZ과 RS-TMAZ 부분의 텍스쳐 강도 차이값 보다 더 크게 나타난 것을 관찰하였다. 반면 회전속도 800 rpm의 용접조건 시편은 회전속도 400 rpm의 조건에 비해 이렇다 할 텍스쳐 강도의 차이에 대한 경향이 나타나지 않은 것으로 보인다.
후속연구
- 또한 용접속도가 빨라질수록 툴 회전수에 따른 온도의 변화폭은 줄어들었고, 용접진행 시간이 지날수록 툴의 온도 상승으로 인해 측정온도가 증가하는 경향을 보였다. 이는 용접부의 길이가 증가했을 때 균일한 건전성 확보에 중요한 요인이므로 향 후 더 긴 시편의 온도 테스트를 통해 온도 상승 정도를 파악해 일정한 용접온도를 유지하는 방안에 대한 연구가 필요하다고 할 수 있다.
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