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문제 정의
- 본 논문에서는 6061 알루미늄 합금의 마찰교반 용접시 중요한 용접 변수인 공구의 숄더지름, 공구의 회전속도와 이송속도를 변수로 선정하여 실험계획법8,9)을 이용하여 용접 변수가 용접부의 강도에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 또한 클램프는 마찰발열로 인한 시험편과 테이블의 흡착을 막기 위해 알루미늄 판으로 제작된 보조 후판을 시험편과 테이블의 사이에 삽입하여 총 6개로 이루어졌고, 용접 과정 중 발생할 수 있는 변형을 막기 위해 지그와 시험편 사이에 보조박판을 삽입하였다. 마찰교반용접 실험에 사용된 재료의 치수는 2×100×150 mm이고 압연 판재로부터 압연 방향을 150 mm, 폭 방향으로 100 mm의 직사각형 크기로 절단하여 압연방향을 용접 진행 방향으로 배치하였다.
- 마찰교반용접 실험에 사용된 재료의 치수는 2×100×150 mm이고 압연 판재로부터 압연 방향을 150 mm, 폭 방향으로 100 mm의 직사각형 크기로 절단하여 압연방향을 용접 진행 방향으로 배치하였다.
- 본 논문에서는 6061 알루미늄 합금의 마찰교반 용접에 공구의 숄더지름, 회전속도와 이송속도를 변수로 하여 용접 변수의 변화가 용접부 항복강도에 미치는 영향을 분석한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 실험에서는 삼원배치법10)에 따라 설정된 조건을 이용하여 마찰교반용접을 수행한 후 각 조건 당 3개씩 인장실험을 실시해 얻은 용접부 항복 강도 평균값을 구하였다. Table 4는 삼원배치법에 따라 마찰교반용접을 실시하여 인장실험을 통해 얻은 조건별 용접부 항복강도 평균값을 바탕으로 한 분산분석의 결과이다.
- 마찰교반용접 실험에 사용된 재료의 치수는 2×100×150 mm이고 압연 판재로부터 압연 방향을 150 mm, 폭 방향으로 100 mm의 직사각형 크기로 절단하여 압연방향을 용접 진행 방향으로 배치하였다. 실험은 공구를 적절한 회전 속도로 회전시킨 다음 공구의 핀을 용접 이음부에 삽입하여 마찰열을 발생시키고 공구의 숄더부를 모재에 일부 삽입시켜 가열영역을 확대해서 용접 이음부를 따라 공구를 이동시키면서 용접을 수행하였다.
- 인장시험편은 마찰교반 용접된 재료를 Fig. 5와 같이 ASTM E8 표준 규격을 적용하였으며 시험편 절단시 발생할 수 있는 열영향을 최소화하기 위하여 T300-3015 model의 워터젯 장비를 이용하여 모든 조건에서 100 mm 용접 길이 당 3개의 인장시험편을 제작하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용되는 6061 알루미늄 합금은 기계적 강도가 높아 경량, 고 강도를 요구하는 자동차용 범퍼 등에 사용되며, Mg과 Si의 함량이 많고 인성과 피로강도를 개선하기 위해 Mn, Cr, Cu량도 증가된 6000계열 Al-Mg-Si 합금이다. 이러한 시판용 6061 알루미늄 합금의 마찰교반용접 실험을 위해 두께 2 mm의 판재를 가로길이 100 mm, 세로길이 150 mm의 판재로 정밀하게 가공하여 맞대기 용접에 사용하였다.
- 본 실험에서 사용되는 6061 알루미늄 합금은 기계적 강도가 높아 경량, 고 강도를 요구하는 자동차용 범퍼 등에 사용되며, Mg과 Si의 함량이 많고 인성과 피로강도를 개선하기 위해 Mn, Cr, Cu량도 증가된 6000계열 Al-Mg-Si 합금이다. 이러한 시판용 6061 알루미늄 합금의 마찰교반용접 실험을 위해 두께 2 mm의 판재를 가로길이 100 mm, 세로길이 150 mm의 판재로 정밀하게 가공하여 맞대기 용접에 사용하였다. Table 1은 6061 알루미늄 합금의 화학성분을 나타낸다.
이론/모형
- 마찰교반용접은 비소모성 공구를 용접 이음부에 일부 삽입하여 공구의 회전과 이송을 통해 접합이 이뤄지는 공정이다. 따라서 대표적인 용접 변수로는 공구의 형상인 숄더지름과 회전속도, 이송속도 등이라고 볼 수 있어 본 실험에서는 대표적인 용접변수들 간의 상관관계를 정량적으로 분석하기 위하여 통계적 기법인 실험계획법 중 삼원배치법을 이용하였으며, 총 27회 마찰교반용접 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 용접부 항복강도 특성치를 토대로 분산분석을 실시한 결과, 공구의 이송속도 변화가 용접부 항복강도에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 각 변수들 간의 교호작용은 유의하지 않는 것으로 나타났다.
- 2) 마찰교반용접시 공구의 숄더지름, 이송속도 및 회전속도 등이 증가할수록 항복강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, 가장 높은 항복강도 값을 나타내는 조건은 숄더지름 15 mm, 이송속도 500 mm/min, 그리고 회전속도가 2,000 rpm에서 가장 큰 항복강도 값을 나타내었다.
- 3) 삼원배치법을 이용하여 분석된 최적공정조건(A3B3C3)에서의 용접부 항복강도는 99% 신뢰구간에서 207.19±9.91 Mpa로 추정되었다.
- 3가지 용접 변수들의 조합에서 가장 높은 항복강도 값을 나타내는 조합은 A3B3C3 조건으로 99% 신뢰구간에서 207.19±9.91 Mpa로 추정된다.
- 이 결과에서 공구의 숄더 지름이 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하였고 3수준인 15 mm에서 가장 큰 항복강도 값을 나타내었다. 공구의 이송속도 역시 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하였고 3수준인 500 mm/min에서 가장 큰 항복강도 값을 나타내었다. 그리고 공구의 회전속도 또한 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, 3수준인 2,000 rpm에서 가장 큰항복강도 값을 나타내었다.
- 분산분석 결과, 각 변수들 간의 교호작용은 5% 유의수준보다 낮게 나타나 오차항에 풀링하여 Table 5에 나타내었다. 그 결과 공구의 숄더지름, 이송속도, 회전속도 모두 99% 신뢰구간에서 항복강도 특성치에 유의한 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 공구의 이송속도가 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났고, 숄더지름과 회전속도는 비슷한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 그리고 공구의 회전속도 또한 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, 3수준인 2,000 rpm에서 가장 큰항복강도 값을 나타내었다. 그리고 3가지 변수 중에서 항복강도 특성에 가장 큰 영향을 미치는 용접 변수는 이송속도로서 가장 큰 기울기를 나타내었다. 이것은 마찰교반용접시 이송속도의 변화에 따라 재료 내부의 교반을 통한 소성유동이 다르게 나타나는 것을 의미하며 마찰열을 발생시키는 공구의 숄더지름과 회전속도 변화보다 재료 내부의 교반을 통한 소성유동이 용접부 항복강도 특성에 더 큰 영향을 미치는 것으로 생각된다.
- 공구의 이송속도 역시 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하였고 3수준인 500 mm/min에서 가장 큰 항복강도 값을 나타내었다. 그리고 공구의 회전속도 또한 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하는 경향을 나타내었으며, 3수준인 2,000 rpm에서 가장 큰항복강도 값을 나타내었다. 그리고 3가지 변수 중에서 항복강도 특성에 가장 큰 영향을 미치는 용접 변수는 이송속도로서 가장 큰 기울기를 나타내었다.
- 6은 이송속도 500 mm/min, 회전속도 2,000 rpm, 숄더지름 15 mm 조건에서 가공한 인장시험 편의 인장실험 후 파단 형상을 나타내었다. 대부분의 조건에서 파단은 공구의 핀 삽입부에서 시작하여 공구의 회전방향과 이송방향이 반대인 AS(Advancing Side)부로 진행되는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 공구의 회전방향과 이송방향이 반대인 AS부에서 공구의 회전방향과 이송방향이 같은 RS(Retreating Side)부보다 더 큰 내부 응력이 발생하여 파단이 일어나는 것으로 생각된다.
- 91 Mpa로 추정된다. 본 논문에서 실시한 총 27회 조건 중 A3B3C3 조건에서의 항복강도 평균값은 약 205.45 Mpa로 99% 신뢰구간의 모평균 및 구간추정 결과 범위 내에 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 추가 검증 실험 없이 본 논문에서 선정한 변수들과 변수들의 수준은 적절하다고 판단된다.
- 7은 마찰교반용접시 용접 변수들이 용접부 항복강도 특성치에 영향을 끼치는 기여도를 나타내었다. 여기서 보면 공구의 이송속도가 약 44%로 용접부 항복강도에 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 숄더지름이 28%, 회전속도가 21%의 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 이 결과에서 공구의 숄더 지름이 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하였고 3수준인 15 mm에서 가장 큰 항복강도 값을 나타내었다. 공구의 이송속도 역시 증가할수록 용접부 항복강도가 증가하였고 3수준인 500 mm/min에서 가장 큰 항복강도 값을 나타내었다.
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