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문제 정의
- 따라서 본 연구는 마그네슘 합금소재인 AZ31 합금판재의 기존 스폿용접 공정대신 전기저항 표면마찰 스폿용접을 적용하여 용접성을 확보하고자 한다.
- 본 연구는 AZ31 마그네슘 합금판재를 효율적으로 스폿용접 하기 위하여 고안된 회전금형을 사용하는 전기저항 표면마찰 스폿용접의 실험용 장치를 제작하고 스폿용접실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다..
제안 방법
- Table 4 는 철계전극과 합금판재와 접촉하는 면적에 따른 용접효과를 분석하기 위하여 판재두께는 1.2mm, 회전금형의 회전속도는 1200rpm, 회전금형의 직경 4.4mm 로 고정하고 철계전극의 외경을 변경하여 접촉면의 단면적 크기의 변화에 따른 용접전단하중(welding shearing load)를 비교하였다.
- Table 5 는 합금판재 두께에 따른 용접효과를 분석하기 위하여 전극팁 외경은 10mm, 회전금형의 회전 수는 1200rpm 으로 고정하고 합금판재의 두께 변화에 따른 용접전단하중의 변화를 나타낸 표이다. 두께는 1.2mm 와 1.4mm 의 두 경우에 대해서 비교하였다.
- 마그네슘재료의 스폿용접시 요구되는 최소용접 전단하중은 KS B 0850 의 알루미늄 합금의 인장 전단하중 요구값을 따랐다. 따라서 AZ31 합금판재 1.2t 최소 인장 전단하중 요구값은 PS =1600 N, 1.4t 합금 판재 최소 인장 전단하중 요구값은 PS =1900 N 을 참고하여 비교하였다.
- 마그네슘 판재의 두께를 1.2mm과 1.4mm의 두 종류의 두께에 대해 스폿용접 실험하였다.
- 선행실험을 바탕으로 얻은 용접전류의 세기 범위를 이용하여 회전금형을 사용하는 표면마찰가열 스폿용접의 용접전단하중의 효과를 분석하기 위하여 철계전극에 가해지는 전류의 크기와 그리고 철계전극 외경을 변화하여 철계전극과 접촉되는 부분에 있는 용접금속의 단위체적당 가해지는 전류밀도에 변화를 주었다.
- 용접가능 적합 전류조건 실험에서 회전금형의 회전속도는 1200rpm, 용접시간은60cycle ( 60 cycle는 1초)로 고정하고 철계전극의 외경과 철계전극에 가해지는 전류의 세기를 변수로 하여 선행실험하였다.
- 이러한 목적을 달성하기 위하여 회전금형을 사용하는 전기저항 표면마찰 스폿용접기에 의해 용접된 판재의 정적 인장시험을 통하여 용접 전단강도를 분석하였고 스폿용접부에서의 외관 및 너겟형상과 용접부 단면을 현미경검사를 통하여 스폿용접성을 분석하였다.
- 마그네슘판재의 두께(T)는 너겟 사이즈와 관련해서 용접효과에 영향을 준다. 이러한 영향을 참고하여 두 개 주요인자를 결정하였다.
- 그 외적으로 표면상에 큰 용접흔적은 발견되지 않았고 기존의 마찰교반 스폿용접과 같은 회전금형의 구멍의 흔적도 없는 상태이다. 이렇게 용접된 소재를 이용하여 필테스트(peel test)를 통해 용접가능 전류적합조건을 실험하였다.
- 접촉면적의 변화에 따른 용접전단하중의 변화를 알기 위하여 철계전극팁의 외경은 10mm 와 12mm의 두 경우에 대해서 용접전단하중을 비교하였다.
- 회전금형을 사용하는 전기저항 표면마찰 스폿용접된 시험편을 제작하였고, 제작된 시험편을 정적 인장시험을 진행 하였다.
- 회전속도는 1200rpm으로 고정하여 판재 두께(T)는 1.2mm과 1.4mm를 사용하고 철계전극의 외경(D)은 10mm와 12mm를 사용한 상태에서 철계전극의 용접효과를 비교하기 위하여 각 판재두께나 선단직경 마다 전극에 가하는 전류의 크기를6 kA, 7 kA, 8 kA, 9 kA, 10 kA, 11 kA의 여섯 경우에 대해서 실험을 하였다.
대상 데이터
- 스폿용접실험에 사용된 판재금속은 마그네슘 AZ31 합금 소재를 사용 하였고, 세부적인 물성치 및 시편의 형상치수는 Table 1 과 같다. 마그네슘은 초경량이고 전자파 차폐가 우수하고 소음과 진동을 흡수하며 열방출등의 성질이 다른 금속에 비해 우수하다.
- 회전금형의 직경(d)은 4.4mm로 하였고, 철계전극 팁의 외경(D)은 총 두가지 수준의 실험을 위하여 10mm, 12mm로 제작되었다. 회전금형의 직경(d)을4.
이론/모형
- 마그네슘재료의 스폿용접시 요구되는 최소용접 전단하중은 KS B 0850 의 알루미늄 합금의 인장 전단하중 요구값을 따랐다. 따라서 AZ31 합금판재 1.
성능/효과
- (1) 필테스트 실험을 통하여 판재두께(T)가 1.2mm, 1.4mm의 두 종류의 각 두께에서 용접전류의 변화를 주어 실험한 결과 용접가능 적합 전류조건은 철계전극의 외경이 10mm일 때는 8~9 kA, 철계전극의 외경이 12mm일 때 10~11 kA임을 알 수 있었다. .
- (2) 용접가능 조건에서 얻어진 최대 용접전단하중 이 판재의 두께T=1.2mm 일때 2930 N이므로 KS B 0850규격에서 요구하는 알루미늄합금의 최소 인장전단하중과 비교하면 약183%로 규격을 만족하였다.
- (3) 판재의 두께 T=1.4mm일때 최대용접전단하중이2984 N이므로 규격에서 요구하는 최소 인장전단하중과 비교하면 약 157%의 용접전단하중을 보이고 있음을 알 수 있었다.
- (4) 스폿용접된 시편의 용접부에서의 외관표면은 철계전극의 압흔 흔적과 회전금형의 표면마찰 흔적이 발견되었으나 미세한 깊이의 표면만 마찰한 경우이기 때문에 마찰에 의한 압흔의 흔적은 미미하였다.
- (5) 스폿용접된 시편의 용접계면에서의 금속현미경 사진에는 뚜렷한 용접선이 발견되지 않았다.
- 6 같이 네 개의 형태로 분류한 필(peel) 테스트 선행실험결과는 Table 3과 같이 각각의 외경당 용접 가능한 전류의 세기 범위를 찾을 수 있었다. 결과적으로 철계전극 외경(D)이 10mm일 때 8~9 kA의 전류범위와, 12mm일 때 10~11 kA의 전류범위에서 용접이 가능함을 파악 할 수 있었다.
- 상기와 같이 철계전극과 회전금형을 사용하는 전기저항 표면마찰 스폿용접으로 용접된 AZ31 마그네슘 금속 합금판재 시편에 대한 용접전단하중을 조사한 결과 제안된 스폿용접법에 의해서 마그네슘 합금판재의 스폿용접에 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
- 10 은 용접하는 마그네슘 두께의 두 종류와 철계전극 외경의 두 종류의 변수에 대해서 용접전류를 변화시키면서 스폿실험한 시편의 외관사진과 용접계면에서의 용융용접된 너겟형성사진을 도시하고 있다. 시편외관은 철계전극의 미세한 압흔과 회전금형의 표면마찰흔적이 보이고 용접계면에서 너겟형성의 유무를 확인 할 수 있었다. 또한 용접계면의 400배 금속현미경사진을 통해서 계면상에 미세한 균열은 확인되지 않았다.
- 4 는 회전금형을 사용하는 전기저항 표면마찰 스폿용접된 마그네슘 판재소재의 외관표면을 보여주고 있다. 외관상으로 한 면에서 회전흔적을 확인할 수 있었고, 양쪽면 모두 용접부에 약간의 철계전극의 압흔을 발견할 수 있었다. 그 외적으로 표면상에 큰 용접흔적은 발견되지 않았고 기존의 마찰교반 스폿용접과 같은 회전금형의 구멍의 흔적도 없는 상태이다.
- Table 6 은 상기의 용접가능 적합 조건에서 용접전단하중이 최대가 되는 용접변수를 찾기 위한 실험에서 용접전단하중의 변화를 나타낸 표이다. 표를 보면 철계전극의 선단면의 직경이 12 mm 일 때 두께 1.4 mm 의 경우 가해지는 전류의 크기가 11 kA인 일 때 최대의 용접전단하중을 얻을 수 있었다.
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