[논문]Coupled Eulerian-Lagrangian기법을 이용한 이종 마찰교반용접 해석모델 개발

임재용; 이진호

doi:10.5762/kais.2019.20.2.7

초록
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본 연구에서는 이종경량재료의 마찰교반용접을 모사할 수 있는 유한요소 해석모델을 개발하고, 이를 통해 기초분석과 실용적 적용 가능성에 대해 고찰하였다. Coupled Eulerian Lagrangian 에 기반한 유한요소모델을 구성하였으며, 해석 모델은 외연적 시간적분을 이용하여 열-온도, 변위-응력 물리계로 이루어진 다중 물리계를 복합적으로 계산하며, 용접툴 표면과 피용접 재료 간 마찰, 극심한 소성변형으로 인한 열에너지 발생, 그리고, 밑면을 통한 열에너지 소산 등 열발생원과 열전달 메카니즘이 모두 고려되었다. Al6061T6와 AZ61 판재의 맞대기용접을 고려하였으며, 주요 용접변수인 용접 속도와 용접툴 회전속도를 변화시킨 세 가지 조건에 대해 해석을 실시하였다. 각 해석은 피용접물의 온도분포, 결함의 분포, 소성변형률 분포가 출력이 가능하였다. 구축한 모델을 이용한 해석 결과 알루미늄보다는 마그네슘부에서 더 높은 온도가 발생하였으며, 회전속도가 커질수록 최대 온도가 증가하기보다는 알루미늄쪽으로 높은 온도가 분산되어 가는 경향을 보였다. 또한, 회전속도가 커질수록 피용접물 재료가 위로 올라오는 플래시 결함의 경향 예측이 가능하였으나, 툴 주변 결함 형성예측은 메시가 세밀하지 못하여 정확한 결과를 산출하기에는 부족하다고 볼 수 있다. 본 모델은 마찰교반용접 중 발생 가능한 여러 물리계의 여러 물리적 현상을 실제에 가깝게 반영하고 있으며, 실험적으로 밝히기 어려운 기초 분석에 응용될 수 있으나, 1달이 넘는 해석소요시간을 감안하면 실용적으로 최적의 용접조건 도출에 응용되기는 어렵다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to develop a FE Model to simulate dissimilar friction stir welding and to address its potential for fundamental analysis and practical applications. The FE model is based on Coupled Eulerian-Lagrangian approach. Multiphysics systems are calculated using explicit time integration algo...

This study aims to develop a FE Model to simulate dissimilar friction stir welding and to address its potential for fundamental analysis and practical applications. The FE model is based on Coupled Eulerian-Lagrangian approach. Multiphysics systems are calculated using explicit time integration algorithm, and heat generations by friction and inelastic heat conversion as well as heat transfer through the bottom surface are included. Using the developed model, friction stir welding between an Al6061T6 plate and an AZ61 plate were simulated. Three simulations are carried out varying the welding parameters. The model is capable of predicting the temperature and plastic strain fields and the distribution of void. The simulation results showed that temperature was generally greater in Mg plates and that, as a rotation speed increase, not the maximum temperature of Mg plate increased, but did the temperature of Al plate. In addition, the model could predict flash defects, however, the prediction of void near the welding tool was not satisfactory. Since the model includes the complex physics closely occurring during FSW, the model possibly analyze a lot of phenomena hard to discovered by experiments. However, practical applications may be limited due to huge simulation time.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic Diagram of Friction Stir Welding
그림 Fig. 2. Tool geometry and its dimension
그림 Fig. 3. FSW process for FE model construction
그림 Fig. 4. FE model construction
표 Table 1. FE model lists
표 Table 2. Johnson-Cook material parameters for AZ61[11] and Al6061T6 [8].
그림 Fig. 5. Results of Simulation #1
그림 Fig. 6. Results of Simulation #2
그림 Fig. 7. Results of Simulation #3

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 Coupled Eulerian-Lagrangian 기반의 유한요소해석을 이용하여 이종마찰교반용접의 온도분포와 재료의 유동을 분석할 수 있는 모델을 개발하고 실용적으로 접근가능한, 즉, 시행오차식 최적공정 변수 도출을 대체 가능한 방법론인가에 대해 논의하고자 한다.
본 연구에서는 알루미늄합금과 마그네슘합금의 이종 경량재료 간 마찰교반용접을 모사할 수 있는 유한요소해석 모델을 구성하여, 세 가지 케이스에 대한 해석을 실시하였다. 이를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

가설 설정

7을 사용하였으며, 피용접물의 소성변형에너지의 90%가 열에너지로 전환함을 가정 하였다. 마찰에너지와 소성에너지가 열에너지로 변환됨을 본 모델에서 가정하였다.
본 연구에서 고려하고 있는 마찰교반용접 상황은 알루미늄합금(Al6061T6)과 마그네슘합금(AZ61) 판재의 맞대기 용접으로 두 판재의 두께와 폭은 각각 5mm와 폭 55mm, 길이는 충분한 것으로 가정하였다. 두 판재 사이를 Fig.
열적 경계조건과 관련하여서는 밑면을 통해 열전도가 되는 것으로 가정하였으며, 일정 대류열전달 계수 h=350 W/m² ·K를 사용하여 이를 모사하였다. 툴과 피용접물 사이에 마찰계수 0.
·K를 사용하여 이를 모사하였다. 툴과 피용접물 사이에 마찰계수 0.7을 사용하였으며, 피용접물의 소성변형에너지의 90%가 열에너지로 전환함을 가정 하였다. 마찰에너지와 소성에너지가 열에너지로 변환됨을 본 모델에서 가정하였다.

대상 데이터

기계적 물성 뿐 아니라 소성거동과 마찰로 인한 열발생과 열전달을 모사하여야 하며, 열물성을 입력하여야 한다. Al6061T6 물성에 필요한 기계적, 열적 물성 데이터는 참고문헌[8]을 참조하였으며, 마그네슘 합금 AZ61 물성에 필요한 데이터는 참고문헌[9-11]에서 획득하였다. Johnson-Cook 모델에 재료상수는 표 2에 나타내었으며, 열전도도, 열용량 등 온도의존 열물성은 참고문헌 [8, 10, 11]을 참조하도록 한다.
오일러리안 공간은 아바쿠스에서 제공하는 오일러리안 요소인 EC3D8RT를 사용하였으며, 각 위치에 알맞은 재료를 부여하였다. 또한, SKD61로 이루어진 용접툴은 라그랑지안 요소인 C3D8RT를 사용하였다.

데이터처리

2.2.1절에서 언급한 3개의 해석모델은 상용유한요소 해석 코드인 ABAQUS Explicit v2016 4 cpu 병렬연산 (Intel XEON E5 2650 V3)을 통해 계산되었다. 해석타입은 동적 열구조 해석(Dynamic temperature-displacement), 시간 증분은 사용 요소의 크기에 따라 결정되며, mass scaling등의 해석단축기법은 사용하지 않았다.

이론/모형

따라서, 유한요소해석에 사용할 재료의 모델은 탄소성 경화 거동, 변형률 속도의존성, 온도에 따른 물성의 변화 등의 기계적 거동을 고려할 수 있어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 Al6061T6와 AZ61의 탄소성거동을 식 (1)과 같이 표현되는 Johnson-Cook Model을 이용하여 모사하였다.

성능/효과

1. 결함된 오일러리안-라그랑지안 모델 방식의 유한 요소해석 모델은 전산유체해석(CFD), SPH와 같은 무요소법 등 기타 다른 해석적 접근법에 비해 마찰교반용접의 물리적 현상을 가장 가깝게 반영 하고 있으며, 온도분포, 소성변형률, 공공의 분포를 계산할 수 있다.
구성한 해석모델을 이용한 결과를 기반으로 분석하여 보면, 해석 #1에 비해 해석 #2는 ω/ν가 1/2배 차이이지만, 온도분포는 매우 큰 차이를 보이지 않았으며, 공공의 존재나 소성변형률의 절대적인 크기에는 큰 차이를 보이지 않았다. 마찬가지로, 해석 #1에 비해 해석 #3은 ω/ν가 2배의 차이가 있지만, 온도분포, 소성변형률, 재료의 분포 등에 있어서 상당한 차이를 보이는 것으로 나타난다.

후속연구

2. 구성한 유한요소해석모델은 10초의 용접 과정에 약 한달 가량의 계산시간이 소요되었으며, 실용적으로 최적의 공정변수 도출에 응용하기에 시행오차식 실험적 방법을 완전히 대체하기에는 한계가 있다고 판단한다.
4. 본 모델은 실용적으로 최적의 용접변수 도출에 대 한 적용은 어려울 수 있으나, 마찰에너지, 소성에너지의 열에너지 전환 공헌도, 툴 위치에 따른 온도분포에 대한 변화 등 기초분석에 적용될 수 있을 것이라 판단한다.
이를 보완하고 분석하기 위한 방법으로 최근 많은 연구자들에 의해 수치해석을 사용한 연구가 진행되어왔다. 결함이 없는 마찰교반용접부를 얻기 위한 시행오차방식 접근방법의 불가피성과 재료내부에서 고속변형이 일어나 실험적으로 유동양상을 분석하기 어렵다는 두 가지 난점에 대해 수치해석모델은 해결책이 될 수 있을 것이다.
따라서, 본 해석법은 실용적인 측면에서 실험적으로 최적의 공정변수를 정하는 시행오차식 방법을 대체하기는 어려울 것이라 생각된다. 하지만, 현실적으로 실험적인 방법으로 피용접물의 온도 분포를 찾아내기는 쉽지 않기 때문에 본 연구에서 개발한 해석접근법은 분석적인 측면에서 시행착오식 실험적 방법과 상호보완적으로 사용될 수 있을 것으로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰교반용접의 기본 원리는 무엇인가	마찰교반용접의 기본 원리는 Fig. 1의 개념도에서 설명하는 바와 같이 회전하는 비소모성 용접 툴이 피접합물에 삽입되어 그 사이를 진행하며 마찰열을 발생시킴으로써 툴 근처에 존재하는 피접합재료의 온도 상승과 재료연화를 유발하여 재료를 혼합하는 원리이다. 또한, 기존의 용접법에서 자주 발생하는 기공, 응고균열, 액화균열 등의 결함을 보완하여 용접부의 기계적 성질이 우수한 것으로 알려져 있다.
	마찰교반용접이 기존 용접법보다 유리한 것은 무엇인가	1의 개념도에서 설명하는 바와 같이 회전하는 비소모성 용접 툴이 피접합물에 삽입되어 그 사이를 진행하며 마찰열을 발생시킴으로써 툴 근처에 존재하는 피접합재료의 온도 상승과 재료연화를 유발하여 재료를 혼합하는 원리이다. 또한, 기존의 용접법에서 자주 발생하는 기공, 응고균열, 액화균열 등의 결함을 보완하여 용접부의 기계적 성질이 우수한 것으로 알려져 있다. 또한, 경량비철 금속재료에 적용할 수 있고, 부가적인 체결부품(fastener, butt strap, bonding, riveting등)도 불필요하여 경량화를 이룰 수 있는 제조공법으로 평가받고 있다.
	마찰교반용접 (Friction Stir Welding, FSW)는 무엇인가	마찰교반용접 (Friction Stir Welding, FSW)은 1991 년 영국의 TWI사에서 특허를 보유한 기술로서 비철금속과 같은 경량재료의 신뢰성 있는 접합기술로서 많은 주목을 받고 있다. 마찰교반용접의 기본 원리는 Fig.

참고문헌 (11)

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H. Zhang, M. Wang, X. Zhang, G. Yang, "Microstructural characteristics and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded 2A14-T6 aluminum alloy", Materials and Design, vol. 65, pp. 559-566, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2014.09.068

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Y. Javadi, S. Sadeghi, M. A. Najafabadi, "Taguchi optimization and ultrasonic measurement of residual stresses in the friction stir welding," Materials and Design, vol. 55, pp. 27-34, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.10.021

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S. Tutunchilar, M. Haghpanahi, M.K. Besharati Givi, P. Asadi, P. Bagemmat, "Simulation of material flow in friction stir processing of a cast Al-Si alloy", Materials and Design, vol. 40, pp. 415-426, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2012.04.001

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M. Awang, V.H. Mucino, "Energy generation during friction stir spot welding (FSSW) of Al6061-T6 plates", Materials and Manufacturing Process, vol. 25, pp.167-174, 2010. DOI: https://doi.org/10.1080/10426910903206758

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D. Kim, H. Badarinarayan, J.H. Kim, C. Kim, K. Okamoto, R.H. Wagoner, K. Chung, "Numerical simulation of friction stir butt welding process for AA5083-H18 sheets", European Journal of Mechanics A/Solids, vol. 29(2), pp. 204-215, 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2009.10.006

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P.A. Colegrove, H.R. Shercliff, "3-dimensional CFD modelling of flow around a threaded FSW tool profile", Journal of Materials Processing Technology, vol. 169, p.320-327, 2005. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2005.03.015

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F. Al-Badour, N. Merah, A. Shuaib, A. Bazoune, "Coupled Eulerian-Lagrangian finite element modeling of friction stir welding process", Journal of Materials Processing Technology, vol. 213, pp. 1433-1439, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.02.014

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A. Abbasi-Bani, A. Zarei-Hanzaki, M.H. Pishbin, N. Haghdadi, "A comparative study on the capability of Johnson-Cook and Arrhenius-type constitutive equations to describe the flow behavior of Mg-6Al-1Zn alloy", Mechanics of Materials, vol. 71, p. 52-61, 2014. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mechmat.2013.12.001

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S. Lee, H.J. Ham, S. Y. Kwon, S. W. Kim, C.M. Suh, "Thermal conductivity of Magnesium Alloys in the temperature range from -125 to 400C", International Journal of Thermophysics, vol. 34, No. 12, pp. 2343-2350, 2012. DOI: https://doi.org/10.1007/s10765-011-1145-1
A. Hadadzadeh and M.A. Wells, "Mathematical modeling of thermo-mechanical behavior of strip during twin roll casting of an AZ31 magnesium alloy", Journal of Magnesium Alloys, vol. 1, pp. 101-114, 2013. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jma.2013.04.001

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