[논문]마찰교반용접한 A6061-T6의 기계적특성 평가

윤서현; 박상현; 남기우

doi:10.21289/ksic.2024.27.1.9

마찰교반용접한 A6061-T6의 기계적특성 평가
Evaluation of Mechanical Properties of Friction Stir Welded A6061-T6

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.27 no.1, 2024년, pp.9 - 15

윤서현 (한국폴리텍대학 창원캠퍼스 금형시스템과) , 박상현 (성우하이텍 기술연구소) , 남기우 (부경대학교 재료공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the mechanical properties of friction stir welded A6061-T6 were evaluated. This material is used as a battery pack case material for electric vehicles. The Vickers hardness, tensile strength, and yield stress of the friction stir welding (FSW) specimen were all smaller than those of the base metal specimen. As the heat input increased, the nugget zone widened, and there were differences in hardness according to the base metal zone, heat affected zone, thermal-mechanical affected zone, and nugget zone. Mechanical properties were not proportional to heat input, and the thermal-mechanical affected zone on the advancing side was the smallest in all conditions. This is because the material flow speed increased on the advancing side, where the welding direction and the tool rotation direction were the same, forming a distinct boundary with mechanical deformation.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Chemical compositions of A6061-T6 (wt.%)
표 Table 2. Mechanical properties of A6061-T6
표 Table 3. Conditions of friction stir welding
그림 Fig. 1 Shapes and dimensions of base metal and friction stir welding specimens
그림 Fig. 2 Macro cross-sections obtained from three types of FSW specimen. (a) A-FSW, (b) B-FSW, (c) C-FSW
그림 Fig. 3 Typical micro structures at different regions of FSW specimen. (a) BM, (b) HAZ, (c) TMAZ, (d) NZ
그림 Fig. 4 Micro Vickers hardness distribution of FSW specimens. (a) A-FSW, (b) B-FSW, (c) C-FSW
그림 Fig. 5 Stress-strain diagram obtained from BM and three types of FSW specimen
그림 Fig. 6 Mechanical properties of BM and three types of FSW specimen.
그림 Fig. 7 Fracture appearance after tensile test of FSW specimens. (a) A-FSW, (b) B-FSW, (c) C-FSW
$Fig. 8 SEM observation of fracture surface. (a) BM, (b) A-FSW, (c) B-FSW. (d) C-FSW$ 그림 Fig. 8 SEM observation of fracture surface. (a) BM, (b) A-FSW, (c) B-FSW. (d) C-FSW

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 균열무해화 연구[12]를 위한 기초적인 자료를 수집하기 위하여, 전기자동차용 배터리 팩 케이스 소재로 사용되는 Al6061-T6를 FSW하여 기계적 특성을 평가하였다.
본 연구는 마찰교반용접(FSW)한 Al6061-T6의 기계적 특성을 평가하였다. 얻어진 결론을 다음과 같다.

제안 방법

기계적 특성은 모재 및 FSW 시험편에 대하여 경도 측정과 인장 시험을 하였다. 경도 측정은 3종류 FSW 시험편 단면의 표면에서 0.5mm(top), 1.5mm(middle) 및 2.5mm(bottom) 위치에서 측정하였다. 마이크로 비커스 경도기는 Wolpert wilson사의 430SVD를 사용하였다.
기계적 특성은 모재 및 FSW 시험편에 대하여 경도 측정과 인장 시험을 하였다. 경도 측정은 3종류 FSW 시험편 단면의 표면에서 0.
본 연구에서는 3가지 조건(A, B, C)으로 FSW하였다. 장비 사양 및 생산성 등을 고려한 선행 연구를 통하여 본 연구는 B-FSW조건을 선정하였으며, 부족입열 A-FSW 조건과 과잉 입열 C-FSW 조건을 선정하여, 기계적 특성을 비교하였다.

대상 데이터

6은 인장강도, 항복응력 및 연신율을 나타내며, 그림에는 표준편차도 나타내었다. BM 시험편은 각각 324MPa, 274MPa 및 15.5%이었다. 반면 3종류 FSW 시험편은 각각 BM 시험편의 76.
이 때 cross head 속도는 2mm/min이고, 연신율은 표점 거리 50mm에서 파단 후 측정하였다. 각 5개의 시험편을 사용하였으며, 파단면은 SEM (MIRA3, TESCAN)으로 관찰하였다.
인장시험편은 BM 시험편과 3종류 FSW 시험편을 사용하였다. 만능 인장 시험기는 Oriental사의 OTU-JOC 10톤 기기를 사용하였으며, FSW 용접부에 수직 방향으로 인장하였다. 이 때 cross head 속도는 2mm/min이고, 연신율은 표점 거리 50mm에서 파단 후 측정하였다.
본 연구에서 사용한 재료는 Al6061-T6이며, Table 1과 Table 2에 화학성분과 기계적 특성을 나타낸다. 6,000계는 Al-Si-Mg계 합금으로 알루미늄 합금 중에서 중간 정도의 강도를 가지며, 높은 내식성과 성형 가공성을 가진다.
FSW는 압연 방향에 수직으로 반시계 방향으로 툴을 회전시켜 맞대기 용접하였다. 사용한 장비는 독일 회사인 GRENZEBACH Maschinenbau GmbH의 자동화 마찰 교반 용접기이다. FSW은 핀 직경 ø2.
시험편은 금속 현미경(Olympus GHX51, Japan)으로 마크로 및 마이크로 조직 관찰하였으며, 각각 NaOH 용액 및 Struers사의 A2용액으로 에칭하였다.
5mm 간격으로 너깃 영역 (nugget zone ; NZ)의 중심에서 ±9mm 측정하였다. 인장시험편은 BM 시험편과 3종류 FSW 시험편을 사용하였다. 만능 인장 시험기는 Oriental사의 OTU-JOC 10톤 기기를 사용하였으며, FSW 용접부에 수직 방향으로 인장하였다.

이론/모형

5mm(bottom) 위치에서 측정하였다. 마이크로 비커스 경도기는 Wolpert wilson사의 430SVD를 사용하였다. 측정은 하중 100g을 10초 동안 압입하였다.

성능/효과

(1) FSW 시험편의 비커스 경도, 인장강도 및 항복응력은 모두 BM 시험편보다 작았다.
(2) FSW 시험편은 입열량이 증가함에 따라 NZ 영역은 넓어졌으며, 영역별 경도의 차이를 보였다.
(3) 기계적 특성은 입열량에 비례하지 않았으며, 모든 조건에서 AS 측의 TMAZ가 가장 취약하였다. 이는 용접 진행 방향과 공구 회전 방향이 같은 AS 측에서 재료 유동 속도가 증가하여 기계적 변형을 갖는 뚜렷한 경계가 형성되었기 때문이다.
8은 4종류 인장시험편의 파단면을 SEM으로 관찰한 것이다. (a) BM 시험편과 (c) B-FSW 시험편은 작은 딤플 형상을 나타내어, 기계적 특성이 우수한 파면을 나타내었다. (b) A-FSW 시험편은 취성 파괴와 같이 평탄한 형상을 보였으며(d) C-FSW 시험편은 많은 입열로 연화되어, 큰 딤플 형상이 나타났다.
(a) BM 시험편과 (c) B-FSW 시험편은 작은 딤플 형상을 나타내어, 기계적 특성이 우수한 파면을 나타내었다. (b) A-FSW 시험편은 취성 파괴와 같이 평탄한 형상을 보였으며(d) C-FSW 시험편은 많은 입열로 연화되어, 큰 딤플 형상이 나타났다.
인장강도는 A-FSW > B-FSW > C-FSW, 항복응력은 B-FSW > C-FSW > A-FSW, 연신율은 B-FSW ≃ A-FSW > C-FSW이다. 따라서 3종류 FSW 시험편은 B-FSW 조건이 가장 우수한 기계적 특성을 나타내었다.
경도값은 최소 경도를 보인 뒤 소폭 상승한다. 소폭 상승한 영역은 NZ으로 재결정에 의한 조직의 미세화로 경도가 상승하였으며, TMAZ는 NZ와 달리 조직의 미세화 없이 열에 의한 연화와 기계적 변형만이 잔류하여 최소 경도를 보인다.

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