[논문]Al 6061 T6 합금의 이두께 마찰교반 용접에 관한 연구

류덕희; 김재성; 진형국; 이재훈; 이보영

Al 6061 T6 합금의 이두께 마찰교반 용접에 관한 연구
An experimental study on the unequal thickness joint using FSW with $4mm^{t}$ and $6mm^{t}$ Al 6061 T6 plates 원문보기

류덕희 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 김재성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 진형국 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과 대학원) , 이재훈 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 이보영 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

In order to demonstrate the friction stir weldability of the Al 6061 T-6 unequal thickness joint and determine optimum welding parameters, the relations between welding parameters and properties of the joints have been studied in this paper. The experimental results showed that the tensile properties of the joints are affected by the welding heat inputs and tool shape. In this study, the maximum ultimate strength of the as-welded joint is equivalent to 78% and 18hour aged joint is equivalent to 93% that of the base metal. Though the voids-free joints are fractured at the thermally affected zone on the advancing side, the fracture occurs at the weld center when the void defects exist in the joints.

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문제 정의

본 연구에서는 A1 6061 T6 판재를 이용하여 4mm와 6mm로 두께가 다른 용접부에서 모재에 특별한 사전 가공없이 마찰교반이 가능한 용접 방법을 연구하고자 하였다.

제안 방법

각 조건별로 용접한 시편을 150℃에서 12시간, 18시간, 24시간 인공시효 한 후 접합부 수직 단면의 경도 분포를 마이크로 비커스 경도계를 사용하여 용접 하단부에서 2.5mm 지점을 300g의 하중으로 10초 동안 측정하였으며, 접합부의 인장강도를 평가하기 위하여 접합부에 수직한 방향으로 방전 가공을 통하여 인장시편을 제작하였으며, 1mm/min의 실험 속도로 인장시험을 실시하였다.
두께가 각각 4mm 와 6mm인 Al 6061 T6 판재를 이용하여 맞대기 이두께 용접을 실시하여 미세조직 및 기계적 특성 등을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
마찰교반 접합은 일반 밀링머신을 개조하여 사용하였으며, 시편을 고정하고 다양한 측면각을 줄 수 있도록 밀링 배드(bed)위에 특수 지그(Jig)를 제작하여 용접을 실시하였다. 실험시 툴의 회전수, 전진각, 용접툴 설계시 고려한 측면각을 고정시킨 상태에서 베드의 이송 속도와 툴의 형상을 변수로 하여 접합부 특성을 연구하였다.
용접을 실시하였다. 실험시 툴의 회전수, 전진각, 용접툴 설계시 고려한 측면각을 고정시킨 상태에서 베드의 이송 속도와 툴의 형상을 변수로 하여 접합부 특성을 연구하였다.
용접부 미세조직은 증류수, 질산, 염산, 불 산으로 구성된 켈러 용액으로 30초간 에칭하여 광학 현미경을 이용하여 관찰하였으며, 용접부 중심의 Onion ring과 인장시험 파단부에 대하여서는 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 단면을 관찰하였다.
그러나 시효 하지 않은 경우에는 연신률이 5~6% 였으나, 150도에서 18시간 시효 하였을 경우에는 연신률이 3-4% 로 저하되는 것으로 확인되었다. 용접부의 파단위치는 시편의 두께를 4mm로 일정하게 가공하여 시험한 경우에는 advancing side의 연화역에서, 용접한 판재 상태로 시험한 경 우에 는 모두 retreating side인 4t 판재 용접비드 끝단에서 1.5mm 이상 떨어진 곳에서 파단하였다. 용접속도가 증가할수록 강도가 증가하는 것으로 판단되었으나, 450mm/min 시편의 경우 시편에 따라 일부 기공이 발생하기도 하였으며 기공이 발생한 경우에는 용접부 중심 nugget 부에서 파단이 일어나는 것으로 확인되었다.

대상 데이터

본 실험에는 A1 6061 T6 4mm, 6mm 판재를 사용하였고, 그 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다. 접합용 시편의 크기는 길이 200mm, 너비 80mm로 가공하여 실험에 사용하였다.
접합용 시편의 크기는 길이 200mm, 너비 80mm로 가공하여 실험에 사용하였다.

성능/효과

(1) 툴의 형상과 측면각 등의 용접변수를 조절하면 특별한 가공 없이도 두께차가 50%이상인 평판에 용접비드가 양호한 이두께 용접이 가능한 것으로 확인되었다.
(2) 이두께 평판재 용접시 툴의 형상과 용접변수둥에 따른 최적 용접조건이 있고, 인공시효 등의 열처리를 통하지 않고도 최대 78% 이상의 강도를 확보 할 수 있는 것으로 확인되었다.
마찰교반 용접을 이용하여 이두께 용접을 실시한 경우에도 용접 조건에 따라 모재부의 78% 이상의 강도를 확보할 수 있었으며 가열로에서 150℃ 18 시간 시효 하였을 경우에는 최대 93% 이상의 강도를 확보할 수 있는 것으로 확인되었다. 그러나 시효 하지 않은 경우에는 연신률이 5~6% 였으나, 150도에서 18시간 시효 하였을 경우에는 연신률이 3-4% 로 저하되는 것으로 확인되었다. 용접부의 파단위치는 시편의 두께를 4mm로 일정하게 가공하여 시험한 경우에는 advancing side의 연화역에서, 용접한 판재 상태로 시험한 경 우에 는 모두 retreating side인 4t 판재 용접비드 끝단에서 1.
7% 였다. 마찰교반 용접을 이용하여 이두께 용접을 실시한 경우에도 용접 조건에 따라 모재부의 78% 이상의 강도를 확보할 수 있었으며 가열로에서 150℃ 18 시간 시효 하였을 경우에는 최대 93% 이상의 강도를 확보할 수 있는 것으로 확인되었다. 그러나 시효 하지 않은 경우에는 연신률이 5~6% 였으나, 150도에서 18시간 시효 하였을 경우에는 연신률이 3-4% 로 저하되는 것으로 확인되었다.
본 연구에 사용된 6060 T-6 판재의 경우 최대인장강도가 322MPa, 연신율이 21.7% 였다. 마찰교반 용접을 이용하여 이두께 용접을 실시한 경우에도 용접 조건에 따라 모재부의 78% 이상의 강도를 확보할 수 있었으며 가열로에서 150℃ 18 시간 시효 하였을 경우에는 최대 93% 이상의 강도를 확보할 수 있는 것으로 확인되었다.
용접부 인성을 평가하기 위해 실시한 경도시험에서는 용접 속도가 느려 입열량이 많을수록 경도 저하가 커지는 경향을 확인하였으나, 그 영향은 미미 하였고, 150P에서 12시간 이상 시효 할 경우에는 용접부 중심의 경도가 모재 수준으로 회복되는 것으로 확인되었으며, 용접 입열이 작을수록 TMAZ에서의 경도상승의 폭이 큰 것으로 확인되었다. 이는 석출 경화형 합금인 6061 합금의 강화기구인 Mg2Si 석출물이 용접 입열로인해 고용되었다가 인공 시효시 재석출 되는데 초기 용접 입열이 작을수록 고용되는 석출물이 작기 때문인 것으로 판단된다.
5mm 이상 떨어진 곳에서 파단하였다. 용접속도가 증가할수록 강도가 증가하는 것으로 판단되었으나, 450mm/min 시편의 경우 시편에 따라 일부 기공이 발생하기도 하였으며 기공이 발생한 경우에는 용접부 중심 nugget 부에서 파단이 일어나는 것으로 확인되었다.

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