[논문]알루미늄 합금의 겹치기 마찰교반용접시 모재 위치가 기계적 강도에 미치는 영향에 관한 연구

박희상; 최만용; 최원두; 고준빈

문제 정의

본 실험은 열처리 경화형 알루미늄 A6061-T6과 가공경화형 A5052-H32 알루미늄 합금 재질의 이종 겹치기 용접을 실험하였다. 두 종류의 알루미늄합금의 특성을 고려하여 모재의 위치와 공구회전수, 이송속도 등에 변화를 주어 마찰교반용접시 이종재료와 핀 형상에 따른 용접부의 용접특성과 기계적 성질을 파악하는데 그 목적을 두었다.

제안 방법

실험은 좌측 판을 위에 우측 판을 밑에 놓고 용접을 진행하였다. 1340rpm, 1600rpm, 1800rpm, 2380rpm에서 500mm/min의 속도로 회전수만을 달리하여 조건별 실험값을 구한 후 가장 양호한 회전수에서 용접속도에 변화를 주어 더 나은 용접조건을 찾아보았다. 압입은 툴의 숄더부가 닿는 순간을 기준으로 하였다.
각각의 다른 조건에서 실험한 시편의 단면을 광학현미경을 이용하여 각각의 용접조직들을 미세 관찰 하였다. 광학현미경 관찰을 위해 일반적인 연마법을 이용하여 시편을 제작하였고, 증류수120ml, 질산3ml, 염산2ml, 불산2ml를 사용한 켈러시약을 사용하여 50sec로 1차부식후 20초로 2차 부식하여 각각의 조직영역을 관찰하였다.
각각의 다른 조건에서 실험한 시편의 단면을 광학현미경을 이용하여 각각의 용접조직들을 미세 관찰 하였다. 광학현미경 관찰을 위해 일반적인 연마법을 이용하여 시편을 제작하였고, 증류수120ml, 질산3ml, 염산2ml, 불산2ml를 사용한 켈러시약을 사용하여 50sec로 1차부식후 20초로 2차 부식하여 각각의 조직영역을 관찰하였다.
열처리 경화형 알루미늄 A6061과 가공경화형 A5052 재질의 이종 겹치기 용접을 실험하였다. 두 가지 재료의 물성치를 고려하여 시험판의 위치와 공구회전수, 이송속도 등에 변화를 주었다. 실험조건은 Table 3과 같다.
알루미늄 판재를 마찰교반용접의 실험조건을 수행 할 수 있는 조건을 갖춘 수직밀링머신의 배드 위에 알루미늄판재를 고정하여 용접 작업 시 발생하는 열을 효율적으로 배출해줄 수 있는 벡킹 플레이트와 클램프장치를 결합한 고정 틀에 알루미늄 판재를 겹치게 하여 위치시킨 후 판 옆면에 툴이 회전할 때 발생하는 판의 틀어짐을 막기 위한 가이드 판을 옆면에 밀착 시킨 후 양옆의 간격조절나사를 이용하여 알루미늄 모재 판과 판사이의 간격을 없는 상태로 만든 후 Fig. 1과 같이 용접한다.
인장강도를 측정하기 위하여 Fig. 4와 같은 시편을 제작하였고, 시험에 사용된 시험기는 INSTRON 4484를 Ⅸ series 프로그램을 이용하여 컴퓨터 제어하여 인장속도를 2mm/min로 하여 인장시험을 하였다.
재료의 강도가 다른 두 모재의 이종용접을 위해서 여러 가지 변수가 작용하기에 가장 좋은 조건의 값을 찾아가며 실험을 진행하였다. Fig.

대상 데이터

본 실험에서는 가공경화형 A5052-H32 알루미늄 압출제를 길이 150mm, 너비 80mm, 두께 3.2mmt로 제작하여 실험하였다. 시편을 고정할 수 있는 고정장치에 시편을 물려 설치하여 겹치기 용접이 가능하도록 수평을 맞춘 후 양단을 일정간격으로 고정하여 움직이지 못하게 하였다.
그러나 마찰교반용접을 통한 겹치기 용접을 수행하였을 때 용접 불량을 억제할 수 있는 장점이 있다. 본 실험은 열처리 경화형 알루미늄 A6061-T6과 가공경화형 A5052-H32 알루미늄 합금 재질의 이종 겹치기 용접을 실험하였다. 두 종류의 알루미늄합금의 특성을 고려하여 모재의 위치와 공구회전수, 이송속도 등에 변화를 주어 마찰교반용접시 이종재료와 핀 형상에 따른 용접부의 용접특성과 기계적 성질을 파악하는데 그 목적을 두었다.
열처리 경화형 알루미늄 A6061과 가공경화형 A5052 재질의 이종 겹치기 용접을 실험하였다. 두 가지 재료의 물성치를 고려하여 시험판의 위치와 공구회전수, 이송속도 등에 변화를 주었다.

성능/효과

Fig. 6의 (a), (b)를 비교해보면 위쪽으로 침범하는 경계를 더욱 확연하게 파악할 수 있는데, 툴의 회전속도가 빠를수록 너깃의 형태는 동심원에 가까워지며, 아래쪽 모재가 밀려 올라가는 것이 심해지는 것을 발견할 수 있었다. 용접이 되는 두 모재의 기계적 강도가 다르기 때문에 A6061/A5052에서는 아래쪽의 A5052가 1340rpm, 500mm/min에서도 너깃형태의 교반부를 쉽게 만들어 내지만 A5052/A6061의 경우는 교반이 쉽게 일어나지 않는 현상을 보였으며, 툴의 회전수가 늘어날 수 록 아래쪽의 A6061이 위로 밀려 올라가는 모습을 보였다.
재료의 강도가 다른 두 모재의 이종용접을 위해서 여러 가지 변수가 작용하기에 가장 좋은 조건의 값을 찾아가며 실험을 진행하였다. Fig. 5를 통해 A6061/A5052와 A5052/A6061의 용접시 가장 높은 인장강도 값을 보인 실험조건은 1600rpm, 500mm/min으로 A5052의 최대 인장강도값은 149.09MPa이고 반대로 A6061을 위쪽 판으로 위치시켰을 때 최대 인장강도값은 154.17MPa였다. 파단위치는 앞선 겹치기 마찰교반용접에서와 같은 위쪽에 위치한 시험편에서 파단이 일어났다.
이종 겹치기 실험을 통하여 A5052/A6061 또는 A6061/A5052의 인장강도와 재질의 적당한 교반이 일어나는 값은 1600rpm, 500mm/min으로 너무 빠른 회전속도에서는 오히려 강도가 저하되었다. 이종겹치기 마찰교반용접시 회전속도와 이송속도에 따라 두 모재의 용접부내의 교반이 달리 일어남을 확인 할 수 있었다.
이종 겹치기 실험을 통하여 A5052/A6061 또는 A6061/A5052의 인장강도와 재질의 적당한 교반이 일어나는 값은 1600rpm, 500mm/min으로 너무 빠른 회전속도에서는 오히려 강도가 저하되었다. 이종겹치기 마찰교반용접시 회전속도와 이송속도에 따라 두 모재의 용접부내의 교반이 달리 일어남을 확인 할 수 있었다.

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A study on the effect of base metal position on mechanical Strength during lap joint dissimilar friction stir welding process of aluminium alloys 원문보기

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