초록 ▼

연구개요
본 과제에서는 이종 경량 재료간의 마찰교반용접에서 발생하는 결함발생과 밀접한 관련이 있는 공정 중 온도분포와 재료유동에 대한 전산모사가 현실적으로 가능한 수치해석 모델을 개발·제시한다. 개발된 해석 모델을 통해 이종 경량재료 간 마찰교반용접 접합 시 건전한 용접부를 얻기 위한 기초 분석을 진행하였다.
동일한 마찰교반용접 조건에 대한 오일러리안-라그랑지안 연성해석(CEL), 전산유체역학(CFD), 라그랑지안 입자법(SPH)을 사용하여 해석소요시간, 온도분포, 결함분포 측면에서 비교 평가하여 현실적으로 사용가능한 방

연구개요
본 과제에서는 이종 경량 재료간의 마찰교반용접에서 발생하는 결함발생과 밀접한 관련이 있는 공정 중 온도분포와 재료유동에 대한 전산모사가 현실적으로 가능한 수치해석 모델을 개발·제시한다. 개발된 해석 모델을 통해 이종 경량재료 간 마찰교반용접 접합 시 건전한 용접부를 얻기 위한 기초 분석을 진행하였다.
동일한 마찰교반용접 조건에 대한 오일러리안-라그랑지안 연성해석(CEL), 전산유체역학(CFD), 라그랑지안 입자법(SPH)을 사용하여 해석소요시간, 온도분포, 결함분포 측면에서 비교 평가하여 현실적으로 사용가능한 방법론을 선정한다. 선정된 모델을 사용하여 알루미늄과 마그네슘합금의 이종마찰교반 시 용접변수가 재료유동, 온도분포에 미치는 영향을 분석하며, 최종적으로 건전한 마찰교반용접부를 얻을 수 있는 해석적 기초 연구를 수행한다.
또한, 이종경량재료 간 마찰교반용접과 전단-인장강도시험을 실시하여 용접환경과 용접변수 등이 접합강도에 끼치는 영향을 조사한다. 미세단면분석과 비파괴탐상을 실시하고 이종마찰교 반용접부의 결함을 분석하였다. 추가적으로 경쟁력 있는 이종접합방법인 구조용접착제 접합부와 강도비교를 통해, 향후 경량화를 실현하기 위한 접합방법론을 탐색하도록 한다.

연구 목표대비 연구결과
마찰교반용접공정의 정상상태에서 온도분포, 결함, 재료유동에 대한 분석이 가능할 수 있도록 3가지 수치해석방법론 (CEL, CFD, SPH)을 사용하여 마그네슘 판재 간 10초 간의 해석을 진행하였다. CFD 해석 방법의 과도한 물리적 현상에 대한 가정, SPH는 과도한 해석소요시간으로 인해 CEL을 분석방법론을 적절한 수치해석 방법으로 선정하였다. CEL 해석방법을 이용한 10초 간 용접과정 시뮬레이션은 약 25~40일간의 해석시간을 소요되었으며, 이를 통해 이종마찰교반용접 시 툴회전속도, 용접속도를 변화시켜 온도분포와 결함, 등가소성변형률 획득이 가능하였다. 툴회전속도가 높을수록 높은 온도의 계산, 용접속도가 높을수록 낮은 온도분 포로 계산결과가 산출되었으며, 이종접합에서의 중요인자인 툴삽입위치 (용접선위치)에 대한 상태를 비교하였다. 한편, 마찰교반용접에서 주 열발생원으로 알려진 마찰열에 대한 기여도, 극심한 소성변형으로 인한 열발생 기여도를 각각 해석모델을 구성하여 분석하였으며, 마찰 뿐아니라 소성변형에너지의 열에너지 전환이 중대한 기여를 하고 있음을 밝혔다.
알루미늄합금과 마그네슘판재에 대한 단일겹치기 마찰교반용접을 실시하여 재료의 배치와 회전방향에 대한 고려가 선행되어야 용접이 가능할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 용접변수 중 툴회전속도가 중요한 용접변수로서 전단-인장강도에 큰 영향인자로 판명되었다. 결함분석 방법인 미세단면분석과 기존의 비파괴탐상법인 초음파탐상법은 이종마찰교반용접부의 양호와 불량상태를 효과적으로 판별하였다. 향후 경량화를 실현하기 위해 구조용접착제를 이용한 Al-Mg접합부는 이종마찰교반용접부의 접합강도와 비교하여 개선된 결과를 나타내어 FSW와 함께 초경량구조체 접합방법으로 함께 고려해야 할 것으로 판단된다.

연구개발결과의 중요성
본 과제를 통해 개발된 수치해석모델의 해석소요시간을 감안하면, 시행오차식 최적용접조건 도출 방법을 대체하기에는 현재 상태로서는 무리가 있다고 판단한다. 하지만, 개발모델은 여러 물리계가 연동된 복잡한 현상에 대해 여러 가지 요인에 대한 정량적 분석이 가능하며 중요한 분석 툴로서 역할을 할 수 있다. 이후 실시된 강도실험, 단면분석 및 비파괴시험 등은 이종마찰교반용접부의 건전성판별과 결함탐상에 필요한 경험적 정보를 제공한다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 4
• 2.1. 마찰교반용접 수치해석 연구 ... 4
• 2.2. 이종 마찰교반용접의 건전성 평가 (접합강도평가 및 결함분석) ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 14
• 4. 참고문헌 ... 14
• 5. 연구성과 ... 15
• [붙임1] 대표적 연구실적 ... 16
• 끝페이지 ... 21