TIG-FSW Hybrid 접합기술을 이용한 SS400/Al6061-T6 접합부의 수치해석 및 잔류응력 분포 특성에 관한 연구
- Issued Date
- 2013
- Abstract
- 최근 환경오염문제와 국제유가 상승으로 인하여 경량소재에 대한 요구가 부각됨에 따라 수송기계(자동차, 선박, 항공기 등)분야에서 경량소재 적용을 위한 용접기술, 즉 이종재 경량합금/철계(Al, Mg, Cu ally/steel) 및 동종재 경량합금에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.[1], [2], [3]
경량 소재 중에서도 알루미늄 합금은 경량이고 비중이 강의 1/3로서 비강도가 우수하며 대기 중에서 내식성과 내마모성이 우수하여 구조 및 기능성금속으로서 다른 경량 소재에 비해 적용범위 및 활용도가 높은 비철재료이다. 하지만 알루미늄 합금을 용융 용접하는 경우 용접 열에 의한 변형 및 기공, 균열 등의 결함이 발생하기 쉬우며 접합부의 강도저하가 비교적 쉽게 발생하여 이에 대한 대책이 요구되고 있다.
이러한 문제점을 개선한 고상용접법 중 하나인 마찰교반용접(FSW: Friction stir welding)이 친환경적이며 용접결함 발생이 적고, 용접변형 및 잔류응력이 작아 동종재 및 이종재 경량합금의 접합뿐만 아니라 경량합금과 철강재료의 이종접합 분야까지 다양하게 연구가 이루어지고 있다.[4], [5] 하지만, 기존 마찰교반용접을 이용하여 이종재료 접합 시 두 재료의 상이한 물성치 및 용융점으로 인해 충분한 소성유동이 일어나지 않아 용접부의 품질이 저하 및 툴의 높은 마모성과 같은 문제점이 발생한다.[6]
따라서 본 연구에서는 이종재료 접합부의 강도 및 특성을 향상시키고자 기존 FSW 공정 중 강성이 좋은 재료부분에 TIG 예열을 추가한 TIG-FSW Hybrid 접합기술을 적용하여 SS400/Al6061-T6 맞대기 용접을 실시하고 이에 대한 수치해석을 통하여 접합부의 역학적 특성을 규명하고자 하였다.[7], [8], [9] 아울러 용접부의 신뢰성을 확보하기 위해, 접합부의 부식 특성을 파악하여 이종재료의 접합성을 평가하고 산업분야의 적용 가능성을 고찰하고자 하였다.|The increase of production efficiency by highly industrialized, fuel savings base on the light weighted and the demand of the lightweight metal which follows in the regulations of environmental pollution has rapidly increased. A environmental friendly welding process become seriously considered, whit this, joining process of lightweight alloy has played a prominent role in the industrial technique as well. More than anything else, FSW which makes a conspicuous figure is more environmental friendly then existing welding process, and its low welding deformation and excellent strength in the aspect of welded structure has already been given proof from various research. The use of FSW is becoming widespread and joining object expands its area of use from existing similar system of magnesium and aluminum to a joining area of dissimilar light weight alloys. So does in a joining area of light alloys and steel material. The case of joining a dissimilar plate using FSW has been known that is not easily obtained because of different physical properties in the way of FSW joining method of using existing similar materials.
This research found that aluminum, which has high strength to weight and steel, which has excellent corrosion properties and high strength, can be joined by FSW and TIG Welding. In addition, research characteristic of heat distribution and residual stress over FSW and TIG Welding zone by numerical analysis in the inside and outside of the country. In this study after examining the characters of bonding zone in Al6061-T6/SS400 throughout the analysis program by Finite Element Method and find out the properties of thermal distribution and residual stress of mechanical properties over FSW and TIG Welding zone.
Consequently, the purpose of the research is to investigate the possibility of application of FSW and TIG Welding in the field of automobile, aircraft, vessels and a variety of industries.
- Alternative Title
- A study on the numerical analysis and Residual stress distribution characteristics of SS400/Al6061-T6 Butt joints by TIG-FSW Hybrid Welding
- Alternative Author(s)
- Kang, Dong In
- Affiliation
- 조선대학교 선박해양공학과
- Department
- 일반대학원 선박해양공학
- Advisor
- 방한서
- Awarded Date
- 2014-02
- Table Of Contents
- 목 차
List of Tables ⅳ
List of Figures ⅴ
Abstract ⅶ
제 1 장 서 론
1 . 1 연구 배경 및 목적 1
1 . 2 FSW의 원리 및 특징 2
1.2.1 FSW의 원리 2
1.2.2 FSW의 특징 3
1 . 3 GTAW(TIG)의 원리 및 특징 4
1.3.1 GTAW의 원리 4
1.3.2 GTAW의 특징 5
1 . 4 수치해석 6
제 2 장 해석 이론
2 . 1 열전도 이론의 유한요소 정식화 7
2 . 2 열분포 해석용 프로그램 11
2 . 3 TIG-FSW Hybrid 입열 방정식 12
2 . 4 열탄소성 이론 14
2.4.1 3차원 열탄소성 이론의 유한요소 정식화 15
2 . 5 용접잔류응력 및 변형해석용 프로그램 20
2 . 6 온도의존성을 고려한 재료정수 21
제 3 장 실 험
3 . 1 실험장치 및 사용재료 23
3 . 2 공구(Tool)의 재질과 형상 26
3 . 3 TIG-FSW Hybrid 접합조건 및 비드의 형상 27
3.3.1 TIG-FSW Hybrid 접합조건 27
3.3.2 TIG-FSW Hybrid 접합부 비드 형상 30
3 . 4 인장시험 및 접합부의 인장강도 특성 31
3.4.1 인장시험 31
3.4.2 접합부 인장강도 특성 32
3 . 5 TIG-FSW Hybrid 접합부 부식 특성 34
3.5.1 부식시험 34
3.5.2 접합부의 갈바닉 특성에 의한 내부식성 평가 35
3 . 6 마크로 및 마이크로조직 분석 및 미세조직 관찰 39
3.6.1 마크로 및 마이크로 조직 분석 39
3.6.2 접합부 미세조직 40
3 . 7 접합부 온도 분포 측정 41
3.7.1 온도 구배 시험 41
3.7.2 접합부 온도 분포 특성 42
3 . 8 접합부 잔류응력 측정 및 특성분성 43
3.8.1 잔류응력 측정시험 43
3.8.2 잔류응력 특성 44
제 4 장 TIG-FSW Hybrid 접합부 수치해석
4 . 1 열전도 해석 45
4.1.1 해석 모델 45
4.1.2 열전도 해석 프로그램의 구성 47
4.1.3 열분포 특성 48
4 . 2 열․탄소성 해석 53
4.2.1 해석모델 및 해석방법 53
4.2.2 열탄소성 해석 프로그램 구성 54
4.2.3 잔류응력 분포 특성 55
제 5 장 결 론 60
참고문헌 63
List of Tables
Table 3.1 Chemical composition and mechanical property 24
Table 3.2 Tungsten carbide rod specifications 25
Table 3.3 TIG welding condition 27
Table 3.4 TIG-FSW Hybrid welding condition 20
Table 3.5 TIG assisted FSW parameters and obtained bead shapes
29
Table 3.6 Dissimilar Fractured specimen and Tensile strength 31
Table 3.7 Dissimilar Tensile stress-strain curve 33
Table 3.8 Schematic of specimens 33
Table 3.9 Galvanic corrosion testing results of Fe and Mg galvanic couple series in deaerated 3% NaCl solution at room temperature 34
Table 3.10 Temperature distribution in TIG-FSW Hybrid 36
List of Figures
Fig. 1.1 Schematic diagram of Friction Stir Welding 4
Fig. 1.2 representation of microstructure regions 4
Fig. 1.3 Schematic of GTAWelding 6
Fig. 2.1 Isotropic Workhardening Rule 9
Fig. 2.2 Physical properties of SS400 15
Fig. 2.3 Mechanical properties of SS400 15
Fig. 2.4 Physical properties of Al6061-T6 17
Fig. 2.5 Mechanical properties of Al6061-T6 18
Fig. 3.1 FSW equipment and capacity of FSW and TIG welding 21
Fig. 3.2 Experimental set-up for TIG-FSW hybrid welding 21
Fig. 3.3 Tool shape and drawing 22
Fig. 3.4 Experiments of TIG Assisted FSW Hybrid welding 23
Fig. 3.5 Welding configuration of TIG-FSW 24
Fig. 3.6 Process of tensile test and specimen dimensions 25
Fig. 3.7 Galvanic current density and mixed potential curves of Fe and Al specimens in deaerated 3% NaCl solution at room temperature 26
Fig. 3.8 Galvanic current density and mixed potential curves of welded Fe and welded Al specimens in deaerated 3% NaCl solution at room temperature 35
Fig. 3.9 Galvanic current density and mixed potential curves of Fe and welded Fe+Al specimens in deaerated 3% NaCl solution at room temperature 37
Fig. 3.10 Galvanic current density and mixed potential curves of Al and welded Fe+Al specimens in deaerated 3% NaCl solution at room temperature 39
Fig. 3.11 Whole galvanic current density curves of Fe and Al galvanic couple series in deaerated 3% NaCl solution at room temperature 40
Fig. 3.12 Optical Microscope 43
Fig. 3.13 Macro and Microstructure images 45
Fig. 3.14 Temperature measurement points in welds by thermo-
couple 46
Fig. 3.15 Experimental set-up for Temperature measurement 45
Fig. 3.16 Residual stress measurement machine(XRD) and
Measurement Points of Welding Residual Stress 45
Fig. 3.17 Residual stress measurement value 45
Fig. 4.1 Schematic mesh division 45
Fig. 4.2 Temperature distribution of specimen 45
Fig. 4.3 Temperature contour along weld length and thickness obtained at 2sec for Al6061/SS400 45
Fig. 4.4 Time-temperature plot for Al6061/SS400 dissimilar joint 45
Fig. 4.5 Comparison of numerically simulated and measured
temperature history 45
Fig. 4.6 Boundary condition 45
Fig. 4.7 Distribution of welding residual stress at 0.2 below top
surface of Al6061-T6/SS400 dissimilar joint 45
Fig. 4.8 Distribution of welding residual stress at 1.5 below top
surface of Al6061-T6/SS400 dissimilar joint 45
Fig. 4.9 Distribution of welding residual stress at 3.0 below top
surface of Al6061-T6/SS400 dissimilar joint 45
Fig. 4.10 Comparison of experimentally measured and numerically simulated values of Transverse residual stress() at 3.0 below top surface 45
- Degree
- Master
- Publisher
- 조선대학교
- Citation
- 강동인. (2013). TIG-FSW Hybrid 접합기술을 이용한 SS400/Al6061-T6 접합부의 수치해석 및 잔류응력 분포 특성에 관한 연구.
- Type
- Dissertation
- URI
- https://oak.chosun.ac.kr/handle/2020.oak/11877
http://chosun.dcollection.net/common/orgView/200000264178
- Appears in Collections:
- General Graduate School > 3. Theses(Master)
- Files in This Item:
-
-
Download
Al6061-T6 접합부의 수치해석 및 잔류응력 분포 특성에 관한 연구.pdf
기타 데이터 / 2.84 MB / Adobe PDF
-
Items in Repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.