이종 알루미늄합금 TWB 마찰교반용접부의 기계적특성에 관한 연구

Abstract

자동차산업에 있어서 지구온난화와 미세먼지 등의 환경보존의 의무가 산업계에 강하게 요구되고 있는 상황에서 CO²배출량규제와 PM, NOx, SOx 저감이 연비의 절감과 더불어 중요한 이슈이다. 이런 환경적 규제와 경제성을 모두 확보할 수 있는 기술의 발전이 중요한 화두인데 이러한 요구를 해결하기 위한 방법으로 엔진의 성능을 높이는 방법과 차체의 경량화를 통해 실현하는 방법이 있다. 엔진의 효율을 높이는 방법은 그 비용과 연구기간이 많이 들고 노력에 따른 효과가 크지 않다. 물론 차체의 경량화도 소재 및 공법에 따른 경제성의 논리가 중요한 요소이긴 하지만, 엔진의 개선보다는 환경적 규제와 연비의 향상에 더 효과적이다. 본 연구에서는 경량화기술을 주요 연구주제로 삼았다. 경량화기술은 대체재개발과 생산공법의 전환을 제시 할 수 있는데, 여기서는 비철금속(非鐵金属)중에서 이미 충분한 공급량과 시장성을 갖고 있는 알루미늄합금을 이용하고 이에 맞는 개선된 용접공법의 적용을 주요과제로 연구하였다. 알루미늄합금에 용접변형의 주요원인인 열변형을 해결할 수 있는 저입열 방식의 고상접합 공정인 마찰교반용접(FSW, Friction Stir Welding)을 이용하여 차체의 경량화를 위한 연구를 수행하였다. 본 연구는 알루미늄합금 Al5052-O와 Al6061-T6, 이종재이면서 서로 다른 두께의 소재를 이용하여 마찰교반용접부의 용접성을 고찰하는 목표를 가지고 있다. 특히 알루미늄합금 Al5052-O와 Al6061-T6의 용접성 분석은 SS41(SS40)강종과 알루미늄합금과의 이종접합을 대체하기 위한 기초연구로써의 가치가 있다. 이는 알루미늄합금 중 열처리소재 Al6061-T6가 SS41 강종에 견줄만한 기계적 특성을 가지고 있기 때문이다. 연구방법으로는 알루미늄합금 5052-O(3mm), 6061-T6(2.5mm)를 사용하여 이종, 이두께 마찰교반용접을 수행하였다. 마찰교반용접 시에는 용접파라미터에 따라 기계적 특성이 변화되지만, 본 실험에서는 툴의 형상과 가압하중을 고정하고 회전수를 300~500rpm, 이송속도를 0.8~1.0mm/sec로 파라미터를 달리하여 마찰교반용접부의 용접성을 고찰하였다. 표면 및 단면특성으로는, 회전속도 300rpm에서 시작점에서 표면이 거친 반면 500rpm 에서는 표면부가 미려한 특성이 있었다. 하지만 단면특성을 고찰한 결과 회전속도가 상대적으로 낮은 300rpm에서 원활한 소성유동으로 인하여 접합부의 끝단까지 접합이 됨을 확인할 수 있었다. 즉, 각속도비율이 6.25(300rpm, 48mm/min) 일때 10.4(500rpm, 48mm/min)에 비해 상대적으로 신뢰성 있는 접합이 이루어짐을 확인하였다. 인장강도 특성은 이송속도 300rpm에서 최대인장강도(183.1MPa) 이고 500rpm(162.9MPa)에서 최소값을 나타내는데 이는 보다 더 빠른 회전속도에서는 마찰열로 인해 용접진행방향을 소성유동이 강해지는 반면 이송속도로 인해 접합부의 끝단까지 충분한 교반이 이뤄지지 않았음을 알 수 있다. 즉, 본 연구의 실험조건 내에서 각속도가 클수록 접합부의 끝단까지 충분한 교반이 이루어 지지 않고 각속도가 작은 경우 충분한 소성유동과 원활한 교반이 이루어짐을 확인하였다. 최소 경도값은 교반부(SZ)에서 발생하였으며, 특히 열처리소재인 석출경화형 Al6061에 열의 영향으로 인한 석출용해로 경도 값이 크게 감소(최대 83Hv 에서 최소 47Hv)함을 알 수 있었다.