The Weldability of Aluminium Alloy and Advanced High Strength Steel with Different Thicknesses by Hybrid Friction Stir Welding

Abstract

자동차 산업은 세계적인 지구 온난화 및 자원 고갈과 환경규제 강화로 인하여 최대 격변기에 직면해 있으며, 선진국을 중심으로 한 자동차 연비규제가 지속적으로 강화되는 실정이다. 또한 승객의 안전성 및 편의성 향상을 위하여 장착되는 부품수의 증가로 인하여 차체 경량화는 더 이상 선택이 아닌 필수로 요구되고 있으며, 영원한 숙제로 인식되고 있다. 차체 경량화 기술 중에서 경량금속과 이종 또는 혼합재료를 채택하는 다중소재 혼용 기술(Multi-Materials Mix Technology)은 차체 중량을 보다 더 효과적으로 절감할 수 있다. 이에 따라 차체에 사용되는 소재 또한 점차 스틸과 알루미늄이 복합적으로 적절하게 구성 및 증가되고 있으며, 안정적인 개발을 위해서는 이종소재의 용접기술 확보가 필히 선행되어야 한다. 그러나 이종소재의 용접은 사용되는 소재간 물성이 크게 상이하므로 기존 용접방식으로는 고강도 및 고내구성의 용접부 품질을 구현하기 어렵게 된다. 통상적으로 이종소재 용접에 있어 두 금속의 융점 차이가 100℃ 이내에 있으면 용융용접이 가능하나, 그 이상일 경우에는 응고 시 융점 차이로 인한 응력이 발생하기 때문에 용융용접이 어렵고 브레이징 또는 고상용접이 채택 되어야 한다. 또한 선팽창 계수의 차이로 인한 열 응력은 이종소재 용접부의 균열형성에 기인하므로 건전한 용접부 강도를 확보하기 어렵다. 특히, 경량합금과 철계간 이종소재 용접에서는 계면에 형성되는 금속간화합물(Intermetallic compounds)이 강도에 지배적인 영향을 미치게 된다. 따라서, 이종소재 용접에 있어 적절한 공정선택과 함께 그에 따른 최적화된 공정변수를 통한 금속간화합물층의 형성을 최소화 시키는 것이 바람직하다. 1991년 영국 The Welding of Institute에서 개발된 마찰교반용접(Friction Stir Welding)은 대표적인 고상(Solid state) 용접법으로 알루미늄과 스틸의 이종소재 용접에 있어 효과적인 용접기술로 주목 받고 있다. 현재 마찰교반용접은 국내보다는 국외에서 보다 활발히 적용되고 있으나, 향후에는 국내 또한 그 수요와 적용이 증대될 것으로 예상된다. 상기의 용접기술은 열적 상태에서 금속을 가압 밀착시켜 미끄럼 변형을 일으키고 원자 상호간의 확산을 통하여 용접하므로 저입열하에서 보다 적은 변형과 함께 금속간화합물층의 성장이 극소화되며, 동적 재결정에 따른 결정립 미세화(Grain refinement)를 통한 용접부의 우수한 기계적 성질을 확보할 수 있다. 최근에는 보조열원을 이용한 하이브리드 마찰교반용접을 적용, 기존의 마찰교반용접과 비교하였을 때, 소성유동성 증가와 함께 향상된 용접부 강도 확보는 물론 사용되는 툴의 마모를 효과적으로 줄일 수 있는 장점으로 인하여 다양한 연구가 진행되고 있다. 따라서, 본 연구에서는 차체 경량화를 위한 5000계 알루미늄 합금과 초고강도강의 이종소재 용접법으로 레이저를 보조열원으로 이용한 하이브리드 마찰교반용접을 적용하였으며, 80% 이상의 우수한 용접부 강도 확보를 목표로 연구를 수행하였다. 개발된 하이브리드 마찰교반용접부의 타당성을 검증하기 위하여 기존 마찰교반용접과 동일한 공정 변수하에서 금속∙기계학적 특성을 비교하였으며, 아울러 수치해석을 통한 이종소재 용접부의 온도분포를 고찰하고 잔류응력 특성을 규명하고자 하였다.