Laser-FSW Hybrid 접합기술을 적용한 이종재료(Al6061/SS400) 접합부의 접합성 및 기계적 특성에 관한 연구

Abstract

범세계적으로 강력해진 환경규제로 인하여 21세기를 맞이한 현대사회의 각종산업분야에서 최대의 핵심 과제는 “환경과의 조화-녹색성장”일 것이다. 이에 이산화탄소 증가로 인한 지구온난화는 심각한 문제로 지적되고 있다. 이러한 국제적 규제의 대응 및 문제 해결 방안으로 철도차량, 자동차, 선박, 항공기 등의 수송기계분야에 있어서는 이산화탄소 배출의 삭감에 기여하는 기술로서 엔진효율 및 연소방식의 개선, 수송기계의 중량저감, 동력전달의 효율화 등이 개발 및 적용되어지고 있다. 특히, 수송기계 차제의 중량은 연비 및 이산화탄소 배출에 직접적인 영향을 미치고 있어 차제에 경량 소재재료들의 적용에 대한 요구 및 관심이 빠르게 증가되고 있는 실정이다. 경량금속인 알루미늄의 경우 비중이 강의 1/3로서 낮은 밀도에도 불구하고, 비강도가 높고, 특히 각종 원소와의 결합을 통한 합금성이 우수하다. 또한, 소성가공성이 좋고 전기전도도 및 대기중에 내식성과 내마모성이 우수하여 구조 및 기능성금속으로서 다른 경향 소재에 비해 적용범위 및 활용도가 높은 비철재료이다. 하지만 기존의 용융용접방법으로는 고온균열 감수성이 높은 알루미늄 합금을 용접하는 경우 균열 및 기공의 발생 등으로 용접에 어려운 점이 많다. 이러한 문제점 등을 개선한 접합방법으로 마찰교반접합(FSW)기술이 적용되어지고 있다. 이 기술은 회전하는 Tool을 피접합체에 삽입하여 마찰발열에 의해 접합체를 연화시켜 소성유동을 통해 접합하는 비소모성 접합방법으로서 알루미늄 합금의 경우 고상접합이므로 용융용접에서 생길 수 있는 균열(액화균열, 응고균열)및 합금원소의 손실을 방지할 수 있고, 접합부의 결정립 미세화 등의 고품질 접합부를 얻을 수 있는 환경친화형 접합방법이다. 더불어 보다 효과적인 수송기계 분야의 강도 확보 및 경량화를 위해서는 이종소재(알루미늄 합금과 스틸) 접합을 통한 경량화 추진이 필요하나, 스틸과 알루미늄 합금의 이종소재 접합기술의 부재로 국내외 산업응용분야에서의 실제구현은 거의 이루어지지 않고 있다. 또한 알루미늄합금의 경우 강에 대비하여 열전도도는 4배, 선팽창계수는 약 2배, 응고수축률은 1.5배로서 이러한 물리적 특성이 상이한 이종재료(Al 6061, SS400)간에 기존의 접합방법으로 리벳팅 및 바이메탈을 이용한 용융 용접을 적용하였으나 이에 소요 공정 시간의 증가 및 용접열에 의한 용접결함(변형, 잔류응력, 응고균열, 기공, 산화 등) 뿐만 아니라 금속간 화합물생성으로, 접합부의 강도저하로 건전한 접합부를 얻기가 어렵다. 따라서 본 연구는 저밀도 이면서 비강도가 우수한 알루미늄 합금(Al6061)과 일반 구조용압연강재로 우수한 가공성 및 강도를 지닌 Mild Steel(SS400) 이종재료에 Nd:YAG Pulse Laser(600W)와 FSW를 결합한 Hybrid 접합기술을 적용하여 접합을 수행하였으며, 아울러 기계적 특성(인장시험. 경도시험) 및 금속학적 특성(광학현미경, SEM, EDS)을 파악하여 이종재료의 접합성을 평가하고 수송기계 분야의 적용성을 고찰하고자 한다.|The need of reducing light weight products is increasing day by day , especially in vehicle manufacturing industry. Today, the whole world is continuously tightening emission restrictions both on land and at sea for which a solution is light weight structures. Recently, researchers are focusing on fabricating light weight structures which are economical and environmentally friendly. Outstanding properties of aluminum such as, lightweight, corrosion-resistant etc, opens up a whole new world of design possibilities for engineering and architecture professionals to meet design goals. Combining aluminum alloys with whole products is expensive and also there is limitations in making required shapes. Dissimilar joints are used in structures where light weight and high strength are desirable. Riveting, and bimetallic strip joining techniques for dissimilar material joint increases manufacturing cost and require more man hours. However, welding aluminum alloys to steel with classical fusion welding techniques is generally difficult due to the wide differences in their thermal and mechanical properties, and the tendency to form hard and brittle inter-metallic compounds such as Fe2Al5 and FeAl3. Solid state bonding method like Friction Stir Welding (FSW) offers substantial advantages over friction welding and diffusion bonding and is potentially a practicable joining process for dissimilar materials. Joining dissimilar materials, especially steel to aluminum, by FSW requires high tool load and equipment rigidity. In addition, the weld material get red hot and the wear debris from the tool can frequently be found inside the weld. In laser welding of steel to aluminum the possibility of intermetallic compounds to appear in the weld is more producing poor welds. To overcome this problem for joining dissimilar joint, laser preheating can be implemented. Hence, this work intends to establish the possibility of joining dissimilar joint (Al6061-T6 & SS400) by Laser assisted FSW(LAFSW). For this, weldability, thermal characteristics, mechanical characteristics and metallurgical characteristics of dissimilar joint by LAFSW is studied. Successfully obtaining the process of dissimilar metal joining by LAFSW and analysis of the experimental data influence the industrial and national competitiveness. Scientifically, this method could be a basic of another dissimilar metal joining following this study. Finally, this study contributes to industries world wide who looks forward to decline trial and error methods, improve their own competitiveness in that field.