TIG-FSW Hybrid 접합기술을 이용한 Al6061-T6/Ti-6Al-4V 접합부의 접합성 및 기계적 특성에 관한 연구

Abstract

최근 전 세계적으로 대기오염 및 지구온난화 그리고 자원고갈로 인하여 21세기를 맞이한 현대사회의 각종 산업분야에서 최대의 핵심 과제는 “친환경적 녹색성장”일 것이다. 특히, 수송기기(철도차량, 항공기, 선박, 자동차 등) 산업에서는 환경보호와 에너지 절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 이산화탄소 배출 및 중량을 최소화 하기위한 노력이 이루어지고 있다. 무엇보다 수송기기 차체의 중량은 연비 및 이산화탄소 배출에 직접적인 영향을 미치기 때문에 경량화의 요구가 급증하였고 차체에 경량 부재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다. 경량 소재 중에서도 알루미늄 합금은 경량이고 비중이 강의 1/3로서 비강도가 높고, 특히 각종 원소와의 결합을 통한 합금성이 우수하다. 또한, 소성가공성이 좋고 전기전도도 및 대기 중에서 내식성과 내마모성이 우수하여 구조 및 기능성금속으로서 다른 경량 소재에 비해 적용범위 및 활용도가 높은 비철재료이다. 하지만 기존의 용융용접방법으로는 알루미늄 합금을 용접하는 경우 용접 열에 의한 변형 및 기공, 균열 등의 결함이 발생하기 쉬우며 접합부의 강도저하가 비교적 쉽게 발생하여 이에 대한 대책이 요구되고 있을 뿐만 아니라 물리적 특성이 상이한 재료의 접합일 경우에도 접합이 매우 어렵거나 불가능한 실정이므로 이에 대한 대책이 요구되고 있다. 이러한 문제점 등을 개선한 접합방법으로 마찰교반접합(FSW : Friction Stir Welding)기술이 적용되어지고 있다. 이 기술은 1991년 영국 TWI(The Welding Institute)에서 처음으로 개발된 고상접합법의 하나로 회전하는 Tool을 피접합체에 삽입하여 마찰발열에 의해 접합체를 연화시켜 소성유동을 통해 접합하는 비소모성 접합방법으로서 용접에 의한 변형이 적고 비소모성 접합방법일 뿐만 아니라 용접결함, 흄, 유해광선의 발생 없이 우수한 품질의 접합부를 얻을 수 있으며, 기계적 특성 또한 우수하기 때문에 환경친화형 접합방법으로 많이 각광을 받고 있다. 또한, 기존의 이종재료 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. 하지만, 이러한 장점에도 불구하고 FSW를 이용하여 이종재료를 접합할 경우 물리적인 성질이 상이하여 동종재료의 FSW접합 방식으로는 건전한 접합부를 쉽게 얻을 수 없어 두 재료 중 연질인 재료에 마찰교반접합 Tool을 삽입하여 건전한 접합부를 얻은 결과가 보고된바 있으나 아직은 연구가 많이 미흡한 실정이다. 특히, 알루미늄과 티타늄 합금의 이종소재 접합기술의 부재로 국내외 산업응용분야에서의 실제 구현은 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구는 저밀도 이면서 비강도가 우수한 알루미늄 합금과 비강도는 물론 내식성 및 고강도를 갖고 현재 공업용으로 많이 사용되고 있는 티타늄 합금의 이종재료를 FSW에 TIG를 결합한 하이브리드 접합기술을 적용하였으며, 아울러 기계적 특성(인장시험, 경도시험) 및 금속학적 특성(광학현미경, SEM, EDS)을 파악하여 이종재료의 접합성을 평가하고 산업분야의 적용 가능성을 고찰하고자 하였다.