TIG-FSW 하이브리드 용접을 이용한 이재접합부의 열기계적 거동에 대한 수학적 모델 개발

Abstract

알루미늄과 스틸의 이종재 FSW접합 시 장비의 진동 및 툴의 높은 가압력에 의한 툴 마모와 같은 결함이 발생하며, 이러한 결점은 FSW공정 중 강성이 좋은 재료부분의 예열을 통하여 해결할 수 있다. 소재에 대한 예열을 통하여 가소성이 일어나 일반적인 FSW의 용접공정과 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 본 연구의 TIG 열원은 강성이 높은 재료(STS 304/SS400)의 예열에 이용되므로 알루미늄 합금과 용접 시 건전한 용접부를 얻을 수 있다. TAFSW를 이용한 이종재료의 3차원 열전도 해석은 열전달과 온도 분포를 확인하기 위해 실시 되었으며, 이러한 해석결과는 용접부의 잔류응력, 결정립크기 그리고 용접강도를 예측하는데 큰 영향을 미칠 것으로 판단된다. 따라서 이러한 열전도 해석은 스테인리스와 알루미늄합금 이종재료의 맞대기 TAFSW에서 열전달과 온도 분포를 명확하게 확인할 수 있으며, 해석 결과를 이용하여 용접 중 툴 표면에 발생하는 열을 예측하기 위해 3D 모델을 개발하였다. 이종재료 접합 시 발생하는 열에 따른 온도 분포를 분석하기 위하여 기존에 개발된 자체 프로그램을 이용하여 해석하였다. 온도하중은 body force을 적용 하였고, 이에 따른 잔류응력의 특성을 개발된 프로그램을 이용하여 확인하였다. 툴 표면과 시험편에서 발생하는 마찰열과 이동열원을 고려한 입열을 계산하였으며, TAFSW를 이용한 이종재 접합시 발생하는 최고 온도에 대한 예측을 성공적으로 분석하였다. TIG을 이용한 스테인리스의 예열의 경우 가소성을 형성하여 알루미늄 합금과의 접합을 수월하게 만들어준다. 용접이 진행되는 동안 가장 높은 온도는 고상 마찰부분의 숄더부 아래에서 관찰되었으며, 접합에 따른 금속재 유동은 이종재의 특성상 재료의 물성이 다르기 때문에 스테인레스 스틸부에서 제한됨을 확인할 수 있었다. FSW 접합 공정에서 예열은 FSW 툴의 마찰면적과 토크를 감소시키는 장점이 있다. 이종접합 공정에서 TAFSW의 경우 접합된 이종재는 잔류 응력 분포가 용접 축에 대하여 비대칭 하였다. 이는 M 형상의 응력분포라 할 수 없으며, 이는 종 방향 잔류응력 최대값이 툴 숄더부의 가장부에서 확인되었기 때문이다. TAFSW를 이용한 Al6061-STS304/SS400의 이종재 접합의 경우 종방향 응력의 최고값은 알루미늄부가 스틸부 대비 낮게 측정되었는데, 이는 툴의 주된 교반이 알루미늄 부분에서 일어나며 접합을 하는 동안에 알루미늄 합금의 유동은 스틸 방향이고, 강성이 높은 스틸의 영향으로 알루미늄의 소성유동이 방해 받기 때문이다. 또한, 시뮬레이션결과 와 실 측정 온도분포의 결과 비교는 개발하고 사용된 열 전도 모델의 신뢰성을 확인할 수 있었으며, 용접부의 변형 및 잔류응력 매커니즘 형성과 같은 다양한 시뮬레이션에 대한 적용 가능성을 보여주는 결과라 할 수 있다. 개발된 수치해석 모델을 이용한 다양한 이종재료 접합의 온도 및 잔류응력을 예측 할 수 있고, 대부분 알루미늄과 스틸 접합 공정에 적용 될 수 있다. 따라서 본 연구를 실시하여 중공업 분야에서의 TIG를 보조열원으로 한 FSW 의 적용 가능성에 대해 확인하고자 하였다. 또한, 시뮬레이션결과 와 실 측정 온도분포의 결과 비교는 개발하고 사용된 열 전도 모델의 신뢰성을 확인할 수 있었으며, 용접부의 변형 및 잔류응력 매커니즘 형성과 같은 다양한 시뮬레이션에 대한 적용 가능성을 보여주는 결과라 할 수 있다. 개발된 수치해석 모델을 이용한 다양한 이종재료 접합의 온도 및 잔류응력을 예측 할 수 있고, 대부분 알루미늄과 스틸 접합 공정에 적용 될 수 있다. 따라서 본 연구를 실시하여 중공업 분야에서의 TIG를 보조열원으로 한 FSW 의 적용 가능성에 대해 확인하고자 하였다.|When joining aluminium to steel, equipment rigidity, high force to move the tool and high tool wear rate during FSW induces weld defects. These drawbacks can be overcome by localised preheating the surface of harder material ahead of the rotating tool pin during FSW process. A volume of the material plasticizes during preheating and further to this the welding process can be carried out in the same way as conventional FSW. In this study TIG heat source is used to preheat the harder material (STS 304/SS400) in order to make a sound weld joint with Aluminum alloy (Al 6061-T6). Three-Dimensional heat conduction analysis on dissimilar joint by TIG Assisted FSW (TAFSW) is carried out using an analytical model to determine the thermal histories and the temperature distribution that helps in successful implementation of TAFSW to dissimilar materials and helps in predicting residual stress and weld strength. Therefore, this study intends to gain a clear physical insight of thermal history and temperature distribution in dissimilar butt joint between aluminum alloy (Al 6061-T6) and steel (STS 304/SS400) using TAFSW. ). For this, an analytical model to determine the heat generation from tool surface during FSW process has been developed. In-house solver is used for finding the temperature distribution due to heat generation during TAFSW on dissimilar materials joint. The temperature load is applied as a body force in order to determine the residual stress characteristics using develop program. Residual stress characteristics during welding (with clamping) and after welding (when the clamps are released) are presented here. Moving heat source along with frictional heat between the work specimens and tool surface is considered for calculating the heat input. The analytical tool used predicts successfully the maximum welding temperatures that occur on the dissimilar materials during TAFSW. Preheating due to TIG supplements the formation of plasticized state of stainless steel thereby enhancing the welding with aluminum alloy. During welding, the highest temperature is observed just below the shoulder near stir zone. The material flow is observed to be restricted towards stainless steel due to its material property difference. Complemented advantage of preheating eases out the process of FSW reducing the required torque due to lower friction. In dissimilar joint produced by TAFSW, the residual stress distribution was asymmetric with respect to the weld axis. In Steel-Al6061 dissimilar butt joint by TAFSW joint, peak value in longitudinal stress is lower than that in aluminum alloy side and localised in the Steel side. This is because the stirring action took place mainly in the aluminium side because of the tool location with workpiece and Stainless steel acts as a barrier for aluminium alloy to flow towards steel side during welding. Furthermore, very good agreement between the simulated and measured temperature shows the credibility of the heat conduction model used and developed, potentially providing inputs for various simulations, such as residual stress formation mechanism and distortion of the weldment. With this numerical model established, results can be taken into various cases of temperature and residual stress predictions in dissimilar materials, predominantly for steel to aluminum joints. The application possibility of TIG assisted Friction Stir Welding to heavy industries has been established by this research work.