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승경 탄
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1 기술논문 합금의겹치기마찰교반접합건전성 고영봉 최준웅 박경채 한국화학시험연구원시험연구팀 중소조선연구원해양레저장비개발센터 경북대학교금속신소재공학과 Joining Ability and Mechanical Properties of Friction Stir Lap Welded A5052-H112 Alloy Young-Bong Ko*,, Jun-Woong Choi** and Kyeung-Chae Park***, *Dept. of Testing and Research Team, Korea Testing & Research Institute, Daegu , Korea **Dept. of Ship Technology Research Division, Research Institute of Medium & Small Shipbuilding, Pusan , Korea ***Dept. of Materials Sciences and Metallurgy, Kyungpook National University, Daegu , Korea Corresponding author : kcpark@knu.ac.kr (Received September 9, 2009 ; Revised November 24, 2009 ; Accepted November 25, 2009) Abstract In Friction Stir Lap Welding(FSLW), the movement of material within the weld was more important than the microstructure, due to the interface present between the sheets. Thus, The soundness of free defect, Effective Sheet Thickness(EST) and width of joint were most important factor of mechanical properties. Specimens by lap joint types that were 'A-type' and 'R-type' were made in this study. A-type tensile specimen was loaded at advancing side and R-type tensile specimen was loaded at retreating side. Macro-, micro-structural observation and mechanical properties of FSLW A5052-H112 alloy ware investigated under varying rotating and welding speed. The results were as follows: Material hook formed decreasing after sharply increasing was appeared at the end interface of joint area in advanced side, and material hook formed decreasing after smoothly increasing was observed at that in retreated side. Tensile load had no relation with defects. As rotating speed was higher, tensile strength was increasing and EST was decreasing regardless of joint types. joint efficiency was over 70%. In a result of fractography, fracture in A-type was partially occurred by dimple in SZ, and fracture in R-type was generally occurred by dimple in HAZ. Key Words : FSLW(Friction Stir Lap Welding), Joint type, Material hook, EST(Effective Sheet Thickness), Soundness 1. 서론 마찰교반접합 은 년영국용접연구소 에서개발된고상접합기술로서지금까지조선이나항공등다양한산업분야활용되고있다 마찰교반접합의공정원리는겹치기한접합면에회전 툴을고속으로회전시키고 프루브 를고정된모재에삽입하게되면회전툴 과접합모재사이에마찰열이발생하게된다 이러한마찰열로인해접합모재는연화되면서변형저항이낮아지게되고 기계적인힘을가하여회전툴은접합선에따라이동되고프루브의앞부분 에서뒷부분 으로모재를밀어내면서숄더 에의해단조된다 이러한공정이연속적

합금의겹치기마찰교반접합건전성 으로일어나면서접합된다 국내의경우마찰교반접합은접합부의특성을개선하 고 산업분야에다양하게적용하기위하여대학및연 구소에서이에대한연구개발을활발히진행하고있으 나 산업계현장에서의실제적인활용은선진국들에비 해상대적으로많이뒤쳐져있는실정이다 그리고마찰 교반접합에관한연구개발은주로맞대기마찰교반접합 에집중되어있는반면 겹치기마찰교반접합 바가없다

2 합금의겹치기마찰교반접합건전성 으로일어나면서접합된다 국내의경우마찰교반접합은접합부의특성을개선하 고 산업분야에다양하게적용하기위하여대학및연 구소에서이에대한연구개발을활발히진행하고있으 나 산업계현장에서의실제적인활용은선진국들에비 해상대적으로많이뒤쳐져있는실정이다 그리고마찰 교반접합에관한연구개발은주로맞대기마찰교반접합 에집중되어있는반면 겹치기마찰교반접합 바가없다 에대해서는거의보고된 최근들어항공 조선 자동차분야등의구조물에사 용되는리벳접합대신겹치기마찰교반접합이많이주 목받고있는데 이는리벳구멍이균열핵생성과틈새부 식의원인이되기때문이다 또한겹치기마찰교반접합 은리벳접합에비해무게를감소시킬수있으며 검사 주기를늘릴수있어물리적작업을개선할수있다 한편앞으로의산업분야에는가공경화형알루미늄소 재인 계합금판재와같은경금속소재들이다양하 게활용될것이다 이에본연구에서는 에대해서겹치기마찰교반접합을실시하여접합조건과 접합형태에따라접합의건전성을평가하였고 기계적 성질과파단형태에대해검토하였다 2. 실험방법 본실험에사용한모재는 이고 기계적 특성은 에나타내었다 접합조건은 와같다 가로 세 로 두께 의시편 개를각각 겹치게두고겹치기 마찰교반접합을실시하였다 이때겹치기마찰교반접합 의조건으로써부하하중을 시편과툴사이의각 도를 로고정하였고회전속도 AI plate Cu plate AI plate 2mm(A5052) 10 μm (C1020) 2mm(A5052) 및접합속도 를변수로하였다 접합조건을간략하게 순으로표시하였고 단 위는생략하였다 로나타내었다 예를들어 을 프루브의지름은 길이는 의나사산형 태로자체제작하였으며 숄더의지름은 로폭과 시편의두께를고려하여제작하였다 접합부마크로조직을관찰을위해연마된시편을 용액 으로에칭한후실측현미경을이용하여관찰하 였다 방사선투과시험을실시하여결함유무 크기를 조사하였다 접합계면은구리박판을알루미늄상 하 판사이에 과같이삽입하여겹치기마찰교반접합 후 를이용하여구리분포를통해관찰하였다 접합형태에따른접합특성평가를위해 형태 및 형태 로시편을제작하였다 형태는앞부분 형 태는뒷부분에서인장하중을받도록겹치기마찰교반 접합을하였다 는 형태와 형태의모식도를 나타내었다 이렇게제작한시편을접합부수직한방향으로너비 인인장시편을제작한후시험속도 로 인장시험을수행하였다 은인장시편모식도이며 뒤틀림을방지하기위해시편양쪽끝에알루미늄으로 덧붙인후시험하였다 그리고주사전자현미경 을이용하여접합형태에따라파단면을관찰 하였다 3. 실험결과및고찰 3.1 접합부의건전성평가 접합의건전성을평가하기위해서접합단면마크로 조직및방사선투과시험에의한결함그리고접합형태 에따라유효두께를분석하였다

고영봉 최준웅 박경채 A type R type Advancing side

side Welding direction Welding direction

3 고영봉 최준웅 박경채 A type R type Advancing side Retreating side Retreating side Advancing side Welding direction Welding direction 는접합조건에따른접합단면마크로조직사진이다 단면마크로조직사진은접합형태 형태 형태 에따라좌우위치만바뀌므로구분하지않았다 겹치기마찰교반접합의교반부위치는프루브의용입깊이에따라결정되므로하판의접합부아래에반타원형교반부가생성되었다 또한앞부분에서영역별경계면이뒷부분의경계면보다뚜렷하였다 이는뒷부분의경계면이툴의회전방향과접합방향이상반되는운동으로인해교반효과가감소되어서계면형성이원활하게이루지못했기때문으로사료된다 또한교반부영역에마찰열과소성유동에의한 형태가나타났다 생성된결함은 및접합속도와상관없이 을제외한조건에서나타났으며 회전속도가증가하고접합속도가감소함에따라공공의크기가감소하였다 이는접합조건에따라결함의생성및크기가다르며 이는접합시발생한입열량차이때문인것으로사료된다 는접합조건에따라방사선투과시험을실시한후투과사진이다 결함은회전속도가증가하고접합속도가감소함에따라결함이감소하였고 단면마크로조직에서무결함생성조건인 에서도확연히나타났다 이러한결함발생원인은두가지로나눌수있는데 첫번째원인으로는저속회전과고속접합속도에따른입열량부족으로소성유동과마찰열이충분하지못해발생한결함이고 두번째원인은툴의고속회전과저속접합속도로인해입열량이증가되고 도증가됨에따라표면모재일부가날림 형태의결함이발생한경우이다 여기서의결과는날림현상이없는것으로보아입열량과교반부족에의한결함인것으로판단된다 단면마크로조직과방사선투과시험의결과를토대로

4 합금의겹치기마찰교반접합건전성 Welding speed (mm/min) Defect free Slight defect Defect 접합조건에따른접합결함조건을 에나타내었다 단면마크로조직과방사선투과시험에서모두우수한접합조건이나타날경우 양호 로표기하였고 둘중어느하나에서만우수한경우 보통 으로표기하였으며 두시험에서결함이발견된경우를 결함 으로표기하였다 회전속도가증가할수록접합속도가감소할수록결함발생가능성이낮아졌다 의결과중접합속도 인경우에서접합의결함상태가양호 보통 결함이모두나타났으므로앞으로 대해서접합형태에따른접합계면 유효두께 인장강도 파단면등을검토하고자한다 은접합계면을관찰하기위해대표적으로 의접합조건에서알루미늄상 하판사이에구리박판을삽입하였고 접합후접합부의 과 를이용하여구리분포를나타낸것이다 접합계면앞부분에서급격한상승후하강하는형태가관찰되었고 뒷부분에서완만한상승후하강하는형태가되었다 이는모든조건에서동일하게나타났다 건전한겹치기마찰교반접합을위해서는입열량에따른결함 소성유동 접합두께 유효두께등을고려해야한다 접합조건을적절히제어하여숄더에서발생한입열량이상판으로부터하판까지전달될수있어야하며 교반에의한소성유동은툴이동으로인해생성된공공으로물질이채워질수있도록빨라야한다 접합두께는툴의형상에따라크게좌우하는데 시편두께보다더넓게만들어해야만접합면에서파단되지않고모재에서파단된다 또한겹치기마찰교반접합에서는상판과하판사이에계면이존재하기때문에미세조직보다는물질이동이더중요한요소라고할수있다 특히뒷부분에서앞부분

고영봉 최준웅 박경채 유효두께는접합형태와접합조건을제어하여가장두 꺼운유효두께가만들어야접합건전성을확보할수있

2 인장강도및파단면관찰 으로의물질이동으로인해수직물질이동이발생한다 이러한수직물질이동이프루브의바깥면에서발생한다 면

라고한다 접합형태에따른단면조직은 에나타내었고 유효두께는 에나타내었다 형태인경우는회

이는회전속도 가증가함에따라프루브바깥면의수직물질이동이활 발하여 또한급격하게상승한것으로 판단된다 Effective

4 0 600 900 1200 1500 EST(A-type) EST(R-type) 은 형태및 형태의경우회전속도에따

형태의인장하 중보다더낮은값이나타났다 이는앞에서설명한무 결함발생조건인 결함발생조건인 더낮은값을나타내었다

5 고영봉 최준웅 박경채 유효두께는접합형태와접합조건을제어하여가장두 꺼운유효두께가만들어야접합건전성을확보할수있 을것이라고판단된다 3.2 인장강도및파단면관찰 으로의물질이동으로인해수직물질이동이발생한다 이러한수직물질이동이프루브의바깥면에서발생한다 면 미접합계면의물질도수직물질이동이발생한다 이렇게생성된미접합계면을 이라하고 상판혹은하판과미접합계면과의최소거리를유효두 께 라고한다 접합형태에따른단면조직은 에나타내었고 유효두께는 에나타내었다 형태인경우는회 전속도가증가할수록유효두께가감소하였다 형태인 경우는회전속도가증가할수록감소는하였으나 형 태와비교하면감소폭은월등히줄었다 이는회전속도 가증가함에따라프루브바깥면의수직물질이동이활 발하여 또한급격하게상승한것으로 판단된다 Effective sheet thickness (mm) EST(A-type) EST(R-type) 은 형태및 형태의경우회전속도에따 른인장하중을나타낸다 접합속도 에서회 전속도가증가함에따라접합형태에상관없이인장하중 은감소하였고 형태의인장하중이 형태의인장하 중보다더낮은값이나타났다 이는앞에서설명한무 결함발생조건인 결함발생조건인 더낮은값을나타내었다 Tensile load (kgf) 의인장하중이 의인장하중보다 여기서알수있듯이겹치기마찰교반접합에서인장 하중은결함과는무관한것으로사료된다 은 형태일때 는 형태일때회전속도에따 른인장파단형상이다 파단은접합면에서가아니라더 A-type R-type

합금의겹치기마찰교반접합건전성 250 Ultimate tensile strength (N/ mm2 ) 200

얇은유효두께에서일어남을알수있었다 이리하여 유효두께에서의인장강도를검토해보았다 은

나타났다 이는모재인장강도의 접합효율 을나타내었다 그러나 형태가접합효율은우수하나

앞에 서설명하였듯이 의 형태일때 회전속도가 증가함에따라핀이지나는경계지점인교반부에서파 단되었다 의 형태일때

에서의인장파단면사진이다 미접합면과준 벽개 취성파면이넓게발생하였고 일부분연성파괴형태인딤플 형상이보이고 있다

과쉬어립 현상이나타났다 이 는접합계면의변형이없어미접합면이없기때문이라 판단된다 4.

6 합금의겹치기마찰교반접합건전성 250 Ultimate tensile strength (N/ mm2 ) UTS(A-type) UTS(R-type) 얇은유효두께에서일어남을알수있었다 이리하여 유효두께에서의인장강도를검토해보았다 은 접합형태와회전속도에따른인장강도를나타내었다 접합형태에상관없이인장강도는증가하였다 형 태 형태에대한최대인장강도는 를 나타났다 이는모재인장강도의 접합효율 을나타내었다 그러나 형태가접합효율은우수하나 실생활에적용하기위하여인장강도와유효두께를함께 고려한 형태가 형태보다유익할것이다 다음으로인장파단후파단형상을검토하였다 앞에 서설명하였듯이 의 형태일때 회전속도가 증가함에따라핀이지나는경계지점인교반부에서파 단되었다 의 형태일때 회전속도가증가 함에도불구하고가장연화가심한부부분인열영향부에 서파단이발생했다 는 형태일때가장유효두께가얇은 에서의인장파단면사진이다 미접합면과준 벽개 취성파면이넓게발생하였고 일부분연성파괴형태인딤플 형상이보이고 있다 이는접합계면의변형이심하기때문이라여겨진 다 는 형태일때가장유효두께가두꺼운 에서의인장파단면사진이다 전영역에서딤 플 과쉬어립 현상이나타났다 이 는접합계면의변형이없어미접합면이없기때문이라 판단된다 4. 결론 본연구에서는 소재를이용하여겹치기 접합형태에따른마찰교반접합의건전성및기계적특 성에대해다음과같은결론을얻었다 마크로조직및방사선투과시험결과무결함을 나타나는조건은 이었다 동일조건에서의유효두께는 형태보다 형태가 더넓었고 접합형태와관계없이회전속도가증가함에

7 고영봉 최준웅 박경채 따라유효두께는감소하였다 그리고유효두께가넓을 수록건전한접합성을확보할수있었다 접합형태에상관없이회전속도를증가함에따라 인장강도값은증가하였다 이는모재인장강도의 이상접합효율을나타내었다 접합형태에따른파단면을검토한결과 형태 일때는미접합면과준벽개 취성파면 이넓게분포하였고일부에서연성파괴형태인딤플 형상을보이고 형태인경우는전영역에 서딤플형상을나타내었다 참고문헌

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DBPIA-NURIMEDIA 50 연구논문 마찰교반점용접 (FSJ) 을이용한자동차용 Al 합금의접합성평가 조현진 * 김흥주 * 천창근 * 장웅성 * 방국수 ** * 포항산업과학연구원 (RIST) 용접센터 ** 부경대학교일반대학원소재프로세스공학과 Evaluation of Friction Spot Joining Weldability of Al Alloys for Automotive Hyeon-Jin