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특집 : 자동차차체경량화를위한알루미늄합금의용접기술 알루미늄경량차체제작을위한 용접용가재별성형성평가 Evaluation of Formability Depend on Aluminum Filler Wire to Make Lightweight Vehicle for MIG Welding Process Yong Kim, Ki-Young Park and

1 특집 : 자동차차체경량화를위한알루미늄합금의용접기술 알루미늄경량차체제작을위한 용접용가재별성형성평가 Evaluation of Formability Depend on Aluminum Filler Wire to Make Lightweight Vehicle for MIG Welding Process Yong Kim, Ki-Young Park and Kyoung-Don Lee 1. 서론 년미국오바마행정부가제안한자동차연료경제성향상및오염물질배출규제강화에대해알루미늄운송그룹회장인 는다음과같이발표하였다 이러한조치가자동차연료경제성과오염물질배출규제에대한대책을요구하게될때알루미늄은큰역할을할수있다 무거운재료는연료효율성을낮추기때문에엔진기술및다른기술들과함께자동차부피가아닌자동차무게는오늘발표된조치에서앞으로새로운연료경제성향상및배출규제요구강화에대응하기위해많이감소시켜야한다 무거운자동차를운행하는데에는보다많은에너지가사용된다는것은당연한현상으로 고강도이며경량인알루미늄은무게를감소시켜연료효율을높이고탄소배출을줄이는데기여할수있다 알루미늄은경쟁대상이되는다른재료들중에서가장탄소배출을적게할수있다 사실상알루미늄을사용하여무게를 감소시키면같은크기 안전성및성능을가지는자동차에비해연료효율을 까지향상시킬수있다 즉알루미늄은전체적으로이산화탄소배출을가장많이줄이면서안전성에대한보장과함께강철을대신해서사용할수있는현존하는가장우수하고현실적인대체재료로사료된다 한편차세대자동차에서무게를줄이는잠정적인방법으로최근독일의아헨대학은자동차의 과같은주요부품에알루미늄을사용하는것은고강도강철을 줄임으로써자동차무게를안전하게 까지줄일수있다는연구결과를보고하였다 하이브리드및전기자동차의보급이확대됨에따라보다많은알루미늄을자동차에사용하면경량인자동차는무겁고비싼배터리를보다작은것으로사용할수있기때문에소비자들에게전체자동차비용을줄여줄수있다 이산 화탄소배출과관련해서마그네슘산업에서실시한개별적인분석에의하면강철이아닌알루미늄은생산 제조 도로운행 폐기 재활용의전주기사이클에서이산화탄소배출을가장적게할수있다 2. 알루미늄저입열아크용접 알루미늄의용융용접방법으로는 및레이저용접등이가능하지만 레이저용접은초기설비투자비가고가인단점이있으며 의경우는생산성이매우낮다는단점이있어제품의경쟁력이근본적으로저하된다 또한일반적인 용접의경우후판에서는우수한용접성및고속용접이가능하지만 박판용접에서는소모전극을사용하기때문에아크에의한열량과이행하는용적이보유하는열량이더해져모재에입열되고 이로인해박판의경우용락이발생할가능성이매우높으며적정용접조건에서용접을실시하더라도열변형이매우큰단점이있다 이를방지하기위해저전류용접범위를사용할경우에는다량의스패터가발생하게되어기존의 용접을 이

알루미늄경량차체제작을위한 용접용가재별성형성평가 Wire retraction period 하박판에적용하기에는많은무리가따른다 이와같은알루미늄박판용접의한계를극복한프로세스개발을위해여러연구자들의노력이있어왔으며 최근이에대한결과중하나로저입열단락이행 용접기법이개발되었다 본기법은기존의 용접방식에비해상대적으로낮은온도에서단락형태의금속이행이이루어진다 기존의

용접시기계적접합강도측면에서용가재선택따른성형특성을검토하고자하였으며 이에대한결과를기술하고자한다 3.

2 알루미늄경량차체제작을위한 용접용가재별성형성평가 Wire retraction period 하박판에적용하기에는많은무리가따른다 이와같은알루미늄박판용접의한계를극복한프로세스개발을위해여러연구자들의노력이있어왔으며 최근이에대한결과중하나로저입열단락이행 용접기법이개발되었다 본기법은기존의 용접방식에비해상대적으로낮은온도에서단락형태의금속이행이이루어진다 기존의 용접방식은전류가단락단계에서상당량증가하지만 이용접방식을사용하면 와같이단락단계에서와이어가역인 되어전류가아주낮게유지된다 이에따른용적이행시용적의표면장력을높여주어저전류에서도안정적인아크유지가가능하며스패터가거의발생하지않아알루미늄박판용접에적합한프로세스로판단된다 이에본기고에서는이러한저입열단락이행형태의용접프로세스를이용하여차체부품에널리쓰이는 천계열알루미늄합금의 용접시기계적접합강도측면에서용가재선택따른성형특성을검토하고자하였으며 이에대한결과를기술하고자한다 3. 실험방법 실험에사용된용접기는와이어의송급이단락이감지는순간역인되어저입열용적이행이가능한 용접기로서모델명은 이다 실험소재로사용된알루미늄은차체부품에많이적용되는 천계열합금인 로서시편크기는 두께는각각 를사용하여맞대기용접하였다 본연구에사용된소재의화학조성및기계적성질은각각 및 와같다 용가재는 및 이각각검토되었으며 용가재의지름은기본적으로 를사용하였다 단용가재직경이성형성에미치는영향을파악하기위해 용가재도일부사용되었다 접합부의기계적특성평가를위해선행실험을통해용가재에따른적정맞대기용접조건을도출하여분석시편을제작하였다 분석시편은모두 용가재를사용하였으며루트간격 은 로하 Die Blankholder.7mm R=0.8mm Punch 132.6mm R=6.3mm A Drawbead 였다 도출된용접조건은 천계열용가재의경우 에서안정적인비드를얻을수있었던반면 천계열의 경우 에서적정비드가형성되었다 이와같이 적정조건으로용접된맞대기용접시편의성형성 평가를위해 용량의만능박판성 형시험기를사용하여 의시험속도로돔장 출시험 을실시하였다 본시 험은 과같이 의반지름을갖는펀치를 일정한속도로가압하여각시편에대한균열발생시점 까지의높이를기록하여비교하는것으로이는최대펀 치높이 이하 로표현할수 있다 성형성시험은용가재종류에따른비교뿐아니 라입열량 비드형상및희석률에따른성형성또한

3mm a W 180mm 비교되었으며 특히비드형상을제어하기위해일정 폭 과깊이 를갖는그루브백킹재를제작하여 실험하였다 백킹재는일반탄소강판을사용하였으며 총세종류가제작되었다 백킹재에대한디자인및치 수는 및 에제시하였다 4. 결과및고찰 4.

(a) Backing 1 (b) Backing 2 (c) Plate backing (d) 일하다 는백킹없는일반적용접부단면이 며 및 는백킹그루브의크기를각기달리한 형태이다 마지막으로 는백킹재에별다른그루브 가공없이덧댄후용접한결과이다 이와같이각기

3 3mm a W 180mm 비교되었으며 특히비드형상을제어하기위해일정 폭 과깊이 를갖는그루브백킹재를제작하여 실험하였다 백킹재는일반탄소강판을사용하였으며 총세종류가제작되었다 백킹재에대한디자인및치 수는 및 에제시하였다 4. 결과및고찰 4.1 비드형상에따른성형성평가 비드형상에따른성형성을평가하기위해백킹그루 브 크기를변화시켜가며 와 같이 가지형태의비드를형성시켰다 이때사용된 용가재는 로서모두동일한용접조건을적용하 였으며 이에따라형성된용융금속의면적은모두동 b H No backing (a) Backing 1 (b) Backing 2 (c) Plate backing (d) 일하다 는백킹없는일반적용접부단면이 며 및 는백킹그루브의크기를각기달리한 형태이다 마지막으로 는백킹재에별다른그루브 가공없이덧댄후용접한결과이다 이와같이각기 다른비드형상을갖는시편에대해돔장출시험을실시 하였으며이에따른시험결과는 에나타내었다 시험결과최대펀치높이 는비드형상과상관없이 이내의오차범위내에서모두비슷한결과를나타 냈으며 본시험결과를토대로맞대기용접에서용융부 의면적이동일한경우비드형상은성형성에영향을주 지않는것을확인할수있었다 4.2 공정변수에따른성형성평가 용접의맞대기용접에있어서대표적인용접 공정변수로는입열량과루트간격을들수있다 일단 입열량이성형성에미치는영향을확인하기위해동일한 전류에서루트간격및용접속도만변화시켜용접후성 형성을비교하였다 마찬가지로사용된용가재는 이었으며 그결과는 에나타내었다 일단입열량에따른성형성은증가하다가약간감소 되는경우를볼수있었는데 이는적정수준의입열조 Gap 1.0 Gap 0. c d 78A-1.2m (480J/cm) 78A-1.m (384J/cm) 78A-1.8m (3J/cm)

알루미늄경량차체제작을위한 용접용가재별성형성평가 건이강도에영향을미친다는것을알수있다 상대적 으로용접속도가빠른경우용가재에첨가된합금원소 가용접부에희석되는시간이충분치않기때문에강도 가저하된것으로판단된다 한편동일입열량에서루트간격만각각 로달리한후성형성을평가한결과최대펀치높이값이 이상차이가발생하였다 이렇게성형성에차이가 나는이유는같은맥락으로모재와용가재의모재희석

4 알루미늄경량차체제작을위한 용접용가재별성형성평가 건이강도에영향을미친다는것을알수있다 상대적 으로용접속도가빠른경우용가재에첨가된합금원소 가용접부에희석되는시간이충분치않기때문에강도 가저하된것으로판단된다 한편동일입열량에서루트간격만각각 로달리한후성형성을평가한결과최대펀치높이값이 이상차이가발생하였다 이렇게성형성에차이가 나는이유는같은맥락으로모재와용가재의모재희석 정도의차이에기인한것으로판단된다 이에따라루 트간격은일정수준이상확보되어야하나용접안정성 측면에서볼때는루트간격의증가가아크쏠림이나험 핑비드를만들수있기때문에적정수준으로유지되어 야한다 4.3 용가재종류에따른성형성평가 각용가재의특성을고려한적정용접조건을도출하 여시험편을만든후성형시험을실시하였다 별다른 백킹은실시하지않았으며 루트간격은 로동일 하게하였다 시험결과 과같이 천계열용가재 의 가 천계열대비 이상향상된결과를나 타냈으며 용가재직경과성형성간상관성은찾을수 없었다 이와같은성형성은전단강도를나타내는척도 로서인장강도와는다른양상을보이는데 성형성향상 을목적으로한 천계열합금의용접시 의고용효 과에의한기계적강도향상이본성형성에상당부분 영향을미치는것으로사료된다 1.0 φ 1.2 φ. 결언 천계열알루미늄합금의용접에적합한용가재의선 택은스틸용가재의선택과달리여러가지사용환경 이고려되어야한다 즉알루미늄용가재의선택에있 어서가장중요하게고려되어야하는용접부의성능또 는성질이무엇인지를잘판단하여야한다 이러한아크용접의용가재선택에있어서크게다음과같은변수들이고려되어야할것이다 용접성 이것은쉽게말해용접균열과관계된다 일반적으로 함량이 또는 를표준조성으로하는 계천계열 용가재의경우 가융점이낮은공정을생성하여용탕의유동성을좋게하기때문에용접금속의고온균열에대한저항성이크며 이에따라 천계열용가재에비해용접이비교적수월하게이뤄질수있다 용접강도 일반적으로맞대기용접부에서의인장강도는용가재의종류와상관없이 연화에의해용접부가아닌 에서파단된다 그러나전단강도측면에서 을포함한 천계열용가재가 천계열보다약 정도강도가우수한것으로알려져있다 연성 본기고에서중점적으로검토된성형성을지칭하는것으로 천계열용가재에첨가된 은고용량에따라경도및강도를향상시키는효과가있다 내식성 해수나또는부식매개체에노출되어있는환경에있는용접부인지고려되어야하며 갈바닉부식을고려하여모재에대해음극이되는용가재를기본적으로선택하여야한다 이에 의경우 천계열 알루미늄모재에비해양극 의성질을지니고있어부식성에취약함을보인다 사용온도 응력부식균열에대한감수성을의미하며 천계열과같은열처리형합금에서는사용온도가 이상시 천계열용가재의사용이응력부식균열방지에매우효과적으로알려져있다 색조변화 및비드외관 천계열용가재는용접후양극처리 를하게되면모재와다른색조를띄게되므로미관이중

요시되는용접부의경우는 천계열용가재를사용한다 그러나 은산소와의결합력이강해서용접후표면 에서 산화물이생성되는경우가있으며 용접비드

늄을자동차에사용하는해결안은점점확대될것으로 예상되며 차체최종품질에많은비중을차지하는용 접기술또한이에발맞춰개발되어야할것이다 후 기

용접 접합편람 대한용접 학회 한국철강신문 알루미늄응용기술의이해와활용 주 한국철강신문 용 년생 고등기술연구원로봇 생산기술센터

5 요시되는용접부의경우는 천계열용가재를사용한다 그러나 은산소와의결합력이강해서용접후표면 에서 산화물이생성되는경우가있으며 용접비드 의형상또한 천계열보다는미려함이떨어진다 이와같이보다깨끗하고보다안전하며보다우수한 성능을가지는차세대자동차를개발하기위해알루미 늄을자동차에사용하는해결안은점점확대될것으로 예상되며 차체최종품질에많은비중을차지하는용 접기술또한이에발맞춰개발되어야할것이다 후 기 본연구는지식경제부및울산광역시에서주관한 울 산과학연구단지육성사업 의일환으로수행되었으며이 에감사드립니다 참고문헌 대한용접학회편 용접 접합편람 대한용접 학회 한국철강신문 알루미늄응용기술의이해와활용 주 한국철강신문 용 년생 고등기술연구원로봇 생산기술센터 용접가공 이경돈 년생 고등기술연구원로봇 생산기술센터 레이저용접및자동화 박기영 년생 고등기술연구원로봇 생산기술센터 레이저용접및자동화

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DBPIA-NURIMEDIA 연구논문 김동윤 박영환 부경대학교대학원생산및자동화공학과 부경대학교기계공학과 The Design of Manufacturing Process Optimization for Aluminum Laser Welding using Remote Scanner Dongyoon Kim* and Young Whan Park**, *Dept. of Manufacturing and