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의정 마
6 years ago
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1 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp Journal of the Korean Society for Precision Engineering Vol. 29, No. 6, pp June 2012 / 632 전산열 구조해석에의한알루미늄 6061 마찰교반용접특성연구 A Study on Numerical Thermo-Mechanical Analysis for Aluminum 6061 Friction Stir Welding 박찬우 1, 팽진기 1,, 옥주선 2 Chan Woo Park 1, Jin Gi Paeng 1,, and Ju Seon Ok 2 1 경상대학교항공우주시스템공학과 (Department of Aerospace and System Engineering, Gyeongsang Univ.) 2 경남테크노파크항공센터 ( Aerospace Center, Gyeongnam TP) Corresponding author: paengjg@gnu.ac.kr, Tel: Manuscript received: / Revised: / Accepted: A fully coupled thermo-mechanical model is adopted to study the temperature distribution and the material deformation in friction stir welding(fsw) process. Rotational speed is most important parameters in this research. Three dimension results under different process parameters were presented. Result indicate that the maximum temperature is lower than the melting point of the welding material. The higher temperature gradient occurs in the leading side of the workpiece. The maximum temperature can be increased with increasing the tool angular velocity, rpm in the current numerical modeling. In this research ABAQUS Ver.6.7 is to analyze a fully coupled thermo-mechanical model. ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian) finite element formulation is used for the large deformation in FSW process and using the Mass scaling for the analysis time efficiency. Key Words: Friction Stir Welding ( 마찰교반용접 ), Friction Coefficient ( 마찰계수 ), Finite Element Model ( 유한요소모델 ), Thermo-Mechanical Model ( 열 - 구조모델 ) 1. 서론 가스메탈아크용접 (GMAW) 이나저항용접및레이저용접으로알루미늄을접합하는경우에는용접속도가느리고생산성이낮으며용접성이저하된다. 반면에 1991 년영국의 TWI(The Welding of Institute) 에서특허출원된마찰교반용접 (FSW, Friction Stir Welding) 기술은고상접합기술로서새롭고독특한공정이다. 항공기구조물제작시 FWS 를적용하는경우기대되는이점은매우다양한데원가절감과관련하여리베팅보다빠르고조립이단순하며부품재고를줄일수있다. 이러한저원가이점외에도이음부 fastener, butt strap, doubler, bonding, rivet 등이 필요없어져동체중량이가벼워지는이점이있어항공선진국들이많이연구하고있다. 일본과미국, 유럽에서는 TWI 와연계하여마찰교반용접툴의개발및설계, 용접공정및기기개발및 FSW 기술의전반에대해수치해석을통해 FSW 의메커니즘을연구하기위한방법으로 semi-coupled thermo-mechanical models 1-6 은 FSW 모사를위해온도장에실제실험으로측정된값이나대략적온도장을구성하여수치해석을수행한것이며, fully coupled thermo-mechanical models 7-11 은 FSW 중마찰스라이딩혹은성형작업에서의소산은열에너지평형식내에서열원으로작동되게한다. 따라서온도는온도의존재료특성을통해기계적상태에영향을미치게된다. CFD models 12,13

2 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 633 과 thermal model 14 은 FSW 를유한체적법으로모제를유동장으로하여수치계산을통해 tool 주위의회전속도변화및온도변화를구현하였다. 이와같이 FSW 에대한다양한연구가활발하게진행되고있다. 이에비해국내의연구개발활동은소수의연구기관에서만수행되고있으며기초적인연구개발에한정되어있어수치해석에의한 FSW 접합부에대한열분포특성연구가아직까지미비한설정이다. 이에본논문에서는선행연구논문중 Zhang et al 1 의논문을기본으로하여알루미늄 6061 합금에나타나는 FSW 접합부의열분포및역학적특성을유한요소해석프로그램인 ABAQUS Ver. 6.7 로해석하였다. 2. 이론적배경 2.1 FSW 의원리및특성기존의마찰용접은선반형태의기계척에물체를물려놓고회전을시키며용접대상물면을마찰시키면마찰열에의해용접하고자하는부분이용융되면서붙는원리이다. 그러나 FSW 는기존의용접공정과달리용융을하지않고 Fig. 1 과같은원리로고상접합을시키는것이다르다고할수있다. 다. 그이유는접합재의강한소성유동에의해열전대선단의파손이생기기때문이다. 따라서접합부근처나경계부의측정값이많은편이다. Backlun 는 tool 직경 15mm 의경우판두께 4mm 의 Al 6063-T6 재의접합선중앙에서 2mm 떨어진지점에서 500 를초과하는값을측정하였다. 순 Al 의경우접합부최고온도는약 450 로서 Al 의용융점 660 에비해용융점이하의소성유동을일으키는온도라는것이밝혀져있다. TWI 의실험결과에있어서도거의용융점의 70% 정도가최고온도로서 Al 의경우 550 를넘지않는다고하여접합시최고온도는 500 내외라고판단된다 수치해석 3.1 FSW 모델링및메쉬모델 FSW 의 tool 과모재의 geometry model 및 boundary condition 은 Fig 에나타내었다. Fig. 2 Geometry model and boundary condition of FSW process Fig. 1 Principle of friction stir welding 2.2 FSW 의접합부온도분포 FSW 접합시의온도이력에대해서는다양한결과들이발표되고있지만그측정은간단하지않 용접모재는격자생성을용이하게하기위하여두께 3mm, 반지름 40mm 의원형으로구성하였으며, FSW tool 은반지름 3mm, 높이 4mm 인 pin 과반지름 9mm 인 shoulder 로구성하여 Fig 3 와같다. 용접모재와 FSW tool 의모든요소는변위와온도의영향을고려할수있는 8 개의절점을가진 6 면체요소 (C3D8RT) 16 로 Table 1 과같이구성하였다.

한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp. 632-639 June 2012 / 634 Table 1 The number of Nodes and Elements Node Element FSW Tool 3,560 3,010 Work piece 28,060 22,080 Fig. 3 Plate and Tool of mesh model 3.

3 접촉모델마찰교반용접은 FSW tool 과용접모재의마찰에의해접합이이루어진다. FSW tool 의 pin, shoulder 와용접모재사이의 Contact condition 은열 - 구조해석의중요한인자중의하나로, 본연구에서는비소모성 FSW tool 과용접모재의접합을마찰응력 (Frictional stress) 과열유속 (Heat flux) 으로나타냈다.

3 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 634 Table 1 The number of Nodes and Elements Node Element FSW Tool 3,560 3,010 Work piece 28,060 22,080 Fig. 3 Plate and Tool of mesh model 3.2 재료의물성치 FSW tool 은 steel 재질을, 용접모재는 Al 6061 재질을선택하였다. 구조해석의시간을줄이고, 해석의효율을올리기위해 FSW tool 은강체로가정하였다. 용접모재로선택된 Al 6061 은온도의영향에의해그재료물성치가달라진다. 사용된 Al 6061 의재료물성치와온도변화에따른재료의기계적특성은 Fig 와같다. 3.3 접촉모델마찰교반용접은 FSW tool 과용접모재의마찰에의해접합이이루어진다. FSW tool 의 pin, shoulder 와용접모재사이의 Contact condition 은열 - 구조해석의중요한인자중의하나로, 본연구에서는비소모성 FSW tool 과용접모재의접합을마찰응력 (Frictional stress) 과열유속 (Heat flux) 으로나타냈다. Fig. 4 Mechanical and thermal properties of Al 마찰계수 ( µ ) 는대기의먼지와습도, 산화박막, 표면, 미끄럼속도, 온도, 진동, 오염의정도에따라민감하다. 따라서현재까지시험적인방법을통해 FSW tool 과용접모재사이에얻어진정확한마찰계수의결과는확인되지않고있다. 그리하여 FSW tool 과용접모재의 Contact condition 에서사용된마찰계수는 Avallone et al 18 를참조하여 Fig. 5 와같이온도변화에따른마찰계수를 3 가지로가정하여적용하였다 마찰응력 FSW Tool 과용접모재가접촉하면서운동하려고할때, 혹은운동하고있을때두물체의접촉면에서발생하는마찰응력은쿨롱의마찰법칙 (Coulomb's frictional law) 인식 (1) 을따른다. τ = µ P c (1) 여기서, τ 는마찰응력 (Frictional stress) µ 는마찰계수 (Friction coefficient) P 는수직하중 (Normal load) c Fig. 5 Fiction coefficients according to temperature

4 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 열유속마찰교반용접과정의열의대부분은 FSW tool 과용접모재의마찰에의해발생한다. 11 열유속 (Heat flux) 은물체내의단위면적을단위시간동안이동하는열량으로, FSW tool 과용접모재에접촉이일어났을때용접모재에일어나는열유속은다음의식 (2) 에나타내었다. q + s = qk + qr q f (2) 용접모재에발생하는열유속은대류 ( q k ), 복사 ( q r ) 그리고마찰 ( q f ) 에의한열유속의합으로나타낼수있다. 그러나본과제에서는대류와복사에의한열유속은마찰에의한열유속에비해그값이극히미미함으로대류와복사에의한열유속은무시하였다. 그리고마찰에의한열유속은 Fig. 6 에서처럼 FSW tool 의중심축으로부터의거리에의한함수로하여식 (3) (6) 으로계산할수있다. q f (R) = τ ν (3) ν = 2πRω (4) q f R) = 2π Rω τ q ( (5) R f f ) R i = q ( R dr (6) 여기서, ν 는회전속도 (Rotational velocity) R 은 FSW tool 중심축으로부터의거리 ω 는회전속력 (Revolutions per minute, RPM) o FSW 과정에서열유속의분포는 FSW tool 중심으로부터거리에비례함을알수있다. FSW tool 과용접모재의열유속은수직하중, 마찰계수, 단위시간당회전수그리고 FSW tool 중심축과의거리에의해결정된다. 3.4 지배방정식 19,20 물체의표면에대한열적경계조건은물체내에온도차가존재하면열은온도가높은쪽에서낮은쪽으로이동한다는푸리에법칙 (Fourier's law) 을따른다. q x) = k dt dx ( (7) x 여기서, dt/dx는열이흐르는방향의온도구배, k x 는열전도율 [W/m ] 이다. 식 (7) 을기초로하여용접모재인 Al 6061 과같은등방성 (Isotropic) 재료일때에는미소단위체적에유입되는열량, 유출되는열량을 3 차원직교좌표계로확장시킨비정상열전도방정식인식 (8) 에서구할수있다. T T T T ρ c = ( kx ) + ( ky ) + ( kz ) + Q (8) t x x y y z z 여기서, ρ 는밀도 [kg/m 3 ], c 는비열 [J/kg ] 이고, Q 는단위시간당입열량 [W/m 3 ] 이다. 단위시간당발생하는입열량 (Q) 은용접모재의소성변형에의한열로식 (9) 과같이정의된다. Q = η (i,j=x,y,z) (9) pl s ij εij 여기서, sij 는용접모재의마찰면에작용하는응 pl 력 (Deviatoric stress), ε ij 는소성변형률 (Plastic strain rate) 이다. Fig. 6 Heat distribution from friction 3.5 ALE finite element formulation ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian) 유한요소정식화는격자영역 (Mesh domain) 을고정영역으로하는물체의운동을표현한것이다. ALE 유한요소정식화를구성하는 Boundary 는세가지방법 Lagrangian boundary, Sliding boundary, Eulerian

5 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 636 boundary 가있다. Lagrangian boundary 는경계내에서 node 가 material point 와함께거동하도록구속되어있어대변형이발생한경우요소의왜곡현상이나타난다. Eulerian boundary 에서는 node 는고정되고 material point 만이동한다. 즉, material point 는 node 로부터독립적으로거동한다. Sliding boundary 는두경계의장점을취해 material point 와 node 가함께거동하지만, 완벽하게구속되어있지않다. 16 본연구에서는 FSW 과정중에발생하는대변형에의한용접모재의극심한왜곡현상을 Sliding boundary 와 Eulerian boundary 를적용하여해결하였다. 용접모재를 inflow surface 와 outflow surface 로구분하여이두면을 Eulerian boundary 로각각설정하였고, 두 Eulrian boundary 를연결하는용접모재의윗면을 Sliding boundary 로지정하여 ALE 유한요소정식화의경계를 Fig. 2 에서나타낸것과같다. 따라서 FSW tool 과용접모재의 contact model 에적절한경계로본논문에적용되었다. 3.6 Mass scaling 구조해석에사용되는요소의크기가매우작을때, 구조해석에걸리는시간은크게증가한다. 또한다양한경계조건, Contact condition 등에의해더많은해석시간이요구된다. FSW 과정에서는경계조건, 소성변형, Contact condition, 대변형과같은많은해석시간을요구하는비선형요인들을포함하고있다. 그래서본과제에서는구조해석시간의단축시키고해석효율을높이고자 Mass scaling 7,16 을도입하였다. 여기서, t 는응답시간 e L d e L t = ( ) c (10) d c E d = (11) ρ 는가장작은요소의길이 c 는확장속도 E 는탄성계수 ρ 는밀도 식 (10) 과 (11) 에서알수있듯이 Mass scaling 은밀도의함수로써, 밀도가가중치에의해스케일링되었을때, 확장속도는가중치에의해결정된다. 그러나 Mass scaling factor 를무작정증가시켜해석의시간을줄일수있는것은아니다. Mass scaling factor 가커지면관성력이커지게되는현상이나타남으로가중치결정을적절하게정의해야한다. 일반적으로 Mass scaling factor 를사용했을때내부에너지 (internal energy) 에대한운동에너지 (kinetic energy) 의최대비율이 10 을초과하지않아야한다. 본연구에적용된 Mass scaling factor 는 10 6 을사용하였다. 4. 수치해석결과 본논문은앞서언급한용접모재 (Al 6061-T6) 에재료물성치와기계적특성을적용하였으며, FSW tool shoulder 병진속도는 1 mm/s 와 2 mm/s 각각에대하여 shoulder 에 60 MPa 의축하중 (P c ) 을적용하였다. 또한 FSW 접합부에서가정된마찰계수들 (Fig 5) 을적용하여 400, 500, 600, 700rpm 각각의용접 tool shoulder 회전속도에대해 6 초동안의시간변화에따른용접모재의열분포와응력특성을파악하고자한다. Fig. 7 은앞서설명한 FSW tool shoulder 회전속도 400rpm 과 700rpm 을대표로하였다. 또한 FSW tool shoulder 병진속도는 2 mm/s 이고축하중경계조건으로제자리회전 2.5 초의예열시간이후 FSW 접합부의용접모재에대한온도를비교한것이다. 여기서 (a) 는가정된마찰계수들 (Fig. 5) 을적용하여 400rpm 의회전속도에대한용접모재의최고온도를나타낸것이다. (b) 는 (a) 와동일하며 600rpm 의회전속도에대한용접모재의최고온도를나타낸것이다. 본그림에서 Assumed friction coefficient-3 의가정된마찰계수가 FSW 접합부선행연구자료 (Reference-10) 의용접모재에대한온도분포가유사함을볼수있다. 용접 tool 의회전속도 400~700rpm 에대해가정된마찰계수 (Assumed friction coefficient-3) 을적용하여 FSW tool shoulder 병진속도변화에따른모재의온도변화를 Fig. 8 에나타내었다. 본그림에서 FSW tool shoulder 각각의회전속도에대해 FSW tool shoulder 병진속도가 2m/s 일때 2.5 초이후부터온도에대한정상상태도달이빨라짐을볼수있다.

한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp. 632-639 June 2012 / 637 Fig.

6 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 637 Fig. 7 Comparison of temperature from reference and assumed friction coefficients Fig. 9 Temperature history a different time when rotation speed is 400 rpm Fig. 8 Comparison of temperature according to tool rotation speed Fig. 10 Temperature fields under varying rotational speed

한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp. 632-639 June 2012 / 638 Fig. 9 는가정된마찰계수 Assumed friction coefficient-3 을적용하여 400rpm 회전속도에대해 6 초동안의시간변화에따른용접모재의온도분포를나타낸것이다. Fig. 10 은가정된마찰계수 Assumed friction coefficient-3 을적용하여 400, 500, 600 그리고 700rpm 각각의 FSW tool 회전속도에대해 6 초일때용접모재의온도분포를나타낸것이다.

따라서마찰교반용접이고상용접임을입증하는것이다. Fig. 11 Von Mises stress fields under varying rotational speed Fig. 11 은 Fig. 10 에서설명과같으며 400, 500, 600 그리고 700rpm 각각의 FSW tool shoulder 회전속도에대해 6 초일때용접모재의응력분포를나타낸것이다.

7 Explicit) 을이용하여 FSW 과정에서주요공정변수인 tool shoulder 회전속도변화와병진속도변화에따른용접모재의열분포특성및역학적특성을규명하였다. (1) 용접모재의온도분포는 FSW tool shoulder 와용접모재사이의마찰계수에의해크게좌우된다는것을확인하였으나, 현재까지시험적인방법을통해얻어진정확한마찰계수의결과는확인되지않고있다.

7 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 638 Fig. 9 는가정된마찰계수 Assumed friction coefficient-3 을적용하여 400rpm 회전속도에대해 6 초동안의시간변화에따른용접모재의온도분포를나타낸것이다. Fig. 10 은가정된마찰계수 Assumed friction coefficient-3 을적용하여 400, 500, 600 그리고 700rpm 각각의 FSW tool 회전속도에대해 6 초일때용접모재의온도분포를나타낸것이다. 본그림에서 400, 500, 600 그리고 700rpm 각각의 FSW tool shoulder 회전속도에대해용접모재의최고온도는약 428, 444, 460 그리고 470 를나타내고있다. 이는앞서 Fig. 8 에서나타낸용접모재온도분포로써 Al 6061 의용융점인 582~652 보다낮은일정온도에서더이상온도가증가하지않음을알수있다. 따라서마찰교반용접이고상용접임을입증하는것이다. Fig. 11 Von Mises stress fields under varying rotational speed Fig. 11 은 Fig. 10 에서설명과같으며 400, 500, 600 그리고 700rpm 각각의 FSW tool shoulder 회전속도에대해 6 초일때용접모재의응력분포를나타낸것이다. 본그림에서 400, 500, 600 그리고 700rpm 의각각의 FSW tool shoulder 회전속도에대해용접모재의최대응력은약 2.61 Mpa 로유사한값을나타내고있다. 이는동일한구속조건과하중조건에서대부분이열에의한열응력이므로 FSW tool shoulder 회전속도가증가함에따라온도차이가미소하여유사한응력을나타낸다고판단된다. 5. 결론 본논문은 FSW 접합부에나타나는역학적특성들을전산수치적시뮬레이션 (Abaqus V6.7 Explicit) 을이용하여 FSW 과정에서주요공정변수인 tool shoulder 회전속도변화와병진속도변화에따른용접모재의열분포특성및역학적특성을규명하였다. (1) 용접모재의온도분포는 FSW tool shoulder 와용접모재사이의마찰계수에의해크게좌우된다는것을확인하였으나, 현재까지시험적인방법을통해얻어진정확한마찰계수의결과는확인되지않고있다. 따라서 Avallone et al 18 을참조하여가정된마찰계수들중 Assumed friction coefficient-3 을적용하였을때선행연구문헌자료와유사한용접모재의온도분포를확인할수있었다. (2) FSW 과정중에용접모재에발생하는온도분포를통해 FSW tool shoulder 가용접모재에가장많은영향을미침을알수있다. 또한 FSW tool shoulder 회전속도가증가함에따라용접모재의온도변화를증가시켰으며, FSW tool shoulder 병진속도가증가함에따라모재온도변화에통해정상상태도달이빨라짐을볼수있다. 따라서모재의온도변화를통해 FSW 과정에서 shoulder 의크기, 회전속도, 병진속도가주요공정변수임을확인할수있었다. (3) FSW tool shoulder 회전속도변화에따른용접모재의최대응력값은유사한값을나타나내었다. 이는동일한구속조건과하중조건에서응력의대부분이열에의한열응력으로회전속도가증가함에따라최대온도가유사하여최대응력값도유사하다고판단된다.

8 한국정밀공학회지제 29 권 6 호 pp June 2012 / 639 후기 본연구는 2 단계 BK21 사업및기초기술연구회가지원하고한국항공우주연구원이주관하는 DRC 사업의일부로수행되었습니다. 참고문헌 1. Zhang, Z. and Chen, J, T., The simulation of material behaviors in friction stir welding process by using rate-dependent constitutive model, Journal of Materials Science, Vol. 43, No. 1, pp , Zhang, H. W., Zhang, Z., and Chen, J. T., The finite element simulation of the friction stir welding process, Materials Science and Engineering A, Vol. 403, No. 1-2, pp , Zhang, H. W., Zhang, Z., and Chen, J, T., 3D modelling of material flow in friction stir welding under different process parameters, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 183, No. 1, pp , Zhang, Z. and Zhang, H. W., The simulation of residual stresses in friction stir welds, Journal of Mechanics of Materials and Structures, Vol. 2, No. 5, pp , Li, T., Shi, Q. Y., and Li, H. K., Residual stresses simulation for friction stir welded joint, Science and Technology of Welding Joining, Vol. 12, No. 8, pp , Zhang, Z. and Zhang, H. W., Material behaviors and mechanical features in friction stir welding process, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 35, No. 1-2, pp , Zhang, Z. and Zhang, H. W., A fully coupled thermo-mechanical model of friction stir welding, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Vol. 37, No. 3-4, pp , Zhang, Z. and Zhang, H. W., Numerical studies on the effect of axial pressure in friction stir welding, Science and Technology of Welding Joining, Vol. 12, No. 3, pp , Zhang, Z. and Zhang, H. W., Numerical studies of pre-heating time effect on temperature and material behaviors in friction stir welding process, Science and Technology of Welding Joining, Vol. 12, No. 5, pp , Zhang, Z., Bie, J., Liu, Y., and Zhang, H., Effect of travers/rotational speed on material deformations and temperature distributions in friction stir welding, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 24, No. 6, pp , Schmidt, H. and Hattel, J., A local model for the thermo-mechanical conditions in friction stir welding, Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 13, No. 1, pp , Colegrove, P. and Shercliff, H. R., 3-Dimensional CFD modelling of flow round a threaded friction stir welding tool profile, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 169, No. 2, pp , Arora, A., Nandan, R., Reynolds, A. P., and DebRoy, T., Torque, power requirement and stir zone geometry in friction stir welding through modeling and experiments, Scripta Materialia, Vol. 60, No. 1, pp , Song, M. and Kovacevic, R., Thermal modeling of friction stir welding in a moving coordinate system and its validation, International Journal of Machine Tools Manufacture, Vol. 43, No. 6, pp , Threadgill, P., Friction stir welds in aluminium alloys -preliminary microstructural assessment, TWI Bulletin, Abaqus/CAE User's Manual Ver 6.7, SIMULIA, Schmidt, H. and Hattel, J., A local model for the thermomechanical in friction stir welding, Modeling and Simulation in Materials Science and Engineering, Vol. 13. No. 1, pp , Avallone, E. and Baumeister, T., Mark s Standard Handbook for Mechanical Engineers, 9 th Ed., McGraw Hill, Jang,S.-S., A analysis on Thermal and mechanical strength problem in A5083 Alloy Friction Stir Welding process Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Chung-nam National University, Rajesh, S. R., Kim, H.-J., Bang, H.-S., and Chang, W.-S., Friction Stir Welding : Heat Input Calculation, J. of KWS, Vol. 24, No. 4, pp , 2006.

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