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 Cho*, Heung-Ju Kim*, Chang-Keun Cheon*, Woong-Seong Chang and Kook-Soo Bang** *Welding Research Center, Research Institute of Industrial Science and Technology, Pohang 790-600, Korea **Materials Processing Engineering, Pukyong University, Busan 608-739, Korea Abstract In an attempt to optimize friction spot joining process of Al alloys for automobiles, effects of joining parameters such as tool rotating speed, plunging depth, and joining time on the joints properties were investigated. A wide range of joining conditions could be applied to join Al alloys for automobile without defects in the weld zone except for certain welding conditions with a lower heat input. For sound joints without defects, tensile shear strength of joints was higher than acceptable criteria of tensile shear strength of resistance spot welded joints for aluminum. * Corresponding author : balliant@nate.com (Received July 25, 2005) Key Words : Friction spot joining, Aluminum alloys, Al 5052, Al 6061, Tensile shear test, Hardness 1. 서론 자동차산업에서알루미늄합금은엔진, 열교환기, 휠, 서스펜션암, 범퍼빔등에사용되고있다. 오늘날, 알루미늄의적용분야는차체분야에까지확대되어졌고그적용부분은점점넓어지고있다. 현재강재의차체조립을위해저항점용접 (Resistance spot welding ; RSW) 이널리쓰이고있으나알루미늄의경우에는높은전기에너지의소모와이에따른변형을동반하는문제점을지니고있다 1). FSW 공정을응용한새로운기술인마찰교반점용접 (Friction spot joining ; FSJ) 는이러한점에서최근자동차산업등에서주목받고있다. 비용융고상접합공정인 FSJ는기존의전기저항점용접에서발생되는높은에너지소비량과용융용접된접합부의기계적성질이저하하는등의문제점을해결할수있는접합방법이다. 또한기계적인툴기술에기초하는공정이므로 용접공정의변화에따른생산성과품질편차가적고자동화가용이한이점을지니고있다. 현재쉽게연화되어질수있는저융점경량합금의접합에이기술이적용되어지고있으며폭넓은적용을위해많은연구들이이루어지고있다. 따라서이접합방법을이용하여최근자동차경량화재료로서각광을받고있는 5052와 6061 알루미늄합금의마찰교반점용접부의접합특성을검토하였다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에서사용한재료는 Al-Mg 계비열처리가공경화형전신재합금 Al5052-H34 합금 (1t) 과 Al- Mg-Si 계열처리석출경화형전신재합금 Al6061-T6 합금 (1t) 를이용하여접합을실시하였다. 사용된재료의화학성분과기계적인특성을 Table. 1에나타내었다. 50 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
마찰교반점용접 (FSJ) 을이용한자동차용 Al 합금의접합성평가 51 Table. 1 Chemical compositions and mechanical properties of Al6061-T6 and Al5052 Chemical composition (wt)(%) Mg Si Cr Mn Cu Zn Fe Al Al 6061 1.0 0.7 0.2 0.15 0.2 0.25 0.7 bal. Al 5052 2.6 0.25 0.25 0.1 0.1 0.1 0.4 bal. Mechanical properties Tensile Yield Elongation(%) Strength(MPa) Strength(MPa) Al 6061 289 10 241 Al 5052 234 4 179 하였다. 접합부인장전단시험은 JIS Z 3140 규격에맞추어시편을제작하여실시하였으며, 미세조직적특징은광학현미경 (OM : Optical Microscopy) 이용하여관찰하였으며, SEM(Scanning Electron Microscopy) 을이용하여파단면을관찰하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 접합부조직및접합성평가 3.1.1 접합부조직 Fig. 2와 Fig. 3은각각 Al 5052 합금과 Al 6061 2.2 실험방법 FSJ 접합공정은 Fig. 1에서보이는바와같이겹쳐진모재에회전하는비소모식접합툴이적절한축하중으로일정한시간동안삽입되어마찰열을발생시켜툴에인접한모재를연화시킨다. 그후삽입된툴에인접한모재에소성유동현상이발생되어접합이이루어진다 2). 알루미늄소재에대한접합실험은 FSJ 장치를이용하여접합인자즉, 접합용툴의회전속도 (rotating speed), 접합시간 (joining time), 툴의삽입깊이 (plunging depth 를변화시켜결함이없는건전한접합부를얻고자하였다. 사용한툴은평평한형상을지닌직경 9mm 숄더와직경 3mm, 길이 1mm인핀을지닌것을사용하였다. 건전한접합부의결함유무는육안에의한접합부관찰및접합한재료를절단하여마운팅을한다음폴리싱연마후 keller 시약과 barker 시약을사용하여에칭한후광학현미경을사용하여접합부조직을관찰하였다. 또한건전한접합부의기계적특성을평가하기위하여경도시험 (0.3kgf, 12sec) 및인장전단시험을실시 Fig. 2 Macro and microstructures of friction spot joined Al 5052 joint (1500rpm, 2440N, 6. 5sec, 1.4mm, 6.5sec) Plunging Stirring Withdrawal Fig. 1 Schematic diagram of friction spot joining process Fig. 3 Macro and microstructures of friction spot joined Al 6061 joint (2500rpm, 1.4mm, 6.5 sec, 2565N) 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 51
52 조현진 김흥주 천창근 장웅성 방국수 합금을접합용툴을이용하여 Al5052의경우회전속도 1500rpm, 삽입깊이 1.4mm, 축하중 2440N, 접합시간 6.5sec 의조건과 Al6061의경우회전속도 2500 rpm, 삽입깊이 1.4mm, 축하중 2656N, 접합시간 6.5sec조건에서마찰교반점용접후접합되어진각합금의단면조직을나타낸것이다. 접합부단면은일반적인 FSW 접합부와유사하게교반부 (Stir Zone ; SZ) A, 기계적열영향부 (Thermo-Mechanically Affected Zone ; TMAZ) B, 열영향부 (Heat Affected Zone ; HAZ) C, 모재부 (Base Metal ; BM) D로구분되어진다. Al 5052와 Al 6061 합금모두유사한미세구조변화를보였다. A영역은접합중접합숄더면과의접촉으로발생한마찰열에의해접합부가가열되어지고핀에의한기계적인교반으로발생되는소성유동으로인한동적재결정이일어나미세한결정립을지니고있다. B 영역에서는기계적인변형에의해조직이연신되어졌고 C영역에서는열의영향을받아결정립이조대해졌으며 D영역은전신재를사용하였으므로압연되어진알루미늄합금의모재조직인압연조직을나타내고있다. 3.1.2 접합부기계적특성 겹쳐진 Al 5052 합금과 Al 6061 합금에회전속도에따른 FSJ 접합부의경도를측정하여 Fig. 4에나타내었다. Al 5052 합금의경우핀에인접한부분에서경도값이모재에비해상승하고숄더면끝부분에서일부경도값이낮아지는것을알수있다. 핀주변에서경도값이상승하는것은 Fig. 4에서볼수있듯이툴의기계적인교반에의해소성유동이일어나고이로인한동적재결정이일어나매우미세한결정립이핀주변에형성되었기때문에상승한것으로사료된다. 또한직접적인교반이일어나지않은 TMAZ 부분의경우소성유동으로인해발생된가공경화의정도가커져전위의집적으로인해경도값이상승한것으로사료된다. 숄더면끝부분에서일부경도값이낮아지는것은본실험에사용된 5052 알루미늄합금은가공경화를통해모재의물성을부여한합금이므로열영향부부근에서접합시발생하는접합열에의한어닐링 (annealing) 효과에기인한다고사료된다. Al 6061 합금의경우모재에서툴에가까워질수록경도가낮아졌으며핀에인접한부위에서는경도가약간상승하였다. 이는마찰열의영향으로인해석출물의재고용이발생하여재료가연해지는연화현상 (Softening) 에의한것으로판단된다. 3) 또한회전속도가빨라질수록유입되는입열량이커져접합부의연화현상이커지는것을알수있다. Fig. 4 Vickers hardness profile of FSJ Joint of Al 5052 and 6061 in cross section 두합금의회전속도에따른 FSJ 접합된접합부의인장전단강도를 Fig. 5에나타내었다. Al 5052 합금의경우는회전속도 1500rpm에서 Al 6061 합금은회전속도 2500rpm 에서가장높은인장전단강도를보이는것을알수있다. 이와같이최고인장전단강도가차이가나는것은두합금간의열소성차이에서오는것으로판단된다. Fig. 6은두합금의온도상승에따른열소성성을나타낸것이다. 4) 여기서볼수있듯이상온에서유사한정도의연신율을지닌두합금이접합온도부근으로갈수록연신율의차이가증가하는이유로써는두합금이소성유동될수있는온도의범위가다르다는점을들수있다. 이로인해두합금의최고인장전단강도의조건이다른것으로판단되어진다. Fig. 7은삽입깊이에따른인장전단강도를나타낸것이다. 겹쳐진두판의상판에서툴이 1.4mm 삽입되어졌을때가장높은인장전단강도를나타내는것을알수있다. 적절한접합부를형성하기위해서는툴의핀에의한좌우및상하교반이이루어져야한다. 하지만삽입깊이가얕을경우상하교반이충분치못하게되고깊을경우에는숄더에의해과도하게모재부위가눌 52 Journal of KWS, Vol. 24, No. 1, February, 2006
마찰교반점용접 (FSJ) 을이용한자동차용 Al 합금의접합성평가 53 Fig. 7 Tensile shear strength in Al 6061 as a function of plunging depth (Rotating speed : 2500rpm, Joining time : 6.5sec) Fig. 5 Tensile shear strength of Al 5052 and 6061 alloys as a function of rotating speed (plunging depth : 1.4mm, Joining time : 6.5sec) Fig. 8 Tensile shear strength in Al 6061 as a function of joining time (Rotating speed : 2500rpm, plunging depth : 1.4mm) Fig. 6 Mechanical properties of various wrought Al alloys at elevated temperatures 리게되어단면적의감소를가져오게된다. 따라서인장전단강도는적절한깊이일경우에가장높은인장전단강도를나타내는것으로사료된다. 또한이는사용되어진툴의형상에따라최적조건이달라질것으로보인다. Fig. 8 은최초회전하는툴이시편에닿는순간부터 삽입되어지고일정시간유지시킨후까지의시간을나타내는접합시간에따른인장전단강도분포를나타낸것이다. 접합시간이길어질수록인장전단강도는증가하다특정시간을넘으면오히려감소하는것을볼수있다. 이는툴이일정시간이상까지는소성유동으로인한동적재결정및기계적인변형으로접합부의강도를높이나일정량이상의소성유동은오히려접합부의강도를낮추는것으로판단된다. 시간이증가함에따라접합부의온도가상승하게되고이로인해 Al 6061의경우는석출상의고용량증가, Al 5052의경우는어닐링에의한연화에기인하여인장전단강도의감소가초래되는것으로사료된다. Fig. 9는위의여러조건중최적의조건에서접합되어진접합부의인장전단강도를나타낸것이다. 여기서알수있듯이 FSJ 접합부의인장전단강도는기존의알 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 53
마찰교반점용접 (FSJ) 을이용한자동차용 Al 합금의접합성평가 55 Friction Stir Welding Symposium, September (2001), 27-28 2. M. Fujimoto, M. Inuzuka, M. Nishio and Y. Nakashima : Development of Friction Spot Joining, Quarterly Journal of Japan Welding Society, 74-4 (2004), 4-7 (in Japanese) 3. Y.S.Sato, H.Kokawa, M.Enomoto, S.Jogan : Metall. & Mater. Transaction A, 30-9 (1999), 2429-2437 4. ASM Specialty Handbook, Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International. (1994), 76-78 5. Pan, T., Joaquin, A., Wilkosz, D.E., Reatherford, L., Nicholson, J.M., Feng, Z., and Santella, M.L. : Spot Friction Welding for Sheet Aluminum Joining, Proc. 5th International Symposium on Friction Stir Welding, Metz, France 大韓熔接學會誌第 24 卷第 1 號, 2006 年 2 月 55