81 연구논문 마찰교반용접된철도차량용 A65 압출재의기계적성능향상을위한최적공법설계 원시태 * 김원경 **, * 서울산업대학교금형설계학과 ** 한국철도기술연구원시험인증센터 Optimum Design of the Friction Stir Welding Process on A65 Extruded Alloy for Railway Vehicles to Improve Mechanical Properties Si-Tea Won* and Weon-Kyong Kim**, *Dept. of Die & Mould Engineering, Seoul National University of Technology, Seoul 13-743, Korea **Korea Railroad Research Institute, Uiwang 437-757, Korea Corresponding author : wkkim@krri.re.kr (Received August 8, 29 ; Revised August 28, 29 ; Accepted October 1, 29) Abstract Recently, extruded aluminium-alloy panels have been used in the car bodies for the purpose of the light-weight of railway vehicles and FSW(Friction Stir Welding), which is superior to the arc weldings, has been applied in the railway vehicles. This paper presents the optimum design of the FSW process on A65 extruded alloy for railway vehicles to improve its mechanical properties. Rotational speed, welding speed and tilting angle of the tool tip were chosen as design parameters. Three objective functions were determined; maximizing the tensile strength, minimizing the hardness and maximizing the difference between the normalized tensile strength and hardness. The tensile tests and the hardness tests for fifteen FSW experiments were carried out according to the central composite design table. Recursive model functions on three characteristic values, such as the tensile strength, the hardness difference(δhv) and the difference of normalized tensile strength and ΔHv, were estimated according to the classical response surface analysis methodology. The reliability of each recursive function was verified by F-test using the analysis of variance table. Sensitivity analysis on each characteristic value was done. Finally, the optimum values of three design parameters were found using Sequential Quadratic Programming algorithm. Key Words : FSW, Sensitivity analysis, Tensile strength, Hardness, Normalized tensile strength, Normalized ΔHv, Response surface analysis methodology, Optimization 1. 서론 최근 1991년영국의 TWI(The Welding Institute) 사에서개발된마찰교반용접공법 (Friction Stir Welding process) 은재료가비용융된상태에서접합시키는고상접합기술 (solid state welding tech- nology) 로현재 알루미늄합금을비롯하여기존의아크용접기술로접합하기어려운많은재료의접합에이용되고있다 1). 마찰교반용접은융점이하의온도에서재료를접합시키기때문에다른접합방식에비해열변형이적어서용접부의기계적강도가우수할뿐만아니라, 화염이나기공및잔해가남지않는다. 또한, 용접후특별한표면처리가필요없고, 용접봉등의소모성부재및차단가스 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 29 年 1 月 551
82 원시태 김원경 (shielding gas) 가필요하지않기때문에매우환경친화적이고경제적인공법이다 2). 이러한장점때문에마찰교반용접공법은현재항공, 조선, 자동차및철도차량등다양한산업분야에적용되고있다 3). 특히일본에서는철도차량을중심으로마찰교반용접기술의적용예가활발히증가하고있다. Hitachi 사는마찰교반용접공법을이용하여자기지지방식의내장판넬모듈을적용한 A-Train 을개발하였다 4). A-Train 은마찰교반용접을이용하여제작된변형이최소화된정밀이중구조 (double skin) 의차체내부에자기지지방식의모듈화된내장구조를최소한의볼트를사용하여삽입체결한차량으로써, Life-Cyle cost가감소되고재활용성이대폭향상되는특성이있다. 또한, Hitachi 사는마찰교반용접공법을이용하여차체바닥판의일면용접이가능하도록이음부설계기술을개발하여 7계신간선의바닥판에적용하였고, 실제광폭패널을제작하였다 5). 유럽의 Hydro Aluminum사는 TGV 객차의지붕을마찰교반용접공법으로제작하여 Alstom 사에제공하고있다. 국내철도차량의경우에는아직마찰교반용접공법을적용한알루미늄차체를제작하지못하고있으나이를적용하기위해노력하고있는중이다. 일반적으로마찰교반용접부재는아크용접부재에비해기계적강도및피로성능이우수하다고알려져있지만, 모재의재질및두께에따라, 그리고용접공구의이송속도및회전속도등용접조건의변화에따라그특성이달라진다 6). 지금까지다양한재료에대하여용접부재의인장강도와용접조건과의관계를규명하려는연구는많이이루어졌지만 7,8), 인장강도를최대화시키기위한최적의용접조건을찾으려는시도는거의이루어지지않았다. 또한, 대표적기계적특성중하나인경도에대해선용접전과후의경도변화만관찰했을뿐, 용접조건이경도변화에끼치는영향을알아보거나경도를향상시키기위한노력은시도된바가없다. 따라서본논문에서는철도차량의차체제작용으로많이활용되는 A65 압출재에대하여인장강도와경도를향상시키기위한마찰교반용접공정의최적조건을표면반응분석법을이용한최적설계기법 9) 을사용하여찾아냈다. 실험계획법에따라 3개의용접변수즉, 공구이송속도, 회전속도, 경사각을변화시키며 15 번의마찰교반용접을수행하였고, 각각에대해인장시편과경도시편을제작하여인장강도및경도를측정하였다. 측정된인장강도및경도를바탕으로인장강도, 경도감소량및정규화된인장강도와경도감소량을성능지수로하는 3개의근사화모델을생성하고 이를이용하여인장강도와경도를향상시키기위한용접변수들의최적인값을도출하였다. 2. 마찰교반용접공정 Fig. 1은마찰교반용접공정을보여주는사진이다. 마찰교반용접의기본개념은매우단순하다. 특이한형상의핀 (pin) 이장착된공구 (tool) 가회전하면서모재의맞대기틈새 (abutting edges of base plates) 로삽입되고, 용접선 (line of joints) 을따라움직인다. 공구의숄더 (shoulder) 부는일정온도 (2-3 ) 로예열되어있어서, 숄더부와접촉하는지점에서모재를국부적으로가열시킨다. 한편, 모재의맞대기틈새로삽입된회전하는핀에의해모재와핀사이에마찰열이발생하게되고, 모재의재질이연화된다. 공구가이동함에따라연화된재질내부에소성유동이발생하게되고, 서로혼합되면서결국접합이이루어진다. 이때모재의재질은높은온도에서격렬한소성변형을하게되고그결과미세하고치밀한재결정조직 (recrystallized grains) 이생성된다. 이같은용접부의미세구조때문에마찰교반용접된부재가가스및아크용접등기존의방법으로용접된부재보다기계적강도및피로성능이우수한특징을보인다 1). 한편, 접합된모재의두부분중공구의회전방향과같은쪽에위치한부분을 Advancing side라하고, 반대쪽을 Retreating side라한다. 이러한차이는열전달, 재질의흐름및기계적특성등에있어서비대칭성을발생시킬수있다 11). 마찰교반용접기술은기존의용접기술보다에너지의소모가적고보호가스나용매가필요없으며, 용접중화염, 잔해및소음이거의발생하지않는환경친화적인기술이다. 또한, 용접봉등의소모성금속이필요없기때문에모재와다른금속간의조직융화문제가발생하지않는다. Fig. 1 Pictures of friction stir welding process 552 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 29
마찰교반용접된철도차량용 A65 압출재의기계적성능향상을위한최적공법설계 83 3. 마찰교반용접시편제작 본연구에서는철도차량의바닥판 (floor panel) 및지붕판 (roof panel) 또는차체의벽체 (wall) 로사용되는두께 4.8 mm의 A65 압출재를용접의대상으로선정하였다. A65 는유럽에서개발된합금으로서독일의특급열차인 ICE등에적용되고있고, 국내에서도 KTX를비롯한신차종에도입여부가검토되고있는상태이다. Table 1은 A65 압출재의화학적조성을나타낸다. 본연구에서는마찰교반용접전문시공업체인 W 사의마찰교반용접기를이용하여용접을수행하였다. 두께 1.2 mm의박판부터두께 5 mm의후판까지용접할수있고, 공구의이송속도 (welding speed), 회전속도 (rotational speed), 삽입깊이 (insertion depth) 및경사각 (tilting angle) 을조절할수있다. 일반적인마찰교반용접과정에서용접부의기계적특성에영향을미치는요소로공구의회전및이송속도, 누름압력, 경사각, 팁의형상, 숄더부의지름및잠열량등이있다. 이중에서공구의회전및이송속도, 누름압력, 경사각및팁의형상이가장민감한영향을끼치는것으로알려져있다 6-8). 본연구에서는팁의형상의경우외형은매우복잡하기때문에외형을구성하는용접변수를설정하기어려울뿐만아니라, 팁 1개에대한제작비가매우비싸고제작시간도많이소요되기때문에제작사의기존시험데이터를반영하여적합한공구를적용하고본연구의용접변수에서는제외하였다. 누름압력의경우는공구의삽입깊이로조절할수있으나용접대상으로선정한 A65 압출재가 4.8 mm인반면에팁의길이는 4.6 mm로설정하였기때문에고려할수있는공구의삽입깊이는.2 mm에불과하므로용접변수에서제외하였다. 따라서본연구에서는 FSW 용접의현실성을감안하여공구의회전속도, 공구의이송속도및공구의경사각을용접접합부의기계적성질을향상시키기위한최적화설계변수로선택하였다. Table 2는설계변수의종류및각수준에해당하는값을보여준다. 설계변수는 3수준으로선정하였고, 각수준에해당하는값들은사용한장비의성능및규격을 기준으로시험재료의특성을고려하여결정하였다. Table 2 Design parameters for FSW Levels Design parameters -1 1 Rotational speed(ω, rpm) 1, 1,25 1,5 Welding speed(ν, mm/min) 3 475 65 Tilting angle(θ, degree) 2 2.5 3 반응표면분석법을통해설계변수와목적함수와의관계를알아내기위해 3수준의설계변수가 3개일때의중심합성실험계획표 (Central composite design table) 9) 를생성한후총 15가지경우에대하여마찰교반용접을실시하였다. Table 3은설계변수가 3개인경우에생성되는중심합성실험계획표이며, 이를통해용접조건에대한세부정보를확인할수있다. 길이 1, mm, 너비 18 mm로가공된 A65 압출판재 2장에대해맞대기용접으로용접시편이제작되었다. 4. FSW 접합부기계적특성시험 용접접합부의기계적특성을파악하기위해제작된용접시편에대해 Fig. 2와같이 KS규격의인장시험용시편과경도시험용시편을제작하였다. Fig. 2(a) 에서 W는나비, T는두께, L은표점거리, P는평행부길이, R은어깨부반지름을나타낸다. 실험의정확성을위해 15가지용접조건에따라제작된용접시편에서용접도입부와마무리부를제거하고, 용접부의표면상태가고른부위를골라시편을제작하였다. (a) For the tensile test Table 1 Chemical composition of A65 Chemical composition (weight) (%) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Others Al.6-.9.35.1.1.4-.6.1.1.1.5 remains (b) For the hardness test Fig. 2 Test specimen 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 29 年 1 月 553
84 원시태 김원경 4.1 인장시험 Fig. 2 (a) 와같이인장시편을 5개제작한후만능재료시험기 (INOVA, 13S) 로 1,8 N/min 의인장하중을시편에가하여인장강도및연신율등을측정하였다. 5 개의측정결과에서최소값과최대값을제외한나머지 3 개결과의평균값을대표값으로사용하였다. Fig. 3(a) 는 Table 3에서모든설계변수가 수준일때, 즉회전속도는 1,25 RPM, 이송속도는 475 mm/min, 경사각은 2.5 일때얻은용접시편에대한인장실험결과이다. 그림에서가로축은변형율 (strain) 을, 세로축은응력 (stress) 을의미한다. 그림에서인장강도는약 21.98 MPa, 연신율은약 12 % 정도임을알수있다. Fig. 3 (b) 는모든용접시편에대한인장강도측정결과를보여준다. 각경우에대한인장응력값은 Table 3에서확인할수있다. 4.2 경도시험 Fig. 2 (b) 와같이제작된경도시편에대해마이크로비커스경도계 (HM-124) 로경도시험을수행하였다. 경 도시험기의배율은 5으로크기의피라미드형압자를적용하여시험하중 1 gf, Dwell Time 3 초를적용하여측정하였다. 경도는접합부의중심을기준으로시편의횡단면의중앙을 1 mm 간격으로증가시키면서측정하였다. Fig. 4 (a) 는 Table 2에서모든설계변수가 수준일때얻은용접시편에대한경도측정결과를보여준다. 그림에서접합부중심을기준으로오른쪽이 Advancing side이고, 왼쪽이 Retreating side이다. Advancing side의전체적인경도의크기가 Retreating side쪽보다약간큼을알수있다. 또한, 모재부 (base metal) 보다용접부 (welded region) 의평균경도가많이낮음을확인할수있고, 이때경도감소량의최대값은 42.7 Hv, 평균경도감소량 (ΔHv) 은 32.37 Hv이다. 여기서경도감소량의최대값은모재부경도의최대값에서용접부경도의최소값을뺀값이고, 평균경도감소량은모재부경도의평균값에서용접부경도의평균값을뺀값이다. Fig. 4(b) 는모든용접시편에대한평균경도감소량측정결과를보여준다. 각경우에대한감소량의정확한값은 Table 3에서확인할수있다. 25 12 Stress, N/mm 2 2 15 1 5 Tensile strength=21.983 N/mm 2 Hardness(Hv), Hv 1 8 6 4 2 retreating side DHv=32.37 advancing side mean Hv lone for surface mean Hv line for welding 3 6 9 12 15 Strain, % (a) When levels of all design parameters equal zero -3-2 -1 1 2 3 4 5 Length(mm) (a) When levels of all design parameters equal zero 25 4 Tensile strength, N/mm 2 2 15 1 5 Decrease of hardness(hv), Hv 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Number of DOE for FSW 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Number of DOE (b) For all cases Fig. 3 Tensile strengths (b) For all cases Fig. 4 Decreases of hardness 554 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 29
마찰교반용접된철도차량용 A65 압출재의기계적성능향상을위한최적공법설계 85 5. 반응표면모델형성및최적화 5.1 반응표면모델형성 Table 3은 15가지용접조건에대한인장및경도실험결과를보여준다. 표에서 ω는공구의회전속도, ν는공구의이송속도, θ 는공구의경사각을의미한다. 실험결과로서 σ T 는인장강도를 ΔH v 는평균경도감소량을보여준다. 먼저, 인장강도와설계변수들간의관계를분석하기위해반응표면분석법 9) 에따라인장강도에대한회귀모형함수를유도하면식 (1) 과같다. 식 (1) 에서각계수는해당변수들이인장강도의변화에영향을미치는크기, 즉민감도의크기를나타낸다. 식 (1) 에보는바와같이공구의이송속도, 회전속도및경사각순으로인장강도에영향을끼침을알수있다. 또한, 공구회전속도의계수가음수이므로회전속도가감소할수록인장강도가증가할것이라고예상할수있으며, 공구이송속도의경우계수가양수이므로이송속도가증가할수록인장강도도증가할것이라고예상할수있다. 그러나경사각의경우, 회전속도및이 Table 3 Central composite design table and test results Doe no ω ν θ σt(mpa) ΔHv(Hv) 1-1 -1-1 196.15 32.21 (1) 송속도에비해민감도의크기가매우작기때문에경사각의변화는인장강도의변화에거의영향을주지않는다고볼수있다. 한편, 평균경도감소량에대해동일한방법으로모형함수를유도하면식 (2) 와같다. 식 (2) 에서보는바와같이평균경도감소량의경우인장강도와는달리경사각이가장큰영향을주고있으며, 공구의이송속도는평균경도감소량변화에거의영향을끼치지않음을확인할수있다. 인장강도는재료의파괴및피로한도와밀접하게연관되어있는특성으로써일반적으로인장강도가크면클수록재료가강건하고, 피로한도및피로수명이증가한다. 경도의경우재료의긁힘 (scratch) 및마모 (wear) 와연관이있고, 용접부와모재의경도차이가작을수록좋다. 식 (1) 과식 (2) 에서추정된모형함수를바탕으로인장강도와경도를독립적으로향상시킬수있는설계변수들의최적값을찾아낼수도있지만, 두가지의성능을동시에향상시키기위한새로운모형함수를유도할필요가있다. 인장강도를향상시키는동시에평균경도감소량을저감시키는설계변수들의조건을찾기위해 Table 3의결과에서인장강도와평균경도감소량을각각의최대값에대해정규화 (normalization) 시킨후, 정규화된인장강도 (σ T ' ) 와평균경도감소량 (ΔH v ' ) 의차이값을식 (3) 과같이구하였다. (2) 2-1 -1 1 198.65 34.41 3-1 1-1 25.84 33.7 4-1 1 1 23.87 34.64 (3) 5 1-1 -1 194.6 32.36 6 1-1 1 193.13 34.5 7 1 1-1 23.12 31.49 8 1 1 1 2.44 33.83 9 21.98 32.37 1-1.216 22.95 31.91 11 1.216 21.87 31.6 12-1.216 22.3 33.21 13 1.216 24.24 33.54 14-1.216 197.12 33.74 15 1.216 2.68 34.44 여기서 σ max T 와 ΔH max v 는 15번의실험에서측정한인장강도와평균경도감소량의최대값이다. 식 (3) 에서구한정규값의차이에대한모형함수를구하면식 (4) 와같다. 식 (4) 의결과치 ( ) 가클수록인장강도는크고, 평균경도감소량은작게됨을의미한다. (4) 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 29 年 1 月 555
86 원시태 김원경 5.2 최적화 FSW의최적화를수행하기전에추정된모형함수, 즉식 (1), 식 (2) 및식 (4) 의유효성을검증하기위해 Table 4와같이분산분석표 (analysis of variance table) 를기반으로하는 F-검증 (F-test) 을실시하였다. Table 4에서각경우에대한 F 값이 F(.1) 보다크므로추정된 3개의모형함수모두유의수준 (Significance level) 1 % 안에서유의함을알수있으며, 이는추정된모형함수들이신뢰구간 99 % 영역내에서최적화를위한목적함수로사용이가능하다는것을의미한다 9). 목적함수를최소화시키는설계변수들의최적값을찾기위한최소화알고리즘으로목적함수및구속조건이비선형함수일때효율적인성능을발휘하는 SQP (Sequential Quadratic Programming) 법을사용하였다. Table 5는 SQP를사용하여각경우에대해얻은설계변수들의최적값및최적화이전과이후의목적함수의값의변화를나타낸것이다. Table 5에서인장강도만고려했을때최적화결과인장강도가약 2.3 % 증가하였고, 평균경도감소량만을고려했을때평균경도감소량이약 3.5 % 감소하였다. Table 3에서실험결과얻은인장강도크기의최대변화량이약 6.3 %, 평균경도감소량의경우약 9.7 % 변화하는것을고려했을때, 최적화결과인장강도와평균경도감소량이각 2.3 % 와 3.5 % 변화한것은매우양호한결과이다. 인장강도를증가시키는동시에평균경도감소량을감소시키기기위해식 (4) 에대한 최적화를수행한결과값 ( ) 은약 68 % 증가 Table 4 F-test results Objectives F F(.1) 18.1592 37.3434 6.22 23.1321 Table 5 Optimization results Design parameters Value of objective function Objectives Current Optimization -1 1.7 21.98 26.69 1.42 -.44 32.37 31.23 1 1 -.38.47.79 하였다. 이에해당하는설계변수들의값을식 (1) 과식 (2) 에대입했을때인장강도는약 24.33 MPa, 평균경도감소량은약 31.66 Hv가될것으로예상된다. 이같은결과는인장강도나평균경도감소량만최적화시켰을때에비하면만족스러운결과라고는볼수없지만, 현재값과비교했을때인장강도는증가시키고평균경도감소량은감소하려는두가지목표를동시에달성하였으므로최적화가성공적으로수행되었다고판단된다. Table 5에서각목적함수를최대또는최소화시키는설계변수들의최적값의분포를분석해보면 3 가지목적함수에대하여설계변수들의최적값들이일정한경향성을갖지못한채산포되어있음을알수있다. 따라서마찰교반용접시용접부의어떤특성에관심을기울일것인지, 한개혹은두개이상의성능을동시에향상시킬것인지여부에따라적정한용접조건의선정이필요하다. 6. 결론 본연구에서는철도차량의차체제작용으로많이활용되는 A65 압출재에대한마찰교반용접부의기계적성능을향상시키기위해공구의회전속도, 공구의이송속도및공구의경사각을실험계획법에따라 15개의용접조건에서용접을실시하였으며, 제작된용접시편으로인장시험및경도시험시편을제작하여인장시험및경도시험을실시하였다. 용접접합부에대한인장강도및경도감소량과용접변수들과의관계를알아보기위해반응표면분석법으로시험데이터에대한회귀모델을작성하였으며, 이를바탕으로민감도해석및최적화를수행하여다음과같은결론을얻었다. 1) 인장강도를향상시키기위해선공구의회전속도는감소시키고, 이송속도는증가시켜야한다. 2) 용접부의경도에가장큰영향을끼치는인자는공구와모재사이의경사각이고, 경사각을증대시키면평균경도감소량또한증가하는경향이있다. 3) 3가지의목적함수에대하여최적화를수행한결과, 최적화이후모든목적함수에대하여초기조건보다인장강도와경도가향상되었다. 그러나인장강도와경도를독립적또는동시에최적화할때도출되는설계변수들의값은다르다. 따라서마찰교반용접접합부에대해필요한요구성능에따라적정한용접조건을설정하는것이필요하다. 556 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 29
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