3.2 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 잔류응력
3.2.1 잔류응력 특성
(a) Residual stress fields
(b) Residual stress distribution
Fig. 3.12 Residual stress of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s
(a) Residual stress fields
(b) Residual stress distribution
Fig. 3.13 Residual stress of TIG-FSW hybrid welded joints in preheating position 30mm
(a) Residual stress fields
(b) Residual stress distribution
Fig. 3.14 Residual stress of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG current 10A
3.2.2 용접부 변형률 특성
마찰교반용접부에 대한 시험편의 상당소성변형률 분포도이다. 상당변형률은 Von-mises strain이며, 실온으로 냉각후의 상당소성변형률을 고찰하였다. 마찰교 반용접부의 경우 이송속도가 0.6mm/s에서 0.113의 최대 소성변형률을 보였다.
TIG-FSW 하이브리드 용접부의 경우 30mm의 조건에서 0.131이며, 10A의 조건에서는 0.131의 최대 변형률을 보였다. 모든 조건에서 초고장력강(DP590)의 상당소성변형 변형률은 극히 적었으며, 용접부의 마그네슘합금(AZ31B)에서 변형이 분포되어 있 었다. TIG-FSW 하이브리드 용접부보다 마찰교반용접부에서 상당소성변형률이 적었 으며, 입열량이 증가할수록 시험편의 상당소성변형률이 증가하는 것을 확인 하였 다. 마찰교반용접부의 상당소성변형률의 분포와 종방향 및 중앙부에서의 횡방향 변형률분포도를 Fig. 3.15에, TIG-FSW 하이브리드 용접부의 예열위치별은 Fig.
3.16에 전류세기별은 Fig. 3.17에 나타내었다.
(a) Strain fields
(b) Strain distribution
Fig. 3.15 Strain of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s
(a) Strain fields
(b) Strain distribution
Fig. 3.16 Strain of TIG-FSW hybrid welded joints in preheating position 30mm
(a) Strain fields
(b) Strain distribution
Fig. 3.17 Strain of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG current 10A
제 4 장 Mg/Steel 용접부 공정변수별 용접 특성
4.1 마찰교반용접부의 이송속도에 따른 용접 특성
본 절에서는 마찰교반용접부의 이송속도 별 최적조건을 도출하기 위하여 툴의 회전속도는 300rpm, 삽입깊이 1.1mm, 핀 오프셋을 스틸쪽으로 0.8mm 가도록 고정 하였고 이송속도를 0.6mm/s, 0.8mm/s, 1.0mm/s로 0.2mm/s씩 증가시켜 실험을 진행 하였다. 실험 전 에탄올을 이용하여 모든 시험편의 이물질을 제거하여 용접을 진 행하였다. 조건별로 실험을 진행한 후 용접부 비드 형상을 육안으로 관찰하였으 며, 인장시험을 실시하여 기계적 특성평가를 하였다. 또한 파단된 시험편을 분석 하여 용접 특성을 고찰하였다.
4.1.1 외관 및 단면 특성
용접후 용접부 비드 형상을 육안으로 관찰하였으며, 이를 Table. 4.1에 나타내 었다. 관찰한 결과 이송속도 0.6mm/s, 0.8mm/s, 1.0mm/s 세 가지 조건 모두에서 결함이 발견되지 않았다. 또한 초고장력강(DP590) 쪽으로 아주 적은 양의 비드만 형성되었으며 retreating side인 마그네슘합금(AZ31B) 쪽에는 burr가 형성되었다.
세 조건 모두 비드 중앙부에서 솟아오르는 현상을 발견할 수 있었으며, 이송속도 가 빨라질수록 비드의 솟아오름이 낮아진다는 것을 발견 할 수 있었다. 이와 같은 솟아오르는 현상은 핀에 의해 교반되는 초고장력강(DP590)이 솟아올라 일어나는 현상으로 생각되어지며, 속도가 빠를수록 교반량이 낮아 오르는 양이 줄어드는 것 으로 사료된다. 또한 이러한 형상 때문에 초고장력강(DP590)쪽에 비드의 형성이 잘 되지 않는 것이라고 사료된다.
Table. 4.1 Bead and cross-section of FSW welded joints with travel speed
이송속도 용접 비드형상 단면
0.6mm/s
0.8mm/s
1.0mm/s
4.1.2 인장강도
Mg/Steel의 이송속도 공정 변수 별로 기계적 특성을 평가하기 위해 인장시험을 진행하였다. 시험결과 이송속도 0.6mm/s의 조건에서 161.93MPa의 인장강도 값이 도출되었으며, 이는 모재(Mg alloy AZ31B, 260MPa) 인장강도 대비 62.31% 수치이 다. 다음으로 이송속도 0.8mm/s의 조건에서는 0.6mm/s에서보다 낮은 값인 119.76MPa의 인장강도 값이 도출되었으며, 모재대비 46.06%의 수치이다. 마지막으 로 1.0mm/s에서의 인장강도 값은 133.89Mpa의 값을 얻었으며, 이는 모재 대비 51.50%의 수치이다. 가장 느린 조건인 0.6mm/s에서 가장 높은 인장강도값을 얻었 으며 0.8mm/s의 속도에서는 값이 감소하나 1.0mm/s의 조건에서는 다시 증가함을 알 수 있었다. Fig. 4.1 에 인장시험 후 파단 시험편, 이송속도별 최대 인장강도 비교 그래프를 나타내었다.
0.6mm/s 0.8mm/s 1.0mm/s
Fig. 4.1 Tensile strength and fractured specimen of FSW welded joints with travel speed
4.2 TIG-FSW 하이브리드 용접부의 TIG 예열위치에 따른 용접 특성
본 절에서는 앞 절의 수치해석의 TIG-FSW 하이브리드 용접 공정 변수를 바탕으 로 실행하였다. 마찰교반용접의 변수를 이송속도 0.6mm/s ,회전속도 300rpm, 삽입 깊이 1.1mm 및 핀 오프셋을 0.8mm로 고정하였다. 시험편의 폭방향 측면에서의 TIG 예열위치는 계면으로부터 초고장력강쪽으로 2mm 떨어진 지점으로 고정하였다. 용 접 진행방향 측면에서 툴의 숄더로부터 떨어진 거리를 20mm, 25mm, 30mm로 증가시 키면서 실험을 진행하였으며 TIG의 전류 세기는 20A로 고정하여 예열을 하였다.
4.2.1 외관 및 단면 특성
마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 TIG-FSW 하이브리드 공정은 우선 TIG 예열위치를 변수로 용접을 진행하였고, 용접 후 용접부 비드 외관을 육안으로 관 찰하였다. 관찰한 결과 20mm, 25mm, 30mm 조건 모두 다 결함은 발견 되지 않았다.
또한 마찰교반용접 용접부와 비슷하게 초고장력강(DP590)에 비드가 형성이 거의 되지 않았으며, 비드 표면이 마찰교반용접 단독 공정에 비해 거친 형상을 보였으 나 이전 절의 표면과 달리 솟아오르는 형상은 발견되지 않았다. 솟아오르지 않은 이유는 TIG의 예열이 초고장력강의 소성유동을 높여준것이라고 사료된다. 예열위 치별 하이브리드 마찰교반용접의 비드형상 및 단면을 Table. 4.2에 나타내었다.
Table. 4.2 Bead and cross-section of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG preheating position
예열위치 용접 비드형상 단면
20mm
25mm
30mm
4.2.2 인장강도
마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 TIG 예열위치 공정 변수 별로 기계적 특성을 평가하기 위해 인장시험을 진행하였다. 시험결과 예열위치가 숄더로부터 20mm의 떨어진 조건에서는 139.31MPa의 인장강도 값이 도출되었으며, 이는 모재 (Mg alloy AZ31B, 260MPa) 인장강도 대비 53.58% 수치이다. 다음으로 예열위치 25mm의 조건에서는 20mm의 조건에서보다 높은 값인 142.05MPa의 인장강도 값이 도 출되었으며, 모재대비 54.63%의 수치이다. 마지막으로 예열위치 30mm에서의 인장 강도 값은 172.80MPa의 값이 도출 되었으며, 모재대비 66.46%의 수치이다. TIG의 예열위치가 교반위치인 툴(숄더)로부터 멀어질수록 인장강도 수치가 잘 나왔다.
단면형상과 파단시험편 및 인장강도 비교 그래프를 Fig. 4.2에 나타내었다.
20mm 25mm 30mm
Fig. 4.2 Tensile strength and fractured specimen of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG preheating position
4.3 TIG-FSW 하이브리드 용접부의 TIG 전류세기에 따른 용접 특성
본 절에서는 TIG-FSW 하이브리드 공정 중 TIG 전류의 세기를 변수로 용접을 진 행하였다. 앞 절과 마찬가지로 이송속도 0.6mm/s ,회전속도 300rpm, 삽입깊이 1.1mm 및 핀 오프셋을 0.8mm로 고정하였으며 TIG 예열위치는 시험편의 폭방향 측 면에서의 계면으로부터 초고장력강쪽으로 2mm 떨어진 지점, 툴 숄더로부터 25mm 지점으로 고정하였다. 본 절에서의 변수인 TIG의 전류 세기를 10A, 20A, 30A로 변 화를 주며 실험을 진행하였다.
4.3.1 외관 및 단면 특성
TIG-FSW 하이브리드의 TIG 전류세기를 변수로 용접을 진행하였고, 용접 후 용접 부 비드 외관을 육안으로 관찰하였다. 관찰한 결과 10A, 20A의 조건에서 결함은 발견 되지 않았지만, 입열이 가장 높은 조건인 30A의 조건에서 결함(tunnel defect)이 발견되었다. 앞선 실험과 마찬가지로 초고장력강(DP590)에서의 비드 형 성은 적었으며, 10A 조건의 일부분에서 마찰교반용접 단독공정과 비슷하게 솟아오 르는 현상을 발견할 수 있었다. 나머지 20, 30A조건에서는 솟아오르는 현상은 발 견되지 않았으며, 이전 절과 마찬가지로 거친 비드 형상을 발견할 수 있었다. TIG 전류 세기별 비드의 형상 및 단면을 Table. 4.3에 나타내었다.
Table. 4.3 Bead and cross-section of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG current
전류세기 용접 비드형상 단면
10A
20A
30A
x
4.3.2 인장강도
마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 TIG 전류세기 공정 변수 별로 기계적 특성을 평가하기 위해 인장시험을 진행하였다. 시험결과 전류세기가 10A인 조건에 서는 144.67MPa의 인장강도 값이 도출되었으며, 이는 모재(Mg alloy AZ31B, 260MPa) 인장강도 대비 55.64% 수치이다. 다음으로 전류세기가 20A인 조건에서는 142.05MPa의 인장강도 값이 도출되었으며, 이는 모재대비 54.63%의 수치이다. 전 류세기가 30A인 조건은 결함이 발견되었으므로 인장강도 실험을 진행하지 않았다.
10A 20A 30A
x
Fig. 4.3 Tensile strength and fractured specimen of TIG-FSW hybrid welded joints with current
4.4 Thermocouple 용접부 온도측정
마찰교반용접에서 인장강도가 가장 높은 값(62.28%, 161.93MPa)이 나온 0.6mm/s 조건과 TIG-FSW 하이브리드 공정에서의 인장강도가 가장 높은 값(66.46%, 172.80MPa)이 나온 20A, 30mm의 조건에서 용접 진행 중 온도를 측정하였다. 측정 결과 마찰교반용접부에서는 마그네슘합금(AZ31B)쪽에서 382.75K, 394.95K, 411.05K의 온도가 측정되었으며 초고장력강(DP590)에서는 330.55K, 344.85K, 339.65K의 온도가 측정되었다. TIG-FSW 하이브리드 용접부에서는 마그네슘합금쪽 (AZ31B)에서 400.68K, 412.87K, 416.25K의 온도가 측정되었으며 초고장력강
(DP590)에서는 358.47K, 362.79K, 364.63K의 온도가 측정되었다. 예열 소스의 영 향으로 인해 TIG-FSW 하이브리드 용접부에서 모두 더 높은 값의 온도를 확인할 수 있었다. 수치해석의 신뢰성을 평가하기 위해 Thermocouple로 측정한 온도와 열전 도 수치해석 결과를 비교하였고, 마찰교반용접 비교 그래프를 다음 Table. 4.4, TIG-FSW 하이브리드 온도그래프을 Table 4.5에 나타내었다.
Table. 4.4 Temperature histories of FSW welded joints in Travel speed 0.6mm/s
측정위치 AZ31B DP590
60mm
100mm
140mm
Table. 4.5 Temperature histories of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm
측정위치 AZ31B DP590
60mm
100mm
140mm
Thermocouple 측정값과 수치해석 열전도 그래프 결과 마찰교반용접 공정과 TIG-FSW 하이브리드 공정 모두 최고 온도 값의 차이를 보였지만, 가열속도와 냉각 속도가 유사한 그래프 모양을 그린다고 확인할 수 있었다. 이는 수치해석이 바르 게 진행되었다는 것을 의미하며, 본 연구에서 진행하였던 수치해석이 신뢰성 있다 고 할 수 있다.