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2018년 8월 석사학위 논문
수치해석에 의한 이종재 마그네슘(AZ31B)/초고장력강(DP
590) TIG-FSW 하이브리드 용접부의 금속간화합물 예측
조선대학교 대학원
용접․접합과학공학과
최 인 철
[UCI]I804:24011-200000266946
수치해석에 의한 이종재 마그네슘(AZ31B)/초고장력강 (DP590) TIG-FSW 하이브리드 용접부의 금속간화합물 예측
A Prediction of Intermetllic Compound in Dissimilar AZ31B/DP590 TIG assisted Hybrid FSW
Welded Joints by Numerical Analysis
2018년 8월 24일
조선대학교 대학원
용접․접합과학공학과
최 인 철
수치해석에 의한 이종재 마그네슘(AZ31B)/초고장력강 (DP590) TIG-FSW 하이브리드 용접부의 금속간화합물 예측
지도교수 방 희 선
이 논문을 공학 석사학위신청 논문으로 제출함
2018년 4월
조선대학교 대학원
용접․접합과학공학과
최 인 철
최인철의 석사학위논문을 인준함
위원장 조선대학교 특임교수 방한서 (인) 위 원 조선대학교 교수 방희선 (인) 위 원 조선대학교 조교수 송국현 (인)
2018년 5월
조선대학교 대학원
CONTENTS
List of Figures · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅴ List of Tables · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅶ Abstract · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅷ
1장. 서론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1
1.1 연구배경 및 목적 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1
1.1.1 연구배경 ···1
1.1.2 연구목적 ···3
1.2 소재의 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·5
1.2.1 마그네슘 합금의 종류 및 특성 ···5
1.2.2 초고장력강의 종류 및 특성 ···6
1.3 마찰교반용접(FSW) 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·7
1.3.1 마찰교반점용접의 원리 ···7
1.3.2 마찰교반점용접의 특징 ···8
1.4 불활성가스텅스텐(TIG) 아크 용접 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·9
1.4.1 불활성가스텅스텐(TIG) 아크 용접의 원리 ···9
1.4.2 불활성가스텅스텐(TIG) 아크 용접의 특징 ···10
2장. 연구 방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·11
2.1 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 금속간화합물 수치해석 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·11
2.1.1 3차원 열전도 및 열탄소성 이론 ···11
가. 열전도 이론 ····················································································11
나. 금속간화합물 예측 이론 ······························································14
다. 열탄소성 이론 ················································································15
2.1.2 입열 방정식 ···17
2.1.3 해석모델 및 조건 ···18
2.2 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·20
2.2.1 사용 소재 ···20
2.2.2 실험장비 및 툴(Tool) ···22
2.2.3 TIG-FSW 하이브리드 용접조건 ···24
2.2.4 용접부 특성 평가 ···26
3장. 연구 결과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·28
3.1 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 금속간화합물 예측 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·28
3.1.1 FSW 용접부 온도 분포 ···28
3.1.2 TIG-FSW 하이브리드 용접부 온도 분포 ···32
3.1.3 금속간화합물 ···38
3.2 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 잔류응력 · · · · · ·41
3.2.1 잔류응력 특성 ···41
3.2.2 변형률 특성 ···45
4장. AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접부 공정변수별 용접 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·49
4.1 마찰교반용접시 이송속도에 따른 용접 특성 · · · · · · · · · · · · · ·49
4.1.1 외관 및 단면 특성 ···49
4.1.2 인장강도 ···50
4.2 TIG-FSW 하이브리드 용접시 TIG 예열위치에 따른 용접 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·51
4.2.1 외관 및 단면 특성 ···52
4.2.2 인장강도 ···53
4.3 TIG-FSW 하이브리드 용접시 TIG 전류세기에 따른 용접 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·54
4.3.1 외관 특성 및 단면 특성 ···54
4.3.2 인장강도 ···55
4.4 Thermocouple을 이용한 용접부 온도 측정 · · · · · · · · · · · · · · · · · ·56
4.5 금속학적 특성 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·59
5장. 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·63
참고문헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·65
List of Figures
Fig. 1.1 CO emissions performance and proposed vehicle standards ···3
Fig. 1.2 Effect of vehicle lightweight ···3
Fig. 1.3 Multi-materials applied to vehicle ···5
Fig. 1.4 Schematic representation of the FSW process ···7
Fig. 1.5 Joining mechanism of FSW ···8
Fig. 1.6 TIG schematic ···9
Fig. 1.7 TIG setup ···10
Fig. 2.1 Schematic diagram of FSW pin ···17
Fig. 2.2 Specimen dimensions of numerical analysis ···19
Fig. 2.3 Mesh shape of numerical analysis ···19
Fig. 2.4 TIG-FSW hybrid welding system ···23
Fig. 2.5 Tool details ···24
Fig. 2.6 Specimen dimensions for tensile test ···26
Fig. 2.7 Locations of thermocouples measurement ···27
Fig. 3.1 Temperature fields of FSW welded joints with travel speed ···29
Fig. 3.2 Temperature distribution of FSW welded joints in travel speed 0.6 mm/s with time ···30
Fig. 3.3 Temperature histories in Mg alloy side of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s ···31
Fig. 3.4 Temperature histories in steel side of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s ···31
Fig. 3.5 Temperature fields of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG preheating position ···33
Fig. 3.6 Temperature distribution of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm with time ···34
Fig. 3.7 Temperature histories in Mg alloy side of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm ···35
Fig. 3.8 Temperature histories in steel side of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm ···35 Fig. 3.9 Temperature fields of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG current
···37 Fig. 3.10 Temperature distribution of TIG-FSW hybrid welded joints at TIG current 10A with time ···38 Fig. 3.11 Location of intermetallic compound ···38 Fig. 3.12 Residual stress of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s ····42 Fig. 3.13 Residual stress of TIG-FSW hybrid welded joints in preheating position 30mm ···43 Fig. 3.14 Residual stress of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG current 10A
···44 Fig. 3.15 Strain of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s ···46 Fig. 3.16 Strain of TIG-FSW hybrid welded joints in preheating position 30mm
···47 Fig. 3.17 Strain of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG current 10A ···48 Fig. 4.1 Tensile strength and fractured specimen of FSW welded joints with travel speed ···51 Fig. 4.2 Tensile strength and fractured specimen of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG preheating position ···53 Fig. 4.3 Tensile strength and fractured specimen of TIG-FSW hybrid welded joints with current ···56 Fig. 4.4 SEM image and location of EDS ···59
List of Tables
Table. 2.1 Material properties of Mg alloy and steel ···19
Table. 2.2 Chemical composition and mechanical properties of AZ31B ···20
Table. 2.3 Chemical composition and mechanical properties of DP590 ···21
Table. 2.4 Specifications of friction stir welding system ···22
Table. 2.5 Tool(WC12%) specifications ···23
Table. 2.6 Welding conditions for FSW ···25
Table. 2.7 Welding conditions for TIG-FSW hybrid welding ···25
Table. 2.8 Specimen dimensions for tensile test ···27
Table. 3.1 Temperature histories at the interface along thickness of the workpiece ···39
Table. 3.2 Amount of intermetallic compound ···40
Table. 4.1 Bead and cross-section of FSW welded joints with travel speed 50 Table. 4.2 Bead and cross-section of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG preheating position ···52
Table. 4.3 Bead and cross-section of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG current ···55
Table. 4.4 Temperature histories of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s ···57
Table. 4.5 Temperature histories of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm ···58
Table. 4.6 SEM-EDS of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s ···60
Table. 4.7 SEM-EDS of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm ···61
Table. 4.8 Comparison of IMC layer thickness between Numerical analysis and experimental results ···62
ABSTRACT
A Prediction of Intermetllic Compound in Dissimilar AZ31B/DP590 TIG assisted Hybrid FSW Welded Joints by
Numerical Analysis
Choi In—Cheol
Advisor : Prof. Bang, Hee-Seon, Ph.D.
CO-Advisor : Prof. Bang, Han-Sur, Ph.D.
Department of Welding and Joining Science Engineering,
Graduate School of Chosun University
Today, regulations on vehicle emissions and fuel efficiency are strengthening due to environmental issues such as fossil fuel depletion and certified emission reduction. Therefore, it is important to improve the fuel efficiency of the automotive industry. Improvement in fuel economy of automobiles includes improving engine efficiency, decreasing driving resistance, lightweight materials and transmission technology. The use of lightweight materials is the simplest and most effective technology.
In this study, we used magnesium alloy and ultra-high strength steel of light weight vehicle. Magnesium alloy is AZ31B of Mg-Al-Zn, and ultra-high strength steel is SGAFC 590DP steel. Welding methods of dissimilar materials include arc welding, resistance spot welding, laser beam welding, adhesive bonding and friction stir welding (FSW). Arc welding, resistance spot welding, adhesive bonding, and laser welding are not suitable process due to different melting points, process times, and characteristic of magnesium alloy. Therefore, FSW is the most suitable welding method. FSW is performed
at low temperature below the melting point and there are few welding defects. Hybrid FSW is the process of adding a heat source in FSW. This process enhances the flow of the two materials and improves the mechanical properties.
In order to investigate the characteristics of hybrid FSW, welding characteristics according to preheating position and TIG preheating intensity are investigated.
Prior to welding, thermal conduction numerical analysis and thermo-elasto-plastic numerical analysis were performed using an Ansys program. The heat distribution and thermal history were clarified by thermal numerical analysis and finally the intermetallic compounds(IMC) were predicted. IMC is important factors in welding because IMC influences the mechanical properties of welding. IMC of AZ31B and SGAFC 590DP steel are FeAl3 and Fe2Al5. Since this compound causes brittleness at welded parts, it is necessary to make it less than 10 μm.
As a result of numerical analysis, the amount of IMC is estimated to be about 1.4 ~ 1.9 μm in FSW and about 1.9 ~ 2.6 μm in hybrid FSW. This is a value that satisfies the amount below 10μm. As a result of experimental, the highest tensile strength is 161.93 MPa with travel speed 0.6mm/s in FSW.
In hybrid FSW, the highest tensile strength is 172.80 MPa with preheating position 30mm and current intensity 20A. The amount of IMC is estimated to be about 1.3 ~ 1.9 μm in FSW and about 1.9 ~ 2.3 μm in hybrid FSW. This value is also satisfied the about below 10μm. Experimental results are validated extensively with corresponding numerical results. A fair aggrement is acheived in between experimental and numerical results.
제 1 장 서 론
1.1 연구배경 및 목적
1.1.1 연구배경
오늘날 전 세계적으로 엄격해진 환경 규제와 화석에너지 자원의 고갈 위협으로 인해 차량의 배출가스와 연비의 개선이 요구되고 있다. 이에 있어서 자동차 이산 화탄소 배출량의 규제 목표치가 존재하며, 국가 별로 그 목표치가 다르다. 대표적 으로 2020년까지 미국은 113g/km 이하, 유럽 93g/km 이하, 일본 100g/km 이하이며 국내 또한 2020년까지 97g/km의 이산화탄소 배출 규제를 목표로 하고 있다. 따라 서 국내 자동차 업계에서는 이산화탄소 배출 규제를 달성해야하며, 이것을 위해 엔진, 연료시스템, 트랜스미션, 냉방시스템의 효율향상, 차량 경량화 등의 연구가 진행되고 있다. 이 중 차량 경량화는 연비향상에 있어서 효과적인 기술이며, 그로 인해 자동차 이산화탄소 배출량을 줄이는 유효한 방법으로 주목받고 있다. 차량의 무게를 약10% 줄인다면, 약 6~8%의 연비향상을 기대할 수 있으며, 7.5 ~ 12.5g/km 의 이산화탄소 배출을 저감할 수 있다. 차량 경량화는 기존에 쓰이던 소재를 초고 장력강판, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금, CFRP 등과 같은 경량소재로 대체하여 달성할 수 있다. 최근 자동차 업계에서는 초고장력강판 확대 사용하고 있지만, 강 화되는 배출가스 규제를 만족하기엔 역부족인 상황이다. 따라서 초고장력강판과 더불어 다른 경량소재를 함께 적용하여, 차체의 강도를 강화하고 차량의 중량을 감소시키는 것을 목표로 하고 있다.
경량소재 중 마그네슘 합금은 비철 상용 소재 중 비중이 낮은 경량 소재이며, 기존 상용 소재인 스틸에 비해 약 1/4의 비중으로 차량의 소재로 활용할 경우 경 량화 효과가 매우 높다. 마그네슘 합금은 매우 활성인 소재이며, 그로인해 비교적 용접성이 낮기 때문에 다른 금속소재에 비해 늦게 사용되었다. 은백색을 띠는 가
볍고 연성인 비철 금속이며, 알루미늄 합금과 함께 대표적인 경금속에 속한다. 가 공성이 우수하여 복잡한 형상도 쉽게 기계 가공을 할 수 있을 뿐만 아니라, 비강 도가 크기 때문에 대부분 주물, 다이캐스팅, 압출형재등의 형태로 경량화를 요구 되는 항공기, 자동차, 광학, 스포츠 등의 분야에 사용되고 있다. 마그네슘 합금은 Mg-Al-Zn계, Mg-Zn-Zr계, Mg-Th계의 세 종류로 대별되고, 제조방법에 따라 주물용 합금, 다이캐스팅용 합금, 전신재 등으로 나눠지며, Mg-Al-Zn계 합금은 용접성과 주조성이 우수하여 가장 널리 사용되는 합금 중의 하나이다. 자동차의 기존 소재 를 모두 마그네슘 합금으로 교체한다면 30~70%의 중량을 줄일 수 있다.
차세대 경량화 소재로 사용되고 있는 초고장력강(Ultra High Strength Steel)은 기존 구조용 강재 및 고장력강과 대비하여 1/2 이상 얇은 두께로 같거나 높은 강 도를 얻을 수 있으며, 기존 소재를 모두 초고장력강으로 교체한다면 15~25%의 경 량화 효과를 낼 수 있다. 초고장력강은 인장강도 및 항복강도가 200MPa 이상의 강 으로서 오스포밍이라는 가공 열처리에 의해 제작된다. 초고장력강판의 경우 종류 에 따라 DP강(Dual Phase Steel), 트립강(Transformation Induced Plasticity Steel), CP강(Complex Phase Steel), FB강(Ferrite-Baninte Steel), 트윕강 (TWinning Induced Plasticity Steel) 등으로 구분된다. 이 중 DP강은 페라이트 기지와 제2상인 마르텐사이트로 구성되어 있는 것이 특징이며, 0.5~0.6 수준의 낮 은 항복비를 가지고 있어 쉽게 가공할 수 있다. 인장강도 기준으로 주로 490, 590, 780 및 980MPa 급으로 구분 할 수 있으며, 자동차 구조 중 Door outer, Seat rail, Suspension 등에 사용할 수 있다. 현재 국내 자동차사의 초고장력강 채용 비율은 20%를 넘어섰고 북미지역의 경우에는 35%대로 올라섰다. 차체 경량 효율을 높이기 위해서는 초고장력강 + 마그네슘 합금과 같이 복합 소재를 사용해야 하며, 관련 산업계에서 이를 가공할 수 있는 기술과 체결, 즉 용접ㆍ접합 기술 개발이 필요하다.
Fig. 1.1 CO2 emissions performance and proposed passenger vehicle standards
Fig. 1.2 Effect of vehicle lightweight
1.1.2 연구목적
자동차 이산화탄소 배출가스 규제를 달성하기 위해서 차량의 연비를 향상 시켜야
하고 따라서 차량 경량화가 대두되고 있다. 차량 경량화에 대한 논의가 지속되었음 에도 안전을 위해 추가되는 부품이기 때문에 자동차의 경량화는 쉽게 이루어지지 않았다. 또한 수소전지 자동차, 전기자동차 및 하이브리드 자동차와 같은 친환경자 동차가 등장하였지만, 모터와 배터리 등이 추가되어 차량의 중량이 오히려 증가하 였다. 따라서 친환경 자동차와 기존 방식의 자동차의 연비를 가장 효율적으로 향상 시키기 위해서는 차량 경량화가 이루어 져야 하고, 이에 따른 방안은 바로 경량 소 재의 확대 적용이다.
차세대 차량 경량화 소재로 주목받고 있는 마그네슘 합금은 일반 구조용 강재보 다 가볍고 비강도가 뛰어나 차체 적용에 대해 다양한 연구가 시도되고 있다. 하지만 마그네슘 합금은 대표적인 난용접성 소재이며, 충격값이 낮고 활성이 풍부하여 내식 성이 떨어지는 단점으로 인해 실제 자동차 부품의 적용에는 많은 제약을 받고 있다.
또한 차량 전체를 마그네슘 합금으로만 제작한다면 가격 경쟁력이 떨어지게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 여러 소재들을 혼용하여 사용해야 하며, 다양한 소재 혼용은 중량 감소뿐만 아니라 적합한 기계적 성질을 가진 소재들을 선별하여 성능을 최적화할 수 있고 제조비용을 절감할 수 있다. 따라서 두 경량소재인 마그 네슘 합금과 초고장력강을 접합하여 단일소재의 단점을 개선할 수 있도록 이종소재 의 접합에 대한 연구가 진행되고 있다. 그러나 이종소재 접합은 소재간의 물성이 차이가 나기 때문에 기존 전통적인 접합기술을 사용하여 고강도, 고내구성의 접합 부를 구현하기 쉽지 않다.
본 연구에서는 이종소재 마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)에 대한 접합방 법으로 FSW(마찰교반용접), TIG-FSW 하이브리드를 적용하였다. 수치해석을 통해 용 접부의 온도 분포, 잔류응력 및 변형 특성을 분석하였으며 특히, 이종재 용접시 나 오는 금속간화합물이 적적한 양이 나오도록 미리 예측하는 해석을 진행하였다. 또 한 앞선 수치해석과 같은 공정 변수로 실험을 진행하였으며, 공정변수에 따른 접합 특성 및 기계ㆍ금속학적 특성을 평가함으로써 용접부에 대한 신뢰성과 건전성을 확 보하고자 한다.
Fig. 1.3 Multi-materials applied to vehicle
1.2 소재의 특성
1.2.1 마그네슘 합금의 종류 및 특성
자동차의 소재를 강판에서 마그네슘 합금으로 모두 대체하면 30~70%의 높은 무 게 절감 효과를 기대할 수 있다. 기존 철강 재료를 대체하기 위해서는 강도, 용접 성, 내식성 등이 우수하여야한다. 마그네슘은 높은 열전도, 가공성, 비강도 등 많 은 장점을 가지고 있지만 기존 철강 재료에 비해 고가이며, 용접성의 좋지 않아 강도가 떨어지는 단점이 있다. 따라서 마그네슘의 경우 용접성과 기계적 성질을 높이기 위해 다양한 종류의 합금과 제조 방법이 있다.
마그네슘 합금 중 Mg-Al-Zn 합금은 마그네슘 합금 중 초기에 개발된 합금으로 3%Al-1%Zn인 AZ31B 합금은 용접성과 주조성이 우수하여 가장 널리 사용되는 합금 중의 하나이다. 6%~9%Al인 AZ61, AZ91 합금은 소량의 Zn을 첨가하여 인장특성을 향상시켰으며, 내식성을 향상시키기 위해 0.3%Mn을 첨가하기도 한다. 특히 Zn의
첨가는 응고 시 고온균열 감수성이 증가하여 첨가량의 제한이 있지만, 강도를 상 승시키는 역할을 하기 때문에 첨가해야 한다. 마그네슘 합금 중 Mg-Zn-Zr계 합금 은 Mg-Zn합금이 과열이나 접종에 의한 결정립 미세화가 곤란하기 때문에 결정립을 미세화 시키기 위하여 Zr을 첨가한 합금이다. 2%내외의 Zn을 함유하는 합금은 우 수한 용접성을 나타내는 고장력합금으로, 특히 150℃이하의 온도에서 강도와 연성 및 인성이 우수하다. 마그네슘 합금 중 Mg-Th계 합금은 Mg과 희토류금속(Ce, Nd, La, Pr 등)과 융점이 낮은 공정조직을 결정립계에 그물성으로 현성시키기 쉬우므 로 입계에 미세한 기공을 억제할 수 있어 우수한 주조특성을 가진다. Zr을 0.7%
첨가함으로써 결정립을 미세화 시키고 강도를 증가시켜준다. 마그네슘 합금은 자 동차 재료중 Seat Frame, Hood, Dash Panel, Inner Door 등의 부분에 적용 하고 있으며 다른 부분의 소재로 확대해 가고 있다.
1.2.2 초고장력강의 종류 및 특성
초고장력강은 기존 구조용 강재 및 고장력강보다 항장력이 우수한 강으로서, 좀 더 적은 양의 강으로 요구되는 강도를 달성할 수 있어 경량소재에 속한다. 최근 자동차 업계에서는 연비 향상을 위해 초고장력강을 적용하고 있고 향후 적용을 늘 릴 예정이다.
초고장력강의 종류는 DP강(Dual Phase Steel), 트립강(Transformation Induced Plasticity Steel), CP강(Complex Phase Steel), FB강(Ferrite-Baninte Steel), 트윕강(TWinning Induced Plasticity Steel) 등으로 구분된다. DP강은 가공이 쉬 우며 TRIP강 다음으로 높은 연신율을 나타낸다. 국내 社에서는 490, 590, 780, 980 Mpa급의 제품을 생산한다. TRIP강은 페라이트 기지에 베이나이트와 잔류 오스 테나이트로 구성된 조직강이다. TRIP강의 항복비는 0.57~0.67로 우수한 성형성 및 연신율을 나타낸다. 국내 社의 생산 제품은 590, 690, 780, 980 MPa 급의 제품을 생산하며 Si 성분이 함유 되어 있어서 도금강판을 제조하는데에는 어려움이 있다.
다음으로 CP강은 페라이트 기지에 베이나이트와 마르텐사이트와 함께 Ti 및 Nb 석
출물을 포함하는 복합 조직강이다. 국내 社에서는 1180 MPa의 CR 및 GA 강판을 생 산하고 있다. GA강판은 낮은 항복비와 높은 연신율을 보이며, CR강판은 높은 항복 비와 굽힘가공성을 나타낸다. FB강은 페라이트와 베이나이트로 구성된 2상 조직강 이다. 연질의 페라이트는 높은 연신율을 나타내며, 베이나이트는 높은 신장 플랜 지성을 보여 높은 구멍확정성을 보이는 강이다. 국내 社에서는 440, 540, 590, 780 MPa 급의 판재를 생산중이다. 마지막으로 TWIP강은 고탄소-고망간을 주성분으 로 하는 강이며, 가공경화율이 높고 강도와 연신율이 우수한 특징을 가지고 있다.
국내 社에서는 980MPa급의 판재를 생산하고 있다.
1.3 마찰교반용접(FSW) 특성
1.3.1 마찰교반용접의 원리
마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 영국의 용접기술연구소(The Welding Institute, TWI)에서 1991년에 개발된 용접법으로, 기존 용접과 달리 용 융을 수반하지 않는 고상 접합 방식이다. 용융이 되지 않아 접합 시 모재의 변형 과 용접결함이 적다. 또한 접합부에 양호한 기계적 성질의 확보가 용이하며, 항 공, 조선, 철도, 자동차 등 다양한 산업분야에 활발한 연구가 진행되고 있다.
Fig. 1.4 Schematic representation of the FSW process
마찰교반용접의 접합 프로세스는 원하는 피접합부에 고속으로 회전하는 공구인 툴(Tool)을 삽입하면 툴의 숄더와 핀으로 인해 피접합부에 마찰열이 발생하게 된 다. 이렇게 발생한 마찰열로 피접합체를 연화시켜 소성유동을 발생키며, 이로 인 해 피접합체 내부가 서로 교반되면서 접합된다.
마찰교반용접(FSW)의 공정변수는 툴 형상, 툴 회전속도, 툴 이송속도, 핀 오프 셋 및 툴 삽입깊이 등이 있다. 피접합체 내부의 유동이 마찰교반용접의 접합성을 정하는 중요 인자이므로, 결함이 발생하지 않고 유동성을 높여주기 위해서 적절한 공정변수의 결정이 중요하다.
Fig. 1.5 Joining mechanism of FSW
1.3.2 마찰교반용접의 특징
고상용접으로 용융용접에 비해 변형이 적다.
기존의 용융용접과 달리 별도의 열원 발생장치, 용가재, 용접부 전처리 등이 필요 없다.
용융용접에서 발생하는 균열, 기공 등의 결함이 거의 발생하지 않는다.
기존의 용융용접과 달리 접합 중 인체에 유해한 가스나 광선이 발생하지 않아 작업환경이 친환경적이다.
작업자의 기량이나 숙련도에 크게 의존하지 않으며, 표준화와 자동화가 가능하 다.
경량합금(Al, Ti, Mg합금 등)으로 제조된 주조 제품, 금속을 기지로 한 복합재 료 등 기존 용접의 적용이 불가했던 재료의 접합이 가능하여 이종재료의 용접 에 적합하다.
1.4 불활성가스텅스텐(TIG) 아크 용접 특성
1.4.1 불활성가스텅스텐(TIG) 아크 용접의 원리
TIG(Tungsten Inert Gas)용접은 비소모성 텅스텐 용접봉과 모재간의 아크열에 의해 모재를 용접을 하는 용접법이다. 차폐가스로는 Ar이나 He등의 불활성 가스를 사용한다. TIG는 모든 용접자세에 적용이 가능하며, 아크 안정성이 높고 용접 품 질이 우수하다. 용접 공정 변수로는 전류세기, 전압세기, 용접봉 직경 및 용접속 도 등이 있다.
Fig. 1.6 TIG schematic
1.4.2 불활성가스텅스텐(TIG) 아크 용접의 특징
박판 용접에 매우 좋다.
용접부의 기계적 성질이 우수하며 내 부식성이 우수하다.
용가재의 첨가가 필요 없다.
전자세로 용접을 할 수 있으며 용접부의 변형이 적다.
플럭스가 필요하지 않으므로 비철금속의 용접이 용이하다.
용접 속도가 SMAW, GMAW 등 다른 용접법보다 느린 편이며, 용접 장비 역시 고 가인 편이다.
Fig. 1.7 TIG setup
제 2 장 연구 방법
2.1 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 금속간화합물 수치해석
2.1.1 3차원 열전도 및 열탄소성 이론
가. 열전도 이론
재료가 등방성(isotropic)일 때, 연속체의 3차원 비정상 열전도문제의 지배방정 식(governing equation)은 아래의 식과 같이 서술할 수 있다.
∇
--- 2.1식 2.1을 3차원 직교좌표계(x, y, z) 비정상 열전도 방정식으로 기술하면 아래 식 과 같다.
--- 2.2 : 온도(℃), : 비열(∙℃), : 밀도 (), : 시간(sec)
: 열전도율(∙sec∙℃), : 단위 시간당 입열량(sec)
식 2.2를 Galerkin법으로 적용하여 유한요소법을 정식화하기 위해 해석모델의 요 소(elements)를 유한개로 분할(mesh)하고, 한 요소(element)내의 온도 분포를 다 음과 같이 표현하였다.
--- 2.3
: 요소의 온도, : 시간 t에 대한 요소의 절점온도 Vector
: 절점의 온도와 요소내의 온도를 연결하는 형상함수 Matrix
형상함수을 가중(Weighting)함수로 하여 식 2.2에 Galerkin법을 적용하면 다음 과 같은 식을 구성 할 수 있다.
--- 2.4식 2.4에서 V는 요소의 영역을 나타내며, T는 전치행렬을 나타낸다. 이 식을 Green-Gauss 정리를 이용하여 전개하면 다음과 같은 식이 구해진다.
--- 2.5
식 2.5에서의 s는 요소의 경계이며, 이를 물체 표면의 열적 경계조건을 Fourier 법칙으로 정리한 식
과 열전달의 식
으로 정리하면 다음과 같이 구성된다.
--- 2.6
위 식 2.6을 3차원 비정상 열전도식을 Matrix화하면 다음과 같이 나타 낼 수 있
다.
--- 2.7
: 열전도 Matrix,
: 열용량 Matrix,
: 열 유속 Vector
--- 2.8
--- 2.9
--- 2.10식 2.7을 사용하면
와
의 두 가지 미지수가 존재하여 풀이를 할 수가 없다.시간 증분을 ∆라 하고, 증분전의 온도를
, 증분후의 온도를
, 그 중간의 온도를
이라고 하면, 다음과 같이 쓸 수 있다.
∆
,
∆
--- 2.11
식 2.11을 정리하면 다음과 같다.
∆
--- 2.12
식 2.7은 최종적으로 다음과 같이 정리 할 수 있다.
∆
∆
--- 2.13∆ : 시간증분,
: 증분후의 절점온도,
: 증분전의 절점온도
: 열전도 Matrix,
: 열용량 Matrix,
: 열 유속 Vector 나. 금속간화합물 예측 이론금속간화합물(IMC)은 이종 소재 용접을 하였을 때 생성되는 결정 구조이며, 본 래 모재의 성분 원소와는 다른 새로운 성질을 일으키게 된다. 금속간화합물의 생 성은 시험편의 기계적 성질을 바꾸게 되고, 그것이 소재에 따라 더 좋아질 수도 있고 나빠질 수도 있다. 마그네슘 합금과 스틸종류와의 금속간화합물은 Mg와 Fe와 의 화합물 생성이 아닌 Mg-Al-Zn계의 Al과 Fe와의 화합물인 FeAl계 IMC가 생성된 다. FeAl계의 금속간 화합물은 Mg/Steel의 용접에 취성을 높이게 된다. 따라서 본 연구에서는 FeAl계 금속간 화합물 양을 예측하는 수치해석을 하였다. 금속간 화합 물 예측 수식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
exp
--- 2.14
∙
exp
∙
--- 2.15
∙exp
∙
--- 2.16
: 용해열(190 ~ 240
),
: 기체상수(8.314
)
: 빈도 인자(preexponential factor, ∙
)
: 시간 차이,
: 평균 온도
금속간화합물의 양은 수식 2.16으로 예측할 수 있으며, 단위는 길이단위 m이다.
다. 열탄소성 이론
(1) 응력 - 변형률 관계
재료의 응력증분의 영향을
라고 하면, 다음과 같이 식을 나타낼 수 있다.
--- 2.17 (2) 탄성역재료가 탄성거동을 하는 경우 다음과 같이 표현 할 수 있다.
--- 2.18
--- 2.19
은 탄성 변형률을 나타내며 응력과 온도의 함수이다. 탄성 변형률의 증분은 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
→
--- 2.20탄성역에서 응력증분은 다음 식과 같이 표현할 수 있다.
∆
--- 2.21
∆
,
: ∆
후의 변화된 탄성계수(3) 소성역
재료에서의 항복응력
은 온도
와 소성일(Plastic work)
의함수로서
로 하고, 항복함수 F는 응력
과 항복응력
으로부터 다음수식과 같이 정의할 수 있다.
--- 2.22재료가 항복 할 때에는
을 만족하며, 소성역에서 재료가 부하상태에 있을 경우에
의 조건을 만족해야 한다.
--- 2.23
: 상당응력의 변화,
: 가공경화,
: 온도증분소성역에 도달한 재료는 비압축성을 나타내고, 항복함수를 소성포텐셜이라고 가정하면 소성 변형률의 증분은 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
--- 2.24
: 편차응력,
: 양(+)의 스칼라량위의 수식 2.21은 폰-미세스(Von-mises) 항복조건을 따른다. 전 변형률 증분
은 다음 식과 같이 탄, 소성 및 열변형률의 합으로 나타낼 수 있다.
--- 2.25따라서 소성역에서의 응력증분 방정식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
--- 2.262.1.2 입열 방정식
입열은 용접에 있어서 중요한 인자 중 하나이다. 따라서 용접의 유한요소 해석 중 입열량 계산은 중요 요소 중 하나이다. 본 연구의 유한요소해석 입열은 크게 두 가지로 나눠진다. 첫 번째로 마찰교반용접에 의한 입열이고 두 번째로는 TIG에 의한 입열이다.
마찰교반용접에 의한 입열은 두 가지로 나눌 수 있다. 회전하는 공구인 툴에서 발상하는데, 숄더와 모재 사이의 접촉면에서 발생하는 마찰열과 핀 주변에 Volume 으로 형성되는 소성변형으로 이루어진다. 툴 숄더에 의해서 일어나는 마찰열은 다 음 식 2.27와 같이 나타낼 수 있으며, 핀에 의해 발생하는 열은 식 2.28에 나타내 었다.
×
--- 2.27
×
×
--- 2.28
: 열 분할효율,
: 기계적 효율,
: slip의 정도,
: 전단항복응력
: 마찰계수,
: 각속도,
: 핀 반지름,
: 핀 옆면의 넓이
: 핀의 경계면과 전단층의 부피,
: 용접 하중Fig. 2.1 Schematic diagram of FSW pin
TIG에 의한 입열량은 원 방정식, Goldak qu, Exponential decay 등으로 나타 낼 수 있다. 본 연구에서는 Exponential decay를 선택하였고 그 수식은 다음과 같다.
×
exp
--- 2.29
: 아크 파워 분포 파라미터,
: TIG 효율,
: 아크 파워 ×
: 아크 중심으로부터 떨어진 거리,
: 아크 반지름2.1.3 해석모델 및 조건
마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 이종재 이종두께 3차원 열전도 및 열 탄소성 수치해석을 실시하였다. 수치해석에 사용한 프로그램은 ANSYS Mechanical APDL Product Launcher를 사용하였다. 수치해석 모델의 크기는 시험편과 같은 사 이즈인 200mm(L) × 100mm(W)의 크기로 마그네슘 합금은 3mm(t)의 두께, 초고장력 강은 2.3mm(t)의 두께로 맞대기 용접 모델링을 하였다. 모델링 형상과 Mesh 형상 은 Fig. 2.2와 Fig. 2.3에 나타내었다. 요소(element)와 절점(node)의 개수를 줄 이기 위해 계면을 중심으로 20mm 지점(모델 80mm부터 120mm까지)을 Fine mesh로 제작하였으며, 요소의 수는 52000개이고 절점의 수는 65526개로 만들었다. 수치해 석에 사용된 재료의 물성치는 Table. 2.1에 나타내었다. 열적 경계조건으로 Convection을 고려하였으며, 실험의 Thermocouple 위치와 같은 곳의 온도를 관찰 하였다. 또한 금속간 화합물(Intermetallic compound, IMC)의 양을 예측하기 위해 서 계면을 따라 온도를 관찰하였다.
Fig. 2.2 Specimen dimensions of numerical analysis
Fig. 2.3 Mesh shape of numerical analysis
Table. 2.1 Material properties of Mg alloy and steel Density
(
)Specific heat (
)Thermal conductivity (
)AZ31B 1780
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
DP590 7850
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
2.2 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접
2.2.1 사용 소재
본 연구에서는 현재 차량에 사용되는 소재인 초고장력강(DP590) 2.3mm(t)와 마 그네슘합금(AZ31B) 3.0mm(t)를 맞대기 용접(butt welding)으로 실행하였다. 초고 장력강(DP590)과 마그네슘합금(AZ31B)의 맞대는 부분인 계면은 밀링으로 절삭을 하였으며, 두께를 제외한 각각의 크기는 200mm(L) × 100mm(W)이다. 또한, 각각 재료의 화학적 조성과 기계적 성질을 Table. 2.2 및 Table. 2.3에 나타내었다.
Table. 2.2 Chemical composition and mechanical properties of AZ31B Chemical composition (%)
Al Zn Mn Si Fe Ca Cu Ni
2.5 ~ 3.5
0.6 ~ 1.4
0.2 ~ 1.0
Max 0.1
Max 0.005
Max 0.04
Max 0.05
Max 0.005 Mechanical properties
Yield stress(MPa)
Tensile stress(MPa)
Ultimate Tensile Strength(MPa)
Elongation(%)
165 260 260 13
Table. 2.3 Chemical composition and mechanical properties of DP590 Chemical composition (%)
C Mn Si P S
0.1 2 0.2 0.03 0.003
Mechanical properties Yield
stress(MPa)
Tensile stress(MPa)
Ultimate Tensile Strength(MPa)
Elongation(%)
450 590 623 24
2.2.2 실험장비 및 툴(Tool)
본 연구에서는 초고장력강(DP590)과 마그네슘 합금(AZ31B)의 이종소재 용접을 위해 TIG를 보조열원으로 사용한 TIG-FSW 하이브리드 용접을 실시하였다. 마찰교 반용접 장비는 3방향(X, Y, Z축)으로 0.5~10mm/s의 속도로 이동이 가능하며, 회전 속도는 300~3000rpm, 가압력은 3000kgf까지 사용 가능하다. 보조열원인 TIG를 FSW 의 보조열원으로 사용하기 위해 별도의 지그를 설치하여 용접을 하였다. Table.
2.4에 FSW 장비의 제원을 나타내었으며, Fig. 2.4에 TIG-FSW 하이브리드의 구성을 나타내었다.
Table. 2.4 Specifications of friction stir welding system
Items Range
Type Gantry Type
Welding Speed
X-axis 0.5~10mm/sec Y-axis 0.5~10mm/sec Z-axis 0.5~10mm/sec R-axis 1~20 rpm Rotation 300~3000 rpm LOAD Capacity Max. 3000kgf
Fig. 2.4 TIG-FSW hybrid welding system
마찰교반용접의 용접 변수 중 툴의 형상과 소재는 매우 중요한 요소 중 하나이 다. 본 실험에 사용된 툴은 12%Co(Cobalt)가 첨가된 WC(Tungsten carbide)이며, 다이아몬드 가공을 통해 제작되었다. 툴의 형상은 Fig. 2.6에 나타내었으며, 핀 상부 지름 6mm, 하부 지름 4mm, 길이는 1.8mm로 가공하였다. 또한 툴 Shoulder의 지름은 18mm로 가공 하였으며, 오목각(concave)은 3°이다.
Table. 2.5 Tool(WC12%) specifications Co
(±0.5%) Grade WC (±0.5%)
Grain Size(㎛)
Density (g/㎤)
Hardness (HRA)
hardness (HV30) 12% WF20 88.0 0.6 14.15 92.4 1670
Fig. 2.5 Tool details
2.2.3 TIG-FSW 하이브리드 용접조건
본 연구에서는 앞 절의 수치해석에 따라 마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강 (DP590) 이종재 TIG-FSW 하이브리드 용접할 때의 금속간화합물 예측값에 대한 타 당성을 검증하기 위해, 동일한 조건에 대해 실험을 실시하였다. 화합물의 양을 측 정하기위해 실험 후 SEM-EDS 분석을 실시하였다.
마찰교반용접(FSW)의 주요 용접 변수는 용접 이송속도(Travel speed), 툴 회전 속도(RPM), 삽입깊이(Plunge depth), 핀 오프셋(Pin offset) 등이 있다. 본 연구 에서는 공정변수 툴 회전속도, 삽입깊이 및 핀 오프셋의 수치를 고정한 뒤 이송속 도를 변화시켜 실험을 실시하였다. 자세한 변수 값은 Table. 2.6에 나타내었다.
실험 후 용접부의 외관 및 단면을 관찰하였고, 기계적 특성을 확인하기 위해 인장 시험을 실행하였다.
Table. 2.6 Welding conditions for FSW 회전속도
(rpm)
삽입깊이 (mm)
핀 오프셋 (mm)
이송속도 (mm/s)
300 0.9 스틸 쪽으로
0.8
0.6 0.8 1.0
TIG-FSW 하이브리드 용접은 마찰교반용접(FSW)의 용접성을 높여주기 위해 하는 공정이다. 마찰교반용접은 재료들의 소성유동이 중요한 용접으로, TIG를 녹는점 아래의 온도로 예열을 시켜 소성유동성을 높여주는 공정법이다. 본 실험에서는 마 찰교반용접에서 인장강도의 값이 가장 높게 나온 변수인 0.6mm/s 속도의 조건을 고정변수로 사용하였다. TIG-FSW 하이브리드 용접 변수로는 TIG의 세기, 예열위치 등이 있다. 보호가스의 종류는 Ar을 사용하였으며 유량은 15
min
, 토치각은 60°로 고정하였다. 본 실험에서는 먼저 TIG 예열위치를 변화시켜 실험을 실시하 였다. 이후 TIG의 세기를 변화시켜가며 실험을 실시하였고 특성을 비교하였다.Table. 2.7 Welding conditions for TIG-FSW hybrid welding
조건 툴 숄더로부터 TIG 예열위치
(mm)
TIG 전류 세기 (A) 예열위치에 따른
조건
20
20 25
30 TIG 전류 세기에
따른 조건 25
10 20 30
2.2.4 용접부 특성 평가
(1) 용접부 외관 및 단면분석
본 연구에서는 이종재 마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 단독 마찰교반 용접 공정과 TIG-FSW 하이브리드 용접을 실시하였다. 용접부 외관을 육안으로 관 찰하여 용접결함의 유무를 관찰하였다. 아울러 용접부의 용접성을 고찰하기 위해, 시험편의 핫 마운팅(Mounting), 연마(폴리싱, Polishing) 및 에칭(etching) 하여 광학현미경(Optical microscope)을 사용하여 단면을 관찰하였다.
(2) 인장시험
용접부의 인장강도를 평가하기 위해 시험편을 ASTM E8/E8M의 subsize로 가공하 여 실시하였다. 실험에 사용된 만능재료시험기(UTM, Universal Testing Machine) 는 Shimadzu社의 20Ton 장비이며 1mm/min속도로 인장시험을 실시하였다. 시험편의 규격과 형상은 Fig. 2.6, Table. 2.8에 나타내었다.
Fig. 2.6 Specimen dimensions for tensile test
Table. 2.8 Specimen dimensions for tensile test
G W T R L A B C
Subsize Specimen
25.0
±0.1
6.0
±0.1
소재
두께 6 100 32 30 10
(3) 금속간화합물(IMC) 분석
용접부의 금속간화합물의 생성량을 관찰하기 위해 SEM-EDS 분석을 실시하였다.
SEM 시험편은 마운팅과 에칭을 하지 않고 연마만 하여 제작 하였다.
(4) 용접부 온도 측정
용접부의 온도를 측정하기 위해 측정위치를 선정하여 용접을 실행하였다. 온도 측정 위치는 용접 진행 방향을 따라가며, 마그네슘합금(AZ31B)과 초고장력강 (DP590)에서 각각 3군데씩 측정하였다. 용접부의 각 위치별 온도를 K-type 열전대 (Thermocouple)를 이용하여 용접 중 용접부의 온도를 측정하였으며 그 위치를 Fig. 2.7에 나타내었다.
Fig. 2.7 Locations of thermocouples measurement
제 3 장 연구 결과
3.1 AZ31B/DP590 TIG-FSW 하이브리드 용접 금속간화합물
3.1.1 FSW 용접부 온도 분포
마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 마찰교반용접부에 대한 열전도 수치 해석 결과, 최고온도가 0.6mm/s에서 775.97K, 0.8mm/s에서 769.00K, 1.0mm/s에서 761.96K으로 알수 있었다. 조건 모두 온도가 10K정도씩 차이가 나며, 세 조건 모 두 마그네슘 합금의 고상선 온도(Solidus temperature, 878K)를 넘지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 이송 속도 별 용접부 표면 및 단면 온도분포도를 Fig. 3.1에 나타내었다. 두 소재중 열전도율이 높은 마그네슘합금(AZ31B)은 초고장력강 (DP590)보다 좀 더 빠르게 열전도 됨을 확인하였다. 또한 이에 대한 용접부 단면 의 시간별 열분포도를 Fig. 3.2에 나타내었다.
(a) 0.6mm/s
(b) 0.8mm/s
(c) 1.0mm/s
Fig. 3.1 Temperature fields of FSW welded joints with travel speed
(a) Time=170sec
(b) Time=200sec
(c) Time=230sec
Fig. 3.2 Temperature distribution of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s with time
마찰교반용접부에 따른 열전도 수치해석 결과 타당성을 검증하기 위해 Thermocouple로 실측한 값과 비교하였다. 이송속도가 0.6mm/s일 때 마그네슘합금 (AZ31B) 60mm 지점에서의 온도는 407.28K이고, 100mm는 405.06K, 140mm에서는 405.68K의 온도를 나타내었다. 같은 조건에서 초고장력강(DP590)의 thermocouple 지점에서의 온도는 각각 363.29K, 363.24K, 362.35K이 나왔다. 마찰교반용접 시 교반부에서는 마그네슘합금(AZ31B)보다 초고장력강(DP590)에서의 온도가 더 높게 나와야 한다. 그러나 온도를 측정한 지점이 용접부(교반부)로부터 멀리 떨어질수 록 열전도율 차이에 의해 마그네슘합금(AZ31B)의 온도가 높게 측정 될 수 있다.
마그네슘합금(AZ31B)에서의 온도 그래프를 Fig. 3.3, 초고장력강(DP590)에서의 온 도 그래프를 Fig. 3.4에 나타내었다. 시작부, 중반부, 종단부에서 모두 비슷한 경 향의 온도 그래프를 확인 할 수 있었으며 이를 통해 용접이 올바르게 진행하였다 고 할 수 있다.
Fig. 3.3 Temperature histories in Mg alloy side of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s
Fig. 3.4 Temperature histories in steel side of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s
3.1.2 TIG-FSW 하이브리드 용접부 온도 분포
예열 TIG 보조열원이 용접부에 미치는 영향을 고찰하기 위해, 예열위치 및 세기 변화에 따른 용접부의 온도 분포 특성을 고찰하였다. 예열위치 변수의 수치해석 결과 예열위치가 20mm 조건에서 TIG 예열온도가 1211.71K이 나왔으며, 25mm에서 1196.41K, 30mm에서 1186.02K이 확인 되었다. 예열소스인 TIG의 전류 세기가 20A 로 모두 같은 크기이지만, 온도는 각각 10~15K의 차이를 보인다. 이는 교반부와 예열소스인 TIG가 서로 영향을 미치게 되므로 교반부의 온도와 TIG의 예열 온도 모두 다르게 나오게 된다. 마찰교반용접 수치해석과 마찬가지로 TIG-FSW 하이브리 드에서도 조건 모두 마그네슘합금(AZ31B)의 고상선 온도(Solidus temperature, 878K)를 넘지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 단면 형상에서는 모두 비슷한 형상 의 입열을 준다는 것을 알 수 있었으며, 단독 공정보다 넓고 깊은 범위의 입열이 확인 되었다. 예열위치 별 TIG-FSW 하이브리드 용접부의 온도 형상을 Fig. 3.5에 나타내었으며 단면의 시간별 열분포도를 Fig. 3.6에 나타내었다.
(a) 20mm
(b) 25mm
(c) 30mm
Fig. 3.5 Temperature fields of TIG-FSW hybrid welded joints with TIG preheating position
(a) Time=170sec
(b) Time=200sec
(c) Time=230sec
Fig. 3.6 Temperature distribution of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm with time
TIG-FSW 하이브리드 용접부 역시 수치해석 결과치와 실측값을 비교하였다. 예열 위치가 30mm일 때 마그네슘합금(AZ31B) 60mm 지점에서의 온도는 421.22K이 나왔으 며 100mm는 419.19K, 140mm에서는 420.99K의 온도를 나타내었다. 같은 조건에서의 초고장력강(DP590)에서의 온도는 각각 372.78K, 373.40K, 373.82K이 나왔다. 마찰 교반용접부에 비해 약 10K 이 높은 값을 확인 할 수 있었다. 마그네슘합금(AZ31B) 에서의 온도 이력을 Fig. 3.7, 초고장력강(DP590)에서의 온도 이력을 Fig. 3.8에 각각 나타내었다.
Fig. 3.7 Temperature histories in Mg alloy side of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm
Fig. 3.8 Temperature histories in steel side of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm
다음은 TIG-FSW 하이브리드 용접시 예열에 따른 열전도 해석 결과이다. 10A 조 건에서 예열온도가 757.14K이 나왔으며, 20A에서 1196.41K, 30A에서 1728.78K을 나타내었다. 10A의 조건에서는 교반부에서의 온도보다 낮은 예열온도이며, 30A의 조건에서는 녹는점과 가까운 높은 온도를 보임으로써, 예열온도로 적절하지 못한
조건으로 판단
