마그네슘합금(AZ31B)과 초고장력강(DP590) 접합계면의 단면과 미세조직 특성, 특히 금속간화합물을 관찰하기 위해 SEM EDS 를 이용하여 분석을 진행하였다. EDS 는 약 60μm의 길이로 선 분석을 진행하였는데, 이는 모재들과 계면의 성분 분포 를 알아보기 위함이다. 성분 분석 위치를 Fig. 4.4에 나타내었으며, 단독 공정의 분석 사진을 Table. 4.6, 하이브리드공정을 Table. 4.7에 나타내었다. 금속간화합 물 관찰 결과 마찰교반용접부 상부부터 1.88μm, 1.67μm, 1.30μm의 금속간화합 물이 관찰 되었으며 TIG-FSW 하이브리드 용접부에서는 상부부터 2.31μm, 2.07μ m, 1.87μm의 금속간화합물이 관찰되었다. 이는 10μm이하의 금속간화합물 양을 만족하는 수치이다.
Fig. 4.4 SEM image and location of EDS
Table. 4.6 SEM-EDS of FSW welded joints in travel speed 0.6mm/s
측정위치 SEM EDS
계면 상부
계면 중앙부
계면 하부
Table. 4.7 SEM-EDS of TIG-FSW hybrid welded joints in TIG preheating position 30mm
측정위치 SEM EDS
계면 상부
계면 중앙부
계면 하부
수치해석을 통한 금속간화합물 두께와 실측값을 비교해 보았다. 수치해석 예측 값과 실측값은 최소 0.01μm부터 최대 0.3μm의 차이를 보였으나, 각 위치에서의 예측 값의 길이가 실측값의 길이와 비슷하게 나타났다. 이를 통해 수치해석 금속 간화합물 예측의 타당성을 증명할 수 있다.
Table. 4.8 Comparison of IMC layer thickness between Numerical analysis and experimental results
측정위치
마찰교반용접부 TIG-FSW 하이브리드 용접부
수치해석(μm) SEM-EDS(μm) 수치해석(μm) SEM-EDS(μm) 계면
상부 1.89 1.88 2.61 2.31
계면
중앙부 1.54 1.67 2.15 2.07
계면
하부 1.38 1.30 1.93 1.87
제 5 장 결 론
본 연구에서는 수치해석을 통해 이종재 마그네슘합금(AZ31B)과 초고장력강 (DP590)의 마찰교반용접 및 TIG-FSW 하이브리드 용접부에 대한 금속간화합물 두께 를 예측하였다. 수치해석의 타당성을 검증하기 위해 실측한 값과 비교 평가함으로 써, 용접부에 대한 신뢰성을 확보하였다.
1) 마그네슘합금(AZ31B)/초고장력강(DP590)의 마찰교반용접부에 대한 열전도 수 치해석 결과, 마찰교반용접부 계면에서 657.68K의 최대온도를 나타내었으며, TIG-FSW 하이브리드 용접부의 계면에서 668.88K의 최대온도를 나타내었다. 또한 온도 두 소재 중 열전도율이 높은 마그네슘합금(AZ31B)측이 초고장력강(DP590)보 다 좀 더 빠르게 열전도 됨을 확인할 수 있었다.
2) 마그네슘합금(AZ31B)과 초고장력강(DP590)의 금속간화합물은 FeAl3, Fe2Al5계 로, 용접부에 취성을 나타내어 용접부의 강도를 저하시키므로 금속간화합물 두께 가 10이하이여야 적용 가능하다. 본 연구에서 금속간화합물 예측 결과, 마찰교 반용접부에서는 약 1.4 ~ 1.9, TIG-FSW 하이브리드 용접부에서 약 1.9 ~ 2.6
로, 두 공정 모두 10이내를 만족 하였다.
3) 열탄소성 수치해석 결과, 마찰교반용접부에서의 최대 잔류응력 값은 약 197MPa로 마그네슘합금(AZ31B) 항복강도(260MPa)의 약75.77%를 나타내었다.
TIG-FSW 하이브리드 용접부의 경우, 6MPa이 높은 203MPa의 잔류응력 값이 발생하 였다. 또한 초고장력강(DP590)측의 최대잔류응력이 마그네슘합금(AZ31B)측 보다 약 10MPa정도 높게 발생하는데, 이는 마그네슘합금(AZ31B)의 열팽창률이 더 높고 냉각시의 수축이 초고장력강(DP590)측에 구속력으로 작용하여 발생한 것으로 사료 된다.
4) 마찰교반용접의 0.6mm/s 조건에서 모재(AZ31B, 260MPa)대비 약 62.28%인 161.93MPa의 인장강도 값을 나타내었으며, TIG-FSW 하이브리드 용접부는 예열위치 가 30mm, 전류세기가 10A인 조건에서 최대값을 보이며, 이는 모재대비 약 66.46%
으로 172.8MPa의 인장강도 값을 나타내었다.
5) SEM-EDS 분석 결과, 금속간화합물의 두께는 마찰교반용접부 상부부터 1.88μ m, 1.67μm, 1.30μm의 화합물이 관찰 되었으며, TIG-FSW 하이브리드 용접부에서 는 상부부터 2.31μm, 2.07μm, 1.87μm의 화합물이 생성됨을 확인할 수 있었다.
이는 수치해석 결과 값과 보교 하였을 때 차이가 0.01 ~ 0.3μm로 정성적, 정량적 측면에서 동일한 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다.