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 15min, 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