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Al6061-T6의 고속 마찰교반용접을 위한 공정변수 연구
천현필,윤진영 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11
Al6061-T6 재질의 전기차 배터리 팩에 대한 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW) 공정은 용접부 강도와 기밀성을 유지하는 안정적인 기법으로 기존 아크용접과 레이저 용접등의 용융용접의 우수한 대체 기법으로 활용되고 있다. 그러나 기존 탄소강으로 구성된 자동차 부품의 용접속도는 텐덤아크 공정을 사용 할 경우 m/min 급으로 수행할 수 있는 반면, 알루미늄 합금에 대한 FSW 공정은 cm/min 급 이하의 용접속도로 활용되고 있다. 본 연구는 기존 텐덤아크 용접공정에 비견할 만 한 m/min 급 고속 FSW 공정을 구현하기 위한 공정변수와 툴의 형상변수에 대한 영향도를 파악하였다. 고속 FSW 공정이 적용될 연결부는 3 mm 두께를 가진 Al6061-T6 판재로 구성되며 공정변수 및 형상변수에 대해 실험을 수행하였다. 공정변수는 툴 회전속도와 용접속도이며, 툴의 형상변수는 평면, 볼록, 오목 형상의 숄더와 핀의 직경이다. 용접부의 품질은 용접부의 인장강도 및 내부 결함의 유무로 평가하였다. 아울러 고속 FSW 공정적용이 가능한 장비의 사양을 선정 할 수 있도록 변수별로 발생하는 압입하중과 토크를 측정하였다. 실험 결과 공정변수를 고정하였을 때 툴의 형상변수 중 숄더의 직경은 장비의 축 하중에 큰 영향을 준 반면 접합부 강도는 유의차 이내의 낮은 영향도를 확인 할 수 있었다. 툴의 형상변수를 고정하였을 때 툴의 회전속도는 강도 와 하중에 영향을 주었으며 용접속도는 접합부 강도에 상대적으로 낮은 영향을 주었다. 안정적인 용접부 품질을 보장하면서도 달성할 수 있는 최대 용접속도는 2.0 m/min 이다. 고속 FSW 공정에서 주목할 것은 회전속도에 따른 토크 및 축 하중의 경향이다. 회전속도의 증가에 따라 토크가 감소하고 축 하중이 증가하는 경향을 보인다. 기존 연구에서 제안한 FSW 공정에서의 에너지 평형에 서술을 따르면 회전속도와 토크의 비례성이 유지되기 위해서는 툴과 모재의 표면에서 미끌림 정도가 동일할 때 발생한다. 따라서 고속 FSW 공정에서는 미끌림 정도가 상승함에 따라 높은 회전속도에도 불구하고 낮은 토크와 높은 축압력이 발생하며 이는 결과적으로 용접부 열입력량의 감소로 귀결된다. 용접부 열입력량이 TMAZ 및 HAZ 등의 취약부 확대 및 용접변형의 원인임을 감안하였을 때 고속 FSW 공정이 생산성의 향상과 함께 기존 용접속도 영역 대비 높은 용접부 품질을 구가하는 방법으로 활용 될 수 있음을 보인다.
천현필,윤진영 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11
알루미늄 합금으로 구성되는 기계 부품에 대한 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW) 은 좁은 용접선과 플래쉬의 발생억제가 가능한 고정어깨마찰교반용접(Stationary Shoulder FSW, SSFSW)이 기존마찰교반용접(Conventional FSW, CFSW)보다 상대적으로 많이 채용되고 있다. 그러나 SSFSW는 CFSW 대비 낮은 용접속도와 고회전 공정조건에서 발생하는 툴의 과도한 마모 등의 단점을 수반한다. CFSW에서 필연적으로 발생하는 플래쉬를 공정중에 즉시 제거할 수 있다면 생산성의 측면에서 사용자는 공정선택의 테이블에 CFSW를 다시 올려둘 수 있게 된다. 본 연구는 CFSW 공정중에 플래쉬를 즉시 제거 할 수 있는 동시 플래시 제거 마찰교반용접(Concurrent Flash Removing FSW, CFR-FSW)을 고안하여 CFSW를 통해 만들어진 용접부의 품질과 비교하였다. 실험은 겹치기 연결부에 대해서 용접속도를 고정하고 툴의 회전속도와 삽입깊이를 공정변수로 선택하였다. 용접부의 품질은 인장강도와 용접부의 영구적인 변형량으로 판단하였다. 실험결과 용접부의 인장강도는 시편간의 산포 범위에서 크게 벗어나지 않은 반면 CFR-FSW 로 제작된 시편은 CFSW 로 제작된 시편에 비해 종변형이 크게 저감되었다. 또한 용접 구간에서 축 방향의 하중이 크게 감소하였고 토크의 경우 미소하게 증가하였다. 이는 입열량이 감소하였음을 의미하고 그 결과 종변형의 감소에 영향을 미친 것으로 보인다. 이러한 플래쉬의 동시적인 제거기능을 가진 CFR-FSW 는 필연적인 후 공정인 플래시 제거 공정을 생략할 수 있으며, 축 하중의 감소와 용접변형의 저감 기능의 이점을 추가적으로 가짐을 확인하였다.
천현필,윤진영 대한용접·접합학회 2021 대한용접학회 특별강연 및 학술발표대회 개요집 Vol.2021 No.11
기존 마찰교반용접(Conventional Friction Stir Welding, CFSW) 공정기술은 알루미늄 합금의 안정적인 접합방법으로 활용되고 있다. 그러나 용융되지 않은 상태의 소재와 상호작용하는 회전하는 툴의 삽입과 이송은 축 압력으로 표현되는 높은 반발력을 초래한다. 보빈툴 마찰교반용접 (Bobbin tool FSW, BT-FSW)으로 알려진 자가 반응형 마찰교반용접(Self-Reactive FSW, SRFSW)기술은 모재를 관통하는 프로브와 연결된 상하부의 숄더가 이러한 축압력을 상쇄하는 구조를 가진 툴을 이용하여 CFSW 가 가진 한계점을 해결 할 수 있는 하나의 방법이다. 본 연구는 2 mm 두께의 알루미늄 합금 맞대기 연결부를 위한 SRFSW 기술에 대한 내용이다. 접합강도, 단면감소율, 용접변형, 입출구 결함길이 등의 용접부 품질 지표에 대한 툴의 형상변수와 공정변수의 영향을 파악하였다. 툴의 형상변수는 숄더 사이의 거리와 프로브의 직경이며 공정변수는 회전속도 이다. 용접중 회전축에 작용하는 하중은 0 ~ 0.4 kN의 수준으로 측정 되었으며, 토크의 경우 툴의 회전속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 토출 부의 결함길이를 증가시키는 경향을 보였다, 기존 연구에서 제안한 프로브의 직경과 모재 두께의 비율인 1.25 ~ 1.6 과 달리 2 mm 박판에서는 2.0에서 인장강도가 상대적으로 높은 경향을 보였으며, 모재대비 단면감소율은 최소 1.9 %으로 측정 되었다.
고주파 유도가열을 이용한 철강재의 마찰교반용접 특성평가
천현필(Jason Cheon),박태순(Taesoon Park),윤진영(Jin-young Yoon),김철희(Cheolhee Kim) 대한용접·접합학회 2019 대한용접·접합학회지 Vol.37 No.5
Friction stir welding of carbon steel causes tool wear and system deformation issues because of its relatively high strength compared to aluminum. As a countermeasure, additional high-frequency induction heating is suggested to solve this problem. An inline high-frequency induction heating assisted friction stir welding process was studied on 450 MPa and 980 MPa grade carbon steel sheets. As a pre-experiment, the heating performance of the high-frequency induction heating system was quantified. Then the effective welding speed range, vertical load history, and weldment performance were investigated to evaluate the characteristics of the process. Those results were compared with a conventional friction stir welding process conducted under equivalent process conditions. For the 440 MPa steel, about 40% faster maximum welding speed was achieved by applying the 4 kW induction heating. No tensile strength degradation of the weldment was found. Also, the maximum vertical load was decreased by 26% compared to the conventional friction stir welding process. No significant degradation of hardness was observed in the welds on 440 MPa and 980 MPa steel.
레이저빔 용접과 마찰교반용접을 이용한 6천 및 7천계열 알루미늄 판재 접합부의 인장강도비교
천현필(Jason Cheon),강민정(Minjung Kang),윤진영(Jin-young Yoon),김철희(Cheolhee Kim) 대한용접·접합학회 2019 대한용접·접합학회지 Vol.37 No.3
Due to the high thermal diffusivity and metallurgical sensitivity, the proper welding processes of the aluminum are required. The Laser beam welding and friction stir welding processes have been focused as the appropriated welding processes for aluminum. The heat treated 6xxx series and 7xxx series aluminum sheet were welded by the laser beam welding and friction stir welding processes. Also, the effects of heat input through the welding parameters were investigated. The tensile strength of weldments was evaluated respectively and compared by the processes and heat input level. The insignificant tensile strength differences were found for the 6xxx series by the welding processes. However, the friction stir welded 7xxx series weldments were shown 82~89% joint efficiency while laser beam welded weldment were shown 48~58%. Overall, the effect of heat input level was not revealed in this experiment range. The degradations in hardness of weldments tended to be in proportion to the joint efficiency loss.