AA5182-O 알루미늄합금 판재와 SPRC440 강판 간의 이종 Refill-FSSW 접합부 특성에 관한 연구

Abstract

전 세계적으로 지구온난화로 인한 환경문제 관심이 증가함에 따라, 자동차산업에서는 연비 향상을 위해 기술 개발을 하고 있다. 이 중 소재 변경의 경우, 고강도 강으로 대체하거나 알루미늄합금으로 대체하고 있다. 이처럼, 소재 변경이 진행됨에 따라 소재의 혼용 사용 가능성이 증가하기에, 이종 소재 간 용접/접합 기술의 중요성이 증가하고 있다. 점 결합 기술 중 리필마찰교반점접합 (Refill-Friction Stir Spot Welding, Refill-FSSW) 기술은 타 공정 대비 여러 문제점을 보완하기 때문에, 이에 관한 연구 필요성 및 관심이 증가하고 있다. 본 연구에서는 상판 두께 1.0 mm의 AA5182-O 알루미늄합금 판재와 하판 두께 0.7 mm의 SPRC440 강판 간의 접합에 Refill-FSSW를 적용했으며, 공구의 삽입 깊이를 변화시켜 겹치기 접합을 진행했다. 실험 결과, 삽입 깊이 0.6 mm 이외의 모든 삽입 깊이에서 접합되었으며, 결정립 크기의 경우 접합부 영역이 모재 영역보다 결정립 크기가 작았고, 접합부에서도 상부, 중부 및 하부 영역으로 갈수록 결정립 크기가 커졌다. 하부 판재의 경우 슬리브 상부를 제외하고는 모든 영역이 모재의 결정립 크기와 유사했다. Al/Steel 계면부에서는 Fe4Al13의 금속간화합물 (Intermetallic compound, IMC)과 불연속 IMC 영역이 관측되었고, 삽이 깊이 변화에 따라 계면 거칠기 변화가 관측되었다. 삽입 깊이가 증가함에 따라 IMC 길이와 두께 및 계면 거칠기는 증가하는 경향을 보였고, 불연속 IMC 길이는 감소하는 경향을 보였다. 비커스 경도의 경우, 알루미늄합금 판재에서는 모든 삽입 깊이에서 접합부 영역이 모재 영역보다 높은 경도 값을 보였으며, 접합부 영역에서도 슬리브 영역이 핀 영역보다 높은 경도 값을 보였다. 또한, 모든 접합변수에서 상부, 중부 및 하부 영역으로 갈수록 경도 값이 감소하는 경향을 보였다. Steel 판재에서의 경도 값은 삽입 깊이 0.9 mm의 슬리브 상부 및 중부 영역을 제외하고, 삽입 깊이에 따른 모든 영역에서 모재의 경도 값과 유사했다. 상온인장전단하중의 경우, 삽입 깊이가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 이를 미세조직 영향 인자들과 상관관계를 파악해본 결과, IMC 길이와 계면 거칠기가 상온인장전단하중 변화에 주된 영향 인자로 판단된다.|Automobile industries develop technologies to improve fuel efficiency and meet environmental regulations because of growing interests in environmental problems caused by global warming and climate change. In the case of material selection of automobiles, thinner sheets of strength improved steels or lightweight aluminum alloys are employed. Among various spot joining processes, the Refill-Friction Stir Spot Welding (Refill-FSSW) technology improves upon several problems observed in other processes. Hence, great interests in related research are taken around the world. In this study, Refill-FSSW was employed on AA5182-O aluminum alloy plate with a thickness of 1.0 mm and SPRC440 steel plate with a thickness of 0.7 mm. The effect of plunge depth on the microstructure and mechanical properties was studied. Welding was successful except for the plunge depth of 0.6 mm. For the aluminum plate, grain size of weld zone was smaller than that of the base metal. Also, the grain size increased from top to bottom in weld zone. For the steel plate, the whole weld zone was similar to the grain size of the base metal except for the top of the sleeve zone. At the Al/Steel interface, intermetallic compound (IMC) of Fe4Al13 and discontinuous IMC were observed. Also, change in the interface roughness occurred with increase in plunge depth. Analysis of above microstructure features affecting mechanical properties, IMC length and thickness and interface roughness increased with increasing plunge depth, and the length of discontinuous IMC decreased. In the case of Vickers hardness, the hardness of weld zone was higher than that of the base metal zone for all conditions. Within the weld zone, hardness at the sleeve zone was higher than that of the pin zone. However, hardness decreased from top to bottom for all area. For steel plates, hardness was same to that of the base metal except for the top and middle area of sleeve for the plunge depth of 0.9 mm. In addition, maximum tensile shear load increased with increasing plunge depth. Finally, through analysis of correlation between the tensile shear load and microstructural features, the IMC length and interface roughness were found to be the main factors affecting the tensile shear load.