AA3004 알루미늄합금의 Refill FSSW 접합부특성에 미치는 공구 회전속도의 영향에 관한 연구

Abstract

Lightening of vehicle is requisite to meet the international regulations associated with energy efficiency and exhaust gas in the field of vehicle industry. Thus, light metals such as aluminum alloys are prevalent as a structural material for vehicle. However, applying resistance spot welding (RSW) technology to aluminum alloy requires high electrical current compared to ferrous metallic materials. To solve the problem, diverse researches have been performed for applying another technology of friction stir spot welding (FSSW). Nevertheless, the new technology has several problems such as keyhole forming after welding. The keyhole acts as stress raiser and corrosion acceleration point. There is a renovated technology to resolve the obstacles, refill friction stir spot welding (refill FSSW). The principal manner for the refill FSSW is similar to FSSW. There is no keyhole at the refill FSSW joint because of the peculiar shape and motion of tool. Most of refill FSSW researches have been applied to aluminum alloy plate with thickness from 1.0 to 3.0 mm. However, strength of aluminum alloys will be increased along with the time according to the development tendency. It is believed that the usage of thin aluminum alloy plate will be increased. Thus, it is necessary to research refill FSSW to aluminum alloy plate below 1.0 mm thick. This research is aiming to apply refill FSSW technology to AA3004-O aluminum alloy sheet with 0.5 mm thick. The plunge depth of tool was 0.3 mm. The effects of tool rotation speed on joint properties were investigated. Tool rotation speed was ranged from 500 to 3000 rpm. Consequently, with the exception of 500 rpm, it was possible to attain sound joint with no visible defects. The mean grain size was 4.90, 2.16 and 1.68 μm in base metal, pin affected zone and sleeve affected zone, respectively. The mean size of second phase particle was 3.03, 2.48 and 1.37 ㎛ in the base metal, pin affected zone and sleeve affected zone, respectively. Hardness of joint was higher than that of the base metal. Sleeve affected zone had higher hardness than pin affected zone. According to increasing tool rotation speed, the mean grain size of the sleeve affected zone increased to 0.83 µm at 500 rpm, 1.68 µm at 2000 rpm and 1.89 µm at 3000 rpm. The mean grain size of the pin affected zone was 2.14 μm at 500 rpm, 2.16 μm at 2000 rpm and 2.18 μm at 3000 rpm, respectively, with no significant change. In spite of the increase in the tool rotation speed, the mean sizes of second phase particle in the sleeve and pin affected zones did not change significantly. The higher speed of tool rotation speed, the higher value of hardness in the sleeve affected zone. Nevertheless, the hardness in pin affected zone was independent of the tool rotation speed. When the tool rotation speed was low, the defects in the joint cause low tensile shear load. Nonetheless, when the tool rotation speed was high, the defect free joints were obtained with high tensile shear load. The tensile shear load was more susceptible to the defects in the joint than the hardness.|자동차산업에 있어서 국제적으로 연비 및 배출가스 규제의 강화로 인해서 자동차 경량화는 필수 사항이 되어, 알루미늄합금과 같은 경량금속의 사용량이 확대되고 있다. 알루미늄합금의 점용접에 기존의 저항점용접(Resistance Spot Welding, RSW) 기술을 적용하게 되면, 철계 금속재료에 대비하여 고전류를 사용해야 한다는 등의 문제점들이 있다. 이를 해결하기 위해서 마찰교반점접합(Friction Stir Spot Welding, FSSW) 기술을 적용하는 연구가 많이 이루어지고 있지만, 이 기술의 경우에도 용접 후에 공구에 의해 keyhole이 형성되기 때문에 응력집중, 부식가속화 등의 새로운 문제점들이 발생한다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해서 새롭게 개발된 기술 중에 Refill Friction Stir Spot Welding(Refill FSSW) 기술이 있다. 이 기술은 FSSW 기술과 기본적인 원리는 유사하지만, Refill-FSSW 기술에서는 공구의 특이한 형상 및 작동으로 인하여 keyhole이 형성되지 않는다. Refill FSSW의 연구는 대부분 두께가 1.0 mm에서 3.0 mm인 알루미늄합금 판재에 적용하고 있다. 하지만 알루미늄합금의 개발동향을 확인하면 시간이 지남에 따라 강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 알루미늄합금으로 제작된 제품의 박육화에 대한 가능성이 증가한다는 것을 예상할 수 있다. 따라서 알루미늄합금 중에 두께가 1.0 mm이하인 판재에 대한 Refill FSSW 적용 연구가 필요하다. 본 연구에서는 Refill FSSW 기술을 두께가 0.5 mm인 AA3004-O 알루미늄합금 판재에 적용하였다. 그리고 공구 삽입 깊이를 0.3 mm로 고정시킨 후, 공구 회전속도를 500 rpm부터 3000 rpm까지 증가시키며, 접합하여 공구 회전속도가 접합부특성에 미치는 영향에 대해서 조사하였다. 그 결과, 500 rpm을 제외하고 육안으로 관찰가능한 결함이 없는 건전한 접합부를 얻을 수 있었다. 결정립 크기는 접합부가 모재부의 결정립 크기인 4.90 ㎛보다 작게 형성되었으며, 접합부 내에서는 Sleeve영항부가 1.68 ㎛로 Pin영향부의 결정립 크기인 2.16㎛보다 더 작게 형성되었다. 2차상 크기도 모재부 2차상 크기인 3.03 ㎛보다 작게 형성되었으며, 접합부 내에서는 Sleeve영항부가 1.37 ㎛로 Pin영향부의 2차상 크기인 2.48 ㎛보다 더 작게 형성되었다. 그에 따라 경도는 접합부가 모재부보다 더 높은 값을 나타내었고, 접합부 내에서는 Sleeve영향부가 Pin영향부보다 더 높은 값을 나타내었다. 공구 회전속도가 증가함에 따라 Sleeve영향부의 결정립 크기는 500 rpm일 때, 0.83 ㎛, 2000 rpm일 때, 1.68 ㎛, 3000 rpm일 때, 1.89 ㎛로 증가하였으나, Pin영향부의 결정립 크기는 500 rpm일 때, 2.14 ㎛, 2000 rpm일 때, 2.16 ㎛, 3000 rpm일 때, 2.18 ㎛로 큰 변화가 없었다. 공구회전속도가 증가함에도 불구하고 Sleeve영향부의 2차상의 크기 500 rpm일 때, 1.50 ㎛, 2000 rpm일 때, 1.51 ㎛, 3000 rpm일 때, 1.47 ㎛로 큰 변화가 없었고, Pin영향부의 2차상 크기는 500 rpm일 때, 1.64 ㎛, 2000 rpm일 때, 1.70 ㎛, 3000 rpm일 때, 1.70 ㎛로 큰 변화가 없었다. 그에 따라 공구 회전속도가 증가하면 경도는 Sleeve영향부의 경우 증가하였지만 Pin영향부에서는 큰 변화가 나타나지 않았다. 인장전단하중은 공구의 회전속도가 증가함에 따라 증가한 후 포화하는 경향을 나타내었다. 회전속도가 낮을 경우 접합부 내에 결함이 발생하여 낮은 인장전단하중을 나타냈지만 회전속도가 높을 경우 접합부 내에 결함이 없는 건전한 접합부가 형성되어서 높은 인장전단하중을 나타내었다. 인장전단하중은 경도 및 미세조직의 영향보다 접합부 내에 발생하는 결함에 큰 영향을 받는다.