FSW, MIG, TIG 용접법으로 접합된 Al-6061 플레이트 비교 분석

용접 방식에 따른 Al-6061의 기계적 특성 변화: 귀사의 부품 접합 공정을 위한 핵심 인사이트

이 기술 브리프는 [Aaluri Praveen Reddy, Saurabh Dewangan]이 저술하여 АСТА МЕTALLURGICA SLOVACA에 게재한 학술 논문 "[A COMPARATIVE ANALYSIS AMONG THE WELDED Al-6061 PLATES JOINED BY FSW, MIG AND TIG WELDING METHODS]"를 기반으로 합니다. HPDC(고압 다이캐스팅) 전문가를 위해 CASTMAN의 전문가들이 요약 및 분석하였습니다.

Fig. 1 Experimental work: (a) Automatic MIG welding; (b) FSW process; (c) Three welded plates
Fig. 1 Experimental work: (a) Automatic MIG welding; (b) FSW process; (c) Three welded plates

키워드

  • 주요 키워드: Al-6061 용접성 비교
  • 보조 키워드: 마찰교반용접(FSW), MIG 용접, TIG 용접, 알루미늄 합금 접합, 인장 강도, 미세조직 분석, 용접부 경도

Executive Summary

(핵심 문제, 접근 방식, 가장 중요한 발견에 대한 요약)

  • 과제: 널리 사용되는 Al-6061 합금에 대해 마찰교반용접(FSW), MIG 용접, TIG 용접 등 세 가지 주요 접합 기술이 기계적 특성 및 미세구조에 미치는 영향을 정량적으로 비교 평가합니다.
  • 방법: 필러를 사용한 MIG 용접, 필러가 없는 TIG 용접, 그리고 고상 용접 방식인 FSW를 사용하여 Al-6061 플레이트를 각각 접합했습니다. 이후 인장 강도, 경도, 파단 거동 및 미세조직 변화를 분석했습니다.
  • 핵심 발견: 필러 와이어(ER5183)를 사용한 MIG 용접부가 FSW나 TIG 용접부에 비해 월등히 높은 인장 강도(UTS 154 MPa)와 연신율(2.4%)을 보였습니다. 이는 아크 용접 시 필러 와이어의 사용이 접합부 강도 확보에 결정적임을 증명합니다.
  • 결론: 강도와 연성을 모두 고려할 때, Al-6061 플레이트 접합에는 MIG 용접이 가장 적합한 방법으로 확인되었습니다.

과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 왜 중요한가

HPDC 공법으로 생산된 정밀 부품들은 종종 다른 부품과의 조립을 위해 용접과 같은 후속 접합 공정을 거칩니다. 특히 자동차, 항공우주, 전자 산업에서 널리 사용되는 Al-6061과 같은 합금의 경우, 접합부의 품질이 최종 제품의 성능과 신뢰성을 좌우합니다. 하지만 알루미늄 합금은 낮은 용융점과 높은 열전도율로 인해 용접이 까다로우며, 용접 방식에 따라 용접부(WZ), 열영향부(HAZ)의 미세조직과 기계적 특성이 크게 달라집니다. 이는 예기치 않은 강도 저하, 연성 감소, 또는 결함 발생으로 이어질 수 있습니다. 따라서 각 용접 기술의 장단점을 명확히 이해하고, 특정 애플리케이션에 가장 적합한 방법을 선택하는 것은 모든 엔지니어와 R&D 관리자의 중요한 과제입니다. 본 연구는 이 문제에 대한 명확하고 데이터에 기반한 해답을 제공합니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 세 가지 다른 용접 기술을 사용하여 Al-6061 플레이트 접합 샘플을 제작했습니다.

  • 마찰교반용접(FSW): D2 다이스강으로 제작된 툴을 사용하여 900 RPM의 회전 속도와 25 mm/min의 용접 속도로 고상 접합을 수행했습니다.
  • MIG 용접: ER5183 필러 와이어를 사용하고, 153A의 전류와 21V의 전압 조건에서 아르곤(Ar) 보호 가스 분위기 하에 용접을 진행했습니다.
  • TIG 용접: MIG와 동일한 용접 속도를 유지하되, 필러 와이어 없이 150A 전류와 21V 전압으로 용접하여 필러 유무의 영향을 비교했습니다.

제작된 각 용접 시편은 ASTM-E8 표준에 따라 인장 시험을 거쳤으며, 로크웰 경도 시험기(B-스케일)를 사용하여 용접부 중심을 가로지르는 경도 분포를 측정했습니다. 또한, 파단면 분석(Fractography)과 미세조직 관찰을 통해 각 용접 방식이 재료에 미친 영향을 심층적으로 분석했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

  • 결과 1: 인장 강도에서 MIG 용접의 압도적 우위
    MIG 용접 시편의 극한 인장 강도(UTS)는 154 MPa로, FSW(88 MPa)보다 약 75%, TIG(73 MPa)보다 약 111% 더 높게 나타났습니다. 연신율 또한 MIG가 2.4%로 다른 두 방식(FSW 1.6%, TIG 1.7%)보다 약 50% 우수했습니다. 이는 필러 와이어의 사용이 접합부의 강도와 연성을 크게 향상시킴을 명확히 보여줍니다 (Table 1 참조).
  • 결과 2: 경도 분포의 차이
    MIG와 FSW 용접부(WZ)는 열영향부(HAZ)보다 더 단단하게 측정되었습니다. 반면, TIG 용접의 경우 미세하고 등축적인 2차상의 축적으로 인해 HAZ가 WZ보다 더 단단하게 나타나는 독특한 결과를 보였습니다. 전반적으로 MIG 용접 시편이 모든 영역(모재, HAZ, WZ)에서 가장 높은 경도 값을 기록했습니다 (Figure 7, 8 참조).
  • 결과 3: 미세조직의 변화
    모든 용접 방식에서 모재(BM)의 미세한 1차상 입계는 용접부(WZ)에서 두꺼운 수지상(dendritic) 형태로 변화했습니다. 특히 MIG와 TIG 용접부에서는 급속 냉각의 영향으로 조대한 2차상이 미세한 입자로 변환되었습니다. FSW의 경우, 모재와 용접부 사이의 경계가 거의 보이지 않을 정도로 금속의 혼합이 잘 이루어졌음을 확인했습니다 (Figure 10, 11, 12 참조).
  • 결과 4: 파단 거동 분석
    모든 시편은 연성 파괴의 거동을 보였습니다. 특히 MIG 용접 시편의 파단면에서는 상당한 소성 흐름과 함께 뚜렷한 매크로/마이크로 딤플이 관찰되어 높은 연신율의 원인을 뒷받침했습니다. FSW 시편은 딤플이 거의 관찰되지 않았으며, TIG 시편은 소용돌이 모양(whirl-like appearance)의 파단면을 보였습니다 (Figure 6 참조).

귀사의 HPDC 운영을 위한 실질적 시사점

본 연구 결과는 HPDC 부품의 후속 접합 공정을 설계하고 관리하는 데 중요한 지침을 제공합니다.

  • 공정 엔지니어에게: Al-6061 부품의 접합 시, 최고의 기계적 강도가 요구된다면 필러 와이어를 사용하는 MIG 용접이 가장 확실한 선택입니다. 논문의 결론에 따르면, 필러 와이어의 삽입은 아크 용접에서 필수적입니다.
  • 품질 관리팀에게: TIG 용접 시 HAZ의 경도가 WZ보다 높게 나타나는 현상(Figure 7)은 용접 품질을 모니터링하는 새로운 지표가 될 수 있습니다. 이는 열 입력과 냉각 속도 제어의 중요성을 시사합니다.
  • 설계 엔지니어에게: FSW는 고상 접합으로 용융 및 응고 과정에서 발생하는 문제를 피할 수 있지만, 본 연구에서는 MIG 대비 강도가 낮게 나타났습니다. 이는 툴의 회전 속도 등 공정 변수 최적화가 FSW의 성능에 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 부품 설계 시 접합부의 요구 성능에 따라 적절한 용접 방식을 초기 단계부터 고려해야 합니다.

논문 상세 정보

A COMPARATIVE ANALYSIS AMONG THE WELDED Al-6061 PLATES JOINED BY FSW, MIG AND TIG WELDING METHODS

1. 개요:

  • 제목: A COMPARATIVE ANALYSIS AMONG THE WELDED Al-6061 PLATES JOINED BY FSW, MIG AND TIG WELDING METHODS
  • 저자: Aaluri Praveen Reddy, Saurabh Dewangan
  • 발행 연도: 2023
  • 게재 학술지: АСТА МЕTALLURGICA SLOVACA
  • 키워드: Al-6061; FSW; MIGW; TIGW; Tensile strength; Fracture behavior; Hardness; Microstructure

2. 초록:

본 연구는 용접된 Al-6061 플레이트의 인장 강도, 경도, 파괴 거동 및 미세 구조 변화를 평가합니다. 이를 바탕으로 세 가지 다른 용접 기술인 마찰교반용접(FSW), 금속 불활성 가스 용접(MIGW), 텅스텐 불활성 가스 용접(TIGW)의 성능을 비교했습니다. MIG 용접은 필러 로드를 사용하여 수행되었으며, TIG 용접은 필러 금속 없이 적용되어 FSW(필러 없는 고체 상태 용접) 결과와 비교되었습니다. MIGW 시편의 극한 인장 강도(UTS)는 FSW 및 TIGW 시편보다 각각 75% 및 111% 더 높은 것으로 나타났습니다. 또한 MIG 접합부의 연신율은 다른 두 용접부보다 거의 50% 더 높습니다. 두 비필러 용접, 즉 FSW와 TIG의 인장 특성은 유사하게 나타났습니다. 파괴 분석 결과는 세 접합부 모두 연성 거동을 보였음을 입증했습니다. 모재 영역(BM)의 1차상(밝은 Al-결정립)과 얇은 고체 경계는 용접 영역(WZ)에서 두꺼운 수지상 형태로 변경되었습니다. 또한, BM의 조대한 2차상은 급속 냉각의 영향으로 WZ에서 미세 입자로 변환되었습니다. WZ는 MIG 및 FSW 플레이트에서 HAZ보다 더 단단한 것으로 보고되었으며, TIGW 플레이트의 HAZ는 미세 등축 2차상의 축적으로 인해 WZ보다 더 단단한 것으로 나타났습니다.

3. 서론 요약:

알루미늄(Al)은 FCC 격자 구조로 인해 부드럽고 연성이 높으며 경도가 낮은 재료입니다. Al-6061은 범용 작업 및 주방용품에 가장 널리 사용되는 합금 중 하나입니다. 알루미늄은 낮은 용융 온도로 인해 아크 용접 기술로 용접하기 어렵습니다. 본 연구는 FSW, MIG, TIG라는 세 가지 다른 용접 기술을 Al-6061 플레이트에 적용하여 그 용접성을 비교 평가하는 것을 목표로 합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

Al-6061 합금은 항공우주, 자동차, 식품 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용되지만, 낮은 용융점으로 인해 용접이 까다롭습니다. TIG, MIG와 같은 아크 용접이나 FSW와 같은 고상 용접 등 다양한 접합 기술이 적용될 수 있으며, 각 기술은 접합부의 기계적 특성과 미세조직에 고유한 영향을 미칩니다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 TIG 용접 시 전류가 경도에 미치는 영향, 필러 금속 종류에 따른 특성 변화, MIG 용접을 통한 이종 금속 접합, FSW의 공정 변수가 강도에 미치는 영향 등을 개별적으로 다루어 왔습니다. 하지만 이 세 가지 주요 용접 기술을 동일한 Al-6061 재료에 적용하여 종합적으로 비교 분석한 연구는 부족했습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 FSW, MIG, TIG 세 가지 다른 용접 기술을 사용하여 접합된 Al-6061 플레이트의 인장 강도, 경도, 파괴 거동 및 미세구조 변화를 종합적으로 평가하고 비교 분석하는 것입니다. 이를 통해 각 용접 기술의 성능을 명확히 하고, 특정 응용 분야에 가장 적합한 용접 방법을 제시하고자 합니다.

핵심 연구:

연구는 세 가지 용접 방법(필러를 사용한 MIG, 필러 없는 TIG, FSW)으로 Al-6061 시편을 제작하고, 이들의 기계적 특성(인장 시험, 경도 시험)과 재료 과학적 특성(파면 분석, 미세조직 분석)을 체계적으로 비교했습니다. 특히 필러 와이어의 유무가 아크 용접 결과에 미치는 영향과, 고상 용접인 FSW의 특성을 아크 용접과 비교하는 데 중점을 두었습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

100x50x4mm 크기의 Al-6061 플레이트 6개를 준비하여 3쌍의 시편을 만들었습니다. 각 쌍은 FSW, MIG, TIG 용접법을 사용하여 각각 접합되었습니다. 용접된 플레이트는 와이어 방전 가공(WEDM)을 통해 ASTM-E8 표준에 맞는 인장 시험 시편으로 제작되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 인장 시험: 만능 시험기(UTM)를 사용하여 하중-변위 곡선을 얻고, 이를 통해 UTS, 항복 강도(YS), 연신율을 계산했습니다.
  • 경도 시험: 로크웰 경도 시험기(B-스케일)를 사용하여 용접부 중심에서 2mm 간격으로 경도를 측정하여 용접부, 열영향부, 모재의 경도 분포를 분석했습니다.
  • 파면 및 미세조직 분석: FESEM을 사용하여 파단면을 관찰하고, 2% 불산(HF)으로 에칭한 후 광학 현미경으로 각 영역의 미세조직을 분석했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 Al-6061 합금에 국한되며, FSW, MIG, TIG 세 가지 용접 기술의 비교에 초점을 맞춥니다. 분석 범위는 인장 특성, 경도, 파괴 거동, 미세조직 변화를 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

MIG 용접 시편은 UTS 154 MPa, 연신율 2.4%로 가장 우수한 기계적 특성을 보였습니다. 이는 FSW(UTS 88 MPa)와 TIG(UTS 73 MPa)보다 월등히 높은 수치입니다. 경도 또한 MIG 시편이 모든 영역에서 가장 높았습니다. 미세조직 분석 결과, MIG와 TIG의 용접부는 수지상 결정립을 보였고, FSW는 미세하고 균일한 등축 결정립을 나타냈습니다. 이 결과들은 필러 와이어를 사용한 MIG 용접이 Al-6061 접합에 가장 효과적인 방법임을 입증합니다.

Figure Name List:

Fig. 2 (A) Cutting of tensile test specimen according to ASTME8 standard; (B) Three tensile test specimens of- (a) FSW plate; (b) MIGW plate; (c) TIGW plate
Fig. 2 (A) Cutting of tensile test specimen according to ASTME8 standard; (B) Three tensile test specimens of- (a) FSW plate; (b) MIGW plate; (c) TIGW plate
Fig. 3 Rockwell hardness testing: (a) Image during indentation at a gap of 2 mm; (b) The tested specimens
Fig. 3 Rockwell hardness testing: (a) Image during indentation at a gap of 2 mm; (b) The tested specimens
Fig. 4 The outcome of tensile testing in the form of Load-Displacement curves: (a) Blue colored curve- MIGW; (b) Black colored curve- FSW; (c) Green colored curve- TIGW
Fig. 4 The outcome of tensile testing in the form of Load-Displacement curves: (a) Blue colored curve- MIGW; (b) Black colored curve- FSW; (c) Green colored curve- TIGW
Fig. 5 Fractured tensile test specimens
Fig. 5 Fractured tensile test specimens
Fig. 9 Polished and etched surfaces of three welded plates
Fig. 9 Polished and etched surfaces of three welded plates
  • Fig. 1 Experimental work: (a) Automatic MIG welding; (b) FSW process; (c) Three welded plates
  • Fig. 2 (A) Cutting of tensile test specimen according to ASTM-E8 standard; (B) Three tensile test specimens of- (a) FSW plate; (b) MIGW plate; (c) TIGW plate
  • Fig. 3 Rockwell hardness testing: (a) Image during indentation at a gap of 2 mm; (b) The tested specimens
  • Fig. 4 The outcome of tensile testing in the form of Load-Displacement curves: (a) Blue colored curve- MIGW; (b) Black colored curve- FSW; (c) Green colored curve- TIGW
  • Fig. 5 Fractured tensile test specimens
  • Fig. 6 Fractography analysis of welded joint: (a) FSW joint; (b) MIG joint; (c) TIG joint
  • Fig. 7 Hardness distribution at various points of the welded plates
  • Fig. 8 A comparative assessment among hardness at BM, HAZ and WZ
  • Fig. 9 Polished and etched surfaces of three welded plates
  • Fig. 10 Microstructural observation in FSW plate
  • Fig. 11 Microstructural observation in MIGW plate
  • Fig. 12 Microstructural observation in TIGW plate

7. 결론:

Al-6061은 고상 및 액상 용접 조건 모두에서 우수한 용접성을 보입니다. 본 연구에서 FSW, MIG, TIG 세 가지 용접법으로 접합된 Al-6061 플레이트의 기계적 특성과 미세구조를 비교 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다.

  • 필러를 사용한 MIGW 플레이트는 가장 높은 UTS(154 MPa), YS(123 MPa), 연신율(2.4%)을 보였습니다. 이는 아크 용접 시 필러 와이어의 삽입이 매우 중요함을 증명합니다.
  • FSW는 TIGW보다 우수한 UTS를 보였지만, 부적절한 교반으로 인해 용접부의 연성 특성이 손실되었습니다.
  • 아크 용접된 두 접합부(MIG, TIG)는 상당한 소성 흐름을 보이는 연성 파괴 거동을 나타냈습니다.
  • 경도 시험 결과, MIGW 시편의 용접부(WZ)가 FSW 및 TIGW 시편보다 각각 170%, 338% 더 단단했습니다.
  • 미세구조 관찰 결과, 모재의 미세한 입계는 용접부에서 두꺼운 수지상으로 변환되었고, 조대한 2차상은 미세 입자로 변화했습니다.
  • 우수한 강도, 높은 연성, 높은 경도를 고려할 때, 필러 와이어를 사용한 MIG 용접이 Al-플레이트 접합에 가장 적합한 방법임이 입증되었습니다.

8. 참고 문헌:

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결론 및 다음 단계

이 연구는 HPDC 부품의 후속 공정인 접합 공정의 품질을 향상시키는 데 유용한 로드맵을 제공합니다. 연구 결과는 품질 개선, 결함 감소, 생산 최적화를 위한 명확하고 데이터에 기반한 경로를 제시합니다.

CASTMAN은 최신 산업 연구를 적용하여 고객의 가장 까다로운 다이캐스팅 문제를 해결하는 데 전념하고 있습니다. 이 보고서에서 논의된 문제가 귀사의 운영 목표와 관련이 있다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 고급 원칙을 귀사의 부품에 적용하는 방법을 논의하십시오.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 연구에서 Al-6061 접합부의 기계적 강도를 향상시키는 데 가장 결정적인 요인은 무엇이었습니까?
A1: 연구는 필러 와이어를 사용한 MIG 용접이 가장 높은 인장 강도와 연신율을 제공했다고 결론 내렸습니다. 이는 논문의 Conclusion 섹션에 명시되어 있으며 Table 1의 데이터로 뒷받침됩니다.

Q2: 필러 와이어 없이 수행된 TIG 용접의 강도가 낮은 이유는 무엇입니까?
A2: 논문의 Abstract와 Conclusion에 따르면, 필러 금속 없이 TIG 용접을 수행했을 때 접합부의 강도가 현저히 낮았습니다. 이는 접합부에 추가적인 재료 공급이 없어 모재의 용융 및 재응고만으로는 충분한 강도를 확보하기 어렵다는 것을 시사합니다.

Q3: 이 연구 결과는 특정 Al-6061 합금에만 적용됩니까?
A3: Material and Methods 섹션에 명시된 바와 같이, 이 연구는 구체적으로 6061 등급의 알루미늄 플레이트를 사용하여 수행되었습니다. 다른 알루미늄 합금에 대한 적용 가능성은 추가적인 연구가 필요할 수 있습니다.

Q4: TIG 용접에서 열영향부(HAZ)가 용접부(WZ)보다 더 단단하게 나타난 이유는 무엇입니까?
A4: 논문의 Abstract 섹션에 따르면, TIG 플레이트의 HAZ에서 미세하고 등축적인 2차상이 축적되었기 때문입니다. 이 미세조직의 변화가 HAZ의 경도를 WZ보다 높게 만든 주요 원인입니다.

Q5: 마찰교반용접(FSW)의 강도가 MIG 용접보다 낮은 이유는 무엇입니까?
A5: 논문의 Conclusion 섹션에서는 FSW의 연성 특성 손실이 "부적절한 교반(improper stirring)" 때문일 수 있다고 언급합니다. 이는 FSW 공정에서 툴의 속도와 같은 변수 최적화가 접합부의 최종 기계적 특성에 매우 중요하다는 것을 의미합니다.

Q6: 이 논문이 다이캐스팅 시설에 주는 직접적이고 실용적인 교훈은 무엇입니까?
A6: "[A COMPARATIVE ANALYSIS…]" 논문에 근거한 핵심 교훈은, Al-6061과 같은 HPDC 부품의 후속 접합 공정에서 최고의 기계적 성능이 요구될 경우, 필러 와이어를 사용하는 MIG 용접을 우선적으로 고려해야 한다는 것입니다. 이는 데이터로 명확하게 입증된 결론입니다.

저작권

  • 이 자료는 [Aaluri Praveen Reddy, Saurabh Dewangan]의 논문 "[A COMPARATIVE ANALYSIS AMONG THE WELDED Al-6061 PLATES JOINED BY FSW, MIG AND TIG WELDING METHODS]"를 분석한 것입니다.
  • 논문 출처: [https://doi.org/10.36547/ams.29.2.1778]
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