AA6061 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접 중 발생하는 플래시 결함에 대한 백킹 플레이트 및 툴 설계의 영향

Effects of different backing plates and tool design on the flash defect developed during friction stir welding of AA6061 aluminium alloy

본 보고서는 마찰 교반 용접(FSW) 공정에서 백킹 플레이트의 열 확산율과 툴 설계 변수가 플래시 결함 형성에 미치는 기술적 영향을 분석한다. 특히 소재의 열적 거동 제어를 통한 결함 억제 방안을 제시한다.

Paper Metadata

• Industry: 항공우주, 조선, 철도 산업
• Material: AA6061-T6 알루미늄 합금
• Process: 마찰 교반 용접 (Friction Stir Welding, FSW)

Keywords

• 마찰 교반 용접 (FSW)
• 백킹 플레이트 열 확산율
• 툴 설계
• 플래시 결함
• AA6061-T6
• 소재 유동

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 6mm 두께의 AA6061-T6 압연 판재를 대상으로 단일 패스 마찰 교반 용접 실험을 수행하였다. 실험 장치는 열 확산율이 상이한 세 가지 유형의 백킹 플레이트(단일 석면, 석면-알루미늄 복합재, 단일 알루미늄)를 포함하도록 구성되었다. 용접 공정 변수로는 툴 회전 속도(800, 1000, 1200 RPM)와 용접 속도(30, 60, 90 mm/min)를 변화시키며 플래시 결함 발생 여부를 관찰하였다. 사용된 툴은 EN 31 합금강 재질로, 왼나사 산이 가공된 6mm 직경의 핀과 18mm 직경의 숄더를 갖추고 있다.

Key Findings

실험 결과, 알루미늄 백킹 플레이트(열 확산율 88.99 mm²/s)를 사용했을 때 높은 열 방출 효율로 인해 플래시 결함이 현저히 감소하거나 제거됨을 확인하였다. 반면, 석면 백킹 플레이트(열 확산율 0.10 mm²/s)는 열 축적을 유발하여 소재를 과도하게 연화시켰으며, 이로 인해 심각한 플래시 결함이 발생하였다. 또한, 왼나사 툴을 시계 방향으로 회전시킬 경우 가소화된 소재가 상부로 유동하여 결함이 발생했으나, 반시계 방향 회전 시에는 소재가 루트 방향으로 유동하여 건전한 접합부가 형성되었다. 정량적으로는 낮은 용접 속도(30 mm/min)와 높은 회전 속도(1200 RPM)의 조합에서 결함 발생 빈도가 가장 높았다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 알루미늄 합금 구조물의 마찰 교반 용접 공정 설계 시 백킹 플레이트 재질 선정의 중요성을 입증한다. 고품질 접합이 요구되는 항공기 및 철도 차량 제작 공정에서 열 확산율이 높은 백킹 플레이트를 적용함으로써 플래시 결함으로 인한 소재 손실과 강도 저하를 방지할 수 있다. 또한 툴의 나사산 방향과 회전 방향의 상관관계를 최적화하여 공정 안정성을 확보하는 기술적 지침으로 활용 가능하다.

Theoretical Background

마찰 교반 용접의 플래시 결함 형성 기전

플래시 결함은 마찰 교반 용접 중 툴 숄더의 마찰열에 의해 소재가 과도하게 연화되고, 툴이 가하는 압력에 의해 가소화된 소재가 용접부 외부로 배출되면서 발생한다. 높은 툴 회전 속도는 입열량을 증가시켜 소재의 점성을 낮추며, 이는 숄더 경계면에서 소재가 쉽게 이탈하게 만든다. 부적절한 핀 길이 설정이나 과도한 툴 진입 깊이 또한 소재 배출을 가속화하여 표면 플래시를 형성하는 주요 원인이 된다. 이러한 결함은 용접부의 유효 단면적을 감소시켜 기계적 성능 저하를 초래한다.

백킹 플레이트 열 확산율의 역할

백킹 플레이트는 용접 과정에서 발생하는 열을 흡수하고 방출하는 방열판 역할을 수행한다. 열 확산율은 소재 내부에서 온도가 전파되는 속도를 나타내며, 이는 접합부의 냉각 속도와 직결된다. 열 확산율이 낮은 소재(예: 석면)를 백킹 플레이트로 사용할 경우, 용접부 하단으로의 열 방출이 억제되어 국부적인 온도 상승이 발생한다. 이로 인해 소재의 과도한 연화가 유도되어 플래시 결함이 쉽게 발생한다. 반대로 열 확산율이 높은 소재(예: 알루미늄, 구리)는 신속한 열 제거를 통해 적정 온도를 유지함으로써 결함 형성을 억제한다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 6mm 두께의 AA6061-T6 판재를 200mm x 60mm 크기로 가공하여 수행되었다. 용접 툴은 EN 31 합금강으로 제작되었으며, 숄더 직경 18mm, 핀 직경 6mm, 핀 길이 5.4mm의 제원을 갖는다. 백킹 플레이트는 석면(열전도율 0.14 W/mk)과 알루미늄(열전도율 218 W/mk)을 사용하여 열적 환경을 대조하였다. 툴 경사각은 0도로 고정하였으며, z-축 방향으로 하중을 인가하여 단일 패스 맞대기 용접을 실시하였다.

Visual Data Summary

육안 검사 결과, 석면 백킹 플레이트를 사용한 실험군(Run 6, 9, 10)에서는 후퇴측(Retreating Side)을 중심으로 심각한 플래시 결함이 관찰되었다. 특히 낮은 용접 속도와 높은 회전 속도가 결합된 조건에서 플래시의 양이 극대화되었다. 반면, 알루미늄 백킹 플레이트를 적용한 실험군(Run 7, 12)에서는 표면이 매끄럽고 결함이 없는 건전한 용접부가 형성되었다. 복합 백킹 플레이트의 경우 석면이 배치된 중앙부에서 국부적인 플래시가 관찰되어 열 확산율의 공간적 분포가 결함 형성에 직접적인 영향을 미침을 보여주었다.

Variable Correlation Analysis

공정 변수 간의 상관관계 분석 결과, 입열량(Heat Input)과 플래시 발생량은 정비례 관계를 보였다. 툴 회전 속도가 800 RPM에서 1200 RPM으로 증가할수록 마찰열이 상승하여 플래시 발생 가능성이 높아졌다. 용접 속도의 경우, 30 mm/min의 저속 조건에서는 단위 길이당 입열량이 많아져 결함이 심화되었으나, 90 mm/min의 고속 조건에서는 입열 시간이 단축되어 플래시가 억제되는 경향을 보였다. 결과적으로 높은 열 확산율의 백킹 플레이트는 이러한 공정 변수의 악영향을 상쇄하는 완충 역할을 수행한다.

Paper Details

Effects of different backing plates and tool design on the flash defect developed during friction stir welding of AA6061 aluminium alloy

1. Overview

• Title: Effects of different backing plates and tool design on the flash defect developed during friction stir welding of AA6061 aluminium alloy
• Author: Bhardwaj Kulkarni, Sandeep Pankade
• Year: 2022
• Journal: Research Square (Preprint)

2. Abstract

항공기, 선박 건조 및 철도 분야에서 알루미늄 합금과 같은 경량 고강도 소재에 대한 수요가 증가함에 따라, 기존 용접 공정에 비해 우수한 기계적 성질을 제공하는 마찰 교반 용접(FSW)의 채택이 늘고 있습니다. 마찰 교반 용접은 열적, 기계적 작용 및 툴 기하학적 효과의 다양한 상호작용으로 정의됩니다. 백킹 플레이트 소재는 FSW 공정 중 효과적인 온도 제어를 위해 매우 중요합니다. 부적절한 FSW 공정 변수는 플래시 결함을 유발할 수 있습니다. 과도한 입열로 인해 FSW 용접부에서 플래시가 생성될 수 있습니다. 본 연구는 플래시 결함이 없는 접합부를 얻기 위해 적절한 공정 변수(백킹 플레이트 열 확산율, 용접 속도, 툴 회전 속도)와 적절한 툴 설계를 결정하는 것을 목표로 합니다. 육안 관찰 결과, 알루미늄 백킹 플레이트가 다른 백킹 플레이트에 비해 플래시 결함이 없는 접합부를 형성하는 것으로 나타났습니다.

3. Methodology

3.1. 소재 준비: 6mm 두께의 AA6061-T6 압연 판재를 파워 핵소를 사용하여 200mm x 60mm 크기로 절단하였다.
3.2. 백킹 플레이트 선정: 열 확산율이 다른 석면(0.10 mm²/s)과 알루미늄(88.99 mm²/s), 그리고 두 소재를 조합한 복합 백킹 플레이트를 준비하였다.
3.3. 툴 설계 및 제작: EN 31 합금강을 사용하여 숄더 직경 18mm, 핀 직경 6mm, 핀 길이 5.4mm의 왼나사 산 툴을 제작하였다.
3.4. 용접 실험: 툴 회전 속도(800-1200 RPM)와 용접 속도(30-90 mm/min)를 변수로 하여 단일 패스 용접을 수행하고, 툴 회전 방향(시계/반시계)에 따른 영향을 분석하였다.

4. Key Results

알루미늄 백킹 플레이트를 사용한 경우 높은 열 확산율 덕분에 대부분의 공정 조건에서 플래시 결함이 억제되었다. 석면 백킹 플레이트는 열을 가두어 소재를 과도하게 연화시킴으로써 심각한 플래시를 유발했다. 왼나사 산이 있는 툴을 시계 방향으로 회전시키면 소재가 위로 이동하여 결함이 발생하지만, 반시계 방향으로 회전시키면 소재가 하단으로 유동하여 결함 없는 용접이 가능함을 확인하였다. 또한 평평한 툴 숄더는 소재를 숄더 아래에 가두는 능력이 부족하여 플래시 형성에 기여하는 것으로 분석되었다.

Figure List

1. 석면, 복합재, 알루미늄 백킹 플레이트를 이용한 FSW 공정 개략도
2. 실제 FSW 툴 사진 및 툴 설계 도면
3. 플래시 결함이 발생한 마찰 교반 용접부 사진 (실험 번호 1-4, 6, 8-11)
4. 플래시 결함이 없는 건전한 마찰 교반 용접부 사진 (실험 번호 5, 7, 12, 13)
5. 툴 회전 방향(시계/반시계)에 따른 소재 유동 및 결함 형성 메커니즘 개략도

References

1. P. Kah et al. (2015). Investigation of weld defects in friction stir welding…
2. N. Dialami et al. (2020). Defect formation and material flow in friction stir welding…
3. P. Podrzaj et al. (2015). Welding defects at friction stir welding…
4. Zhian Zhang et al. (2013). Effect of backplate diffusivity on microstructure and mechanical properties…

Technical Q&A

Q: 백킹 플레이트의 열 확산율이 플래시 결함 형성에 직접적으로 미치는 영향은 무엇입니까?

백킹 플레이트의 열 확산율은 용접부의 열 방출 속도를 결정합니다. 알루미늄과 같이 열 확산율이 높은 소재는 마찰열을 신속하게 제거하여 소재의 과도한 연화를 방지하고 플래시 발생을 억제합니다. 반면 석면처럼 열 확산율이 낮은 소재는 열을 축적시켜 소재를 매우 부드럽게 만들며, 툴의 압력에 의해 소재가 외부로 쉽게 배출되도록 하여 심각한 플래시 결함을 유발합니다.

Q: 툴의 나사산 방향과 회전 방향이 결함 방지에 왜 중요합니까?

툴의 나사산은 가소화된 소재의 유동 방향을 결정합니다. 본 연구에서 사용된 왼나사 산 툴을 시계 방향으로 회전시키면 소재가 나사산을 따라 위쪽으로 이동하여 표면 플래시와 미충진 결함을 유발합니다. 하지만 반시계 방향으로 회전시키면 소재가 용접부 하단(루트 측)으로 밀려 내려가 빈 공간을 채우게 되므로, 플래시 없이 건전한 접합부를 형성할 수 있습니다.

Q: 플래시 결함이 가장 빈번하게 발생하는 공정 변수 조합은 무엇입니까?

실험 결과에 따르면, 낮은 용접 속도(30 mm/min)와 높은 툴 회전 속도(1200 RPM)가 결합될 때 플래시 결함이 가장 심각하게 발생합니다. 이는 낮은 용접 속도로 인해 특정 지점에 가해지는 입열 시간이 길어지고, 높은 회전 속도로 인해 마찰열 발생량이 극대화되어 소재가 과도하게 가열되기 때문입니다. 여기에 낮은 열 확산율의 백킹 플레이트가 더해지면 결함은 더욱 악화됩니다.

Q: 툴 숄더의 형상이 플래시 발생에 기여하는 바는 무엇입니까?

본 연구에서 사용된 평평한(Flat) 툴 숄더는 가소화된 소재를 숄더 아래 영역에 완전히 가두어 두는 능력이 부족합니다. 숄더가 소재를 충분히 구속하지 못하면, 툴의 회전과 전진 이동 중에 연화된 소재가 숄더 경계 밖으로 밀려나기 쉬워지며 이것이 표면 플래시 결함으로 이어집니다. 따라서 숄더 설계는 소재 유동 제어에 중요한 역할을 합니다.

Q: AA6061-T6 합금의 기계적 성질 중 용접 공정에 영향을 주는 주요 수치는 무엇입니까?

실험에 사용된 AA6061-T6는 인장 강도 311 MPa, 비커스 경도 98.63 HV, 그리고 23.6 µm/m·°C의 열팽창 계수를 가집니다. 이러한 기계적 성질은 툴과의 마찰 시 발생하는 열량과 소재의 변형 저항을 결정합니다. 특히 68.9 GPa의 탄성 계수와 2.7 g/cm³의 밀도를 가진 이 소재는 적절한 입열량 제어가 이루어지지 않을 경우 쉽게 연화되어 플래시와 같은 유동 관련 결함이 발생하기 쉽습니다.

Conclusion

본 연구를 통해 마찰 교반 용접 시 백킹 플레이트의 열적 특성과 툴의 회전 방향이 플래시 결함 제어에 결정적인 요소임을 입증하였다. 높은 열 확산율을 가진 알루미늄 백킹 플레이트는 입열량을 효과적으로 관리하여 소재의 과도한 연화를 막는 핵심적인 역할을 수행한다. 또한, 툴의 나사산 방향에 부합하는 회전 방향(왼나사의 경우 반시계 방향) 선정이 소재의 하향 유동을 유도하여 결함 없는 접합부를 생성하는 데 필수적이다. 이러한 결과는 고품질 알루미늄 용접 공정 설계를 위한 실무적 가이드라인을 제공한다.

Source Information

Citation: Bhardwaj Kulkarni, Sandeep Pankade (2022). Effects of different backing plates and tool design on the flash defect developed during friction stir welding of AA6061 aluminium alloy. Research Square.

DOI/Link: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-1968882/v1

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