알루미늄 소재의 압출접합에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 일반적으로 용접하기 어려운 알루미늄 소재의 접합기술에 관하여 기계재료로 많이 사용되는 형상인 봉재와 판재의 접합에 대하여 접합금형을 이용한 접합방법에 관한 연구이다. 그 첫 번째로 압출압력접합 금형을 모델링하고 알루미늄 봉재를 대상으로 압출력을 이용한 압출압접 성형해석 후 실제 실험으로 봉재의 접합가능성을 연구하였다. 두 번째로 알루미늄 봉재를 전단력을 이용하는 압출전단접합 금형을 모델링하여 이를 해석하고 실험으로 봉재의 고상접합이 가능함을 확인하였다. 세 번째는 첫 번째와 두 번째 결과를 기반으로 하여 알루미늄 판재의 압출전단접합 금형을 모델링하고 해석과 실험으로 알루미늄 금속판재의 고상접합 가능성을 확인하였다. 또한 굽힘시험, 인장시험, 현미경 검사로 최적의 설계변수를 확인하여 그 압출전단접합의 실용성을 검증할 수 있었다. 압출접합금형을 이용한 알루미늄 소재의 접합에 관한 주요 연구 결과는 다음과 같다. 1. 알루미늄 봉재에 압축력을 가하여 압출압접하는 방법을 사용할 때 일반적인 마찰회전압접보다 버(burr)를 구속하는 계단형 접합다이를 이용한 압출압접의 접합방법이 양호하며, 버를 구속하는 계단형 접합다이(stepped dies)의 형태에 따라 그 접합부의 접합강도에 차이가 있음을 알 수 있었다. 또한 알루미늄 소재를 퍼지게 함과 동시에 가압함으로 산화알루미늄 분포밀도를 줄일 수 있다. 세부 결과는 다음과 같다. (1) 압접주위가 개방된 상태에서의 압접에서는 접합부에서 개방된 버가 발생하고 접합압력이 낮아짐을 해석을 통해 알 수 있었다. (2) 편심이 없는 계단형 접합다이에서 압접은 일반 압접에서 벌어지는 버의 형상을 구속함으로 접합부의 압력이 크게 됨을 해석을 통해 알 수 있었다. (3) 편심 형상을 가진 계단형 접합다이에서는 편심이 없는 계단형 접합다이 보다 평균접합압력이 크게 나타나지만 불균일한 분포로 크랙이 발생할 수 있음을 실험을 통해 알 수 있었다. (4) 편심이 없는 계단형 접합다이의 압력이 금속소성유동의 고른 분포로 편심된 계단형 접합다이보다 접합압력은 낮지만 접합이 양호한 것을 실험으로 알 수 있었다. 2. 알루미늄 봉재에 전단력을 가하는 접합방법인 압출전단접합은 압출압접에 비하여 낮은 압력에서 접합의 가능성을 보여주었다. 성형공간인 돌출부를 가진 압출전단접합금형의 성형공간의 방향과 형상에 따라 접합의 정도가 차이가 있었다. 압출전단접합금형의 돌출부의 형상과 위치를 제어함으로써 접합이 가능함을 알았고, 돌출부의 형상에 따라서 전단접합강도의 차이가 발생함을 알 수 있었다. 세부 결과는 다음과 같다. (1) 열간 전단접합의 방법으로 알루미늄의 봉재의 고상접합이 가능함을 알 수 있었다. (2) 알루미늄 봉재의 압출전단접합방법에서 돌출부의 형상과 위치에 의해서 두 소재의 접합력의 차이가 있음을 알 수 있었다. (3) 성형해석 결과로 돌출부의 위치와 형상에 따라 접합 강도가 차이가 발생함을 확인하였다. (4) 굽힘시험을 통하여 압출전단접합금형에 의한 알루미늄 봉재의 접합성을 확인하였다. 3. 압출전단접합 금형을 이용한 알루미늄 판재의 압출전단접합이 가능함을 해석과 실험을 통하여 확인하였고, 압출전단접합의 공정해석을 바탕으로 실험한 결과인 접합된 판재의 굽힘시험과 인장시험 그리고 현미경 검사를 통하여 최적공정변수를 다음과 같이 얻을 수 있었다. (1) 두께가 1.6mm인 알루미늄 판재의 압출전단접합의 컴퓨터 시뮬레이션 해석을 바탕으로 금형설계의 주요 변수인 판재의 중첩길이(overlap length)인 OL=1.2mm와 전단날의 각도 α=70°일 때 그리고 온도 T=520℃일 때가 접합라인의 형상이 가장 양호하였음을 알 수 있었다. (2) 상기 최적의 금형설계 변수를 바탕으로 온도별 접합실험한 시편의 굽힘시험과 인장시험 그리고 현미경 검사를 통하여 두 판재가 접합이 될 수 있는 최적 공정변수를 확인할 수 있었다. (3) 접합부에 영향을 주는 변수인 중첩길이, 전단날각, 접합온도에 따라 접합부의 접합라인의 형상이 S라인이 될 때 접합강도가 크게 됨을 인장시험 및 굽힘시험을 통해 확인할 수 있었다. (4) 접합라인의 슬립각(SA)과 접선각(TA)의 경우 접합부의 중첩길이, 전단날각, 접합온도에 의존하며 슬립각(SA)과 표면접선각(TA)의 차이가 크면 클수록 접합라인이 S라인 됨을 알 수 있었고 이러한 형상을 나타낼 때 굽힘시험 결과와 인장시험 결과가 최대의 접합력을 나타내고 있음을 알 수 있었다. 계단(step)부가 가공된 압출압접금형을 이용하여 짧은 길이의 알루미늄 봉재를 접합할 경우 일반적인 압접방법보다 버를 구속하는 압출압접이 더 양호하며, 그 계단(step)의 형상은 알루미늄 소재의 고른 퍼짐을 유도할 수 있어야 한다. 압출압접 시에 금형의 성형공간(cavity)을 채우는 소재의 자유형상은 중심에 대하여 대칭적으로 되어야 접합면에 고른 접합압력을 발생시킬 수 있고 알루미늄 산화막의 분포밀도도 줄일 수 있음을 알았다. 비교적 길이가 긴 두 알루미늄 봉재를 전단접합 할 경우 발생되는 버를 전단접합금형에서 과잉금속의 유도 및 전단 시에 접합부에 압력을 발생시킬 수 있는 돌출부의 형상과 위치를 제어하면 접합이 가능하였음을 알 수 있었다. 수직력을 사용하는 압출압접의 경우에 길이가 긴 봉재를 접합할 수 없는 반면에 전단력을 이용하게 되면 긴 봉재의 접합이 가능하게 됨을 알 수 있었다. 알루미늄 판재의 경우 압출압접이 어려운 형상이므로 전단력을 이용하는 압출전단접합금형을 사용하여 접합이 가능함을 확인할 수 있었다. 얇은 알루미늄 판재의 경우 전단 접합이 어려울 수 있으나 접합부위의 조건인 금형내부의 전단날각, 중첩길이, 접합온도를 제어함으로써 접합이 가능함을 확인하였다. 이상과 같은 결론에 따라 압출접합금형을 사용하여 알루미늄 봉재와 알루미늄 판재의 고상접합이 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다. 그리고 알루미늄 판재의 압출전단접합의 경우 최적의 접합변수를 도출할 수 있었으며 향후 다양한 두께를 가진 알루미늄 판재를 프레스가공과 동시에 접합할 수 있는 계기를 마련하게 되었다.

This paper is to study the welding process of aluminum in high temperature conditions basing on the mechanism of extrusion, as so called extru-welding process. The rods and plates made from aluminum are the normal mechanical material that is widely used, and moreover Al6063 and Al5052 is popular with welding industry and manufacturing industry. Generally the welding of aluminum is difficult. Though the oxide film can protect aluminum material from being eroded in the air, it also increases the strength and the melting point of the aluminum material, which makes it difficult to weld in traditional welding method. And in addition, it takes a short time for the aluminum to react with oxygen. Several measures should be taken to keep the welding process going, for example, decrease the time that the aluminum is exposed to the air, or use some chemicals to remove the oxide film while welding. The extru-welding method can solve the problems that occur in traditional aluminum welding process. In a closed forming condition, part of the material in the welding part flows into cavity that is designed for extru-welding. A press is added to break the oxide film and make the pure aluminum contact, and due to the attraction of atoms, the welding is achieved. Using this method, the aluminum dose not contact the air, and because the intensity decreases with the break of oxide film, the welding process is possible. This paper introduces welding processes of two different methods. One is based on the normal stress and the other takes advantage of shear stress. The method that uses normal stress is called extru-pressing welding, and the other that uses shear stress is extru-shearing welding. It was known by simulation and experiments that two rods of aluminium can be welded on the end sections by hot pressure welding method using stepped welding dies without relative rotational movement of contacted aluminium rods needed for the purpose of friction heating and pressure. Two rods was put in the same center line and a strong press is added to the end section. When shearing deformation occurs in the vertical direction, the material flows into the step. The material that is extruded into the cavity has the same shape with the cavity. For the case of extru-welding process, there shearing effects that occurs between two plates, and simultaneously, there is a overlap between two plates. When the welding process is finished, the residual material and impurities are all extruded into cavity. A normal stress is added on the upper die, and when shearing occurs, the material flows into the cavity whose shape is same with the empty cavity. Simulation is carried out to help design the extru-welding dies for the welding of aluminum in traditional way. Experiments are also done to identify the weldability of aluminum. And moreover, other experiments are done to the welded specimens, including bending test, tensile test and micro examination.