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May 01, 2023

마찰 교반 용접 조인트에 대한 접착제 보조 TiB2 코팅 효과

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 17894(2022) 이 기사 인용

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마찰 교반 용접은 철과 비철 재료를 고체 상태로 접합하는 새로운 기술입니다. 그루브 채우기 기술은 가장 널리 사용되며 일반적으로 연구원들이 FSWed 영역의 보강재를 도핑하여 접합 특성을 개선하는 데 사용됩니다. 이 기술의 가장 큰 단점은 조인트를 제작하는 동안 홈에서 약간의 보강재가 나온다는 것입니다. 본 연구에서는 미립자 강화 마찰 교반 용접 접합의 제조에 대한 이 문제를 극복하기 위해 접착제 보조 강화 기술이 사용되었습니다. 본 연구에서는 알루미늄 합금 판 가장자리를 TiB2의 ​​얇은 층으로 코팅했습니다. 코팅된 모서리 플레이트와 코팅되지 않은 모서리 플레이트를 테이퍼 나사산 핀 도구를 사용하여 회전 속도 1400 및 2240rpm, 용접 속도 32mm/min에서 마찰 교반 용접을 사용하여 결합했습니다. 코팅된 모서리 플레이트 용접 조인트의 인장강도는 코팅되지 않은 조인트에 비해 39.74% 더 우수한 것으로 나타났습니다. 코팅된 모서리 접합부의 신장률은 코팅되지 않은 모서리 플레이트 접합부보다 약 1.5배 낮은 것으로 관찰되었습니다. TiB2 강화 코팅 엣지 조인트의 굴곡 강도는 약 1.5배 더 높은 것으로 나타났습니다. 그러나 코팅된 모서리 플레이트의 충격 강도는 코팅되지 않은 모서리 접합부에 비해 거의 3배 낮은 것으로 나타났습니다. TiB2 코팅 엣지 조인트는 2240의 회전 속도로 용접된 코팅되지 않은 엣지 플레이트 조인트보다 22.75% 더 높은 경도를 나타냅니다.

마찰 교반 용접(FSW)은 비소모성 도구를 사용하여 공작물 재료를 녹이지 않고 마주보는 두 공작물을 결합하는 고체 접합 공정입니다1,2,3. 열은 회전 공구와 가공물 재료 사이의 마찰로 인해 발생하며, 이는 FSW 공구 근처의 연화 영역으로 이어집니다. 공구가 접합선을 따라 이동하는 동안 두 금속 조각을 기계적으로 혼합하고 공구에 가해지는 기계적 압력에 의해 뜨겁고 부드러워진 금속을 단조합니다. 숄더 표면과 가공물 사이의 마찰로 인해 FSW 공구 숄더에서 열의 87%가 발생하는 것으로 보고되었습니다4. 공구 숄더 형상은 용접 중 재료 흐름에 영향을 미칩니다. 대부분의 공구 숄더에는 오목, 볼록 및 평면 프로파일이 있습니다5,6,7,8,9,10,11,12. 열간 공구강 H13은 주로 알루미늄 합금 용접에 사용됩니다. 도구 기울기 각도는 도구 아래에서 소성 변형된 재료를 압착합니다. 일반적으로 FSW에서는 1°~4° 사이의 도구 기울기 각도가 사용됩니다. FSW는 알루미늄 합금, 구리 합금, 티타늄 합금, 연강, 스테인리스강 및 마그네슘 합금14,15,16,17,18과 같은 유사하거나 이종 금속을 접합할 수 있습니다. FSW가 고체 용접 공정이더라도 상당한 열 입력이 발생하여 미세 구조가 변경될 수 있습니다. FSWed 조인트의 너겟 존(NZ) 영역, 열-기계적 영향 영역(TMAZ) 또는 열 영향 영역(HAZ) 내에서 과도한 노화 또는 경화가 발생하는 것으로 보고되었습니다19,20. 기계적 특성의 손실은 이러한 변화하는 미세 구조 영역, 특히 TMAZ 및 HAZ21,22,23,24에서 종종 나타납니다. Mardalizadeh 등25은 AA2024로 형성된 접합부가 HAZ 및 TMAZ에서 경도가 낮다고 보고했습니다. 용접 매개 변수 및 용접 중 냉각 매개 변수의 최적화에도 불구하고 FSW 공정에서 발견되는 강한 열-기계적 압력으로 인한 미세 구조 및 기계적 특성의 출현으로 인해 FSWed 조인트의 기계적 성능은 모재보다 낮게 유지됩니다. 27.FSWed 조인트 속성은 주로 도구 회전 속도, 가로 속도, 도구 기울기 각도 및 플런지 깊이와 같은 프로세스 매개변수에 따라 달라집니다. FSW 매개변수의 최적 값은 공작물 재료 특성, 두께 및 도구 형상28에 따라 달라집니다. 경사각이 증가함에 따라 관절 부위의 경도가 증가합니다29. Elyasi et al.30은 1° 및 3° 경사각에 비해 2° 경사각에서 알루미늄 합금 접합 시 접합부의 최대 인장 강도가 나타났다고 보고했습니다. 유사한 관찰이 Acharya et al.에 의해 보고되었습니다. 31. FSW에서 공구 회전 속도와 횡단 속도의 조합은 회전 속도를 높이거나 횡단 속도를 낮추면 용접이 더 뜨거워지고 그 반대의 경우도 발생하기 때문에 복잡합니다32. 접합부의 미세 구조와 경도는 용접 속도와 비교하여 회전 속도에 크게 좌우됩니다. Ghada 등33은 회전속도가 감소함에 따라 관절의 경도가 증가한다고 보고하였다. Ganesh와 Kumar34는 다양한 도구 회전 속도에서 마찰 교반 용접된 알루미늄 합금 시트의 초가소성을 조사했습니다. 결과는 공구 회전 속도가 증가함에 따라 초가소성이 크게 향상되었음을 보여줍니다. 너겟 영역 내부에 강화 입자가 존재하면 용접 조인트의 기계적 특성이 크게 향상되는 것으로 관찰되었습니다. 마찰교반용접 영역에서 마찰교반접합 중 보강재를 보강하는 데 사용되는 보강 기술은 FSW의 주요 문제 중 하나입니다. 강화 기술은 FSW 동안 마찰 교반 용접 영역에서 강화 재료의 부피와 분포를 감소시킵니다. 강화된 마찰 교반 용접의 특성은 마찰 교반 용접 영역에서 강화 재료의 효과적인 도핑 및 분포에 따라 달라집니다. Saeidi 등은 Al2O3 강화 조인트 제작을 위해 Al2O3 나노입자를 채우기 위해 홈 채우기 기술을 사용했습니다. 그들은 Al2O3 강화 FSW 접합부의 내식성이 우수하다는 것을 발견했습니다. 그러나 모재와 보강재 간의 결합력이 약하여 충격강도가 낮았습니다. Kumar et al.36은 유사한 기술을 사용하여 마찰 교반 용접 영역에 SiC 및 Si3N4 미립자를 도입했습니다. Dragatogiannis et al.37은 TiC 강화 마찰 교반 용접 조인트 제작을 위해 조인트 라인을 따라 플레이트 깊이의 절반인 직사각형 홈을 가공했습니다. 그들은 TiC 강화 조인트의 경도가 18% 증가했다고 보고했습니다. 또한 접합부의 인장강도와 연성이 향상되었습니다. V-그루브 기술은 Huang38에 의해 마찰 교반 용접 영역에 철 기반 강화 미립자를 도입하는 데 사용되었습니다. 그 결과 철근보강 접합부의 인장강도와 연성이 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 공구 회전 속도가 증가함에 따라 인장력과 연성이 증가했습니다. Singh 등39은 구멍 채우기 기술을 사용하여 교반 용접의 가장자리에 Al2O3 미립자를 통합했습니다. 그들은 Al2O3의 부피 분율이 증가함에 따라 접합부의 경도가 증가한다는 것을 발견했습니다. Pantelis 등40은 알루미늄 합금 용접 시 FSW 영역에서 SiC 나노 입자를 강화했습니다. 그들은 SiC를 첨가하지 않은 것에 비해 용접 너겟의 경도가 18% 향상되었다고 보고했습니다. Pasha et al.41은 알루미늄 합금의 SiC 및 Al2O3 강화 용접 조인트의 다양한 비율에 대한 기계적 거동을 조사했습니다. SiC 강화 용접 조인트의 인장 강도와 경도가 Al2O3 강화 조인트에 비해 우수한 것으로 나타났습니다. 그러나 미립자 보강 접합부의 연성 및 충격강도는 비보강 용접 접합부에 비해 떨어지는 것으로 나타났다.