최근 항공, 우주, 전자, 자동차 등 다양한 산업에서 부품의 소형화 및 경량화를 목적으로 두께 1mm 이하의 비철금속 수요가 증가하고 있다. 그 중, 알루미늄합금은 비강성(E/p)이 철강재와 유사하지만 비강도가 뛰어나 다양한 산업에서 많이 적용되고 있다. 두께 1mm 이하의 알루미늄 합금을 산업에서 부품화하기 위해서 이종 알루미늄 합금 박판의 용접에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 하지만 이종 알루미늄 합금의 용접은 소재간의 특성차이와 난용접성으로 종래의 용접방법을 대체하는 용접방법의 개발이 필요하다.
마이크로 마찰교반 용접은 1mm 이하의 박판을 마찰교반용접하는 방법으로 회전하는 마찰교반용접용 공구와 피용접재간 발생하는 마찰열과 교반력을 이용하는 고상용접방법이다. 마이크로 마찰교반용접은 용융용접에서 발생하는 용접부의 결함을 방지할 수 있는 용접방법으로 각광받고 있으나 피용접재의 두께가 얇아 후판에 비해 단위체적당 많은 양의 에너지가 필요하고 입열량과 열손실의 제어가 어려워 용접에 어려움이 따른다.
본 연구에서는 자동차 산업에서 부품용으로 널리 사용되고 있는 AA6061-T6, AA5052-H32 이종 알루미늄 합금을 마이크로 마찰교반용접 하였다. 두께 1 mm 박판의 마찰교반용접에서 입열과 열손실에 따른 용접부의 기계적특성에 대해 평가하였다. 고속의 툴 회전속도 7000 ~ 9000 rpm과 용접속도 150 ~ 1200 mm/min의 다양한 입열조건에서 용접과정에서 백킹플레이트의 소재를 달리하여 용접과정에서 열손실을 확인하였으며, 열손실에 따른 용접부의 기계적특성을 평가하였다. 백킹플레이트의 소재는 열전도율이 서로 다른 세 가지 소재: 세라믹 계열의 코데라이트(Cordierite), 티타늄합금(Titanium alloy), 구리합금(Copper alloy)을 이용하였다.
공구의 회전속도, 용접속도, 백킹플레이트 소재에 따라 용접온도는 다르게 나타났으며 용접온도의 차이는 피용접재의 연화정도와 소성유동의 차이를 발생시켜 용접부의 외관, 기계적특성, 미세구조 차이가 발생하였다.
툴의 회전속도와 용접속도의 비인 회전피치에 따라 용접비드의 결함유무를 확인한 결과 회전피치 0.033 이하에서 과도한 입열로 인해 비드면의 찢어짐과 과도한 버가 발생하였으며 회전피치 0.171 이상에서 백킹플레이트 소재에 따른 열손실로 일부 입열부족에 따른 교반이 제대로 이루어지지 않은 결함이 관찰되었다.
용접부의 인장강도는 코데라이트와 티타늄 합금 백킹플레이트를 사용하였을 때, 툴 회전속도 9000 rpm, 용접속도 300 mm/min 조건에서 221, 222 MPa로 확인되었으며 툴의 회전속도에 따른 인장강도는 큰 차이를 보이지 않았다. 용접속도 600mm/min 조건에서 툴 회전 속도가 증가함에 따라 인장강도가 감소하였다. 구리 합금 백킹플레이트 조건에서는 용접속도 300, 600 mm/min 두 조건 모두 툴 회전속도가 증가함에 따라 인장강도 값이 증가하였다. 하지만 큰 열손실로 용접계면 바닥에서 Lack of penetration 결함이 관찰되었으며 이로 인해 코데라이트와 티타늄 합금에 비해 용접부의 인장강도가 낮음을 확인하였다. 연신율은 코데라이트 백킹플레이트를 적용하였을 때 입열이 가장 큰 조건에서 10.2 %, 티타늄 합금 백킹플레이트를 적용하였을 때 입열이 가장 큰 조건에서 9.9%로 코데라이트 백킹플레이트를 적용하였을 때 다소 높은 결과를 보였다. 구리 합금 백킹플레이트를 적용하였을 때는 다른 두 소재를 적용하였을 때보다 50% 이하의 결과를 보였다.
결론적으로 열전도율이 낮은 세라믹 계열의 코데라이트 백킹플레이트를 적용하였을 때, 낮은 열손실과 높은 교반력을 바탕으로 용접부의 기계적특성이 우수하여 산업에서 친환경 용접방법으로 적용 가능할 것으로 판단된다.