[논문 리뷰] Quantifying structure-property relationships during resistance spot welding of an aluminum 6061-T6 joint

S. Turnage, K. Darling외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 13.

Advanced Welding Techniques Analysis참고 문헌 45인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 인장 및 전단 펀치 시험을 병행한 현미경 분석을 통해 저항 spot 용접된 6061-T6 알루미늄 합금 접합부의 미세구조-물성 관계를 정량화한다. 그 결과, 침전상의 군집화로 인해 T6 상태가 악화되고 입자에서의 공극 성장이 주요 손상 메커니즘으로 작용함에 따라 용접부의 인장강도가 52% 감소하고, 항복강도가 62% 감소하는 것으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

Microstructure-property relationships of resistance spot welded 6061-T6 aluminum alloy lap joints were investigated via mechanical testing and microscopy techniques. Quasi-static tensile and novel shear punch tests were employed to measure the mechanical properties of the distinct weld regions. Quasi-static tensile and shear punch tests revealed constantly decreasing strength and ductility as the weld center was approached. For instance, the ultimate tensile strength of the fusion zone decreased by ~52% from the parent material (341 MPa to 162 MPa) while the yield strength decreased by ~62% (312 MPa to 120 MPa). The process-induced microstructures were analyzed with scanning electron microscopy and optical microscopy to elucidate the underlying cause of the reduced mechanical properties. Fractography reveals void growth from particles being the dominant damage mechanism in the parent material as compared to void nucleation in the fusion zone. Overall, significant changes in the mechanical behavior across the weld are the result of a change in microstructure congruent with a loss of T6 condition (precipitate coarsening).

연구 동기 및 목표

• 저항 spot 용접된 6061-T6 알루미늄 합금 접합부의 기계적 열화를 이해하기 위해.
• 용접부의 강도 및 연성 저하의 미세구조적 기원을 규명하기 위해.
• 용접 중 미세구조 변화와 기계적 성질 변화 간의 상관관계를 규명하기 위해.
• 용접부의 다양한 영역에서의 주요 손상 메커니즘을 규명하기 위해.

제안 방법

• 차례로 다른 용접부 영역에서의 최대 인장강도 및 항복강도를 측정하기 위해 라ップ 조인트에서 정적 인장 시험을 수행하였다.
• 기존 시험 방법이 어려운 용접부의 용접부에서 기계적 성질을 평가하기 위해 새로운 전단 펀치 시험을 사용하였다.
• 공정에 의해 유도된 미세구조를 분석하기 위해 주사전자현미경(SEM) 및 광학현미경을 활용하였다.
• 기초재료 및 용접부에서의 주요 손상 메커니즘을 규명하기 위해 균열 분석을 수행하였다.
• 용접부 및 열영향부에서의 침전상 군집화와 T6 상태의 손실에 초점을 맞춘 미세구조 분석을 수행하였다.
• 기계적 데이터를 미세구조적 특성과 연계하여 구조-성질 관계를 정량화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저항 spot 용접된 6061-T6 알루미늄 접합부의 다양한 영역에서 기계적 강도는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 용접부 및 열영향부에서 기계적 열화를 유도하는 주요 미세구조적 변화는 무엇인가?
• RQ3 기초재료와 용접부에서의 주요 손상 메커니즘은 각각 무엇인가?
• RQ4 침전상 군집화가 용접부의 강도 손실에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 전단 펀치 시험 결과는 용접 성능 평가에서 기존 인장 시험과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 용접부의 최대인장강도는 기초재료 대비 약 52% 감소하여 341 MPa 에서 162 MPa 로 감소하였다.
• 용접부의 항복강도는 기초재료의 312 MPa 에서 120 MPa 로 약 62% 감소하였다.
• 기계적 성질 저하의 주요 원인은 용접부에서의 침전상 군집화와 그로 인한 T6 상태의 손실로 기인한다.
• 기초재료에서는 입자에서의 공극 성장이 주요 손상 메커니즘으로 작용하였고, 용접부에서는 균열 핵형이 더 두드러졌다.
• 균열 분석 결과, 특히 침전상 군집화와 같은 미세구조적 변화가 용접부에서 연성과 강도 저하의 근본 원인임을 확인하였다.
• 새로운 전단 펀치 시험은 용접부의 기계적 거동을 성공적으로 캡처하였으며, 인장 시험과 일관된 데이터를 제공하였다.