세계적으로 배기가스와 관련된 환경규제가 강화되고 있으며, 수송기기 산업에서는 높은 에너지 효율과 경량화 연구를 통해 해당 문제점을 극복하려 노력하고 있다. 이에 차량 외관의 최적 설계 또는 구조적 설계를 통해서 공기 저항과 차체 무게를 감소시켜 고효율과 경량화를 실현하였다. 하지만 외관 최적 설계와 구조적 설계는 한계에 이르렀고, 차체를 구성하는 소재의 대체에 대한 연구가 시급하다. 실제로 철도 산업에서는 차량의 소재를 스틸, 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금 순으로 대체하여 경량화에 성공하였고, 이는 차량의 고속화와 에너지 절감의 성과로 나타났다. 이에 더 가벼운 소재로 대체하여 더욱더 경량화를 기대하고 있다.
마그네슘 합금은 낮은 비중, 무게 대비 높은 강도, 주조성, 전자파 차폐성, 우수한 절삭성 등의 장점으로 구조물 산업 전반에 적용하기 위한 연구가 일부 선진국들의 주도하에 진행되고 있다. 마그네슘의 비중(1.74)은 알루미늄의 2/3, 티타늄의 1/3, 철강의 1/5 수준으로 차체 경량화에 매우 매력적이다. 또한 산업 전반에 있어 제작공정이 알루미늄 합금과 유사하기 때문에 설비의 재투자가 불필요한 경제적 이점이 있다. 따라서 경량화를 통한 에너지 절감 효과뿐만 아니라 산업 전반에 파급효과를 불러올 것으로 예상한다.
금속 소재를 차량에 적용하기 위해서는 용접 기술이 필수적이다. 마찰교반용접의 경우 기존에 용융용접의 단점을 극복할 수 있으며, 경제적이고 친환경 기술로 평가받고 있다. 해외에서는 철도차량 차체 제작과 항공 분야에서는 추진제 탱크 그리고 선박의 선체부재 조립 등에 적용되고 있는 상황이지만 여전히 국내에서는 익숙하지 않아 신기술로 인식되고 있다. 이 때문에 국내에서 마그네슘 합금의 마찰교반용접 적용에 대한 연구는 타 금속에 대한 연구보다 미흡한 상황이다. 따라서 차세대 신소재로 주목받고 있는 마그네슘 합금의 마찰교반용접 거동에 대한 기초적 연구가 절실하다.
본 연구는 AZ61 마그네슘 합금 소재에 마찰교반용접을 적용하여 가장 적합한 마찰교반용접조건을 도출하는 접근 방식에 목적이 있다. 임의의 용접조건을 선정하여 수행하는 것은 시간적, 경제적으로 소비가 크기 때문에 정립된 접근 방식의 체계화가 필요하다. 본 연구는 입열량 관계식을 이용하여 AZ61 마그네슘 합금에 적합한 마찰교반용접 변수 최적화를 제시하였고, 추후 구조물 적용에 대비한 마찰교반용접부의 파괴 거동에 대한 연구를 수행하였다.
용접부의 기계적 물성 평가를 위하여 인장 및 경도 시험을 진행하였고, 용접부 내의 결함 및 조직 관찰을 위하여 광학현미경과 주사전자현미경을 이용하였다. 또한 용접부의 파괴 거동 및 매커니즘을 이해하기 위해 주사전자현미경과 전자후방산란회절 장치를 이용하여 파괴 단면과 용접부 횡단면을 분석하였다.
그 결과 입열량 조건 3≤Q?4 범위 내에서 마찰교반용접을 수행할 경우 결함이 없는 용접부를 얻었으며 가장 우수한 기계적 물성이 기록되었다. 기계적 물성은 최대인장강도, 항복강도 그리고 연신율이 모재대비 각각 약 100.8%, 84.5% 그리고 60.6% 수준으로 나타났다. 또한 파괴 단면 관찰과 파괴 위치 분석 결과 인장거동에 의한 용접부 파괴는 두 가지 특징을 보였다. 첫 번째, 용접 툴 핀 하부에서부터 열-기계적 영향부와 교반부 사이 경계면을 따라 파괴되었고, 두 번째, 컵-원뿔 파괴와 유사한 파괴 거동이 나타났으며, 내부 균열 발생 및 진전으로 인해 파괴된 것으로 판단된다. 용접부의 파단 위치는 모두 AS영역에서 발생하였는데, 이러한 거동의 원인은 EBSD 분석결과 마그네슘 합금 결정의 방위 변화에 의한 것으로 확인되었다.

Environmental regulations related to exhaust gas are being strengthened globally, and the transportation industry is trying to overcome these problems by conducting high efficiency and light weight research. The optimum design or structural design of the vehicle exterior reduces air resistance and weight of the car body to achieve high efficiency and light weight. However, the optimum design of the exterior and the structural design have reached the limit, and research on the replacement of the body material is necessary. In fact, in the railway industry, the material of the vehicle has been replaced by steel, stainless steel, and aluminum alloy in order of weight. As a result, it showed the results of acceleration and energy saving.
Magnesium alloys are under the lead of some advanced countries because of their low specific gravity, high strength to weight ratio, castability, electron shielding ability and excellent cutting ability. Particularly, the specific gravity of the magnesium(1.74) is 2/3 of aluminum, 1/3 of titanium and 1/5 of steel. Therefore, it is very attractive for lightweight research. In addition, when applied to a car body, since the manufacturing process is similar to that of aluminum alloy, reinvestment of equipment is not required, which is economical advantage. Therefore, it is expected that it will not only reduce the energy consumption through light weight, but also have a ripple effect on the entire industry.
Welding technology is essential to apply metal materials to vehicles. Friction stir welding can overcome the disadvantages of conventional fusion welding and is regarded as economical and eco-friendly technology. Currently, it is applied to railway car body construction, propellant tank, and ship hull assembly, but it is still recognized as a new technology domestically. For this reason, the research on the application of friction stir welding of magnesium alloy is less than other metals domestically. Therefore, fundamental research on friction stir welding behavior of magnesium alloy, which is attracting attention as a next generation new material, should be conducted.
The purpose of this study is to formulate an approach to derive optimized welding conditions for AZ61 magnesium alloys. Application of non-systematic welding conditions to conduct friction stir welding requires a established approach to the friction stir welding process because that is wasted time and cost. This study presents the friction stir welding parameters suitable for the AZ61 magnesium alloy by using the heat input relationship and then investigated the fracture behavior of the FS Weled zone for the application of the structure.
Tensile and hardness tests were conducted to evaluate the mechanical properties of the welds, and optical microscope(OM) and scanning electron microscope(SEM) were used for defect and texture observation in welds. In order to understand the fracture behavior and mechanism of the weld, fracture surface and cross sections of welds were analyzed using scanning electron microscope and Electron Backscatter Diffraction(EBSD).
As a result, when friction stir welding was performed within the heat input range of 3 ≤ Q <4, the welds without defects was obtained and the best mechanical properties were recorded. And the UTS, yield strength, and elongation of the welded region showed values of about 100.8%, 84.5%, and 60.6%, respectively, of those of the base metal. In addition, fracture surface and fracture location analysis show that the fracture of the welded part by the tensile behavior has two characteristics. First, the fracture occurred along the interface between the thermo-mechanical affected zone(TMAZ) and stir zone(SZ) from the bottom of the welds. Second, the cup-cone fracture shape, which is a typical characteristic of ductile fracture, is observed. The fracture locations of all specimens occurred in the AS region. Through the EBSD analysis, it was revealed that the cause of this behavior was due to the orientation variation of the magnesium alloy crystal.