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본 실험에서 사용한 실험재료는 두께가 2 mm인 AZ61 마그네슘 합금 판재로 길이 150 mm 폭 100 mm로 제작하여 맞대기용접방식으로 실험하였다. Table 1에는 AZ61 마그네슘 합금의 기계적 특성을 나타내었으며, 화학적 조성은 Table 2에 나타내었다.

Fig. 3은 위로부터 이송속도가 100 mm/min인 상태에서 공구회전속도가 각각 1,000, 1,500, 2,000 rpm인 조건에서의 마찰교반용접된 재료의 용접부표면을 나타낸 것으로 마찰교반된 용접부 표면은 육안으로 관찰한 결과 매우 깨끗하게 나타났다.

Fig. 3 
Welding surface with various welding conditions

Table 5는 인장시험을 통하여 얻어진 항복강도를 바탕으로 분산분석 결과이다.

여기서 A는 공구의 이송속도, B는 공구의 회전속도를 나타내고 E는 오차, S는 제곱합, Φ는 자유도, V는 제곱평균이다. 그리고 F₀는 각 요인들의 제곱평균을 오차분산으로 나눈 값으로 F 검정에 사용되어 특성치에 미치는 영향을 나타낸다. 이 결과 95% 신뢰도의 유의수준보다 공구의 이송속도와 회전속도의 F₀ 값이 크게 나타나 두 공정변수 모두 특성치인 용접부 항복강도에 유의한 영향을 미치는 것으로 생각된다.

Table 6은 용접변수들의 수준에 따라 모평균 및 구간추정을 한 결과를 나타낸 것이다. 모평균 추정 결과, 공구의 이송속도가 2 수준인 A₂와 공구의 회전속도가 1 수준인 B₁의 조합인 A₂B₁이 실험 범위 내 최적공정조건으로 분석되었으며 95%의 신뢰구간에서 168.93±4.59 MPa의 항복강도를 가질 것으로 추정되었다.

Fig. 4는 용접부의 항복강도 결과값의 공구의 이송속도 및 회전속도의 수준변화에 따른 모평균 추정 데이터를 도식화하여 나타낸 것으로 모평균 값의 변화율은 용접변수들의 수준변화가 용접부 항복강도에 미치는 영향을 나타낸다.

Fig. 4 
Yield strength vs. welding factors

이 결과를 보면 공구의 이송속도는 1 수준에서 2 수준으로 수준이 증가할 때에는 용접부 항복강도가 증가하였다가 2 수준에서 3 수준으로 수준이 증가함에 따라서는 용접부 항복강도는 감소하여 2 수준인 150 mm/min에서 가장 높은 항복강도값을 나타났다. 반면 공구의 회전속도는 수준이 증가함에 따라 용접부의 항복강도를 감소시키는 경향을 나타내는 것으로 나타나 회전속도가 1,000 rpm 조건에서 제일 큰 값으로 나타났다.

Fig. 5는 항복강도를 바탕으로 분산분석을 한 결과를 토대로 공구의 이송속도와 회전속도가 용접부 항복강도에 미치는 기여도를 나타낸 것이다.

Fig. 5 
Contribution of weld factors

이 결과에서 공구의 이송속도는 약 13%, 공구의 회전속도는 약 86%의 영향을 용접부 항복강도에 미치는 것으로 나타나 용접부의 항복강도에 공구의 회전속도가 공구의 이송속도보다 큰 영향을 미치는 것으로 사료된다.

Fig. 6은 용접부의 항복강도가 제일 낮은 조건인 A₃B₃조건과 제일 높은 조건인 A₂B₁조건에서 교반부의 미세조직사진을 나타낸다. 이 사진에서 항복강도가 제일 높은 조건인 A₂B₁에서의 결정립이 항복강도가 제일 낮은 조건인 A₃B₃조건에서의 결정립보다 더 미세하게 나타났다.

Fig. 6 
Microstructure of stir zone under A3B3(a) and A2B1(b) conditions

Fig. 7은 항복강도가 가장 높게 측정된 A₂B₁ 조건과 항복강도가 가장 낮게 측정된 A₃B₃ 조건의 마이크로 비커스 경도 측정 결과이다.

Fig. 7 
Hardness of welded zone under A2B1 and A3B3 conditions

여기서 경도 측정위치는 용접 표면으로부터 1 mm 아래이며, 등간격으로 30 포인트씩 측정하였다. 이 결과, 두 조건의 경도 분포 모두 용접부의 열 영향부와 열-기계적 영향부에서는 경도가 감소하는 반면 교반부에서는 경도가 다시 증가하는 경향을 나타내었다.

이것은 용접시 접합부의 열영향부와 열-기계적영향부에서는 공구의 숄더부와의 마찰로 인해 입열량이 증가함에 따라 결정립이 성장하는 것이 경도 감소의 주 원인이며⁸⁾, 교반부에서는 마찰열 및 공구 핀의 회전에 의한 동적재결정으로 결정립 미세화로 인해 경도가 증가한다고 추측된다. 또한 A₂B₁ 조건의 교반부 경도 측정값이 A₃B₃ 조건의 교반부 경도보다 전반적으로 높게 나타난 것은 입열량이 보다 적은 조건인 A₂B₁의 교반부 결정립이 입열량이 보다 큰 A₃B₃ 조건의 교반부 결정립보다 미세하기 때문이라 생각된다.