Fig. 1 Progress trend of various metals used for MMCs until 2022[1].

이 기술 요약은 C. Devanathan과 A. SureshBabu가 저술하여 TRANSACTIONS OF FAMENA (2021)에 게재한 “MULTI OBJECTIVE OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS BY FIREFLY ALGORITHM DURING THE FRICTION STIR WELDING OF METAL MATRIX COMPOSITES” 논문을 기반으로 합니다. STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 마찰 교반 용접 (Friction Stir Welding)
  • Secondary Keywords: 금속기 복합재료 (Metal Matrix Composites), 파이어플라이 알고리즘 (Firefly Algorithm), 다중 목표 최적화 (Multi-objective optimization), Al 5083, B4C, 공정 변수 최적화 (Process parameter optimization)

Executive Summary

  • The Challenge: 고강도 경량 알루미늄 매트릭스 복합재료의 기존 융합 용접 방식은 결함을 유발하며, 우수한 대안인 마찰 교반 용접(FSW) 공정의 최적화는 복잡합니다.
  • The Method: Al 5083/B4C 복합재료를 TiN 및 DLC 코팅 공구를 사용하여 마찰 교반 용접을 수행했으며, 파이어플라이 알고리즘을 통해 공구 회전 속도, 용접 이송 속도, 수직 가압력에 대한 다중 목표 최적화를 진행했습니다.
  • The Key Breakthrough: 본 연구는 TiN 및 DLC 코팅 공구 각각에 대한 최적의 공정 변수를 특정했으며, TiN 코팅 공구 사용 시 133.92 MPa의 더 높은 최대 인장 강도를 달성했습니다.
  • The Bottom Line: 이 연구는 마찰 교반 용접 변수를 최적화하기 위한 검증된 모델을 제공하여, 항공우주 및 자동차와 같은 산업에서 사용되는 첨단 복합재료의 더 강하고 신뢰성 있는 접합부 생산을 가능하게 합니다.
Fig. 1 Progress trend of various metals used for MMCs until 2022[1].
Fig. 1 Progress trend of various metals used for MMCs until 2022[1].

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

알루미늄 매트릭스 복합재료(MMC)는 높은 인장 강도와 경량 특성 덕분에 항공기, 해군 구조물, 자동차 부품 등 다양한 산업 분야에서 주목받고 있습니다. 그러나 진공 브레이징이나 가스 텅스텐 아크 용접과 같은 전통적인 융합 용접 방식은 바람직하지 않은 유해 상 형성, 과도한 공정(eutectic) 형성, 융합 영역의 기공 발생 등 심각한 단점을 가집니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 1991년 발명된 마찰 교반 용접(FSW)은 재료의 녹는점보다 훨씬 낮은 온도에서 고체 상태로 접합을 수행하는 혁신적인 공정입니다. FSW는 야금학적 및 환경적 측면에서 기존 융합 용접보다 많은 이점을 제공하지만, 공구 회전 속도, 용접 속도, 축 방향 힘과 같은 여러 공정 변수가 최종 용접 품질에 복합적으로 영향을 미칩니다. 따라서 최상의 기계적 특성을 지닌 접합부를 얻기 위해서는 이러한 변수들의 최적 조합을 찾는 것이 중요하며, 이것이 바로 본 연구의 핵심 과제입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 교반 주조(stir casting) 기법으로 제작된 Al 5083에 10%의 B4C로 강화된 복합재료를 사용했습니다. 이 복합재료 판을 맞대기 용접하기 위해 두 종류의 코팅 공구가 사용되었습니다.

  • 재료: Al 5083 + 10% B4C 복합재료 (100 mm × 50 mm × 6 mm)
  • 공구: D3 공구강으로 제작된 사각 핀 프로파일 공구. 하나는 질화티타늄(TiN)으로 코팅되었고, 다른 하나는 다이아몬드상 카본(DLC)으로 코팅되었습니다.
  • 공정 변수:
    1. 공구 회전 속도 (P): 1200, 1500, 1800 rpm (3단계)
    2. 용접 속도 (Q): 20, 40, 60 mm/min (3단계)
    3. 수직 가압력 (R): 6, 7, 8 KN (3단계)
  • 실험 설계: 반응 표면 분석법(RSM)의 일종인 박스-벤켄 설계(Box-Behnken design)를 사용하여 각 공구당 15회, 총 30회의 실험을 계획했습니다.
  • 최적화 알고리즘: 다중 목표(인장 강도 및 경도 최대화) 최적화를 위해 MATLAB 2018a 소프트웨어를 사용하여 파이어플라이 알고리즘(Firefly Algorithm)을 적용했습니다.
  • 측정 항목: 접합부의 궁극 인장 강도(UTS)와 비커스 미세 경도를 측정했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

실험 및 최적화 분석을 통해 각 코팅 공구에 대한 최적의 공정 변수와 그에 따른 기계적 특성을 도출했습니다.

Finding 1: TiN 코팅 공구의 최적화된 공정 변수 및 성능

TiN 코팅 공구를 사용했을 때, 인장 강도와 경도를 모두 극대화하는 최적의 공정 변수 조합은 다음과 같았습니다. – 스핀들 속도: 1540 rpm – 용접 속도: 20 mm/min – 축 방향 힘: 6 KN

이 조건에서 달성된 최대 기계적 특성은 최대 인장 강도 133.92 MPa와 경도 102.54 HV였습니다. 이는 두 가지 목표를 동시에 만족시키는 최상의 결과입니다.

Finding 2: DLC 코팅 공구의 최적화된 공정 변수 및 성능

DLC 코팅 공구의 경우, 최적의 결과는 다음과 같은 공정 변수에서 얻어졌습니다. – 스핀들 속도: 1360 rpm – 용접 속도: 55 mm/min – 축 방향 힘: 8 KN

이 조건에서 최대 인장 강도 129.26 MPa와 경도 102.47 HV를 달성했습니다. 전반적으로 TiN 코팅 공구가 DLC 코팅 공구보다 더 우수한 인장 강도와 경도 값을 나타냈습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 식 (2)~(5)의 수학적 모델을 통해 공구 회전 속도, 용접 속도, 가압력을 조정하여 접합 강도와 경도를 직접적으로 최적화할 수 있음을 시사합니다. 예를 들어, Figure 14와 15에서 보듯이 회전 속도를 높이면 초기에는 특성이 향상되지만, 과도한 속도는 결정립을 조대화시켜 강도를 저하시킬 수 있습니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 Figure 14부터 19까지의 데이터는 공정 변수가 기계적 특성(UTS 및 경도)에 미치는 직접적인 영향을 보여줍니다. 이는 사용된 공구 코팅(TiN 대 DLC)에 기반한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 정보를 제공할 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 연구 결과는 공구 코팅(TiN 대 DLC)의 선택이 최종 접합부 특성에 중대한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. TiN 코팅 공구가 더 우수한 결과를 냈으며, 이는 초기 제조 공정 설계 단계에서 중요한 고려 사항임을 시사합니다.

Paper Details

MULTI OBJECTIVE OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS BY FIREFLY ALGORITHM DURING THE FRICTION STIR WELDING OF METAL MATRIX COMPOSITES

1. Overview:

  • Title: MULTI OBJECTIVE OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS BY FIREFLY ALGORITHM DURING THE FRICTION STIR WELDING OF METAL MATRIX COMPOSITES
  • Author: C. Devanathan, A. SureshBabu
  • Year of publication: 2021
  • Journal/academic society of publication: TRANSACTIONS OF FAMENA XLV-1
  • Keywords: Al 5083 + B4C composites, Titanium nitride, Diamond like carbon, Box- Behenken’s design, Multi objective optimization

2. Abstract:

복합재료의 효과적인 접합은 실제 응용 분야에서의 활용도를 더욱 높일 수 있습니다. 본 연구에서는 10% B4C로 강화된 Al 5083 복합재료를 교반 주조 기법으로 준비하고 마찰 교반 용접으로 접합했습니다. 공구 회전 속도, 용접 이송 속도, 수직 가압력 등 공정 변수를 3수준으로 고려하여 궁극 인장 강도 및 미세 경도와 같은 기계적 특성에 미치는 영향을 분석했습니다. 사각 핀 프로파일을 가진 두 개의 공구를 가공했으며, 하나는 질화티타늄(TiN)으로, 다른 하나는 다이아몬드상 카본(DLC)으로 코팅했습니다. 실험은 박스-벤켄 설계를 따라 계획되었으며, 이는 출력 응답 분석을 위해 15개의 실험을 제안했습니다. 각 출력 응답에 대해 두 공구 모두에 대한 수학적 모델이 개발되었고, 모델의 신뢰성은 ANOVA 테스트를 통해 확인되었습니다. 각 변수가 출력 변수에 미치는 영향을 연구하고 두 공구에 대해 비교했습니다. 다중 목표 최적화는 MATLAB 2018a 소프트웨어를 사용하여 파이어플라이 알고리즘으로 수행되었습니다. TiN 코팅 공구의 경우, 1540 rpm, 20 mm/min, 6 KN의 공정 변수에서 최대 인장 강도 133.92 MPa와 비커스 미세 경도 값 102.54를 얻었습니다. DLC 공구의 경우, 1360 rpm, 55 mm/min, 8 KN의 변수에서 최대값 129.67 MPa와 102.47을 얻었습니다.

3. Introduction:

알루미늄 매트릭스 복합재료의 급속한 성장은 미국 기술 연구 공사가 2002년 알루미늄 금속 매트릭스 복합재(MMC) 로드맵을 제출한 이후 시작되었으며, 이는 향후 20년간의 발전을 예고했습니다. 2014년 Grand View Research 시장 보고서는 높은 인장 강도 덕분에 경량 알루미늄 기반 금속 매트릭스 복합재료가 30%의 수요를 차지하는 가장 큰 제품 부문이 될 것으로 예측했습니다. 보고된 바와 같이, 알루미늄 기반 재료는 계속해서 성숙해져 2022년까지 금속 매트릭스 복합재료의 선두주자가 될 것입니다. 최근 몇 년간 이러한 재료는 항공기 구조, 해군 구조물, 자동차 부품, 항공기 추진 시스템, 탱크 장갑과 같은 중요한 응용 분야의 다양한 산업 부문에서 큰 주목을 받았습니다. 이러한 재료를 기존의 접합 공정으로 접합하는 데 어려움이 발생하며, 적절한 접합 기술을 확보함으로써 알루미늄 매트릭스 복합재료의 적용을 더욱 확대할 수 있습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

알루미늄 매트릭스 복합재료(MMC)는 경량이면서도 높은 강도를 가져 다양한 첨단 산업에 적용되고 있으나, 기존 융합 용접 방식으로는 결함이 발생하기 쉬워 접합에 어려움이 있습니다. 마찰 교반 용접(FSW)은 고체 상태에서 접합이 이루어져 이러한 문제를 해결할 수 있는 효과적인 대안입니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 FSW가 다양한 재료를 성공적으로 용접할 수 있음을 보여주었으며, 공정 변수(회전 속도, 용접 속도 등)가 기계적 특성에 미치는 영향을 분석했습니다. 또한, MMC 용접 시 발생하는 공구 마모를 줄이기 위해 코팅된 공구나 표면 처리된 공구의 사용이 권장되었습니다. 그러나 여러 목표(예: 강도와 경도)를 동시에 최적화하는 다중 목표 최적화에 대한 연구는 더 필요했습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 10% B4C로 강화된 Al 5083 복합재료의 마찰 교반 용접 시, 공정 변수(공구 회전 속도, 용접 속도, 수직 가압력)가 최종 접합부의 기계적 특성(인장 강도, 경도)에 미치는 영향을 분석하는 것입니다. 또한, TiN과 DLC로 코팅된 두 가지 다른 공구를 사용하여 그 성능을 비교하고, 파이어플라이 알고리즘을 이용해 인장 강도와 경도를 동시에 최대화하는 다중 목표 최적화를 수행하여 최적의 공정 변수 조합을 찾는 것을 목표로 합니다.

Core study:

연구의 핵심은 TiN 및 DLC 코팅 공구를 사용하여 Al 5083/B4C 복합재료를 마찰 교반 용접하고, 박스-벤켄 실험 설계를 통해 데이터를 수집하는 것입니다. 수집된 데이터를 기반으로 인장 강도와 경도를 예측하는 수학적 모델을 개발하고, ANOVA 분석으로 모델의 유효성을 검증합니다. 마지막으로, 파이어플라이 알고리즘을 적용하여 두 가지 기계적 특성을 동시에 최대화하는 최적의 공정 변수 조합을 도출하고, 각 공구의 성능을 비교 분석합니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실험적 연구 설계를 따릅니다. 세 가지 공정 변수(공구 회전 속도, 용접 속도, 수직 가압력)를 각각 3수준으로 설정하고, 박스-벤켄 설계(Box-Behnken Design)를 사용하여 실험을 계획했습니다. 이는 반응 표면 분석법(RSM)의 일종으로, 변수들이 출력 응답에 미치는 영향을 모델링하고 최적화하는 데 효과적입니다. TiN 코팅 공구와 DLC 코팅 공구에 대해 각각 15회의 실험, 총 30회의 실험을 수행했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

용접된 시편은 ASTM E-8 표준에 따라 인장 시험용 시편으로 절단되었으며, 만능 시험기(UTM)를 사용하여 궁극 인장 강도(UTS)를 측정했습니다. 경도는 비커스 미세 경도 시험기를 사용하여 측정되었습니다. 수집된 데이터는 DESIGN EXPERT 12.0 소프트웨어를 사용하여 분석되었고, 인장 강도와 경도에 대한 회귀 모델이 개발되었습니다. 모델의 적합성은 분산 분석(ANOVA)을 통해 검증되었습니다. 다중 목표 최적화는 MATLAB R2018a를 사용하여 파이어플라이 알고리즘으로 수행되었습니다.

Research Topics and Scope:

본 연구는 10% B4C로 강화된 Al 5083 금속 매트릭스 복합재료의 마찰 교반 용접에 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 TiN 및 DLC 코팅된 사각 핀 프로파일 공구를 사용한 맞대기 용접으로 제한됩니다. 주요 연구 주제는 공구 회전 속도, 용접 속도, 수직 가압력이 용접부의 인장 강도 및 경도에 미치는 영향을 분석하고, 이 두 가지 기계적 특성을 동시에 최대화하기 위한 공정 변수의 다중 목표 최적화입니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • TiN 코팅 공구 최적화: 스핀들 속도 1540 rpm, 용접 속도 20 mm/min, 축 방향 힘 6 KN에서 최대 인장 강도 133.92 MPa와 경도 102.54를 달성했습니다.
  • DLC 코팅 공구 최적화: 스핀들 속도 1360 rpm, 용접 속도 55 mm/min, 축 방향 힘 8 KN에서 최대 인장 강도 129.26 MPa와 경도 102.47을 달성했습니다.
  • 공구 성능 비교: TiN 코팅 공구가 DLC 코팅 공구보다 더 우수한 궁극 인장 강도 및 경도 값을 나타냈습니다.
  • 공정 변수 영향:
    • 회전 속도: 속도가 특정 지점까지 증가하면 강도와 경도가 증가하지만, 과도한 속도는 열 입력 과다로 인한 결정립 조대화로 특성을 저하시켰습니다.
    • 용접 속도: 용접 속도가 증가하면 특정 지점까지 인장 강도가 증가했으나, 그 이상에서는 불충분한 열 입력으로 강도가 감소했습니다.
    • 가압력: TiN 공구에서는 가압력 증가가 재료 배출로 인해 강도와 경도를 감소시켰으나, DLC 공구에서는 적절한 압밀로 인해 강도와 경도를 증가시켰습니다.

Figure List:

  • Fig. 1 Progress trend of various metals used for MMCs until 2022[1].
  • Fig. 2 The basic FSW process
  • Fig. 3 Tools with coating characteristics
  • Fig. 4 FSW machine
  • Fig. 5 Welded specimens
  • Fig. 6 Dimensions of tensile specimens
  • Fig. 7 Samples of tensile test specimens
  • Fig. 8 Convergence graph of UTS for the TiN coated tool
  • Fig. 9 Convergence graph of hardness for the TiN coated tool
  • Fig. 10 Convergence graph of UTS for the DLC coated tool
  • Fig. 11 Convergence graph of hardness for the DLC coated tool
  • Fig. 12 Convergence graph of the combined response for the TiN coated tool
  • Fig. 13 Convergence graph of the combined response for the DLC coated tool
  • Fig. 14 Influence of revolving speed on UTS
  • Fig. 15 Influence of revolving speed on hardness
  • Fig. 16 Influence of welding speed on UTS
  • Fig. 17 Influence of welding speed on hardness
  • Fig. 18 Influence of plunge force on UTS
  • Fig. 19 Influence of Plunge force on hardness

7. Conclusion:

알루미늄 금속 매트릭스 복합재료는 두 종류의 다른 코팅 공구를 사용하여 접합되었습니다. 실험 작업을 통해 얻은 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 내렸습니다. – FSW 공정은 TiN 및 DLC 코팅 공구를 사용하여 10% B4C 강화 Al 5083 복합재료를 효과적으로 접합하는 데 적용될 수 있습니다. – 결합된 최적화 공정 변수는 파이어플라이 알고리즘을 사용하여 얻었습니다. – TiN 코팅 공구의 경우, 더 나은 인장 강도와 경도를 얻기 위한 최적화된 공정 변수는 스핀들 속도 1540 rpm, 용접 속도 20 mm/min, 축 방향 힘 6 KN이었으며, 이로써 최대 인장 강도 133.92 MPa와 경도 102.54를 얻었습니다. – DLC 코팅 공구의 경우, 스핀들 속도, 용접 속도, 축 방향 힘의 값은 각각 1360 rpm, 55 mm/min, 8 KN이었으며, 이로써 최대 인장 강도 129.26 MPa와 경도 102.47을 얻었습니다. – TiN 코팅 공구는 DLC 코팅 공구보다 더 나은 궁극 인장 강도와 경도 값을 생성했습니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 TiN과 DLC 코팅 공구를 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 논문에 따르면, 금속 매트릭스 복합재료(MMC)의 마찰 교반 용접 시 공구 마모가 핵심적인 문제입니다. 강화재(B4C)와의 접촉으로 인해 공구가 쉽게 마모되기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 여러 연구자들이 코팅된 공구의 사용을 권장해왔습니다. 특히, 참고문헌 [2]에서는 다이아몬드 코팅이 공구 마모를 해결하는 좋은 선택이라고 언급하고 있어, 내마모성이 뛰어난 TiN과 DLC 코팅을 선택하여 그 성능을 비교 분석한 것입니다.

Q2: 실험 설계에 박스-벤켄(Box-Behnken) 설계를 사용한 것의 의의는 무엇인가요?

A2: 박스-벤켄 설계는 반응 표면 분석법(RSM)의 한 종류로, 여러 변수에 의해 영향을 받는 출력 응답(결과)을 모델링, 분석 및 최적화하는 데 매우 유용한 수학적 기법입니다. 이 설계를 사용함으로써, 3개의 변수와 3개의 수준에 대해 상대적으로 적은 수의 실험(15회)으로도 신뢰성 있는 수학적 모델을 개발하고 각 변수의 영향과 상호작용을 효율적으로 분석할 수 있었습니다.

Q3: Figure 14에 따르면, 공구 회전 속도가 특정 지점을 넘어서면 왜 궁극 인장 강도(UTS)가 감소하나요?

A3: 공구 회전 속도가 증가하면 초기에는 마찰열이 증가하여 재료의 소성 유동이 원활해지고, 이는 접합부의 특성을 향상시킵니다. 하지만 회전 속도가 과도하게 높아지면 너무 많은 열이 발생하게 됩니다. 이 과도한 열 입력은 용접 후 냉각 속도를 늦추고, 결과적으로 조대한 결정립을 형성하게 만들어 기계적 특성, 즉 인장 강도를 저하시키는 원인이 됩니다.

Q4: 최적화를 위해 파이어플라이 알고리즘을 사용했는데, 다른 알고리즘 대신 이 방법을 선택한 이유는 무엇인가요?

A4: 논문에서는 참고문헌 [22-24]를 인용하며 파이어플라이 알고리즘(FA)의 우수성을 설명합니다. 이 알고리즘은 입자 군집 최적화(PSO)와 같은 다른 알고리즘보다 뛰어난 성능을 보일 수 있으며, 수렴 속도가 빠르고 다중 모델 문제를 효과적으로 처리할 수 있는 장점이 있습니다. 따라서 인장 강도와 경도라는 두 가지 목표를 동시에 최적화해야 하는 본 연구의 다중 목표 최적화 문제에 적합하다고 판단하여 선택되었습니다.

Q5: Figure 18과 19에서, 수직 가압력이 TiN과 DLC 코팅 공구에 미치는 영향의 주된 차이점은 무엇이었나요?

A5: 두 공구는 수직 가압력에 대해 상반된 경향을 보였습니다. TiN 코팅 공구의 경우, 축 방향 힘이 증가하면 교반 영역(stir zone)에서 재료가 밖으로 밀려나는 현상(expulsion)이 발생하여 인장 강도와 경도가 감소했습니다. 반면, DLC 코팅 공구의 경우, 축 방향 힘이 증가하면 재료가 적절하게 압밀(consolidation)되어 오히려 강도와 경도가 증가하는 긍정적인 효과를 나타냈습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

경량 고강도 금속 매트릭스 복합재료의 접합 문제는 항공우주에서 자동차 산업에 이르기까지 많은 분야의 기술적 과제였습니다. 본 연구는 파이어플라이 알고리즘을 활용하여 마찰 교반 용접 공정을 최적화함으로써 이 문제에 대한 구체적인 해법을 제시합니다. TiN 및 DLC 코팅 공구에 대한 최적의 공정 변수를 도출하여, 예측 가능하고 우수한 기계적 특성을 지닌 고품질 접합부를 생산할 수 있는 길을 열었습니다.

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  • This content is a summary and analysis based on the paper “MULTI OBJECTIVE OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS BY FIREFLY ALGORITHM DURING THE FRICTION STIR WELDING OF METAL MATRIX COMPOSITES” by “C. Devanathan, A. SureshBabu”.
  • Source: https://doi.org/10.21278/TOF.451018520

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