[논문]열처리된 A3003 알루미늄합금 용접부의 미세조직 및 기계적 특성

이일천; 송영종; 국진선; 윤동주; 김병일

doi:10.5781/kwjs.2007.25.5.051

열처리된 A3003 알루미늄합금 용접부의 미세조직 및 기계적 특성
Microstructrue and Mechanical Properties of A3003 Aluminium Alloy Welds by Heat-treatment 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.25 no.5, 2007년, pp.51 - 57

이일천 (알메탈(주) 기술연구소) , 송영종 (알메탈(주) 기술연구소) , 국진선 (한려대학교 신소재공학과) , 윤동주 (순천대학교 산학협력단) , 김병일 (순천대학교 산학협력단)

Abstract ▼ AI-Helper

The present work was aimed to examine the variation of microstructure and mechanical properties by annealing($100{\sim}620^{\circ}C$, $2{\sim}8hr$) in A3003 Al alloy welded pipes. The A3003 Al alloy pipes with 34 mm in external diameter and 1.3 mm in thickness were manufactured by high frequency induction welding with the V shaped convergence angle $6.7^{\circ}$ and power input 50 kW. The tensile and yield strength decreased with increasing the annealing temperature remarkably, but elongation increased remarkably. Vickers hardness in welds decreased with increasing the annealing temperature remarkably. The primary intermetallic compound of $Al_{12}(Fe,\;Mn)_2Si$ was precipitated in welds as the same base metal. In a certain experimental condition, the welds line in A3003 alloys disappeared at $450^{\circ}C$ for 2 hr because of the same mechanical property and structure between welds and base metal.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

위한 최적열처리조건을 조사하는데 있다. 따라서 본연구에서는 A3003합금판재를 고주파유도 용접하여 외경 34 mm, 두께 1.3 mm의 파이프로 제조한 후 100~62 0℃에서 2~8시간 열처리하여 용접상태의 시료와 비교하여 용접부와 모재부 사이의 조직변화 및 기계적 성질에 미치는 영향을 규명하고자 하였다.
본 연구에서는 A3003알루미늄 합금판재를 고주파 유도 용접하여 파이프를 제조한 후 용접부의 조직 및 기계적 특성을 균일화시킬 목적으로 열처리한 결과 다음의 결론을 얻었다.
본 연구의 목적은 고주파유도 용접된 A3003 알루미늄 합금 파이프의 모재부와 용접부에 발생하는 용접 선의 제거 및 기계적특성 차이를 규명하고, 이를 해소하기 위한 최적열처리조건을 조사하는데 있다. 따라서 본연구에서는 A3003합금판재를 고주파유도 용접하여 외경 34 mm, 두께 1.

가설 설정

1) 열처리하지 않은 시편에서 용접부의 경도가 모 재부보다 높게 나타나는 것은 용접부가 급냉되어 모 재부보다 미세조직으로 되기 때문이다.

제안 방법

경도측정은 마이크로비커스 경도기를 사용하였으며 , 모재부 및 용접부의 경도분포는 파이프단면의 외경 쪽에서 내경쪽을 따라 0.2 mm마다 측정하였고 각각 3회 측정하여 그 평균값을 나타내었다. 용접부와 열영향부를 포함한 모재부의 경도측정은 파이프단면의 외경 쪽에서 내경쪽으로 각각 상부(3/10지점), 중앙(1/2)지점 그리고 하부(7/10지점)을 용접선을 가로지르는 방향으로 0.
7° 였다. 발진관 입력조건은 플래트 전압 Vp(kV), 플래트전류 Ip(A) 및 그리드전류 Ig(A)를 측정하여 그 입력 P=Vp(Ip-Ig)=50 kW를 표준으로 하였다. 가압조건으로는 가압롤(Pressure Roll)에서의 girth reduction(G.
2 mm마다 측정하였고 각각 3회 측정하여 그 평균값을 나타내었다. 용접부와 열영향부를 포함한 모재부의 경도측정은 파이프단면의 외경 쪽에서 내경쪽으로 각각 상부(3/10지점), 중앙(1/2)지점 그리고 하부(7/10지점)을 용접선을 가로지르는 방향으로 0.2 mm마다 측정하였고 각각 3회 측정하여 평균값으로 나타내었다. 이때 시험하중은 100g, 가압시간은 15초였다.
고주파전류발생장치는 공칭출력 95 kW, 발진주파수 400 kHz, 용접속도는 85 m/min이었다. 유도가열코일, 임피더에서 페라이트 코아의 형상, 배치에 관한 고주파전류 도입조건은 안정한플래쉬(flash)가 얻어져 접합면 에지의 가열효율이 최적이 되는 조건을 적용하였다. 가열조건에 있어 수속각 (vee angle) a는 6.
3 mm, 면적 50×50mm의 A3003 판재를 100~620℃로 열처리한 후 공냉하였다. 이 시편을 Vermit 4900C* 이용하여 상온에서 주파수 60Hz로 각 시료 당 3회 측정하여 그 평균값을 전기전도도로 하였다.

대상 데이터

%)로 표기하였다. 고주파 유도 용접하여 제조된 파이프는 외경 34, 두께 1.3 mm 로 외경비(t/D)는 0.04이었으며 별도의 인발공정이 없이 용접한 그대로의 것을 실험에 사용하였다.
이용하였다. 미세조직관찰을 위한부식액으로는 Keller 용액(HC₁ 1.5% HNO₃ 2.5%, HF 1%, H₂O 95%)을 사용하였다.
본 실험에서 사용한 열처리로는 (주)아전가열산업에서 제작한 박스로였으며, 길이 400mm의 파이프를 100~620℃의 온도로 2시간, 4시간 그리고 8시간 열처리한 후 공냉하였다. 이때 열처리 온도는 PID 방식의 온도 조절계를 사용하여 ±3℃로 조절하였다.
실험에 사용된 A3003합금 판재는 노벨리스코리아 (주에서 생산된 것으로 두께 및 폭은 각각 1.3 mm 및 109 mm이며 질별은 H₁₄(가공경화만 하여 인장강도가 1/2경질로 한 것)였다. 이 판재는 보통 H₁₄의 상태에서 조관 성형하여 고주파유도용접한 후 요구되는 기계적 성질 및 치수는 인발을 하여 H₁₆(가공경화만 하 여인 장강 도가 3/4경질로 한 것)의 상태로 조절할 수 있다.
3 mm로서 용접부 내외면 비드를 절삭 가공하여 제거하였다. 이 파이프를 Fig. 2와 같이 KS B 0801어서 규정하는 정형시험편(14C호)으로 하여 물림부의 내부에 알루미늄합금으로 된 봉상의 심금을 넣은 상태로 제작하였다. 시편의 표점거리를 L이라 할 때, 양쪽 심금 사이의 비접촉부 길이는 (L+2D)로 하였고, 물림부 길이는 2L, 시험편 전체길이는 400 mm로 하였다.
인장시험용 파이프는 외경과 두께가 각각 34 mm 및 1.3 mm로서 용접부 내외면 비드를 절삭 가공하여 제거하였다. 이 파이프를 Fig.
전기전도도 측정용 시편은 두께 1.3 mm, 면적 50×50mm의 A3003 판재를 100~620℃로 열처리한 후 공냉하였다. 이 시편을 Vermit 4900C* 이용하여 상온에서 주파수 60Hz로 각 시료 당 3회 측정하여 그 평균값을 전기전도도로 하였다.

이론/모형

용접부의 미세조직관찰에는 광학현미경 (OM) 및 주사전자현미경(SEM)이 이용하였다. 미세조직관찰을 위한부식액으로는 Keller 용액(HC₁ 1.

성능/효과

3은 고주파유도용접 된 외경 34 mm의 A3003 합금 파이프의 용접부 내외면의 비드부를 절삭 가공하여 제거한 단면을 나타낸 것이다. (a)와 같이 용접선은 판재의 길이방향에 수직하며 양호한 것을 확인하였다. 또한 (b) 에서 알 수 있는 것처럼 접합면에 걸쳐있는 용접 금속의 폭은 약 50 ㎛이며, 용접부에는 모재부에 비해 석출물이 상대적으로 적게 분포하였다.
2) 모재부와 용접부의 비커스경도는 320℃에서 2시간 이상의 열처리조건에서 균일화되었으며 열처리 시간의 증가에 따른 경도감소는 나타나지 않았다.
3) 450C에서 2시간 이상 열처리하면 용접선을 제거할 수 있으며, 모재부에 석출하는 약 5 ㎛이하의 금속간화합물(Al12(Fe, Mn)2Si)은 용접부에도 석출하였으며 상의 크기 및 분포는 열처리의 영향을 받지 않았다.
따라서 모재부와 용접부의 경도가 거의 같아지는 온도와 전기전도도가 감소를 시작하는 온도는 약 320℃로 거의 일치하는 것으로 보아 기계적인 균일화를 위해서는 최소한 320℃에서 2시간 이상의 열처리가 필요하고, 용접선을 제거하기 위해서는 450℃ 이상에서 2시간 이상의 열처리가 필요하다.
그 이유는 재료의 전기전도도는 기지내의 고용정도 및 석출상의 양과 크기 그리고 전위, 공공등과 같은 재료의 내부조직에 의해 복합적으로 영향을 받기 때문으로4) 생각된다. 즉 회복구간에서의 전기전도도는 변화가 없고 재결정이 일어나는 동안에는 완만히 감소한 후 재결정의 완료와 함께 급격하게 감소하는 반면 경도는 재결정이 시작되는 온도 이상에서 급격한 감소를 나타내고 재결정이 완료되면 일정 값을 유지하였다. 재결정 온도구간에서 A3003 합금의 전기전도도는 열처리온도보다는 열처리시간의 의존성이 크게 나타나며, 재결정이 완료되는 450℃이상에서 급격히 감소한다2).

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