[논문]A5052-H112 합금의 겹치기 마찰교반접합 조직 특성

고영봉; 이중헌; 박경채

doi:10.5781/kwjs.2009.27.6.017

A5052-H112 합금의 겹치기 마찰교반접합 조직 특성
Microstructures of Friction Stir Lap Weld in A5052-H112 Alloy 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.27 no.6, 2009년, pp.17 - 24

고영봉 (한국화학시험연구원 시험연구팀) , 이중헌 (현대제철 기술연구소) , 박경채 (경북대학교 금속신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The Friction Stir Welding(FSW) has mainly been used for making butt joints in Al alloys. Development of Friction Stir Lap Welding(FSLW) would expand the number of applications. Microstructure of FSLW in A5052-H112 alloy was investigated under varying rotation and welding speed. As the rotation speed was increased and the welding speed was decreased, a amount of heat was increased. As a result, bead interval was narrower, bead width are larger, and experimental bead interval was almost similar to theoretical bead interval. Typical microstructures of FSLW A5052-H112 alloy consist of three zones, including Stir Zone(SZ), Thermo-Mechanically Affected Zone(TMAZ) and Heat Affected Zone(HAZ). As a amount of heat was increased, average grain size was larger in three zones. Nevertheless, the aspect ratio was almost fixed for FSLW conditions. The misorientation of SZ, HAZ and TMAZ was examined. A large number of low angle grain boundaries, which were formed by severe plastic deformation, were showed in TMAZ as comparison with SZ and HAZ. Microhardness distribution was high in order of BM, SZ, TMAZ, and HAZ. The Micro-hardness distribution in HAZ, TMAZ of upper plate were lager than lower plate. Relationship between average grain size and microhardness was almost corresponded to Hall-Petch equation.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

또한 후방 산란회절(EBSD : Electron Back Scattered Diffraction)분석 기법을 이용하여 각 영역별 결정립 크기, 어스펙스 비(aspect ratio) 및 결정립계 방위차(misorientation)를 측정하였다. 각 조건에서 교반부 결정립 크기를 알아보기 위해 후방산란회절 분석과 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 관찰하였다.
10은 각 조건에서의 TEM이미지 사진을 나타낸다. 각 조건에서의 교반부 평균 결정립크기를 구하기 위해 EBSD 이미지 및 TEM 이미지를 관찰하였다. 관찰한 결과 Fig.
또한 후방 산란회절(EBSD : Electron Back Scattered Diffraction)분석 기법을 이용하여 각 영역별 결정립 크기, 어스펙스 비(aspect ratio) 및 결정립계 방위차(misorientation)를 측정하였다. 각 조건에서 교반부 결정립 크기를 알아보기 위해 후방산란회절 분석과 TEM(Transmission Electron Microscopy) 이미지를 관찰하였다.
마이크로 비커스 경도기를 이용하여 하중 200g, 압입시간 10초로 상, 하판의 단면 중심부에 각각 1mm 간격으로 영역별 경도를 측정하였다.
본 연구에서는 비열처리형 알루미늄 합금인 A5052-H112 냉간 압연 판재를 겹치기 마찰교반 접합법 (Friction Stir Lap Welding : FSLW⁵⁾)으로 접합 후 조직을 관찰하였다.
본 연구에서는 비열처리형 알루미늄 합금인 A5052-H112소재를 이용하여 겹치기 마찰교반 접합 조직을 관찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시편 제작은 100×100×2mm3(가로×세로×높이)의 판재를 35mm씩 겹치고 인장시험시 파단면이 앞부분(advancing side:AS)으로 오도록 접합하였다.
접합 비드를 관찰하기 위해 접합시작부에서 50mm 지점을 실측현미경으로 관찰하였다. 접합부 미세조직을 관찰하기 위해 Keller용액(150㎖H₂0+3㎖HNO₃+6㎖HCl+6㎖HF at 0℃)으로 에칭한 후 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.
접합 비드를 관찰하기 위해 접합시작부에서 50mm 지점을 실측현미경으로 관찰하였다. 접합부 미세조직을 관찰하기 위해 Keller용액(150㎖H₂0+3㎖HNO₃+6㎖HCl+6㎖HF at 0℃)으로 에칭한 후 광학현미경을 이용하여 관찰하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 비열처리형 합금인 A5052 -H112를 사용하였으며, 합금의 조성은 Table 1에 정리하였다.
실험에 사용된 마찰교반접합기는 회전속도가 최대 4500rpm, 이송속도는 최대 1000mm/min, 재하하중은 최대 15kN까지 제어가 가능하다. 숄더(shoulder)와 프루브(probe)의 직경은 각각 15mm, 5mm이며 프루브의 길이는 3.7mm인 왼나사(left-thread)로 제작하였으며, 접합 툴의 재질은 SKH51을 사용하였다.

이론/모형

5) 경도값은 열량이 증가함에 따라 감소하였는데, 이는 열량이 증대함에 따라 결정립 크기가 커짐을 알 수 있었다. 또한 경도값과 결정립크기와의 관계는 Hall-Petch식의 적용이 가능하였다.

성능/효과

1) 비드 폭과 간격은 열량과 관계가 있었는데, 접합 속도가 낮을수록 회전속도가 클수록 열량이 크므로 비드 간격은 작았고, 비드 폭은 컸다. 또한 비드 폭은 이론치와 실험치가 거의 일치하였다.
2) 겹치기 마찰교반 접합에서의 조직은 팬케익 모양의 모재부, 일부 재결정 조직과 모재 조직이 혼재되어 있는 열영향부, 부분적인 동적 재결정 조직 및 일정한 방향으로 연신된 열기계적 영향부와 매우 미세한 등축정 재결정 조직인 교반부가 관찰되었다.
3) EBSD 분석한 결과, 회전속도가 증가함에 따라 접합속도가 감소함에 따라 결정립이 조대화 됨을 알 수 있었다. 이로써 열량과 결정립 크기의 관계는 거의 비례적으로 증가되었고, 열기계적 영향부에서 소경계 입계가 많아 아직 동적 재결정이 일어나지 않은 상태임을 알 수 있었다.
4) 경도값은 모재, 교반부, 열기계적 영향부, 열영향부 순으로 높았으며, 상판의 열영향부, 열 기계적 영향부 영역이 하판보다 더 넓었고, 교반부에서 앞부분보다 뒷부분의 경도값이 더 높았다.
5) 경도값은 열량이 증가함에 따라 감소하였는데, 이는 열량이 증대함에 따라 결정립 크기가 커짐을 알 수 있었다. 또한 경도값과 결정립크기와의 관계는 Hall-Petch식의 적용이 가능하였다.
3, 4에 나타내었다. 비드 형상을 관찰한 결과, 접합 속도가 증가할수록 비드 간격은 넓어지는 반면, 비드 폭은 좁혀지고, 회전속도가 증가할수록 비드 간격은 좁혀지는 반면 비드 폭은 넓어지는 경향을 보인다. 비드 폭이 좁혀지는 원인은 접합 툴에 의한 가압과 교반이 연화를 발생할 만큼 충분하지 못했기 때문이라고 생각된다.
3) EBSD 분석한 결과, 회전속도가 증가함에 따라 접합속도가 감소함에 따라 결정립이 조대화 됨을 알 수 있었다. 이로써 열량과 결정립 크기의 관계는 거의 비례적으로 증가되었고, 열기계적 영향부에서 소경계 입계가 많아 아직 동적 재결정이 일어나지 않은 상태임을 알 수 있었다.
5는 이론적인 비드 간격에 대한 실험 후 측정한 비드 간격으로 나타낸다. 이를 비교해보면 이론적 비드 간격과 실험 후 비드 간격이 거의 일치하였으며, 이로써 위 실험의 신뢰성이 확보되었다고 생각된다. 또한 마찰교반접합시 발생한 마찰열은 프루브에 의한 마찰열보다 숄더에 의한 마찰열이 더 크기 때문에⁷⁾ 마찰교반접합시 발생한 열량의
15는 교반부에서 각 접합 조건에 따른 경도값을 나타낸다. 접합속도가 증가할수록 경도값은 높아졌고, 회전속도가 증가할수록 경도값은 낮아졌다. 접합 조건에 따른 열량과 경도값이 밀접한 관련있는 것으로 사료되어 Fig.
11에 각 조건별 평균 결정립 크기를 나타내었다. 회전속도가 증가할수록 접합속도가 감소할수록 평균 결정립크기가 커짐을 알 수 있었다. 따라서 열량에 따른 평균 결정립크기를 Fig.
Table 5는 각 영역마다 접합속도 400mm/min일 때, 회전속도별 aspect ratio를 나타낸다. 회전속도가 증가함에 따라 장축과 단축의 비는 크게 차이가 없었으나, 열기계적 영향부에서는 다른 영역보다 작은 값을 나타내었다. 이는 다른 영역에서 볼 수 없는 극심한 소성변형으로 인해 연신된 조직이 많기 때문이다.
9는 접합속도 400mm/min일 때, 회전속도별 EBSD 분석한 교반부 이미지를 나타낸다. 회전속도에 상관없이 교반부에서는 동적 재결정에 의한 미세한 등 축정 재결정 조직이 나타났으며, 회전속도가 증가함에 따라 결정립이 조대화 됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 합금은 어떤 특성을 갖고 있는가?	알루미늄 합금은 높은 비강도, 내식성, 인성 저온 특성을 가지고 있어 여러 분야에 사용되고 있으며, 그 수요는 해가 갈수록 증가하는 추세이다. 특히 A5052 냉간압연판재는 자동차, 선박, 비행기 등 운송 분야에 이용되고 있으며, 리벳접합으로 구조물로 제작되었다.
	A5052 냉간압연판재는 무엇에 이용되고 있는가?	알루미늄 합금은 높은 비강도, 내식성, 인성 저온 특성을 가지고 있어 여러 분야에 사용되고 있으며, 그 수요는 해가 갈수록 증가하는 추세이다. 특히 A5052 냉간압연판재는 자동차, 선박, 비행기 등 운송 분야에 이용되고 있으며, 리벳접합으로 구조물로 제작되었다. 하지만 이러한 구조물은 약간의 진동에도 부식, 파손, 고장의 원인이 되어 적절한 성형 가공 기술 및 접합 기술개발이 절실히 요구되고 있다.
	본 연구에서 비열처리형 알루미늄 합금인 A5052-H112소재를 이용하여 겹치기 마찰교반 접합 조직을 관찰한 결과는 어떠한가?	1) 비드 폭과 간격은 열량과 관계가 있었는데, 접합 속도가 낮을수록 회전속도가 클수록 열량이 크므로 비드 간격은 작았고, 비드 폭은 컸다. 또한 비드 폭은 이론치와 실험치가 거의 일치하였다. 2) 겹치기 마찰교반 접합에서의 조직은 팬케익 모양의 모재부, 일부 재결정 조직과 모재 조직이 혼재되어 있는 열영향부, 부분적인 동적 재결정 조직 및 일정한 방향으로 연신된 열기계적 영향부와 매우 미세한 등축정 재결정 조직인 교반부가 관찰되었다. 3) EBSD 분석한 결과, 회전속도가 증가함에 따라 접합속도가 감소함에 따라 결정립이 조대화 됨을 알 수있었다. 이로써 열량과 결정립 크기의 관계는 거의 비례적으로 증가되었고, 열기계적 영향부에서 소경계 입계가 많아 아직 동적 재결정이 일어나지 않은 상태임을 알 수 있었다. 4) 경도값은 모재, 교반부, 열기계적 영향부, 열영향부 순으로 높았으며, 상판의 열영향부, 열 기계적 영향부 영역이 하판보다 더 넓었고, 교반부에서 앞부분보다 뒷부분의 경도값이 더 높았다. 5) 경도값은 열량이 증가함에 따라 감소하였는데, 이는 열량이 증대함에 따라 결정립 크기가 커짐을 알 수 있었다. 또한 경도값과 결정립크기와의 관계는 Hall-Petch식의 적용이 가능하였다.

참고문헌 (18)

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Tomotake Hirata et al : Influence of friction stir welding parameters on grain size and formability in 5083 aluminium alloy, Materials Science and Engineering A 456(2007), 344-349

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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