[논문]타이타늄 소재 마찰교반용접 기술 동향

천창근; 김성욱; 김흥주; 장웅성; 노중석

doi:10.5781/kwjs.2013.31.2.16

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Titanium and its alloys have been widely using in the various field of industry application due to high corrosion resistant properties and mechanical properties. Titanium is highly reactive in the high temperature state and the formation of titanium oxide and porosities in the nuggets of fusion weld...

Titanium and its alloys have been widely using in the various field of industry application due to high corrosion resistant properties and mechanical properties. Titanium is highly reactive in the high temperature state and the formation of titanium oxide and porosities in the nuggets of fusion welding will results in the degradation of the mechanical properties. For this reason the studies of friction stir welding for titanium have been investigated recently. The FSW zones of titanium were classified by the weld nugget (WN), the linear transition boundary (TB) and the heat affected zone (HAZ). The WN along with titanium parent was characterized by the presence of twins and dislocations. The average grain size and hardness of WN has been changed according to heat input. The grain refinement resulted from the FSW increased the hardness in the stir zone. Sound dissimilar joints between SUS 304 and CP-Ti were achieved using an advancing speed of 50 mm/min and rotation speeds in the range of 700-1100 rpm. Aluminum 1060 and titanium alloy Ti-6Al-4V plates were lap joined by friction stir welding, hence the ultimate tensile shear strength of joint reached 100% of Al 1060. Mg alloy and Ti were successfully butt joined by inserting a probe into the Mg alloy plate with slightly offsetting. But Ti-Al intermetallic compound layers formed at the interface of these joints.

주제어

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문제 정의

본 특집호에서는 비교적 최근에 개발된 고상용접인 마찰교반용접을 타이타늄 및 타이타늄 합금에 적용할 때 필요한 불활성 가스 차폐기술과 마찰교반용접 툴 소재 기술개발 동향, 타이타늄 동종 또는 다른 소재와의 이종용접을 실시하였을 때 접합부의 조직 및 기계적인 물성 등 종합적인 접합성능에 대하여 알아보고자 한다.

제안 방법

Fazel–Najafabadi 등은 CP-Ti과 SUS 304 마찰교반 이종용접 실험을 실시하였다⁴⁾. 이종용접은 Fig. 5와 같이 SUS 304를 상부로 두 소재를 겹쳐 H13강과 초경으로 구성된 이중구조 툴을 사용하여 진행하였다. 실험결과 50mm/min의 진행속도 및 700–1100rpm 회전속도에서 건전한 용접부가 얻어졌으며, Fig.

대상 데이터

Masayuki Aonuma 등은 타이타늄과 마그네슘 합금의 마찰교반 이종용접을 시도하였다. Fig. 8과 같이 마찰교반용접 툴을 마그네슘 측으로 약간 이동시켜 삽입하여 용접을 실시하였으며 실험에 사용된 마그네슘합금의 종류는 알루미늄 함유량에서 차이가 있는 AZ31, AZ61, AZ91을 각각 사용하였다⁶⁾. 시험결과 Fig.

성능/효과

TMAZ(C)에서는 일반적인 알루미늄 합금의 마찰교반용접에서 관찰되는 기계적인 영향을 받은 연신 조직이 발생하지 않았으며 SZ(D, E)에서는 동적 재결정이 발생한 것으로 보이며 SZ 구간의 어떤 부분(D)에서는 모재에서 관측되는 층상 쌍정 구조도 보여지는 것으로 보아 전체적으로 α–상과 β상의 혼합조직임을 알 수 있었다.
TMAZ(C)에서는 일반적인 알루미늄 합금의 마찰교반용접에서 관찰되는 기계적인 영향을 받은 연신 조직이 발생하지 않았으며 SZ(D, E)에서는 동적 재결정이 발생한 것으로 보이며 SZ 구간의 어떤 부분(D)에서는 모재에서 관측되는 층상 쌍정 구조도 보여지는 것으로 보아 전체적으로 α–상과 β상의 혼합조직임을 알 수 있었다. 일반적인 CP Ti의 마찰교반용접부의 경도 분포를 분석해보면 모재보다 접합부의 경도가 약 20^~30% 정도 상승하는 것으로 관측되었으며 특히 SZ 영역에서 상대적으로 높는 경도값이 나타났었다. 이는 Table 2에서 보듯이 결정립이 미세해지는 것과 비례하여 증가되는 현상이다.
실험결과 50mm/min의 진행속도 및 700–1100rpm 회전속도에서 건전한 용접부가 얻어졌으며, Fig. 6의 인장전단 시험결과와 같이 겹치기 용접부는 CP–Ti와 비슷한 약 119MPa의 최대 전단강도를 나타내었다.
시험결과 Fig. 9에서와 같이 마그네슘 합금 중 알루미늄 함유량이 증가할수록 Ti–Al 금속간화합물 층이 두꺼워져 인장강도는 마그네슘합금 모재 강도의 약 30~60% 전후로 떨어지는 요인으로 작용하였으며 용접 후 열처리를 실시하면 금속간화합물층의 두께가 더 두꺼워져 접합부 강도는 더 떨어지는 결과를 나타내었다.
최근에는 용접부위의 안정성, 효율성, 경제성 관점에서 다양한 부품제조에 활용하기 위하여 마찰교반용접도 적극적으로 연구되고 있다. 그 결과 타이타늄 합금 동종 또는 다른 소재와의 이종용접을 실시하였을 때 용접부의 기계적인 물성 등을 종합해볼 때 다른 일반적인 용융용접에 비해 동등하거나 우수한 특성을 보인다. 하지만 탄소강과 같이 일반적인 고강도 소재를 마찰교반용접할 때 발생하는 문제인 과도한 툴 마모가 타이타늄 소재에도 발생되는 것을 알 수 있었다.

후속연구

하지만 탄소강과 같이 일반적인 고강도 소재를 마찰교반용접할 때 발생하는 문제인 과도한 툴 마모가 타이타늄 소재에도 발생되는 것을 알 수 있었다. 따라서 향후 이러한 툴의 내마모성을 확보할 수 있는 공정기술 또는 소재기술에 연구 방향을 집중한다면 타이타늄 마찰교반용접기술도 동(銅)이나 알루미늄과 같은 강도가 높지 않은 비철금속 마찰교반용접과 같이 상용 부품제조에 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이타늄 소재의 장점은 무엇인가?	최근 타이타늄 소재는 우수한 내식성과 기계적인 물성 때문에 다양한 산업분야에 적용이 확대되고 있다. Grade 1, 2 순 타이타늄은 우수한 내식성과 연성으로 인하여 발전소나 선박 등의 열교환기나 반응용기 등으로 사용되며 Grade 5와 같은 고강도 타이타늄 합금은 항공기 등의 부품제조에 적용되고 있다.
	Grade 1, 2 순 타이타늄은 우수한 내식성과 연성으로 인해 어디에 사용되는가?	최근 타이타늄 소재는 우수한 내식성과 기계적인 물성 때문에 다양한 산업분야에 적용이 확대되고 있다. Grade 1, 2 순 타이타늄은 우수한 내식성과 연성으로 인하여 발전소나 선박 등의 열교환기나 반응용기 등으로 사용되며 Grade 5와 같은 고강도 타이타늄 합금은 항공기 등의 부품제조에 적용되고 있다. 타이타늄의 융점은 약 1,670도, 밀도는 4.
	타이타늄 소재는 합급원소 및 구성조직에 따라 어떻게 나눌 수 있는가?	타이타늄의 융점은 약 1,670도, 밀도는 4.51g/cm3로서 합금원소 및 구성조직에 따라 순수 타이타늄, α형 합금, 준안정 α형 합금, α+β형 합금, 준안정 β형 합금, β형 합금으로 나눌 수 있으며 Ti-6Al-4V합금이 대표적인 α+β형 합금으로 구조용 소재로 가장 많이 사용되고 있다. 합금에 따라 인장강도는 245~800 MPa, 연신율은 10~40%까지 다양하다1).

참고문헌 (6)

Byoung-Hyun Yoon, Suk-Hwan Kim, Woong-seong Chang : Recent trends of welding technology for Ti and Ti alloys, Journal of KWJS, 25-5, October, 2007 22-28 (in Korean)

원문보기 상세보기
Dong-Geun Lee, Yong-Tai Lee : High effiency welding technology of titanium alloy, Journal of KWJS, 25-5, October, 2007 15-21
박현국 외 7명 : 마찰교반 접합툴용 텅스텐 카바이드 소결체 제조 방법, 공개특허 10-2013-0015396, 대한민국특허청 (in Korean)
M.Fazel-Najafabadi, S.F.Kashani-Bozorg, A.Zarei-Hanzaki : Dissimilar lap joining of 304 stainless steel to CP-Ti employing friction stir welding, Materials and Design, 32 (2011) 1824-1832

상세보기
Yanni Wei, Jinglong Li, Jiangtao Xiong, Fu Huang, Fusheng Zhang, Syed Hamid Raza : Joining aluminum to titanium alloy by friction stir lap welding with cutting pin, Materials Characterization, 71 (2012) 1-5

상세보기
Masayuki Aonuma, Kazuhiro Nakata : Effect of alloying elements on interface microstructure of Mg-Al-Zn magnesium alloys and titanium joint by friction stir welding, Materials Science and Engineering, B 161 (2009) 46-49

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