[논문]Al 7075의 마찰교반 용접부 미세조직에 관한 연구

장석기; 이돈출; 김성종; 전정일

문제 정의

특히, 고강도 알루미늄 합금은 중량이 가벼우면서 인장강도와 항복강도가 높고 가공성, 성형성이 좋아 선박, 항공기, 자동차등 수송재료로 각광을 받고 있으며, 이 중 Al-Zn-Mg계(7000계) 알루미늄 합금은 용접 구조물용 경량소재로 활용범위가 높다[2]. 이 논문에서는 두께 6.35mmt인 알루미늄 7075-T651의 최적 공구'3'에 의해 마찰교반용접 되어진 용접부의 용접회전속도의 차이 및 용접이송속도의 차이에 의한 횡단면 상의 거시 및 미시적 거동을 관찰하였다. 관찰된 미세조직의 특성은 알루미늄 7075-T651 용접부의 기계적 특성'3'과의 상관관계를 고찰하였다.

가설 설정

(b)보다 연성이 더 강하다고 할 수 있다. (c)와 (d)는 연성파괴에서 볼 수 있 딤플형 조직과 취성 파괴에서 볼 수 있는 벽개형 파괴가 공존하는 준벽개(Quasicleavage) 파면형상[7]을보이고 있으며, (c)의 조직은 딤플형의 조직이 많이 분포된 연성형 파괴를 나타내며, (d)는 벽개형의 조직이 많이 분포된 취성형 파괴를 나타내고 있다.

제안 방법

Fig. 6은 핀직경이 46mm인 반나사형 공구를 사용하여 용접이송속도 124mm/min 일정 일때 회전속도를 각각 800rpm, 1250rpm 및 1600rpm으로 변화시켜 용접부 횡단면을 관찰하였다.
35mmt인 알루미늄 7075-T651의 최적 공구'3'에 의해 마찰교반용접 되어진 용접부의 용접회전속도의 차이 및 용접이송속도의 차이에 의한 횡단면 상의 거시 및 미시적 거동을 관찰하였다. 관찰된 미세조직의 특성은 알루미늄 7075-T651 용접부의 기계적 특성'3'과의 상관관계를 고찰하였다.
교반 마찰 용접에는 80mm(W) X 270mm(L)로 절단한 두 개의 판재를 평평한 후판(Back plate)에 길이방향으로 맞대어 크램프(Cramp)로 고정하고, 밀링에 장착된 공구 2°의 전진각(Tilt angle)을 주어 용접방향은 롤링 방향(L)으로 용접공구의 회전방향은 핀에 가공되어진나사선의 방향과는 반대방향인 반시계방향을 유지하면서 공구의 회전속도는 800~1600rpm범위에서, 용접속도는 15~124mm/min범위에서 공구의 치수와 형상을 고려한 24가지의 용접조건을 시행하여 최적 공구인 공구어깨직경 206mm, 공구핀 직경 66mm 및 공구 핀 길이 6mm인 전나사형(Full screw type)공구(3) 를 선정하여 마찰교반용접 하였다.
또한, 모재를 롤링방향 및 횡 방향으로의 파단면과 마찰용접된 판재의 너겟부 및 HAZ 부의 파단면을 촬영하였다.
마찰교반용접된 시편 접합부에서의 기공이나 용접균열과 같은 결함, 그리고 단면의 용접거동을 관찰하기 위하여 외관검사 및 부식 횡단면 표면에칭을 실시하였다. 횡단면 표면관찰을 위해 절단된 시편을 우선 #600으로 조연마, #2000으로 정밀연마 한 후 산화알루미늄을 사용하여 연마포로 연마하였다.
마찰교반용접된 시편 접합부의 미세조직의 상태가 용접부의 기계적 특성에 미치는 영향을 관찰하기 위하여 광학현미경(X1000)과 주사전자현미경(SEM; Scanning electron microscope)을 사용하여 용접 부 횡단면의 너겟부, 열-기계적 영향부, HAZ 및 모재를 각각 현미경 배율 X50, X200, X1000 및 X2000로 촬영하였다. 또한, 모재를 롤링방향 및 횡 방향으로의 파단면과 마찰용접된 판재의 너겟부 및 HAZ 부의 파단면을 촬영하였다.
마찰교반용접용 공구는 공구강(SK)을 선반으로 가공하여 공구어깨의 치수를 15 6 mm와 20#로, 공구 핀의 직경은 46#와 66mm로 하고 공구핀의 길이는 시편의 두께보다 약간 작은 6mm로 제작하였다. 교반 마찰 용접에는 80mm(W) X 270mm(L)로 절단한 두 개의 판재를 평평한 후판(Back plate)에 길이방향으로 맞대어 크램프(Cramp)로 고정하고, 밀링에 장착된 공구 2°의 전진각(Tilt angle)을 주어 용접방향은 롤링 방향(L)으로 용접공구의 회전방향은 핀에 가공되어진나사선의 방향과는 반대방향인 반시계방향을 유지하면서 공구의 회전속도는 800~1600rpm범위에서, 용접속도는 15~124mm/min범위에서 공구의 치수와 형상을 고려한 24가지의 용접조건을 시행하여 최적 공구인 공구어깨직경 206mm, 공구핀 직경 66mm 및 공구 핀 길이 6mm인 전나사형(Full screw type)공구(3) 를 선정하여 마찰교반용접 하였다.
횡단면 표면관찰을 위해 절단된 시편을 우선 #600으로 조연마, #2000으로 정밀연마 한 후 산화알루미늄을 사용하여 연마포로 연마하였다. 에칭에는 수산화나트륨 5.8g과 증류수 100ml로 실온에서 55sec동안 에칭한 후 증류수로 세척시켜 건조'4'하여광학현미경(X100)을 사용하여 관찰하였다.

대상 데이터

이 실험에 사용된 재료는 두께가 6.35mmt인 알루미늄 A17075-T651 열처리 되어진 판재를 사용하였으며, 재료의 화학성분과 기계적 성질은 각각Table 1과 Table 2와 같다.
횡단면 표면관찰을 위해 절단된 시편을 우선 #600으로 조연마, #2000으로 정밀연마 한 후 산화알루미늄을 사용하여 연마포로 연마하였다. 에칭에는 수산화나트륨 5.

성능/효과

1) 마찰교반용접된 시편의 횡단면 조직관찰결과 너겟 부에서 대부분의 결정립이 완전한 미세 결정립 상을 이루고 있었으며 모재에 93%인 높은 경도값을 나타냈다. 또한, HAZ에서 SEM촬영결과 다수의 기공 (Porosity)이 보였으며 경도값도 75~80%로 낮은 값을 보였다.
2) 용접회전속도에 따른 너겟부의 미세조직관찰 결과 회전속도가 1600rpm으로 커질수록 결정립의 크기는 작아졌으나, 회전수가 작을 때인 800rpm 보다 불안정한 결정립의 형상을 보였으며 결함이 발생하였다. 또한, 너겟부의 경도값은 회전속도가 작은 800rpm일때 145Hv로 가장높은 값을 나타냈으며, 회전속도가 빨라질수록 너겟부에서의 경도값이 낮게 나타났다.
3) 용접이송속도에 따른 너겟부의 미세조직관찰 결과 이송속도가 빠른 124mm/min일때의 너겟부의 결정립이 결정립계가 명확히 구분되는 완전한 결정립 형상을 보였다. 또한, 너겟부의 경도값은 이송속도가 빠른 124mm/min 일때 135Hv로 가장높은 값을 나타냈으며, 이송속도가 15mm/min 일때는 124mm/min 일 때보다 20Hv정도 낮은 경도값을 보였다.
Fig. 7에서 각 조건별 너겟부의 경도값을 비교하면 800rpm일때의 경도값은 145Hv으로 가장높은 경도값을 보였으며, 1250rpm에서는 136Hv 그리고 1600rpm 에서는 130Hv로 가장낮은 경도값을 보였으며, 인장응력 역시 800rpm일때 가장 높은 값인 460MPa를 나타냈다.
또한, 모재에서는 기공이 거의 보이지 않았다. 경도시험결과 열영향부 (HAZ)에서 가장 낮은 경도값을 보였으며, 열-기계적 영향 부가 다음으로 낮은 경도값을 보였다. 또한 인장시험 후의 파단도 기공이 가장 많고 조대한 열영향부에서 일어났다.
또한, HAZ에서 SEM촬영결과 다수의 기공 (Porosity)이 보였으며 경도값도 75~80%로 낮은 값을 보였다.
보였다. 또한, 너겟부의 경도값은 이송속도가 빠른 124mm/min 일때 135Hv로 가장높은 값을 나타냈으며, 이송속도가 15mm/min 일때는 124mm/min 일 때보다 20Hv정도 낮은 경도값을 보였다.
또한, 너겟부의 경도값은 회전속도가 작은 800rpm일때 145Hv로 가장높은 값을 나타냈으며, 회전속도가 빨라질수록 너겟부에서의 경도값이 낮게 나타났다.
3의 각부 경도값은 모재의 경도값 156Hv을 100%로 볼때 너겟부가 145Hv로 모재의 경도값의 93% 를 나타냈으며, 열-기계적영향부 및 HAZ는 120Hv로 76%를 나타냈다. 또한, 최적공구로 용접된 인장시험 편의 인장응력 462MPa는 모재의 인장응력 588MPa의 79%를 나타냈으며, 항복점은 모재의 59%를 나타냈다. 또한 연신율은 모재의 연신율 14%의 절반인 7.
5는 마찰교반용접된 각부를 표면부 에칭 하지 않고 SEM으로 촬영한 것이다. 사진에서 보이는 것같이 HAZ에서 가장 많고 조대한 기공(Porosity)를 보였으며, 다음으로 열-기계적 영향부가 너겟에서 보다 많은 기공(Porosity)을 보였다. 또한, 모재에서는 기공이 거의 보이지 않았다.
쪽으로 약간씩 상승하였다. 용접부 횡단면 상의 너겟의 위치는 열-기계적 영향부가 잘 대칭된 대체적으로 안정적으로 나타났으며, 용접부에서의 결함은 발생하지 않았다.
용접중앙에는 너겟이 타원형으로 잘 발달되어져있음을 뚜렷이 볼 수 있으며, 열-기계적 영향부와 HAZ부도 명확히 구분됨을 보였다.
용접회전속도가 800rpm에서 1250rpm으로 증가시 너겟 부의 결정립의 크기가 약간 작아졌으며, 1600rpm으로 용접회전속도가 800rpm의 두배로 빨라지면서 결정립의 크기도 약 1/2배 정도 작아짐을 보였다. 그러나 용접회전속도가 800rpm에서 너겟내의 결정립은 완전한 결정립 형상을 대부분의 영역에서 나타내고 있으나, 1600rpm에서는 결정립의 형상이 불완전한 경향을 보였으며, 결정립이 불완전한 부분에서 결함이 발생하였다.
회전속도가 커질수독 너겟의 치수가 다소 작아졌으며 회전속도가 800rpm일때는 열-기계적영향부가 너겟을 충분히 포함하고 있어 안정적인 형상을 보이나 1250rpm에서 열-기계적 영향부가 다소 작아졌다. 1600rpm에서는 열-기계적영향부가 너겟의 절반 정도만을 포함하는 불안정한 거시적 형상을 보였으며, 너겟 부 상단에서 균열이 발생하였다.

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