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1 73 연구논문 김인호 * 이길영 ** 주정민 ** 박경태 * 천병선 *, * 충남대학교나노공학부 ** ( 주 ) 엘엔 A Study on Electron Beam Weldmetal Cross Section Shapes and Strength of Al 52 Thick Plate In-Ho Kim*, Gil-Young Lee**, Jeong-Min Ju**, Kyoung-Tae Park* and Byong-Sun Chun*, *Dept. of Nano Material Engineering, Chungnam National University, Daejeon , Korea **LN co., Ltd. Daejeon 305-9, Korea Corresponding author : pfcbs@cnu.ac.kr (Received November 24, 2008 ; Revised March 3, 2009 ; Accepted June 8, 2009) Abstract This present paper investigated the mechanical properties and the microstructures of each penetration shapes classifying the conduction shape area and the keyhole shape area about electron beam welded 120(T)mm thick plated aluminum H. As a result the penetration depth is increased linearly according to the output power, but the aspect ratio is decreased after the regular output power. In the conduction shape area, the Heat affected zone is observed relatively wider than the keyhole shape area. In the material front surface of the welded specimen, the width is decreased but the width in the material rear surface is increased. After the measuring the Micro Vikers Hardness, it showed almost similar hardness range in all parts, and after testing the tensile strength, the ultimate tensile strength is similar to the ultimate tensile strength of the base material in all the specimens, also the fracture point was generated in the base materials of all the samples. In the result of the impact test, impact absorbed energy of the Keyhole shape area is turned up very high, and also shown up the effect about four times of fracture toughness comparing the base material. In the last result of observing the fractographs, typical ductile fraction is shown in each weld metal, and in the basic material, the dimple fraction is shown. The weld metals are shown that there are no other developments of any new chemical compound during the fastness melting and solidification. Key Words : Electron beam welding, Aluminum alloy, Thick Aluminum plate, Vacuum chamber, Full penetration 1. 서론 반도체산업에서대형구조물의경량화는효율의극대화에가장중요한과제로인식되고있으며, 경량구조물의품질, 신뢰성, 안전성등을고려할때대표적인경량화금속인알루미늄합금의적용영역은증가하고있 는추세이다. 알루미늄합금은높은경량화율과고비강도특성, 그리고높은재활용성및공해문제의저감등을해결할수있는가장유력한금속으로합금원소와적절한열처리를통해최적의기계적성질이얻어지도록되어있다. 그러나알루미늄합금은철강재료와비교하여약 43% 정도의융점과 2배정도의비열, 그리고용접잠열이 1.5배정도로크기때문에국부적인가열이

2 74 김인호 이길영 주정민 박경태 천병선 매우어려우며재료의용융을위해다량의열을급속하게공급해야할필요가있다 1). 이러한이유로후판의알루미늄에대해기존의아크용접공법적용시변형등의문제로용접공정상에난점을가지고있다. 본연구는이러한알루미늄후판재의용접에있어서최소의열변형을유지하면서좁고깊은용융접합이가능한대표적인고밀도에너지용접법인전자빔용접 2) (Electron Beam Welding) 을이용하여반도체분야의구조물에널리적용되고있는 Al 52 H112 후판재에대한용접특성을연구하였다. 실험에서 120mm 두께를가지는후판에대한완전용입조건을도출하기위해서출력증가에따른용입깊이변화를측정 3-7) 하였으며, 도출된용접조건을사용하여시험편을제작하였다. 1pass 로완전용입된시험편을이용하여후판용접시발생하는용접구조물의폭변화량을관찰하였으며, 단면분석을통하여용입형태를관찰하였다. 또한용입형태관찰을통해상이한용입형태를갖는부분즉, 열전도형태로용접된부분과키홀형태로용접된부분으로 8) 대별하여각용접부가모재와비교하여가지는경도시험, 인장시험, 충격시험등의기계적특성과미세조직등에대해서조사하였다. 치이다. Fig. 1에본실험에사용한고출력전자빔용접장비의내부모습을나타내었다 용접실험조건본연구에서는 100(W)mm 120(T)mm 10(L)mm 의크기를가지는 Al 52 H112 후판재를 Butt joint 형태의 3락 (Burn Through) 을방지하기위해서동종재질의보조판 (Back Plate) 을설치하였다. 또한안정된전자빔의조사를위해서챔버내의진공도는 torr정도로유지하였으며, 용접속도는모든시편에서동일하게 400mm/min. 으로진행하였다. BOP 용접된시편의용입깊이를근거로본연구에적용한최종용접조건은 Table 2의 No. 6 조건으로수행하였다 용접부특성평가방법 Fig. 2는 120mm 두께의 Al 52 H112재에대해 1Pass로제작한 Butt Joint의전자빔용접부단면형태를나타낸그림이다. 본연구에서는 Fig. 2에나타낸것처럼열전도형태의용접영역과키홀형태의용접영역을 2.1 사용재료 2. 사용재료및실험방법 본연구에사용한후판알루미늄합금은비열처리형합금인 A52 H112의상용재로일본고베사의제품을사용하였다. Table 1에연구에사용된합금의화학조성을나타내었다. Fig. 1 The photo of the Electron beam welding machine used 2.2 실험방법 용접실험장비 120mm 두께를가지는 Al 52 H112 후판재의전자빔용접특성평가를위해가속전압이 120kV이며, 최대용접전류를 1000mA까지조절가능한 120kW급고출력전자빔용접장치를본실험에사용하였다. 진공챔버는 6m(L) 6m(D) 4.5m(H) 크기를갖으며, 전자총이진공챔버내에서다축으로이동가능하도록만들어진장 Table 1 Chemical composition of material used. (wt.%) Elements Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Al Al bal. NO. Welding Current [ma] Table 2 Welding parameters of EBW Focusing Current [ma] Output Power [kw] Penetration depth [mm] Bead Width [mm] Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

3 75 Conduction Shape Area Keyhole Shape Area 재에대해 V notch 를위치시켜각각 5개의시편을제작하여상온에서실험하였다. 또한 OM, SEM을이용하여각영역에서의응고조직및파단면을관찰하였다. 그리고 10mm 길이에대해서전자빔용접으로인한시편의폭변화량을관찰하기위해서용접전과후에재료의상단부및하단부에대해서길이방향으로 mm 간격으로시편의폭을측정하여변형량을관찰하였다. 또한 XRD를이용하여용접부의상변화를관찰하였다. 3. 실험결과및고찰 Fig. 2 Photograph showing the macro section of the EB weldment Fig mm 20mm 10mm Tensile test specimen 10mm 200mm 200mm 55mm Impact test specimen 12.5mm 10mm 5mm Preparation of aluminum alloy samples by EBW for various inspection purposes 각각구분하여각영역에서의미세조직과기계적성질을조사하였다. Fig. 3에용접된시편에대한인장시험편및충격시험편의채취위치를표시하였다. 인장시험을위해용접선에수직한방향으로열전도형태의용접영역및키홀형태의용접영역그리고모재영역에대해서 Fig. 3의 (a) 와같이가공하였다. 또한용접부의인성을평가하기위해서 Charpy V notch 충격시험을이용하였다. 시편의형상은 Fig. 3의 (b) 와같다. 충격시편의제작은열전도형태의용접영역, 키홀형태의용접영역, 용융선및모 Penetration depth(mm) Aspect ratio 3.1 출력조건에따른용입깊이변화및용접부폭변형량관찰 용접속도, 챔버내의진공도를동일하게유지한상태로전자빔출력의증가에따른용입깊이변화및각조건에서의종횡비를관찰하여 Fig. 4에나타내었다. 용접시전자빔출사부에서재료표면까지의거리 (300mm) 를고정변수로하고용접전류에따라변화하는초점위치를일정하게유지시키기위해서포커싱전류를조절하였다. 시험결과, 출력증가에따라용입깊이는선형적으로증가하였으나, 용입깊이와비드의폭비를분석한결과, 약 40kW 출력영역이후에는용입깊이가증가했음에도불구하고비드폭의증가로인해종횡비가감소하는경향을나타내었다. 이때비드폭은 Fig. 5에서나타낸것처럼각시편에서 0mm 위치의측정값을사용하였다. BOP 용접실험결과를근거로하여 120mm 두께를 Output power(kw) (a) Penetration depths Output power(kw) (b) Aspect ratio Fig. 4 Output power Vs. (a)penetration depths and (b)aspect ratio

4 76 김인호 이길영 주정민 박경태 천병선 Distance from surface (mm) Width (mm) Fig. 6 Upper side(before welding) Upper side(after welding) Lower side(before welding) Lower side(after welding) Distance from start point(mm) Comparison of width variation for before welding Vs. after welding 용접부기계적특성 -110 Weldmetal area HAZ area Distance fro, weldmetal centerline(mm) Fig. 5 The profile of weldmetal area and HAZ 가지는 Al 52 H112재에적용된용접조건에의해형성된용접부의단면프로파일을용접금속과열영향부를구분하여 Fig. 5에나타내었다. 측정방법은표면으로부터깊이방향으로 5mm씩증가시키며용융부및열영향부폭을측정하였으며, 분석결과열전도형태의용입형상은재료표면으로부터약 7mm 정도로판단하였으며, Fig. 5에서보듯이열전도형태의용입형상을갖는부분은전반적으로키홀형태의용입형상을가지는부분에비해비교적넓은영역의열영향부가존재하는것으로관찰되었다. 이러한결과는높은가속전압을가지는전자빔이재료에조사될경우, 재료의표면에서 1차적으로전자빔의흡수가발생하고이를통해서재료가용융되는데, 이과정을통해서전자빔의흡수가더욱가속화되어열전달이증가하는현상으로인해나타난결과로판단된다. 그리고이런선행과정을통해서 Cavity 가형성되는시점즉, 키홀이발생하는시점에서는흡수효율이높기때문에상대적으로적은열영향을나타내는것으로판단된다. Fig. 6에 10mm 길이를가지는시편에대해서용접전과용접후에대한폭변형량측정결과를나타내었다. 그림에서보듯이재료표면에서는전체적으로용접전의치수와비교하여폭이감소하는경향을나타내었으며, 재료하단면에서는측정치가용접전과비교하여증가하는경향을나타내었다. 전자빔용접된알루미늄합금의용접부에대해열전도형태의영역, 열전도형태와키홀형태로전이되는영역, 키홀형태의영역및루트부에대한마이크로비커스경도를 Fig. 7에나타내었다. 각각구분되어측정된영역모두에서의경도값은용접부, 열영향부및모재모두커다란차이를보이지않는유사한결과를나타내고있다. Al 52 H112재는가공경화처리된합금이나용접금속은급속용융및급속응고냉각을통해형성된조직으로가공경화효과의소멸이예상되고, 52합금의주강화기구인고용강화효과도고에너지열원을통해증기압이높은 Mg 원소등의일부손실이 9) 예상되나급속응고냉각을통해형성된용접금속의커다란강도저하는관찰되지않았다. Micro vikers hardness(hv) Base Metal HAZ Weld Metal Distance from weld center(mm) Surface 2mm 6mm mm 110mm Fig. 7 Comparison of hardness distribution between conduction shape area and keyhole shape area Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

5 Tensile strength(n/mm 2 ) Conduction shape area Keyhole shape area Base metal Specimen No. Charpy impact energy(j) CT-WM KT-WM HAZ BM 40 Tested area Fig. 9 Comparisons of impact properties in electron beam welds and base metal Elongation(%) Conduction shape area Keyhole shape area Base metal Specimen No. Fig. 8 Comparisons of tensile strength and elongation in electron beam welds and base metal Fig. 8은 Al 52 H112재에대해열전도형태의용접부, 키홀형태의용접부및모재에대해각각 5개씩수행한결과를나타내었다. 인장강도의평균치는열전도형태의용접부가 N/mm 2 키홀형태의용접부가 188.4N/mm 2 모재가 187 N/mm 2 로세영역모두유사한값을나타내고있으며, 이는모두모재의인장강도와유사한값이다. 또한모든인장시편에서파단은모재부에서발생되었다. 고용강화형알루미늄합금에대한전자빔용접시강도저하를유발할수있는요인즉, 용접동안의높은증기압을가지는 Mg 원소의소실및가공경화효과의소실이발생되었더라도용접부에서파단이발생하지않은이유는급속용융및급속응고냉각에의해서형성된조직인용접부내에기계적성질에영향을줄정도의기공이나균열등의결함이존재하지않음을나타낸다. 10) 연신율의경우는모재에서측정한결과가약 29% 정도이며, 열전도형태의용접영역에서채취한시편과키홀용접영역에서채취한시편의평균값이모재보다약 5 6% 정도감소됨을확인할수있었다. 충격시험은열전도형태의용접부및키홀용접부그리고 fusion line, 모재의 4개부분에대해서각각 5개의 시편을제작하여상온에서진행하였으며, 그결과를 Fig. 9에나타내었다. 충격흡수에너지값은열전도형태의용접부가평균약 64.8J의값을가지며, 키홀형태의용접부가평균 72.8J로가장높은충격흡수에너지값을나타내었다. 용융선에서채취한시편의충격흡수에너지값은약간의편차를가지나약 25.4J 정도의평균값을가지며, 이는키홀용접부와비교하여약 35% 정도수준으로용접부에비해큰감소결과를나타내었다. 또한모재에서는키홀용접부와비교하여약 25% 정도수준의충격흡수에너지값을갖는것으로나타났다. Fig. 10에각충격시편에대한파단면사진을나타내었다. 열전도형태의용접부와키홀형태의용접부에서는전형적인딤플파단면을나타내고있으며, 용융선에서채취한시편의경우파단은모재쪽으로진행되었으며, 딤플파단면과입계및입내파단면의혼합조직을나타내고있다. 또한모재에서는전형적인취성적입계및입내파단면을관찰할수있었다. 충격인성치의경우, 앞의인장특성및경도특성과는달리각영역에서현저한차이를나타내며, 전자빔용접에의해생성된알루미늄합금의용접부는인성측면에서매우유용한프로세스라고판단된다. 3.3 용접부미세조직관찰전자빔용접으로형성된알루미늄합금의용접부에대해열전도형태로용접된부분과표면으로부터약 mm 정도에위치한키홀형태로용접된부근에대해용접금속, 용융선및열영향부에대한단면분석결과를 Fig. 11에나타내었다. 두영역모두용융선부근에

6 78 김인호 이길영 주정민 박경태 천병선 (a) Conduction shape area Fig. 11 Micrographs of fusion zone and weldmetal of conduction shape area(a,b) and keyhole shape area(c,d) Conduction shape area weldmetal (b) Keyhole shape area Keyhole shape area weldmetal Intensity, a.u Base metal (c) Fusion line θ(deg.) Fig. 12 XRD results of weldmetals and base metal (d) Base metal Fig. 10 SEM fractographs of impact test specimen 서셀형수지상응고형태를관찰할수있었으며, 열전도형태로용접된영역과비교하여키홀형태로용접된부분에서더욱치밀해진셀조직이형성되었음을관찰할수있었다. 이는전자빔의흡수가재료표면에서부터진행되기때문에용접부가급속응고를하더라도상대적으로많은입열량을가지는열전도형태의용접영역과비 교하여키홀형태로용접된부분에서는열방출이비교적빠르기때문에상대적으로더욱급속응고냉각된결과라고판단된다. 고용강화형합금인 Al 52 H112재에대해전자빔용접시재료는고밀도에너지원에의한재용융및급속응고를거치게된다. 따라서그과정동안형성된반응생성물을확인하기위해서 X선회절실험을행한결과를 Fig. 12에나타내었다. 분석결과, 열전도형태의용접금속및키홀형태의용접금속에서는모재와동일하게 Al이주피크로관찰되었으며, 새로운화합물은형성되지않았다. Journal of KWJS, Vol. 27, No. 3, June, 2009

7 79 4. 결론 후 기 120mm 두께를가지는 Al 52 H112재에대한전자빔용접후, 용접부의변형량, 각부분에대한미세조직및기계적특성평가결과, 다음과같은결론을얻을수있었다. 1) 전자빔출력의증가에따라용입깊이는선형적인증가를보이나, 약 40kW 이상에서비드폭이증가하여종횡비가감소함을확인할수있었다. 또한용접부폭변화량관찰결과, 본이음부에서는약 0.5mm이내의용접부변형이발생하였다. 2) 인장시험결과, 열전도형태의용접부및키홀형태의용접부의인장강도는모재의인장강도와유사함을관찰할수있었으며, 파단부위는모든시편에서모재부에서파단하였다. 또한연신율은용접부가모재부에비해약 5 6% 정도낮은값을갖는것으로관찰되었다. 3) 충격시험결과, 키홀영역의용접부에서채취한시편이가장높은충격흡수에너지값을가지는것으로나타났으며, 모재와비교하여약 4배정도의인성향상결과를나타내었다. 용접금속에서는전형적인딤플파단면을가지며, 모재부에서는취성적입계및입내파단면을갖는것으로관찰되었다. 4) 미세조직분석결과, 용접금속은모재와비교하여상당히치밀한형태를나타냈으며, 열전도형태의영역보다키홀형태의영역에서더욱치밀한조직을나타내었다. 5) XRD분석결과, 모든용접부에서는새로운화합물의형성되지않고모재와동일한상을갖고있다. 본연구는중소기업청의산학공동기술개발지원사업의연구비지원에의하여수행되었으며, 이에감사드립니다. 참고문헌 1. K.H. Youn, Y.S. Han: Gas metal arc welding of aluminum alloys, Journal of KWS, 12-1 (1994), (in Korean) 2. Rykalin N., Uglov A., Zuev I., and Kokora A. : Laser and Electron beam trantment of materials, Mashinostroeni, Moscow, 1985, P.J. Konkol, P.M. Smith, C.F Wiillebrand, L.P. Corner: Parameter study of electron-beam, welding Journal, (1971) M.J. Adams: High voltage electron beam welding, Brit. Welding Journal, 57 (1968), W.H Giedt, L.N. Tallerico: Prediction of electron beam depth of penetration, Welding Journal, 67 (1988), 299s-305s 6. J.W. Elmer, W.H Giedt, T.W.Eagar: The transition from shallow to deep penetration during electron beam welding, Welding Journal, 69 (1990) 259s- 266s 7. P.S. Wei, T.H. Wu, Y.T Chow: Investigation og high-intensity beam characteristics on welding cavity shape and temperature distribution, Trans. ASME Journal Heat Transfer 112 (1990), Dipl.-Ing. H. Schultz: Electron beam welding, Abington publishing, 1993, Yoshiaki Arata: Plasma, Electron & Laser beam Technology (ASM, 1986), S.R.Koteswara, G. Madhusudhan Reddy: Reason for superior mechanical and corrosion properties of 2219 aluminum alloy electron beam welds, Materials Characterization, 55 (2005),