71 ISSN 2466-2232 Online ISSN 2466-2100 알루미늄합금 와 의이종금속레이저용접부특성에관한연구 현준혁 * 신태우 * 장복수 ** 김상호 * 고건호 *** 김태영 *** 고진현 *, * 한국기술교육대학교에너지 신소재 화학공학부 ** 정우산기 ( 주 ) *** ( 주 ) 삼기오토모티브 The Study on Characteristics of Dissimilar Weld Metals between and by Laser Welding Jun-Hyeok Hyun*, Tae-Woo Shin*, Bok-Su Jang**, Sang-Ho Kim*, Gun-Ho Go***, Tae-Young Kim***, and Jin-Hyun Koh*, *Korea University of Technology and Education, Cheonan, 31253, Korea **Jeong-Woo Industrial Machine, Cheonan, 31251, Korea ***Samkee Automotive, Pyeongtaek, 17953, Korea Corresponding author : jhkoh@kut.ac.kr (Received September 14, 2017 ; Revised October 16, 2017 ; Accepted October 17, 2017) Abstract The characteristics of dissimilar weld metals between and by laser welding were evaluated in terms of bead shape, microstructure, EDS analysis, hardness, and tensile strength. Laser power of 3.0, 3.5, 4.0kW and incident angle of 15, 20 were employed to make dissimilar weld metals. Bead shape of weld metal with 3.5kW, 15 was most stable. Microstructure of dissimilar weld metals consisted of columnar dendrite in area adjacent to fusion line and equiaxed dendrite in center of weld metal. Also, Mg2Si and α-alfemnsi were precipitated in weld metal. Microstructure in HAZ of consisted of eutectic Al-Si, Mg2Si, and β-al5fesi. Si contents of weld metal made with 4.0kW, 15 were very high. And Mg contents of weld metals were relatively low because of vaporation of Mg. Hardness of weld metal made with 4.0kW, 15 was very high because Si contents of that were high. In tensile test, Specimens were fractured in or weld metals. The fracture in base metals was due to low tensile strength of, and the fracture in weld metals was due to undercut or porosity. Key Words : AA6061,, Dissimilar weld, Laser welding, Mg 2 Si 1. 서론 최근유엔기후변화협약 (COP21) 등국제환경규제의강도가심해짐에따라자동차산업에서는배기가스배출의감소를위해경량화와친환경자동차로대응하고있다. 차체의경량화를통한연비향상은지속적으로이루어져왔지만내연기관자동차를전기차로대체하려 면충분한주행거리를확보해야하기때문에추가적인경량화가필요하다 1,2). 이에따라, 비강도와내식성이우수한알루미늄합금이경량소재로각광받고있다. 알루미늄합금이차량에적용되기위해서는성형성이우수하면서도높은강도를가져야하는데, 이러한조건을만족하는 6000 계열합금이 body structure 와 outer panel 및 inner panel 에널리사용되고있으며각종프레임등복잡한 Journal of Welding and Joining, Vol.35 No.5(2017) pp71-76 https://doi.org/10.5781/jwj.2017.35.5.10
72 현준혁 신태우 장복수 김상호 고건호 김태영 고진현 Table 1 Chemical composition of base metals(wt%) Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Other Al 0.616 0.388 0.255 0.045 1.027 0.193 0.008 0.044 - Bal. 11.2 0.13 0.03 0.67 0.19-0.07 0.13 Sr Bal. 형상이요구되는부품에는다이캐스팅용알루미늄합금이사용되고있다 3-5). 6000 계열알루미늄합금은 Al에 Mg 과 Si이함유된합금으로주로용체화처리후시효처리를통해강화시키는열처리형합금이다. 그러나용접시석출물이고용되어열처리효과가풀리며, 열영향부에서과시효영역이형성되어연화가발생하는문제점이있다 6-8). 다이캐스팅용합금중 Silafont 는 Al-Si 계합금에 Mg 및 Mn이첨가된합금으로우수한용접성및가공성과함께주조성을가진것으로알려져있어최근사용빈도가증가하고있으며, 기계적성질을개선하기위한연구가활발히진행되고있다 9-11). 알루미늄합금의적용범주가지속적으로증가함에따라차체용접공정에서알루미늄합금의용접비중이증가하고있으나, 용접시기공및균열등결함이발생하기쉽기때문에지속적인연구가필요하다. 또한, 프레임류의차체에주로 6000 계열과다이캐스팅용합금을적용하기때문에두합금의접합필요성이증가하고있으나, 6000 계열과 Al-Si 계합금사이의이종금속용접에대한연구가미비하여이종금속용접부의성능에대한충분한검토가필요하다. 기존의차체용접은주로스폿용접을이용하였지만알루미늄은열전도도및전기전도도가높을뿐만아니라표면에알루미늄산화막이형성되기때문에스폿용접을적용시키기에는어려움이있다. 이러한이유로일부자동차회사에서는알루미늄합금에레이저용접을적용시키고있으나알루미늄은레이저에대한흡수율이낮아반사가발생하기때문에장비의손상이발생하기도한다. 그렇기때문에각도를주고빔을조사해야하며, 출력이과다할경우 Mg 등기화점이낮은원소로인해기공이발생하기때문에적절한조건으로용접해야한다 12-14). 따라서, 본연구에서는 와 을 Fiber 레이저용접을실시한후레이저출력및빔각도에따른이종금속용접부의미세조직을분석하고기계적특성을평가하였다. 2. 실험방법 본실험에사용된모재는 80(L) 100(W) 3(T)mm 의알루미늄합금인 와 합금으로 Table 1에모재의화학적조성을나타내었다. 용접은레이저파장이 1070nm 이며, Fiber 직경이 200 μm인 6kW 급의 Fiber 레이저용접기를이용하였고, Cu 로제작된백킹재를사용하여맞대기용접하였다. 용접조건은레이저출력을 3.0, 3.5 4.0kW, 빔조사각을 15, 20 로하여 14mm/s 속도와 0mm 의초점거리로용접하였고, 보호가스는 10L/min 의유량으로 Ar가스를공급하였다. 용접모식도와용접조건은각각 Fig. 1 과 Table 2에나타내었다. 미세조직관찰은시편을정밀연마후 Modified Keller 용액을이용하여에칭한후광학현미경과주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 으로관찰하였고, EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometry) 를이용하여성분분석하였다. 기계적특성은인장강도와경도를평가하였으며, 인장시험은 KS B 0801 의 13B 호시편으로제작한후만능인장시험기로수행하였으며 SEM 으로파단면을관찰하였다. 경도시험은마이크로비커스경도기하중 Power (kw) 3.0 3.5 4.0 angle( ) 15 20 15 20 15 20 Gas nozzle Speed (mm/s) angle Welding direction Table 2 Laser welding conditions Defocusing distance(mm) 14 0 Laser beam Base metal Backing plate Fig. 1 Schematic diagram of laser welding Shielding gas Ar (10L/min) 512 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 5, 2017
알루미늄합금 와 의이종금속레이저용접부특성에관한연구 73 1kgf 로두께방향의중심에서수평방향으로측정하였다. 3.1 비드형상 3. 결과및토의 Fig. 2는레이저출력및빔조사각에따른이종금속용접부의단면사진이다. 빔조사각이 15 에서 3.5kW 와 4.0kW 의출력으로용접한경우를제외한나머지용접부에서언더컷이발생하였으며, 빔조사각이 20 로용접된경우에는언더컷이모두발생하였다. 이는 3~ 4kW 의출력으로용접시빔조사각을 20 로할경우높은빔조사각으로인해용접이진행중인영역과이미용융된영역의용탕이혼합되면서비드가안정하지못하게된것으로사료된다. 또한, 4.0kW 로용접한경 angle Power 3.0kW 15 20 Bead width 5.36mm 5.01mm 3.5kW (c) (d) Bead width 6.65mm 6.52mm 4.0kW (e) (f) Bead width 8.10mm 8.00mm Fig. 2 Bead shapes of weld metals with different laser power and incident angle 우출력이과다하여표면비드의함몰이발생하였다. 비드폭은출력이 0.5kW 증가할때마다 1.0~1.5mm 사이로증가하였고, 빔조사각에따른차이는비교적적었다. 3.2 미세조직 Fig. 3은용착금속 (Weld Metal, ) 과 AA 6061- T6 및 의열영향부 (Heat Affected Zone, HAZ) 에서의미세조직이다. Fig. 3 에서확인할수있듯이 의열영향부에서는검은입자로보이는 Mg 2 Si가존재하였고, 열영향부에인접한용착금속에서는주상정의조직이형성된것을확인할수있다. Fig. 3 는용착금속의중앙에서관찰한미세조직으로등축정의조직이형성되었으며, 고배율로확인하기위해 SEM 으로관찰한결과 Fig. 4 에서확인할수있듯이일부공정 Si이형성되었으며, Mg 2 Si와 α- AlFeMnSi의화합물이생성되었다. 특히, 알루미늄합금에서 Mg 2 Si는함량에따라용접부의고온균열에큰영향을미치기때문에용접시 Mg 2 Si의함량이균열감수성이높은영역을피할수있도록 Mg와 Si의함량을고려하여야한다 6). 또한, 의열영향부를나타낸 Fig. 3(c) 에서는모재에 Si 입자가있었으나, 열영향부에서 Al-Si 의공정상이생성되었다. Silafont- 36의열영향부도 SEM 으로미세조직을관찰하였는데, Fig. 4 에서확인할수있듯이 Mg 2 Si와 α-alfemnsi 화합물이존재하였고특히, 에서형성되는화합물중에서취성이강한 Needle 형상의 β-al 5 FeSi 가형성되었다 10). 3.3 EDS 성분분석 Fig. 5는이종금속용접부에서 Mg와 Si의 EDS Mapping 결과를나타낸것이다. Si는 와용착금속, 그리고 에서함량의차이가크기때문에 Mapping 결과에서위치에따라뚜렷하게 (C) Mg 2 Si Mg 2 Si Eutectic Al-Si Si particle 20 μm 20 μm 20 μm Fig. 3 Microstructures of specimen welded with 3.5kW, 15. HAZ adjacent to, Weld metal, (c) HAZ adjacent to 대한용접 접합학회지제 35 권제 5 호, 2017 년 10 월 513
현준혁 신태우 장복수 김상호 고건호 김태영 고진현 74 10 15 20 9 8 7.42 Si content(%) 7 α-alfemnsi Mg2Si 5.74 5.68 6 5.92 6.13 5.81 5 4 3 2 1 0 2.5 3.5 3.0 4.0 4.5 Power(kW) 1.0 15 20 α-alfemnsi Mg content(%) 0.8 Mg2Si 0.6 0.44 0.43 0.4 0.26 0.29 0.19 0.2 Β-Al5FeSi 0.24 0.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 Power(kW) Fig. 4 SEM image of specimen welded with 3.5kW, 15 Weld metal, HAZ adjacent to Fig. 6 Si and Mg content of weld metals with different laser power and incident angle 구분되었지만, Mg 함량은 두 합금 모두 소량이 함유되 어 있기 때문에 EDS Mapping으로는 구분할 수 없었다. 따라서, 용접조건 별로 측정한 용접부의 원소 함량 중 Si 함량을 Fig. 6에 나타내었고, Mg 함량을 Fig. 6 에 나타내었다. 빔 조사각이 15 에서 4.0kW로 용접하 였을 때, Si 함량이 급격하게 증가하였는데, 이는 융점 이 보다 낮은 의 용융량이 많아 졌기 때문으로 사료된다. 또한, 3.5kW와 4.0kW에서 용접을 하였을 때, Mg 함량이 매우 낮은 것을 확인할 수 있는데 이는 기화점이 낮은 Mg이 높은 레이저 출력 으로 인해 일부 기화한 것으로 사료되며, Mg의 기화는 용접부에서 기공을 유발하기 때문에 주의하여야 한다12). 3.4 경도 시험 Fig. 7은 두께의 중심부에서 수평 방향으로 측정한 경 도 분포를 나타낸 그래프로 용착금속의 평균 경도와 모재의 경도가 비슷하였다. 이는, 용접으 로 인해 의 석출물이 고용되었으나 Fig. 6 에서 확인한 것처럼 에서 Si이 다량 혼합 되었기 때문이다. 또한, 3.0kW와 3.5kW의 출력에서 는 용착금속의 경도 차이가 거의 없었으나 4.0kW에서 는 경도가 다소 높은 것을 확인할 수 있었다. 이는, Fig. 6에서 확인한 것처럼 출력이 4.0kW로 용접된 경우 다 른 조건에 비해 Si 함량이 많기 때문이다15). 그리고 의 열영향부에서 경도가 급격하 게 감소하였는데 이는 의 용접 시 주로 나 타나는 현상으로 T6 열처리의 효과가 사라졌기 때문이 다. 열처리형 알루미늄 합금은 아크 용접 시에는 일반 적으로 열영향부가 부분 용해 영역, 고용 영역, 연화 영역으로 구분되는데 본 연구에서는 레이저 용접 시 빠 른 냉각속도로 연화 영역은 거의 생성되지 않고, 고용 영역에서 경도가 감소한 것으로 확인되었다. Silafont- Fig. 5 EDS maps of weld metal with 3.5kW, 15 514 36의 열영향부에서는 Fig. 3(c)와 Fig. 4에서 확 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 5, 2017
알루미늄합금 와 의이종금속레이저용접부특성에관한연구 Hardness(Hv) 1 125 100 AA6061 Weld 150 -T6 HAZ metal 3.0kW, 15 3.0kW, 20 Hardness(Hv) 1 150 125 100 1 3.5kW, 15 4.0kW, 15 (c) 3.5kW, 20 4.0kW, 20 AA6061 Weld AA6061 Weld -T6 HAZ metal 150 -T6 HAZ metal Hardness(Hv) 125 100 50-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Location 50-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Location 50-10 -8-6 -4-2 0 2 4 6 8 10 Location Fig. 7 Distribution of hardness in the horizontal direction 3.0kW, 3.5kW, (c) 4.0kW 인한것처럼 Al-Si 의공정상과일부화합물이형성되었으나, 형성된영역이적어경도에큰변화가없이모재의경도를유지하다용착금속에서급격하게증가하였다 16). 3.5 인장시험 Fig. 8은레이저출력과빔조사각에따라파단된인장시험편과 SEM 으로관찰한파단면을나타낸것이다. 20 에서 3.0kW 로용접한시험편과 15 에서 3.5, 4.0kW로용접한시험편은 에서파단되었으나, 나머지언더컷이발생한조건으로용접한경우에는용접부에서파단되었다. Fig. 2에서확인한것처럼 20 에서 3.0kW 로용접한시편에서도언더컷이발생하였으나 이낮은인장강도를갖기때문에 모재에서파단된것으로사료된다. 또한, 기존에 6000 계열알루미늅합금의용접부에대한연구에서는주로열영향부중연화가크게발생하는과시효영역에서파단이발생하는것으로보고되고있으나 7,16), Fig. 7에서확인한것처럼과시효영역이거의존재하지않았기때문에 의모재에서는파단이발생하지않았다. 인장시험파단면을 SEM 으로관찰한결과, 모재에서파단된시편에서는주로연성파괴가관찰되었으나용접부에서파단된시편에서는취성파괴가관찰되었다. 또한, Fig. 9에서확인할수있듯이 3.0kW, 15 와 4.0kW, 20 에서용접된시험편의파단면에서는용접시형성된기공이존재하였는데, 용접부의파단에영향을끼친것으로사료된다. Power angle 15 20 Fractured specimen SEM fractography Fractured specimen SEM fractography 3.0kW Tensile strength 197.95MPa 197.46MPa 3.5kW Tensile strength 199.86MPa 197.23MPa 4.0kW Tensile strength 199.29MPa 193.61MPa Fig. 8 Fractured image of tensile specimen and tensile strength with different laser power and incident angle 대한용접 접합학회지제 35 권제 5 호, 2017 년 10 월 515
76 현준혁 신태우 장복수 김상호 고건호 김태영 고진현 Acknowledgement 본연구는산업통상자원부와한국산업기술진흥원의 지역특화산업육성사업 ( 과제번호 R0005827) 으로수행된연구결과입니다. Fig. 9 SEM fractrography of tensile specimen 3.0kW, 15, 4.0kW, 20 4. 결론 본연구에서는 와 을출력 3.0, 3.5, 4.0kW, 빔조사각 15, 20 에서 14mm/s 의용접속도로 Ar 가스를공급하면서레이저용접을실시하였다. 이종금속용접부의특성을조사하기위해비드형상, 미세조직관찰, 성분분석, 인장시험및경도시험을실시하였으며결론은다음과같다. 1) 빔조사각이 15 에서출력을 3.5kW 와 4.0kW 의출력으로용접한시편을제외한나머지용접부에서언더컷이발생하였으며, 4.0kW로용접한시편에서는표면비드의함몰이발생하였다. 2) 의용접선에인접한용착금속에서는주상정의조직이형성되었고, 용접부의중앙에서는등축정의조직이형성되었으며, 용착금속내에 Mg 2 Si와 α-alfemnsi 화합물이형성되었다. 또한, 의열영향부에서도 Mg 2 Si와 α-alfemnsi 화합물이존재하였고, 취성이강한 Needle 형상의 β-al 5 FeSi 가형성되었다. 3) 성분분석결과, 4.0kW 의출력으로용접한용착금속에서 Si 함량이상당히높은것으로확인되었으며, 이는 의용융량이많아졌기때문으로사료된다. 또한, 3.5kW 이상의출력에서용접하였을때, 용착금속내 Mg 함량이비교적낮은것으로확인되었는데, 높은출력으로인해기화점이낮은 Mg이증발한것으로사료된다. 4) 용착금속의경도는 의모재경도와비슷하거나높았으며, 이는 으로부터 Si이다량함유되었기때문이다. 또한, 4.0kW 의출력으로 15 에서용접된경우 Si 함량이많기때문에다소높은경도를가졌다. 5) 인장시험결과, 3.0kW 로 20 에서용접한경우와 3.5kW 와 4.0kW로 15 에서용접한경우모재인 Silafont- 36에서파단되었으며, 나머지언더컷이발생한조건으로용접한경우용접부에서파단되었다. 또한, 에서과시효영역이거의생성되지않았기때문에 AA6061- T6의열영향부에서는파단이발생하지않았다. Reference 1. Sungwoong Kim, Munseok Choi, Trends of Car Body Lightweight Technology for RE-EV, Journal of the Korean Society of Automotive Engineers, 34(11) (2012), 32-37 (in Korean) 2. Yong Kim, Ki-Young Park and Kyoung-Don Lee, Development of Welding Technologies for Lightweight Vehicle, Journal of KWJS, 29(6) (2011), 621-623 (in Korean) 3. Jürgen Hirsch, Aluminium in innovative Light-Weight Car Design, Materials Transactions, 52(5) (2011), 818-824 4. Jürgen Hirsch, Recent development in aluminum for automotive applications, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 24(2014), 1995-2002 5. W.S. Miller, L. Zhuang, J. Bottema, A.J. Wittebrood, P. De Smet, Recent development in aluminium alloys for the automotive industry, Materials Science and Engineering, A, 280(1) (2000), 37-49 6. Gene Mathers, The welding of aluminium and its alloys, Woodhead Publishing limited, (2002), 18-34 7. L. A. Guitterez, G. Neye and E. Zschech, Micro- structure, Hardness Profile and Tensile Strength in Welds of AA 6013-T6 Extrusions, Welding Journal, (4) (1996), 115s-121s 8. P. A. Stathers, A. K. Hellier, R. P. Harrison M. I. ripley, Hardness-Tensile Property Relationships for HAZ in 6061- T651 Aluminum, Welding Journal, 93(8) (2014), 301s-311s 9. Anna Zovi, Federico Casarotto,, The Low Iron Ductile Die Casting Alloy Development and Application, 99(2007), 33-38 10. Iban Vicario, Pedro Egizabal, Haize Galarraga, Luis Maria Plaza, Inigo Crespo, Study of an Al-Si-Cu HPDC alloys with high Zn content for the production of components requiring high ductility and tensile properties, International Journal of Materials Research, 104(4) (2013), 408-414 11. Martin Hartlieb, Aluminum Alloys for Structural Die casting, Die Casting Engineer, 57(2013), 40-43 12. Cheolhee Kim, Young-Nam Ahn and Hyun-Sik Lim, laser Welding of Automotive Aluminum Alloys, Journal of KWJS, 29(4) (2011), 383-388 (in Korean) 13. Jong Won Yoon, Laser Welding of Aluminum Alloys, Journal of KWS, 18(2) (2000), 20-26 (in Korean) 14. Mokyoung Lee and Sung-Hun Jung, Trends of Advanced Multi-Material Technology for Light Materials based on Aluminum, Journal of Welding and Joining, 34(5) (2016), 19-25 (in Korean) 15. Hesham elzanaty, Effect of Different Si Content on the Mechanical Propreties in Al-Based Alloy, Internaitional Journal of Research in Engineering & Technology, 2(7) (2014), 49-54 16. KWJS : Welding & Joining handbook (Revised edition), KWJS, 1(2008), 317-318 (in Korean) 516 Journal of Welding and Joining, Vol. 35, No. 5, 2017