Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 18, No. 4 pp. 521-526, 2017 https://doi.org/10.5762/kais.2017.18.4.521 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 알루미늄합금 7075 의용가재에따른 GTA 용접공정의기계적특성평가 손영산 1*, 임병철 2 1 한국폴리텍 Ⅳ 대학산업설비자동학과, 2 경기도기술학교특수용접학과 Evaluation of mechanical Characteristic according to the Filler Metal by GTA welding Process using 7075 Aluminum Alloy Yeong-San Son 1*, Byung-Chul Lim 2 1 Department of Automation Industrial, Korea Polytechnics Ⅳ 2 Department of Special Welding, GyeongGiDo Technical Institute 요약본연구는 7075 알루미늄합금의용가재에따른 GTA용접공정의기계적특성을평가하기위해인장시험, 미세경도시험과같은실험을실시하였다. 방사선비파괴시험결과 KS D 0242규격의 1급의기준에만족하였으며용가재에따른용접의결함증가등의문제점은없는것으로판단된다. 인장시험결과 Al 7075를용가재로사용하였을때에만용접부에서파단이일어났으며 Al 7075, ER 4043의용가재에따른인장강도는각각 240MPa, 253MPa 로나타나며항복강도는각각 132MPa, 120MPa 로나타났으며연신율은각각 6.6%, 13% 로나타났다. 미세경도시험결과 Al 7075를용가재로사용했을때용착금속부는경화되어 Hv132로나타났으며 ER 4043을사용한시편의용착금속부의경도는각각약 24% 감소하여나타났다. Al 7075의용접의경우같은합금조성의용가재를사용하여용접하면용착금속부가경화하여용착금속부에서파괴가일어날수있으므로같은합금의조성의용가재를사용하지않는것이바람직하다. 위와같은실험을통하여 7075 알루미늄합금의용접시같은합금조성의용가재인 Al 7075를사용하는것보다는 Al-Si 계인 ER 4043을용가재를사용하는것이바람직하다. Abstract In the GTA welding process of Al 7075 alloy using different types of filler metals, the tensile test and micro-hardness test were conducted to evaluate the mechanical characteristics. Also, the radiographic test result showed that the weld met the criterion of level 1 in accordance with KS D 0242 for verifying the welding integrity and there were no welding defects. The tensile test result obtained using Al 7075 as a filler metal showed that the material was fractured in the weld zone. The tensile strengths of the materials using Al 7075 and ER 4043 as the filler metal were about 240MPa and 253MPa, their yield strengths were about 132MPa and 120MPa and their elongation percentages were 6.6% and 13%, respectively. The micro-hardness value of the deposited metal zone when using Al 7075 as the filler metal was Hv 132. However, the micro-hardness of the material using ER4043 as the filler metal was about 24% lower than that using Al 7075. When the chemical composition of the filler metal is the same as that of the material itself, fracture can occur in the deposited metal zone. Therefore, it is not desirable to use the same material as the filler metal for the welding of Al 7075 alloy. Moreover, the use of Al-Si based ER 4043 as a filler metal is more desirable than using the same material as a filler metal for welding Al 7075. Keywords : Al 7075, Alloy, ER 4043, Filler Metal, GTAW 1. 서론 한환경오염문제를일으켰으며이에따른에너지절약이나환경규제의강화가중요한문제로발생하고있으며최근산업의발전은화석연료사용으로인하여심각에너지효율성을높이기위해부품의소형화및경량화 * Corresponding Author : Young-San son(korea Polytechnics Ⅳ) Tel: +82-41-630-3565 email: ysson571@naver.com Received January 5, 2017 Revised February 24, 2017 Accepted April 7, 2017 Published April 30, 2017 521
한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 Table 1. Chemical composition of the materials [wt%] Elements Mg Cu Si Fe Cr Mn Ti Zn Al Substrate(Al7075) 2.9 1.2 ~2.0 0.4 0.5 0.28 0.3 0.2 6.1 Bal. Filler metal(al7075) 2.9 1.2 ~2.0 0.4 0.5 0.18 ~0.35 2.1 ~2.9 - Filler metal(er4043) 0.05 0.3 4.5-6.0 0.8-0.05 0.20 0.10 Bal 5.1 ~6.1 Bal. 를하기위해알루미늄, 마그네슘합금등의경량소재에많은관심이집중되고있다.[1] 그중알루미늄합금은적절한기계적성질, 성형성, 내구성, 리사이클성등의장점으로인하여경량화의핵심소재로써항공기, 자동차등의수송분야에서사용량이점차증가하고있다.[2-4] 이와같이알루미늄합금이경량화의목적으로구조재로사용되기위해서는고강도가요구되며, 또동시에용접성, 특히용융용접성이우수해야하는것은필요불가결하다. 따라서경량구조용알루미늄합금의용접시고능률성, 고신뢰성확보를위해적절한용접방법및조건등을채택하는것이당면한과제라고할수있다.[5] 현재 7075 알루미늄합금이지만 7075 알루미늄합금의전용용가재개발이미비한실정이며현재의접합방식에는리벳접합과마찰교반용접을주로사용하고있다.[6] 리벳접합과접착제를이용한접합방식은리벳구멍이균열핵생성과틈새부식의원인이되고있으며재료의소모량이커경량화를목적으로알루미늄합금을쓰는취지에맞지않다는문제가있다. 반면에용접에의한접합은리벳접합에비해무게를감소시킬수있고검사주기를늘릴수있어물리적작업을개선할수있어용접접합이필요하다. 따라서본논문에서는 Al7075의모재에 ER4043의용가재를이용하여 GTAW( 가스텅스텐아크용접 ) 하였으며용가재에따른용접의건전성을확인하기위하여기계적특성을평가하였다. 2. 실험방법 2.1 시험편제작본연구에서는일반적으로경량화를목적으로하고 있는비행기와자동차부품등에많이사용하고있는 Al7075를실험소재를 2가지의용가재인 Al7075, ER4043으로 GTAW공정으로맞대기용접을실시하였다. 용접기는 POSTECH사의 Hywel-305A 모델을사용하였다. 인장시험편은금속용접부파괴시험-횡방향인장시험규격인 KS B ISO 4136에따라인장시험편의평행부의길이는 102mm, 표점거리 100mm, 두께 2mm, 곡률반경 R30으로 Fig. 2와같이가공하였다. 실험소재와용가재의화학적성분및기계적특성은각각 Table 1과 Table 2에나타내었다. Fig. 1. The specimen of tensile strength 2.2 GTAW 공정 2.2.1 시험재용접 І-groove로개선된 Al7075 판재를 GTAW를적용하여 Fig. 2와같이용접선의길이 150mm, 두께 2mm, 루트간격 2mm 판형을용접하여시험편을제작하였으며이때사용한용가재는 Al7075와 ER4043으로용접하였고용가재의직경은 Ø2.4를사용하였다. Table 2. Mechanical characteristics of Al7075 Elements Yield strength Tensile strength Elongation(%) Substrate 105 230 14 522
알루미늄 합금 7075의 용가재에 따른 GTA용접공정의 기계적 특성 평가 KS B ISO 4136의 규정에 따라 인장시험편을 준비하였 2.2.2 GTAW 조건 GTAW 공정에서 용접의 품질에 영향을 미치는 변수 으며 2mm/min의 속도로 인장시험을 하였다. 연신율 측 는 용접전류, 전압, 이송속도, 보호가스유량이며 본 연구 정은 표점거리 100mm를 기준으로 시험 전 후에 늘어난 에서 사용하는 실험소재인 Al7075의 2가지의 용가재인 길이를 측정하였다. 항복강도는 2% 옵셋법을 통하여 도 Al7075, ER4043의 용접특성을 비교 평가하기 위하여 출하였다. 인장시험은 SHIMADZU에서 제작한 용량 Table 3과 같이 전류 110A, 용접속도 7.5cm/min, 보호 25ton급 만능재료 시험기(Model : AG-X)를 사용하였다. 미세경도시험은 GTAW 공정으로 제작한 판형 시험 가스 Ar100%, 보호가스유량 15ℓ/min으로 동일한 용접 편을 와이어 컷팅기를 이용하여 용접부를 중앙에 위치하 조건으로 용접을 실시하였다. 게 하여 t2x10x30으로 절단하였으며 가공된 시험편을 2.3 비파괴 시험 냉간마운팅 하여 단면을 미세 경도 시험을 수행하였다. 본 연구에서 GTAW공정으로 Al7075와 ER4043의 시험하중의 조건은 하중 300g, 가압시간 10초로 두고 실 용가재로 용접을 수행한 시편의 신뢰성있는 실험 결과를 험을 시행하였다. 또한, 동일한 표면 거칠기를 갖도록 사 얻기 위해 비파괴검사를 수행하였다. Table 3의 조건에 포 800 2000으로 표면경면 연마를 하여 경도를 측정하 따라 용접작업을 완료한 시험편을 완전히 냉각한 상태에 였다. 실험장비는 Mitutoyo의 제품인 미세 경도 시험기 서 알루미늄 평판 접합 용접부의 방사선 투과 시험 방법 (Model : HM-112)를 사용하였다. 인 KS D 0242에 의거하여 방사선투과시험을 하였다. (a) Filler Metal type of Al. 7075 Fig. 2. Welding process Table 3. Marked according to the welding conditions variable Welding Parameter (b) Filler Metal type of ER 4043 Filler Metal Al7075 Fig. 3. Eye investigation of the GTAW ER4043 Current 110A 110A Speed 7.5cm/min 7.5cm/min Shild Gas Ar 100% Ar 100% Gas flow 15ℓ/min 15ℓ/min Root Gap 2mm 2mm 3. 실험분석 및 결과 3.1 비파괴 시험 결과 방사선투과시험 결과 GTAW공정으로 Al 7075와 ER 4043의 용가재로 용접을 수행한 시편의 필름은 Fig. 3과 2.4 기계적 성질 같이 나타내었고 KS D 0242규격의 1급의 기준에 만족 GTA 용접 후 용가재에 따른 용접부의 기계적 성질 하였다. 용가재에 따른 용접의 결함증가 등의 문제점은 평가를 위해 인장시험 및 미세경도 시험을 수행하였다. 523
한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 없는것으로판단된다. 3.2 인장시험결과 Fig. 5는 Al7075에각각의다른용가재를사용하여용접한시험편과실험소재의응력-변형률곡선을보면용접하지않은실험소재의연신율이높게나타나는것을볼수있으며 Table 5와 Fig. 5과같이 Al7075, ER4043 의용가재에따른인장강도는각각 240MPa, 253MPa로나타나며 2% 옵셋법을적용하여도출한항복강도는각각 132MPa, 120MPa로 Al7075를용가재로사용할때 높게나타났다. 또한연신율은실험소재고유의연신율은 17.6% 로나타났고용접한시험편에서는각각 6.6%, 13% 로실험소재보다낮게나타났다. 이는 Al7075를용가재로사용하였을경우항복강도는높게나타난반면에인장강도는낮은경향이나타나며또한인장시험편파단부의위치는 Al7075로용가재를사용하였을경우에서만용접부에서파단이일어났다. 이는 ER4043을용가재로사용한것보다제품의크기나외관이변하는변형즉제품의가치를하락시키는소성변형이시작하는항복점은높지만연신율과인장강도가낮은경향을보이며 Al7075를용가재로사용한것이 ER4043의용가재보다용접성이떨어진다고판단된다. Fig. 5. Strain-stress curve of tensile test 3.3 경도시험결과 Fig. 6는 Al7075 알루미늄판재의 GTA용접부를비커스경도시험을하였다. 용접단면부의표면에서 0.5mm 떨어진단면에 0.5mm씩간격으로상부, 중부, 하부로나누어알루미늄용접부의열영향부의분포특성을알아보기위하여경도측정을하였다. Fig. 7은 GTA 용접에사용한용가재에따라경도분포를나타내었다. Table 5. Tensile strengths result of specimen no. 1 2 3 Elements Sub strate Al 7075 ER 4043 Yield strength Fig. 4. Result of tensile test Tensile strength Elongation (%) 121 247 17.6% 132 240 6.6% 120 253 13% Fig. 6. Measuring positions of Virkers hardness 경도분포는 Fig. 7의 (a) 와 (b) 에나타내었다. (a) 에서는용착금속부 (DM) 과열영향부 (HAZ) 의경도차가미비하였지만, (b) 에서는용착금속부와열영향부의경도차이가심하게나타났다. 이는 Al7075를용가재로사용했을때 Al 7075는 Al-Zn-Mg-Cu계합금으로서 6000계열인 Al-Mg-Si계합금처럼동일한합금조성의용가재를사용하여용접을하면용착금속부가경화하여용착금속부에서파괴가일어날수있으므로같은합금의조성의용가재를사용하지않는것이바람직하다고판단된다. 하지만 (b) 에서는용착금속부에서열영향부보단경도가낮아졌으며이는 ER 4043은 Al-Si계알루미늄용접재료로이들합금원소중아연과마그네슘원소는강도및경도와같은기계적특성을향상시키는역할을하지만아크용접중상대적으로비점이낮은마그네슘및 524
알루미늄합금 7075 의용가재에따른 GTA 용접공정의기계적특성평가 아연이선택적으로증발하게되어 ER 4043을사용하였을때용착금속부의경도가 Hv100으로 Al7075를용가재로사용하였을때보다약 24% 감소되어나타났다. Fig. 8은 Fig. 7에서상부, 중부, 하부의용가재에따른경도분포를비교한그래프이며열영향부의분포는유사한반면용착금속부의경도분포는 ER4043을용가재로사용한시편이낮게나타났다. 1. 방사선투과시험결과 KS D 0242규격의 1급의기준에만족하였으며용가재에따른용접의결함은발생되지않았다. 2. 인장시험결과 Al7075, ER4043의용가재에따른 4. 결론 본논문에서는 Al7075의모재에 ER4043와 Al7075 의용가재를이용하여 GTAW 하였으며용접의건전성을확보하기위하여기계적특성을평가하여다음과같은결론을도출하였다. Hardness [HV] 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 Top Middel Bottom (a) Hardness distribution at top(0.5mm) position 60-15.0-12.5-10.0-7.5-5.0-2.5 0.0 2.5 5.0 7.5 10.0 12.5 15.0 Distance [mm] (a) Hardness distribution for Al 7075 specimen (b) Hardness distribution at middle(1.0mm) position (b) Hardness distribution for ER4043 specimen Fig. 7. Investigated hardness distribution for GTAW (c) Hardness distribution at bottom(1.5mm) position Fig. 8. Investigated hardness distribution for GTAW 525
한국산학기술학회논문지제 18 권제 4 호, 2017 인장강도는각각 240MPa, 252MPa로나타났으며, Al7075를사용한용착금속부에서파괴가일어난반면 ER4043을용가재로사용한경우모재부에서파괴가일어났다. 3. 미세경도시험결과용가재에따른열영향부경도분포는비슷한경향을보인반면에용착금속부의경도분포는 Al7075와 ER4043 각각 Hv132, Hv100으로차이가나타났다. 4. 인장시험과미세경도시험으로나타난결과 Al7075 를용가재로사용했을때 Al 7075 는 Al-Zn-Mg-Cu계합금으로서동일한합금조성의용가재를사용하여용접을하면용착금속부가경화하여용착금속부에서파괴가일어날수있으므로같은합금의조성의용가재를사용하지않는것이바람직하다고판단된다. References [1] Michael M. Avedesian, "Magnesium and Magnesium Alloy", ASM Speciality Handbook, pp. 12-25, 1999. [2] K. H. Lee, Y. N. Kwon, and S. H. Lee, Effect of Eutectic Si Particles on Mechanical Properties and Fracture Toughness of Cat A356 Aluminum Alloys" J. Kor. Inst. Met & Mater, vol. 45, pp. 18, 2007. [3] S. H. Kim, K. S. Kim, K. S. Cho, K. J. Euh, Y. M. Rhyim, K. A. Lee, "Effect of Heat Treatment on the Tensile and High-Cycle Fatigue Properties of A356 Casting Alloy" J. Kor. Inst. Met & Mater, vol. 53, no. 2, pp. 96, 2016. [4] S. Ashley, "Improved Aluminum Extrusions", Mechanical engineering, issue 6, vol. 116, 1994. [5] H. S. Lee, B. H. Jung. H. S. Park, J. Y. Kang, "Weld Characteristics of Aluminium Alloys Welded with GTA," Special lectures and conferences of the Korean Welding Society, pp. 50-53, 1999. [6] T. Gao, J. U. Cho, A Finite Element Analysis on Compression of Aluminum Foam Bonded with Adhesive, J. of Kor. Soc. of Mechanical Technology, vol. 16, no. 6, pp. 2105-2110, 2014. DOI: https://doi.org/10.17958/ksmt.16.6.201412.2105 손영산 (Yeong-San Son) [ 종신회원 ] < 관심분야 > GTAW, FACW 1980 년 12 월 : 한국폴리텍 Ⅳ 대학산업설비자동학과교수 임병철 (Byung-Chul Lim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 육성용접, 레이저용접 2010 년 2 월 : 공주대학교기계시스템공학과 ( 공학사 ) 2012 년 8 월 : 공주대학교일반대학원기계공학과 ( 공학석사 ) 2013 년 8 월 : 공주대학교일반대학원기계공학과 ( 박사수료 ) 2017 년 2 월 ~ 현재 : 경기도기술학교특수용접학과 526