53 기술논문 / 의마찰용접특성에관한연구 이세경 * 민병훈 ** 최수현 ** 심도기 ** 민택기 *** * 충남대학교대학원 ** 충남대학교교육대학원 *** 충남대학교기계공학과 A Study on Mechanical Properties and Friction Weldability of and Se-Gyoung Lee*, Byung-Hoon Min*, Su-Hyun Choi**, Do-Ki Shim** and Taeg-Ki Min*** *Graduate School of Mechanical Engineering, Chungnam National University, Deajeon 305-764, Korea **Graduate School of Education Chungnam National University Daejeon 305-764, Korea ***Mechanical Engineering at Chungnam National University, Deajeon 305-764, Korea Abstract The present study examined the mechanical properties of the friction welding of shaft made of and, of which the diameter is 12mm. Friction welding was done at welding conditions of 2,000rpm, friction pressure of 104MPa, upset pressure of 134MPa, friction time of 0.5sec to 2.5sec by increasing 0.5sec, upset time of 2 seconds. Under these conditions, a tensile test, a bending test, a shear test, a hardness test and a microstructure of weld interface were studied. When the friction time was 1.0 second under the conditions, the maximum tensile of the friction weld observed to be 963MPa, which is 89% the tensile of base metal and 101% of the tensile of base metal. When the friction time was 1.0 seconds under the conditions, the maximum bending of the friction weld happened to be 1,647MPa, which is 78% the bending of base meta l(2,113mpa) and 87% of the bending of base metal(1,889mpa). When the friction time was 1.0 seconds under conditions, the maximum shear of the friction weld was observed to be 755MPa, which is 92% the shear of base metal and 122% of the shear of base metal. According to the hardness test, the hardness distribution of the weld interface varied from Hv282 to Hv327. HAZ was formed from the weld interface to 1.2mm of and 1.6mm of. Upon examination it was found that the microstructure became finer along with increase of friction revolution radius. *Corresponding author : prince54@empal.com (Received October 19, 2007) Key Words : Friction welding, Friction time, Friction pressure, Tensile,, 1. 서론 마찰용접은다른용접법에비해기술적인면과경제적인면에서많은이점을지니고있다. 마찰용접은재료를용해시키는일없이고상상태에서압접 ( 壓接 ) 시키는고상용접법으로서용융접합에서는접합불가능한 고용융점금속및이종금속등의용접에이용되고있다 1). 마찰용접법의특징은국부적인마찰열에의해접합부에서만열이발생하기때문에타용접에비해용접온도가낮아금속간화합물, 고온균열, 열영향부 (HAZ) 2) 가작게나타난다. 아울러, 용접변수를적절히조절함으로써각재료의장점을살린매우우수한기계적성질을얻을수있다. 이러한이유로기계구조물의안전성, 강 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 6 號, 2007 年 12 月 607
54 이세경 민병훈 최수현 민도기 민택기 도및경제적인측면에서많이이용되고있다 3-6). ( 고속도강 ) 은기계적성질은뛰어나지만값이비싼특징이있고, ( 기계구조용탄소강 ) 은기계적성질은떨어지지만값이저렴한특징이있어상호보완관계를이루고있어용접의필요성이대두되고있지만, 일반용접법으로는용접이곤란하여이두금속의접합에대한연구는매우저조한편이다. 본연구에서는이두금속의마찰용접특성을마찰시간을변수로하여총업셋량의변화, 인장강도, 굽힘강도, 전단강도, 경도시험, 현미경조직분석등의실험을실시하였다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 본연구에서사용한재료는 과 으로이들의화학조성과기계적성질을 Table 1과 Table 2에나타냈다. 마찰용접하기전에모든재료를직경 12mm, 길이 100mm 로가공하고아세톤으로세척하였다. 2.2 실험방법본실험은브레이크타입 (NSF-30H, revolution: 2,000rpm, maximum axial force: 98,000N) 의마찰용접기를사용하였으며, 두금속에대한마찰조건은문헌조사및예비실험을통하여설정하였다. 회전수는척에고 Table 1 Chemical compositions of materials(wt. %) 정된용접시험편이스핀 (spin) 을일으키지않는 2,000rpm, 마찰압력은충분한발열을일으킬수있는 100MPa, 업셋압력은용접시험편에척킹 (chucking) 력에의한변형이나타나지않는 150MPa 로하였다. 위의조건에서용접부의강도를향상시킬수있는시간규제법을활용하여마찰시간을변수로하였다. Table3 과같은용접조건으로본실험을실시하였으며, 인장시험편은마찰용접하여 Fig. 1과같이가공하였다. 마찰용접부의굽힘강도를시험하기위하여 Fig. 2와같이지그에펀치의하중작용점이용접계면에위치하도록시험편을장착하고크로스헤드 (cross head) 의이송속도를 1mm/min 로설정하여굽힘시험하였다. 굽힘강도는다음식 (1) 과같다. (1) 여기서, σ b : 굽힘강도, Z : 단면계수, l : 지점간거리, M : 굽힘모멘트 P max : 최대하중 d : 시험편직경 조직검사를위해시험편을나이텔 (nital) 3% 로만든에칭액을이용하였으며, 경도시험은용접시험편의축단면을절단하여연마 (polishing) 한후, 마이크로비커어스경도시험기의클램프에고정시킨후하중을 300g의하중으로설정한후용접계면방항과센터와 R/2지점에서용접계면을횡단하는방향으로경도를측정하였다. Materials Elements C 0.88 0.43 Si 0.22 0.19 Mn 0.34 0.8 Weld interface(r2) P 0.024 0.03 S 0.013 0.02 Cr 3.95-12 φ 12 φ Mo 4.71 - W 5.94-200 V 1.7 - Fe Bal. Bal. Fig. 1 Specimen of tensile test Table 2 Mechanical properties of materials Mechanical properties Weld interface Materials Tensile (MPa) Bending (MPa) Shear (MPa) Hardness (Hv) 12 φ 12 φ SKH55 1,087 2,113 818 301 950 1,889 616 288 108 Fig. 2 3-Point Bending test specimen 608 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 6, December, 2007
/ 의마찰용접특성에관한연구 55 Spindle revolution (N, rpm) Table 3 Friction welding conditions Friction pressure (P1, MPa) Upset pressure (P2, MPa) 2,000 104 134 Friction time (t1, sec) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3. 실험결과및고찰 3.1 인장시험및업셋길이변화 Upset time (t2, sec) Fig. 3은회전수 (N) 2,000rpm, 마찰압력 (P 1) 104 MPa, (P 2 ) 업셋압력 134MPa, 업셋시간 (t 2 ) 2.0sec에서의마찰시간 (t 1 ) 을 0.5sec 에서 2.5sec 까지 0.5sec 간격으로변화시켰을때마찰시간과인장강도와의관계를나타낸것이다. Fig. 3에나타난바와같이인장강도는마찰시간이증가함에따라서감소하다증가하는경향을나타내고있다. 최고인장강도는마찰시간이 1sec일때이며이때의인장강도는 963MPa 이다. 이는 의모재에비해약 89% 에해당하고, 의모재에비해 101% 에해당하는양호한결과다. 최저인장강도는마찰시간 2.5sec일때나타났으며, 이때의인장강도는 833MPa 으로 모재인장강도의약 77%, 모재인장강도에비해 88% 에해당하였다. 이와같이마찰시간이증가하였음에도불구하고인장강도가저하된것은소성변형된부분이플래시로과다배출되었기때문으로사료된다. 업셋길이는 Fig. 4에나타난바와같이마찰시간이증가함에따라비례적으로증가하였으며, 이러한현상은다른금속의마찰용접에서일반적으로관찰되는현상 8) 과유사하다. 2.0 Total Upset length(mm) 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0.5 1 1.5 2 2.5 Fig. 4 Relationship between total upset length and fricti on times 3.2 굽힘시험 일반적으로마찰용접접합부에서는재료의섬유조직이업셋과정으로소성화된영역의플래시로배출하게되는데이때용접계면에대하여평행하게재배열된다. 이러한조직의재배열은축에대한수직방향의부하시취약한성질을띠는것으로여겨지고있다. 이러한수직방향의기계적성질을평가하기위하여 3점지지굽힘시험법을이용하였으며, 그결과를 Fig. 5에나타냈다. Fig. 5에서나타나듯이마찰시간이 1sec일때굽힘강도는 1,647MPa 으로 의모재굽힘강도 (2,113 MPa) 에비하여 78%, 의모재강도 (1,889 MPa) 에비하여 87% 의강도를나타냈다. 그렇지만, 마찰시간이증가함에따라굽힘강도는감소하기시작하여 2.5sec에서 의모재굽힘강도의 64%, 의모재굽힘강도의 70% 까지감소하였다. 이러한경향은앞의인장실험결과와유사하다. 3.3 전단시험 Fig. 6는인장, 굽힘시험과동일한조건에서마찰용접한시편을 Fig. 1 와같이가공하여전단시험결과를 Tensile [MPa] 1,100 1,050 1,000 950 900 850 800 750 700 0.5 1 1.5 2 2.5 Fig. 3 Relationship between friction times and tensile str ength Bending [MPa] 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 Fig. 5 0.5 1 1.5 2 2.5 Relationships between friction times and bending 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 6 號, 2007 年 12 月 609
56 이세경 민병훈 최수현 민도기 민택기 Shear [MPa] 850 800 750 700 650 600 550 500 450 400 0.5 1 1.5 2 2.5 Fig. 6 Relationships between friction times and shear str ength Vickers hardness Hv[load300g] 350 300 250 200 150 100 50 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Distance from outer circumference (mm) Fig. 8 Hardness distributions of weld interface 나타낸것이다. Fig. 6에서보는바와같이마찰시간 1sec에서최고의전단강도는 755MPa 로 모재대비 92% 가나타났고, 에비해 122% 의양호한결과가나타났다. 최저강도는마찰시간이가장긴 2.5sec대에나타났으며, 그값은 564MPa 으로 의모재전단강도의 69% 에해당하고, 의모재전단강도의 92% 에해당한다. 즉, 마찰시간이 0.5sec에서 1sec 까지증가함에따라전단강도가증가하였으나, 1.5sec이후에는소성변형된부분이플래시로과다배출되어 2.5sec까지전단강도가하락하였다. 이와같은마찰시간에따른강도변화는인장강도, 굽힘강도와유사한경향을나타냈는데, 이는마찰열의플래시로의배출되는정도와그에따른가압력과마찰시간등에따른압접효과가마찰용접부의강도에중요한영향을미치는인자라는것을나타낸다. 3.4 경도시험 Fig. 7과 8은인장강도, 전단강도, 굽힘강도가가장우수하게나타난조건, 회전수 2,000rpm, 마찰압력 104MPa, 업셋압력 134MPa, 마찰시간 1sec, 업셋시간 2sec에서용접한시편의경도그래프이다. Fig. 7은 R/2 와센터에서용접계면에서횡단하여 에 6mm, 에 6mm까지 0.4mm 간격으로측정한것이고, Fig. 8은용접계면을따라 0.5mm 간격으로측정한것이다. 먼저 Fig 8에서용접계면의경도분포를보면 Hv282 에서 Hv327까지형성되었고, 가장높은곳은바로 R/2 지점이가장높은곳으로나타났다. 특히모재경도 가 Hv288, 이 Hv301임을볼때용접계면의경도는그다지높이않은값을형성하고있다. 이러한현상은일반적으로탄소강의마찰용접에서의전형적인현상이라사료된다. Fig. 7에서보면 0.4mm 부터경도의급격한저하가나타났는데, 이것은용접계면에서마찰용접시국부가열과급랭및압접압력으로인한조직의조밀성으로연화되어경도가급감했으리라사료된다. HAZ는 에서는 1.6mm, 에서는 1.2mm 까지관찰되었다. 이러한분포의원인은회전축에고정된 에서원심력으로인한급랭현상이발생하였기때문이라사료되며 종은고정척에서마찰용접이되었기때문에마찰열의발산이극히적어서서히냉각되었으리라생각된다. 또한경도값이 R/2 경도분포보다센터의경도분포값이떨어지는현상은용접과정에서발생한열영향이 R/2 경도분포보다는센터의경도분포에서의회전반경이적기때문에마찰의효과가상대적으로적어아래와같은경도분포차이를나타내고있다. Vickers hardness Hv[load300g] 350 300 250 200 150 100 50 0 6 5.65.24.84.4 4 3.63.22.82.4 2 1.61.20.80.4 0 0.40.81.21.6 2 2.42.83.23.6 4 4.44.85.25.6 6 Distance from weld interface (mm) Fig. 7 Hardness distributions of friction weld Center R/2 3.5 접합부의현미경조직현미경조직은회전수 2,000rpm, 마찰압력 104MPa, 업셋압력 134MPa, 마찰시간 1sec, 업셋시간 2sec에서용접한시편을현미경으로 100배, 400배로촬영하였다. Fig. 9, 10(C) 에서알수있는바와같이 보다 이과부식된것을볼수있다. 이는 에 Cr(3.95%) 과 Mo(4.71%) 을많이함유하여내식성이우수한반면 에는그러한성분이전혀없기때문이라사료된다. Fig. 9, 10(A) 에서의 강은인발 610 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 6, December, 2007
/ 의마찰용접특성에관한연구 57 된봉재로서페라이트와펄라이트가층상조직을이루고있으며주축방향으로방향성을지니고있다. 또한 모재에서열영향부로갈수록페라이트와펄라이트조직이점차미세화되는것과모재에서층상구조의형태로나타나고있고, Fig. 9, 11(G) 에서고속도강모재의뚜렷한결정조직형상에비해 HAZ(H) 에서결정조직은선명하지못하며용접계면으로갈수록결정조직이나타나지않았다. Fig. 9(B) 는조직들은접합부근처 A : Of B : H.A.Z Of C : Weld Interface D : End Flash Of 에서유동라인들을형성하면서원주방향으로방향이바뀌었으며이러한변화는이영역내의온도기울기가비교적급하다것을보여주며이러한소성영역에서의유동은모재금속방향에수직으로형성되고금속간혼합물의재배열을가져오며용접계면은평행하고바깥방향은방사상으로나타난다. 따라서, 시험편의중심에서바깥쪽으로나가는소성유동영역은외주부에가까울수록점차넓어지고, 결국플래시형태로배출된다. 소성유동영역의폭은중심에서바깥으로가면서비례적으로증가하며마찰과정에서발생한석출물과불순물들이플래시부로배출되어마찰용접부의인장강도에긍정적인영향을미친것으로사료된다. Fig. 9, 11 (D, E, F, I, J) 에이러한현상이나타나있다. Fig. 9, 10(C) 은용접계면사진이다. 용접계면형상은거의직선적이고, 두재료가혼합되어생기는혼합층 (mixed layer) 은잘나타나지않았다. 또한, 두재료의열영향부를살펴보면, 마찰용접과정에서알수있는가압력과소성유동, 기계적압접효과등에의해미세화되었었지만, 경도는오히려모재 (: Hv301, : Hv288) 보다훨씬떨어짐을볼수있는데, 이것은마찰열에따라 HAZ가 E : Flash Of F : Flash Divided Point A : B : H.A.Z G : Of H : H.A.Z Of C : Weld Interface D : End Flash I : Flash Of J : End Flash Of E : Flash Fig. 9 Location of microstructure (X100) Fig. 10 microstructure of friction welds (X400) 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 6 號, 2007 年 12 月 611
58 이세경 민병훈 최수현 민도기 민택기 (F) Divided Flash (H) H.A.Z (G) (I) END Flash 1) 인장강도, 굽힘강도, 전단강도모두마찰시간이 1sec일때최고값을나타낸후, 마찰시간이증가함에따라다시감소하는현상이나타났다. 이것은마찰시간이과도하게증가하면마찰열이과다발생하여소성변형된부분이플래시부로과다배출되기때문이다. 2) 용접계면의경도는 Hv282 에서 Hv327까지나타났고, HAZ는 에서 1.6mm, 에서 1.2mm 까지분포되었다. 3) 용접부의조직사진관찰결과모재의조직과열영향부의조직은명확히구분되었으며용접계면의중심부로갈수록조직이미세화되었으며재배열되었다. 참고문헌 (J) Flash Fig. 11 microstructure of friction welds ( 400) 급랭되고연화되었기때문이다. 4. 결론 본연구는직경 12mm인 과 를회전수 (N) 2,000 rpm, 마찰압력 (P 1 ) 104MPa 업셋압력 (P 2 ) 134MPa, 업셋시간 (t 2 ) 2sec으로하고, 마찰시간 (t 1 ) 을 0.5sec, 1.0sec, 1.5sec 2.0sec, 2.5sec로변화시켜마찰용접을실시한결과다음과같은결론을얻었다. 1. Min Taeg-Ki : Properties of Friction Welding Between the Back Metal of Bushing Part and Flange Part in A-Sn Alloy Metal Bearing, Dong-A University, Busan, Korea, (1992), 4-5 2. Lee Sang-Yun, Yun Byeong-Soo : Heat Transfer Analysis of Friction Welding of A2024 to Transaction of KSMTE, 10-1, (2001), 65-70 3. Spindler, D. E. : What Industrial Needs to Know about Friction Welding, Welding Journal, Mar, (1994), 37-42 4. Nicholas, E. D. : Where Industry Uses Friction Welding, Welding Design and Fabrication, Aug. (1997), 74-76 5. Toms H. Hazlett : Properties of Friction Welds between and Dissimilar Metals, Welding Research Supplement, Oct. (1962), 448-450 6. Vill, V. I. : Friction Welding of Metals, svarochne Proizvodstvo, 3-9, (1957), 8-23 7. Park Keun-Hyung, Min Taeg-Ki, Yoon Young-Joo, Park Chang-Soo : A Study on the Joint Properties according to the Friction Welding Area Change of Carbon Steel(SM25C), Transaction of KSMTE, 15-1, (2006), 102-107 8. Lee Se-Gyoung, Min Taeg-Ki,: A Study on the Properties in Friction Weldability of Dissimilar Aluminum Alloys A2024-T6/ A6061-T6, Transaction of KSMTE, 15-1, (2006), 63-69 612 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 6, December, 2007