Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 37, No. 6, pp. 775~782, 2013 775 < 학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/ksme-a.2013.37.6.775 ISSN 1226-4873 일정응력확대계수범위제어시험하의마찰교반용접된 7075-T651 알루미늄합금용접부의피로균열전파거동의실험적고찰 (LT 방향의시험편에대하여) 정의한 * 김선진 * 부경대학교기계설계공학과, ** 부경대학교기계자동차공학과 Experimental Investigation of Fatigue Crack Growth Behavior in Friction Stir Welded 7075-T651 Aluminum Alloy Joints under Constant Stress Intensity Factor Range Control Testing (For LT Orientation Specimen) Yeui Han Jeong * and Seon Jin Kim ** * Dept. of Mechanical Design Engineering, Graduate School, Pukyong Nat l Univ. ** Dept. of Mechanical & Automotive Engineering, Pukyong Nat l Univ. (Received December 28, 2012 ; Revised March 5, 2013 ; Accepted March 6, 2013) ** Key Words: Fatigue Crack Growth( 피로균열전파 ), Friction Stir Welding( 마찰교반용접 ), Constant Stress Intensity Factor Range Control Testing( 일정응력확대계수범위제어시험 ), 7075-T651 Aluminum Alloy(7075-T651 알루미늄합금 ) 초록: 본연구에서는마찰교반용접재의피로균열전파거동의공간적불규칙성을고찰하기위한연구의일환으로써, 최적의조건에서마찰교반용접된 7075-T651 알루미늄합금용접부의 LT-방향의각각 5 개의피로균열전파시험편에대하여일정응력확대계수범위제어하의피로균열전파실험을수행하여마찰교반용접부의교반용접부재 (WM) 와열영향부재(HAZ) 그리고모재() 에대한피로균열전파거동을실험적으로고찰하였다. WM재의피로균열전파율이가장빠르게나타났으며, 그다음 HAZ재와 WM재순으로나타났다. 게다가시험편간피로균열전파율의변동성은 WM시험편에서가장높았고, 반면 재에서가장낮게나타났다. Abstract: In this study, as a series of studies aimed at investigating the spatial randomness of fatigue crack growth for friction stir welded (FSWed) 7075-T651 aluminum alloy joints, the fatigue crack growth behavior of FSWed 7075-T651 aluminum alloy joints was investigated for LT orientation specimens. Fatigue crack growth tests were conducted under constant stress intensity factor range (SIFR) control for 5 specimens of the FSWed 7075-T651 aluminum alloy, including base metal (), heat affected zone (HAZ), and weld metal (WM) specimens. The mean fatigue crack growth rate of WM specimens was found to be the highest, whereas that of HAZ and WM specimens was the lowest. Furthermore, the variability of fatigue crack growth rate was found to be the highest in WM specimens and lowest in specimens. 1. 서론 최근환경보호와에너지절감에대한요구가 높아지면서항공기, 자동차, 철도, 선박등각종 이논문은대한기계학회 2012 년도추계학술대회(2012. 11. 7.-9., CECO) 발표논문임 Corresponding Author, sjkim@pknu.ac.kr C 2013 The Korean Society of Mechanical Engineers 수송기기의경량화를위한기술의필요성이대두 되는가운데마찰교반용접 (Friction Stir Welding, FSW) 기술은알루미늄이나마그네슘등의경량 합금을접합하는차세대용접기술로주목받고있다. (1) 마찰교반용접은 1991 년영국의용접연구소(The Welding Institute, TWI) 에서개발된고상용접프 로세스로, 비소모성회전공구를이용하여재료를
776 정의한 김선진 교반, 일체화한다고하는새로운원리를이용한 접합방법이다. (2,3) 모재를회전시켜마찰열을이 용하여접합하는기존의마찰용접 (Friction Welding, FW) 과는달리, 마찰교반용접은용접부에삽입된 환봉의회전공구(tool) 를용접할두재료사이용 접라인을따라회전이동시킴으로써, 용접부를 가열, 연화, 소성유동화시켜고상으로용접하는 원리이다. (2) 이용접법은용융이나응고등에의 한균열이나기공의발생이없고, 적다는등의여러가지장점이있어 용접변형이 1990년대중 반부터수송기기를중심으로여러산업분야에서 실용화가이루어진괄목할만한용접기술로인식되고있다. (4,5) 고강도알루미늄인 7075-T651에대한마찰교 반용접에대한연구는국내외적으로많이연구 되어왔지만, 일반적으로 2XXX계열이나 7XXX계 열과같은고강도알루미늄합금의용접조건범 위는비교적넓은조건범위를갖는 6XXX계열과는달리좁은용접조건범위를보이고있다. (6) 따라서실용적응용관점에서그사용조건에맞 는 7075-T651에대한최적마찰교반용접조건에 대한연구는중요하다. 상기와같은관점에서저자등은선행적으로 두께 6mm의 Al 7075-T651 알루미늄판재에대하 여, 회전공구의회전속도와이송속도를변수로 하여용접조건이마찰교반용접부의인장강도와 경도및미세조직에미치는영향을고찰하여마찰교반용접의최적조건을결정한바있다. (7,8) 그러나항공우주, 선박, 철도차량혹은교량등 과같은실제적응용분야에서는그피로성질이 결정적인경우가많다. (4) 그러므로마찰교반용접기 술의광범위한공학적응용을위해서도마찰교반용 접접합부의피로특성을이해하는것이매우중요 하다. 이와같은같은관점에서많은연구자들에의 하여 S-N 거동과피로균열전파거동을포함한마찰 교반용접접합부의피로특성평가에관한많은관 심과연구가수행되어져왔다. (4,9~24) 특히피로균열 전파거동에대한연구의대부분은피로균열전파거 동에미치는미세조직과잔류응력의영향, 용접개 재물의영향, 결정립의미세화에의한영향, 응력비 의영향, 환경에의한영향그리고용접법에따른 영향등이많이보고되고있다. (11~24) 그러나마찰교 반용접접합부의피로균열전파거동의통계적불규 칙성을고찰한연구는매우부족한실정이다. (25) 또 한대부분의피로균열전파실험은일정응력진폭하 중하에서수행되었다. 이러한실험법은직접적으로 피로균열전파율(da/dN) 과응력확대계수범위( ΔK) 와 의관계를얻는데는매우유용한방법이지만, (26) 피 로균열전파율의변동성에미치는영향을이해하는 데는어려움이있다. 이에반하여일정응력확대계 수범위제어실험은균열선단의역학적구동력을 일정하게함으로써피로균열전파저항에미치는미 세조직의영향이나변동성의영향을이해하는데유용하다. (26) 이러한관점에서, 마찰교반용접재의피로균열 전파거동의공간적불규칙성을파악하기위한 연구의일환으로써, 본보에서는최적의조건에서 마찰교반용접된 의 7075-T651 알루미늄합금용접부 LT-방향의피로균열전파시험편에대하여일 정응력확대계수범위제어하의피로균열전파실 험을수행하여마찰교반용접부의교반용접부재 (WM) 와열영향부재(HAZ) 그리고모재() 에대 한피로균열전파거동을실험적으로고찰한결과 를보고하고자한다. 2.1 2. 사용재료 사용재료및실험방법 본연구에사용된시험편재료는 S사에서제작 된두께 6mm의 Al 7075-T651 알루미늄합금판 재이다. 본재료에대한화학적성분과기계적 성질은전보 (7,8) 를참조바란다. 의 2.2 최적마찰교반용접조건 본연구에사용된마찰교반용접기는국내 W사 3축스텐드타입의터치패널조작방식의직 선마찰교반용접기를사용하였다. 사용된시험편 은원판치수 6 1250 2500mm, 무게 3.576kg의 압연판재로부터폭방향 250mm, 압연방향으로 100mm 의직사각형크기로절단하여, 압연방향을 용접진행방향으로하여마찰교반용접을수행하 였다. Al 7075-T651 합금의최적의마찰교반용접 조건을결정하기위해서는많은변수가있지만, 통상적으로공구의삽입깊이는일정으로되도록 제어되는것으로써, 실질적으로는공구의회전속 도와용접이송속도가중요한변수로된다. (6) 본 연구에서는저자등의선행연구를통하여얻은 두께의시험편에대하여과같은최 6mm Table 1 적조건하에서마찰교반용접을수행하였다. (7,8)
일정응력확대계수범위제어시험하의마찰교반용접된 Table 1 Optimal FSW conditions in this work Shoulder Diameter (mm) Rotating Speed (rpm) Welding Speed (mm/s) Probe Length (mm) Probe Diameter (mm) 20 800 0.5 5.85 9.0 7075-T651 알루미늄합금용접부의 777 본실험의마찰교반용접과정의모식도를 Fig. 1 에나타낸다. 2.3 시험편채취및피로균열전파실험 마찰교반용접재의피로균열전파거동의평가하기 위한시험편은 ASTM E647 규정에의한폭이 50mm 그리고두께 5mm인 CT (compact tension) 시 험편을 Fig. 2와같이 LT 방향의모재() 와용접 교반부인용접부재(WM) 및열영향부재(HAZ) 에대 하여채취하였다. 시험편의채취방향은압연방향과 균열의전파방향이수직이되도록 에대하여제작하였으며, LT 방향시험편 기계가공시평면부는 열영향이극소화되도록앤드밀과정면커터를사 용하여가공하였으며, 노치부는방전가공으로행하 였다. 그림에서보는바와같이용접재시험편의 노치는용접선의정중앙에오도록채취가공하였 다. 즉피로균열이마찰교반용접부의중심에존재 하는교반부(stirred zone)[ 본시험편을 WM 시험편 으로통칭한다] 및열영향부[ 본시험편은 HAZ 시 험편으로통칭한다] 를지나도록하였다. 본연구의피로균열전파시험에이용한실험시 스템은시험편에하중을부하하는용량 100kN의전 기유압서보식피로시험기(Instron Model 8821S) 를사 용하였으며, 시험조건은실험실의대기중에서응력 반복속도 10Hz, 응력비(R) 0.1의정현파인장-인장 일정응력확대계수범위제어방식으로, Fig. 3과같 이균열선단의응력조건을일정하게하게유지하 여피로균열전파율의변동성을좀더명확하게고 찰할목적으로, 즉하나의시험편에대하여일정응 력확대계수범위( ΔK) 를 8, 11.5 그리고 15MPa(m) 조건하에서실험을수행하였다. 각각의재질에대하 여총 5 개의시험편에대하여실험을수행하였다. 한편균열길이는피로균열전파시험중에 COD(Crac k Opening Displacement) 게이지를이용하여컴펄라이 언스법에의하여측정, 데이터를해석하였다. 피로 균열전파율의결정은시컨트법을이용하였다. 0.5 Fig. 1 Schematic illustration of FSW process Fig. 2 Schematic diagram of CT specimen cutting Fig. 3 FCG testing conditions for constant ΔK 이하에서는본실험에서수행한일정응력확대 계수범위 (SIFR) 제어피로균열전파 (FCG) 실험방 법에대하여간략히기술한다.
778 정의한 김선진 Load Range, P(N) SIF Range, K(MPa(m) 1/2 ) 10 9 8 7 3000 2500 2000 1500 Constant SIF Range Control FCG Test for K = 8.0MPa(m) 1/2 Stress Intensity Factor Range 6 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (a) Variation of SIF range Load Range Variation for K = 8.0MPa(m) 1/2 Control FCG Test Load Range 1000 10 11 12 13 14 15 16 17 18 (b) Variation of load range Fig. 4 Conditions of SIFR control for FCG test 통상적인피로균열전파실험은하중진폭범위를 일정하게제어함으로써균열이진전함에따라균 열선단의응력확대계수가증가하는실험으로균 열선단의소성영역이점진적으로증가하는실험 인반면, 일정응력확대계수범위제어피로균열 전파시험의알고리즘은균열선단의소성영역을 일정하게유지하게하기위하여균열이진전함에 따라하중진폭범위를감소시켜균열위치에상관 없이응력확대계수범위를일정하게유지하는실험방법이다. (26) Fig. 4는본실험에서제어한하나 의예로응력확대계수범위 8.0MPa(m) 0.5 에대하여 균열길이가 11mm에서 17mm까지전파할때의 응력확대계수범위와하중범위의관계를나타낸 것이다. 그림에서와같이하중범위가 Fig. 4 의 (b) 와같이제어함으로써응력확대계수범위를일정 하게유지할수있다. 본연구에서제어한응력 확대계수범위는변동계수가약 에서잘제어되었음을확인하였다. 0.01로모든실험 3.1 3. 결과및고찰 마찰교반용접재의광학현미경조직 Fig. 5는 7075-T651 알루미늄합금의마찰교반 용접부의횡방향단면사진과그개념도를나타 낸다. 마찰교반용접부는크게 4가지영역으로나 눌수있다. a로표시된영역은용접과정에의 하여영향을받지않는모재() 부분이며, b의 영역은열영향을받는열영향부(HAZ) 부분이며, c의영역은열적기계적으로영향을받는일명 열적 기계적영향부(Thermo-Mechanically Affected Zone, TMAZ) 를나타내며, 그리고 d의영역은소 성변형의발생을동반한미세한결정립을갖는 교반부(Stir Zone, SZ) 를나타낸다. Fig. 6에 Fig. 5 의 a, b, c 및 d에서의광학현미경조직을나타낸 다. Fig. 6 에서알수있듯이, b 의열영향부영 역에서는용접중열에의하여국부적으로기계 적성질이변화하지만, 그결정립구조는거의 모재의구조로되어있음을확인할수있다. c 의열적기계적영향부(TMAZ) 는공구의어깨및 핀에의하여영향을받는영역으로, 미세조직은 다소변화하지만여전히모재의미세조직과비슷 한조직으로나타냄을확인할수있다. d 의용 접부중심에는교반부라부르는소성변형이동 반된미세한결정립을갖는것을확인할수있 다. 이영역의크기는개략적으로핀의직경정 도로알려져있다. 교반부는모재와비교하여마 찰교반용접과정중의동적재결정에의하여훨 씬미세한결정구조를가짐을확인할수있었 다. 3.2 실험적피로균열전파곡선 Fig. 7 은응력확대계수범위 8.0, 11.5 및 15.0MPa(m) 0.5 의 및 3개의구동력에대한 WM, HAZ 시험편에대한응력반복수 N 과균열길 이 a와의관계를나타낸다. 각각의응력확대계수 범위에따라피로균열전파거동이서로다름을 알수있고, ΔK가증가할수록피로균열성장이 빠르게전파함을알수있다. 또한, 각각의응력 확대계수범위에서마찰교반용접된 경우가 WM 시험편의 보다시험편간변동이매우큼을알 수있으며, 또한시험편내에서도전파율의불규 칙성이존재함을알수있다. 이는동적재결정
일정응력확대계수범위제어시험하의마찰교반용접된 7075-T651 알루미늄합금용접부의 779 18 17 16 15 14 13 12 Constant K = 8.0MPa(m) 1/2 E[da/dN] ; > WM > HAZ E[da/dN] = 1.514E-4 HAZ E[da/dN] = 4.366E-5 WM E[da/dN] = 4.842E-5 Fig. 5 Cross-section view of friction stir weld regions in Al 7075-T651 11 0 1x10 5 2x10 5 3x10 5 4x10 5 5x10 5 6x10 5 7x10 5 Number of cycles, N(cycle) 24 23 22 21 20 19 18 Constant K = 11.5MPa(m) 1/2 E[da/dN] ; > WM > HAZ E[da/dN] = 3.692E-4 HAZ E[da/dN] = 1.478E-4 WM E[da/dN] = 1.527E-4 17 0.0 2.0x10 4 4.0x10 4 6.0x10 4 8.0x10 4 1.0x10 5 Number of cycles, N(cycle) Fig. 6 Optical micrographs of the FSWed 7075-T651 specimen in the (a), (b) HAZ, (c) TMAZ, and (d) SZ (WM) 에의한미세조직의영향이라사료된다. 또한이 러한영향은전파수명의변동성에도영향을줄 것으로기대된다. 피로균열전파율의공간적변동 성에미치는재질의영향에대하여는향후에상 세히보고하고자한다. 30 29 28 27 26 25 24 Constant K = 15.0MPa(m) 1/2 E[da/dN] ; > WM > HAZ E[da/dN] = 6.822E-4 HAZ E[da/dN] = 3.220E-4 WM E[da/dN] = 4.476E-4 23 0 1x10 4 2x10 4 3x10 4 Number of cycles, N(cycle) 3.3 피로균열전파율과응력확대계수범위와의관계 Fig. 8 은일정응력확대계수범위제어피로시 험에의하여얻은마찰교반용접재의 HAZ, WM 그리고모재 시험편에대한피로균열전파율 (da/dn) 과응력확대계수범위( ΔK) 와의관계를나 타낸것이다. 본실험의조건범위하에서마찰교 반용접재의 HAZ 및 WM 시험편의피로균열전파 율이모재 시험편보다모두낮음을알수있 다. 이는미세조직변화에따른항복강도의변화 에도기인하는것으로 HAZ, WM의항복강도가 의항복강도보다작게되어전파율이낮은것 Fig. 7 a-n curves for WM, HAZ and specimens regarding to each stress intensity factor range, K 으로사료된다. (26) 한편, 평균적피로균열전파율에대한 Paris 방정식 (27) 의전파지수 m과전파계수 C 를최소자승법에의하여구한값을그림중에나 타내었다. 이상에서알수있듯이, 모재 시험 편의경우전파지수 m 과전파계수 C 는각각 2.40 과 1.05E-06(mm/cycle) 의값을얻었다. 이에대하 여 HAZ 시험편의경우는 m과 C는각각 3.19 및 5.85E-08(mm/cycle), 그리고 WM 시험편의경
780 정의한 김선진 Fig. 8 FCGR vs. ΔK for, HAZ and WM Fig. 9 FCGR vs. ΔK for 우지수 m과계수 C는각각 3.56 및 2.77E-08(mm/cycle) 를나타내었으며, 비교적낮은 구동력에서 동력이증가할수록 보다확실히전파율이낮았으며, 구 WM시험편이가장빠르게전파 함을알수있다. 이러한경향은미세조직과잔류 응력그리고구동력의상호작용에의하여나타나는것으로사료된다. (13,15) 3.4 재질에따른피로균열전파율의변동성, HAZ 및 WM 시험편에있어서의피로균 열전파율의변동성을파악하기위하여, 그피로 균열전파율의거동을도식적으로정리하여 Fig. 9, Fig. 10 및 Fig. 11 에각각나타낸다. 의경 우변동성이비교적낮게나타났으며, HAZ와 WM에서는비교적크게변동함을이해할수있다. 특히낮은구동력인 K=8MPa(m) 0.5 인경우에 있어서 HAZ 및 WM 시험편에서는그피로균열 전파율의변동이매우크게나타났다. 전체적으 로는 WM 시험편의경우가가장높은변동성을 보였다. 이러한변동성의영향은여러가지가있 을수있으나, 마찰교반용접에의한용접부의조 직변화및잔류응력등에의한영향과이들의영 향으로인한균열전파경로의불규칙한상호작용 등의영향으로사료된다. 한편, 각각의재질에따 른전파율의변동성의영향을이해하기위하여,, WM 그리고 HAZ 시험편에대한피로균열 전파율의시험편간변동계수를구하여 Fig. 12에 나타내었다. 의경우응력범위에관계없이약 7% 로가장낮게나타났으며, 피로균열전파율의 변동계수는응력확대계수범위가낮은 K=8MPa(m) 0.5 에서높은값을나타내었으며, 모든 응력범위에서 타났다. WM시험편의경우가가장높게나 본연구에서는재질에따른피로균열 Coefficient of Variation (CV) 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Fig. 10 FCGR vs. ΔK for HAZ Fig. 11 FCGR vs. ΔK for WM Specimen-To-Specimen Variation of E(da/dN) HAZ WM 0.0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Stress Intensity Factor Range (SIFR), K(MPa(m) 1/2 Fig. 12 Effect of CV on SIFR according to material properties,, WM and HAZ
일정응력확대계수범위제어시험하의마찰교반용접된 7075-T651 알루미늄합금용접부의 781 그리고 (m=2.4) 시험편순으로나타났다. (3) 시험편간피로균열전파율의변동성는 WM 재의경우가가장높게나타났으며, 그다음 HAZ, 그리고 순으로나타났다. 참고문헌 Fig. 13 Morphology of FCG path for and WM 전파거동을실험적으로고찰하는것이므로, 동성의영향에대한상세한고찰은차후에보고 하고자한다. 의경우는모든시험편에서피 로균열전파경로가하중에수직으로진행하고평 평한전파과정을보였지만, HAZ 및 WM의경우 에있어서는 이는시험편과 변 시험편과동일한전파경로를보 Fig. 13과같이균열의진행방향이 사선방향으로진행하는시험편도존재하였다. 마찰교반용접재의 CT 시험편에의한일정응 력확대계수범위제어피로균열전파실험을통하여 LT- 방향의피로균열전파거동을실험적으로고찰 한결과를종합하면, 응력확대계수범위가낮은 영역( K=8) 에서는 WM 시험편에서피로균열전 파율이가장낮게나타났으며, 그다음 HAZ 그리 고 순으로높게나타났다. 또한응력확대계 수범위가높은영역( K=15) 에서는 HAZ 시험편 에서피로균열전파율이가장낮게나타났으며, 그다음 WM 그리고 순으로높게나타났다. 한편피로균열전파율에는변동성이존재함을확 인하였으며, 피로균열전파율의변동계수는모든 응력확대계수범위에서 나타났다. 마찰교반용접된 4. WM 결론 Al7075-T651 시험편이가장높게 판재에대한일정 응력확대계수범위제어피로실험을수행하여실험 적으로고찰한결과다음과같은결론을얻었다. (1) 동일조건의구동력하에서도그피로균열전 파율은마찰교반용접재의 HAZ, WM 시험편과 시험편에서아주다르게나타났다. (2) 평균적피로균열전파율은 WM 시험편 (m=3.56) 이가장빠르고, 그다음 HAZ (m=3.19) (1) Shtrikman, M. M., 2008, "Current State and Development of Friction Stir Welding," Welding International, Vol. 22, No. 11, pp. 806~815. (2) Thomas, W. M., Nicholas, E. D., Needham, J. C., Murch, M. G., Templesmith, P. and Dawes, C. J., 1991, "Friction-Stir Butt Welding," GB Patent No. 9125978.8, International Patent Application No. PCT/GB92/02203. (3) Thomas, W. M., Nicholas, E. D., Needham, J. C., Murch, M. G., Templesmith, P. and Dawes, C. J., 1995, U. S. Patent No. 5460317. (4) Mishra, R. S. and Ma, Z.Y., 2005, "Friction Stir Welding and Processing," Materials Science and Engineering R 50, pp. 1~78. (5) Fuller, C. B., Mahoney, M. W., Calabrese, M. and Micona, L., 2010, "Evolution of Microstructure and Mechanical Properties in Naturally Aged 7050 and 7075 Al Friction Stir Welds," Materials Science and Engineering A 527, pp. 2233~2240. (6) Friction Welding Working Group, 2006, "Friction Welding Technology," Ilgangonhupshi munsa, pp. 176~264. (7) Kim, C. O. and Kim, S. J., 2011, "Effects of Welding Condition on Tensile Properties of Friction Stir Welded Joints of Al-7075-T651 Plate," KSPSE, Vol. 15, No. 2, pp. 61~68. (8) Kim, C. O., Sohn, H. J. and Kim, S. J., 2011 "Effects of Welding Condition on Hardness and Microstructure of Friction Stir Welded Joints of Al-7075-T651 Plate," KSPSE, Vol. 15, No. 3, pp. 58~64. (9) Biallas, G., Braun, R., Donne, C. D., Staniek, G. and Kaysser, W. A., 1999, in "Proceedings of the First International Symposium on Friction Stir Welding," Thousand Oaks, Ca, USA, June 14-16. (10) Pao, P. S., Lee, E., Feng, C. R., Jones, H. N. and Moon, D. W., 2003, in "Friction Stir Welding and Processing Ⅱ," TMS, Warrendale, PA, USA.
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