한국해양공학회지제 27 권제 1 호, pp 37-42, 2013 년 2 월 / ISSN(print) 1225-0767 / ISSN(online) 2287-6715 Journal of Ocean Engineering and Technology 27(1), 37-42, February, 2013 http://dx.doi.org/10.5574/ksoe.2013.27.1.037 이종알루미늄합금 FSW 접합부의피로균열진전특성 이원준 * 이효재 ** 김형진 *** 박원조 **** * 경상대학교대학원정밀기계공학과 **( 주 ) 엠스코 *** 경상대학교기계시스템공학과, 해양산업연구소 **** 경상대학교에너지기계공학과, 해양산업연구소 Fatigue Crack Growth Properties of Friction Stir Welded Dissimilar Aluminum Alloys Won-Jun Lee*, Hyo-Jae Lee**, Hyung-Jin Kim*** and Won-Jo Park**** *Department of Mechanical and Precision Engineering, Graduate School, Gyeongsang Nat'l Univ., Tongyoung, Korea **EMSCO INC. weujam-ri, Dong-Eup, Changwon, Gyeongsangnam-Do, Korea ***Department of Mechanical System Engineering, Institute of Marine Industry, Gyeongsang Nat'l Univ., Tongyoung, Korea ****Department of Energy and Mechanical Engineering, Institute of Marine Industry, Gyeongsang Nat'l Univ., Tongyoung, Korea KEY WORDS: Friction stir welding 마찰교반용접, Aluminum alloy 알루미늄합금, Fatigue crack growth 피로균열진전, Fracture surface 파면 ABSTRACT: The presence of a crack can increase the local stress or strain, which can cause inelastic deformation and significantly reduce the life of a component or structure. Therefore, in this study, the fatigue crack growth (FCG) behaviors of friction stir welded Al 2024 T3 and Al 7075 T6 specimens were examined, with fatigue cracks growing parallel to the dynamically recrystallized zone at variable ΔK values and an R ratio of 0.3. In addition, the FCG values of the base metal Al 2024 T3 and Al 7075 T6 were tested under the same conditions and parameters as comparative groups. The results showed that compared with the base metal Al 2024 specimen, which had the best fatigue property, the welded specimen had only 88% of the fatigue cycles. 1. 서론알루미늄합금은내식성과강도가좋으며, 비중이약 2.7로연강의약 1/3의경합금이므로공업용이나상업적으로널리사용되고있지만, 용접성이나쁘기때문에사용에많은제약을받고있다. 따라서이문제점들을해결할수있을용접법으로최근에주목받고있는마찰교반용접 (Friction stir welding, FSW) 은영국의용접기술연구소에서 1991년에특허를출원한비교적새로운공정이며 (Kim et al., 2011), 또한기존의마찰용접은원형단면부재의접합에한정된다는고정관념을타파한점에서많은주목을받고있다. FSW 를이용한경량합금구조물의용접접합기술은가히혁신적이라고할수있으며, 기술적파급효과가커지고있다 (Cho et al., 2012). 또한, FSW법은접합할재료의용융점이하온도에서시행되는고상접합공정이므로 2000계열 (Al-Cu계 ), 6000계열 (Al-Mg-Si 계 ) 또는 7000계열 (Al-Zn-Mg) 알루미늄합금의넓은응고온도범위와용접중발생하는열에의한균열문제등으로용융용접의적용이어려웠던고강도시효경화형 Al 합금에대해리벳접합을대신할수있다는점을들수있다. 불활성가스아크용접을사용하면비교적쉽게용접할수있지만, 용접금속내의기공발생, 슬래그또는텅스텐섞임, 용접균열, 열영향부의연화와내식성의저하등의각종결함이생기기쉽다 (Lee and Lee, 2008). 이러한결함의대안으로서의마찰교반용접은고상접합이기때문에용융접합에서생길수있는균열을방지할수있고변형이거의없어기계적성질이우수하고, 아크용접에비해공정또한단순하고용가재가필요없으며용접재와공구의마찰열에의해접합되어진다. 따라서사용조건에맞는알루미늄합금의마찰교반용접조건에대한이해가요구되며, 마찰교반용접공정중용접을완성시키는공구 (Tool) 가회전하는방향에따라재료의 Received 20 September 2012, revised 14 January 2013, accepted 14 February 2013 Corresponding author Won-Jo Park: +82-55-772-9113, wjpark@gnu.ac.kr c 2013, The Korean Society of Ocean Engineers It is noted that this paper is revised edition based on proceedings of KAOST 2012 in Daegu. 37
38 이원준 이효재 김형진 박원조 위치배열이매우중요하다고생각한다. 또한용접과정중의용접결함은균열의성장등으로이어질수있으므로마찰교반용접재에대한피로균열진전거동의특성에대한연구가매우중요하다. 용접조건이나미세조직에관한연구그리고정적강도위주의연구그리고동종소재간의마찰교반용접을실시한연구는많으나, 본실험에서실시한이종간의마찰교반용접재의피로균열진전거동에대한연구는비교적많지않다 (Sato et al., 2001; Jang et al., 2007; Hatamleh et al., 2010). 피로균열진전시험은안전도가최우선과제이면서경량화가절대적으로필요한산업분야에서매우중요하다. 따라서본연구에서는 Al 7075-T6와 Al 2024-T3를이용하여이종간의마찰교반용접을시행하고피로균열진전특성과파면을관찰함으로써, 공구의회전하는방향에따른피로균열진전수명의차이를확인하고자한다. 2. 실험방법 Fig. 1 The illustration of the specimen and welding direction 2.1 실험재료본연구에서사용된재료는폭 190mm, 길이 460mm, 두께 5 mm의판재로서 Al 7075-T6와 Al 2024-T3 를사용하였으며, Table 1과 Table 2는각각본실험에사용된재료의화학적조성과기계적특성을나타낸것이다. 2.2 마찰교반용접마찰교반용접은공구의회전방향에따라우측, 좌측으로회전을하며용접을시행한다. 따라서이러한공구의회전방향의영향을관찰하기위하여실험을수행하였고, 사용된재료인 Al 7075-T6 와 Al 2024-T3 를 Fig. 1과같이압연방향과용접방향을같게하여교반용접을시행하였으며, 본시험에서는방향성을달리하여 AB 시험편은용접되는방향을바라보고좌측에는 Al 7075-T6, 우측에는 Al 2024-T3를놓고용접을진행하였으며 ( 이하 AB시험편 ) GH 시험편은반대로좌측에 Al 2024-T3 우측에 Al 7075-T6를두고 ( 이하 GH시험편 ) 용접을진행하였고, 공구는반시계방향으로회전을하며교반을하였다. 또한, 마찰교반용접의가장중요한변수는접합속도와회전속도이다. 용접조건은다음 Table 3 에서나타낸바와같으며, 두께 5mm의알루미늄판재를접합속도 100mm/min, 회전속도 500rpm으로실시하였다. Table 3 Friction stir welding conditions Pin length 4mm Pin diameter 3mm Tilted -3 Shoulder diameter 15mm Travelling speed 100mm/min Rotation speed 500rpm Table 1 The chemical compositions of Al 7075-T6, Al 2024-T3 Cu Si Mg Zn Mn Fe Ti Cr Al7075-T6 1.2 0.4 2.1 5.1 0.3 0.50 0.25 0.18 Al2024-T3 3.8 0.50 1.2 0.25 0.3 0.5 0.15 0.10 Table 2 The mechanical properties of Al 7075-T6, Al 2024-T3 Tensile Strength (MPa) Yield Strength (MPa) Elongation (%) Al7075-T6 596 516 17.1 Al2024-T3 498 339 26.8 Fig. 2 The schematic of CT specimen for FCG 2.3 피로균열진전실험시험편의채취는응력의변형을최대한고려하였으며용접부의중앙을균열의진전되는방향으로하여압연방향과용접방향이동일하게 T-L방향으로노치선단은곡률반경을최대한 0 에가깝게와이어컷팅가공을하였고, 시험편의규격은 ASTM E647에의하여 Fig. 2 와같이제작하였다. 본연구에사용된시험기는서보유압피로시험기 (MTS 810, 100kN) 을사용하였으며
이종알루미늄합금 FSW 접합부의피로균열진전특성 39 일정진폭하중제어방식으로반복인장을가하였다. 예비크랙의삽입조건은주파수 9Hz, 적용하중파형은정현파, 일정하중진폭으로노치선단에서 2.5mm 삽입하였으며실험조건은상온에서주파수 10Hz, 정현파, 응력비 R=0.3에서실시하였다. 피로균열의길이측정은 COD(Crack opening displacement) 게이지를사용하여컴플라이언스법으로측정하였다. 피로균열진전실험후파단된시험편의파면관찰을위하여주사전자현미경 (Scanning electron microscope, SEM) 으로이용하였으며, 2영역에해당하는 K=12MPa m 0.5 부분과 K=15MPa m 0.5 부분을관찰하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 마찰교반용접특성고찰마찰교반용접은일정한형태의핀을가진공구를재료에삽입하여소성상태로교반되며접합되어진다. 핀은접합표면을따라움직이며재료를소성화시키고접합표면을변형시킨다. 핀상단의숄더부위는지나간용접부재료의소성화를유지한다. 또한, 핀은거의재료의바닥까지이르며액상금속의생성없이용접이완성되어결합되어진다. 용접과정중의마찰에의해발생한열때문에재료는모재 (Base material), 열영향부 (Heat affected zone), 열기계적영향부 (Thermal mechanically affected zone), 교반부 (Stir zone) 으로구분되어지며교반부에서는소성유동에의해동적재결정영역이발생되어결정립이아주미세하게변화한다 (Peel et al., 2006; Woo et al., 2006). 인장시험에서파단은대부분열영향부에서발생된다 (Kim and Kim, 2011). 마찰교반용접시험편의방향을달리하여두개의시험편을준비한이유로는용접의과정중기계적인힘을가하여접합선을따라이동한핀의진행방향과접합의방향에따라앞부분 (Advancing side) 과뒷부분 (Retreating side) 의차이를나타내게되고, 또한 Up-lift 되어진조직의형상이나타나게된다. 따라서재료의위치배열과공구의용접방향등은마찰교반용접시매우중요하게고려되어야하며이러한이유들로인하여피로균열진전수명의차이를가져온다생각된다. Fig. 3 The a-n curve of Al 2024-T3, Al 7075-T6, FSW AB, FSW GH 5.7 10 4 N로 AB시편이약 10,000사이클이우수하며 AB 시편은 Al 2024-T3 대비약 88% 의사이클을보여주고있다. 마찰교반용접한시험편 AB와 GH의피로균열성장속도가 Al 7075-T6보다는느리나 Al 2024-T3 보다는빨리파단에이르는이유는이종간의교반에의한특성이라고생각하며, 접합시에잔류응력이생성되어피로균열성장저항성을증가시키는압축잔류응력의영향과입계파괴양상을유도하면서피로균열성장저항성을감소 3.2 피로균열진전특성 a-n선도를통하여반복되는사이클 N에대한피로균열의길이 a를다음의 Fig. 3에서와같이나타내었다. 응력비 R=0.3 일때의모재와마찰교반용접한시편들의피로균열진전수명차이를관찰할수있으며 Al 7075-T6와 Al 2024-T3의방향성은 Fig. 1에서설명했던것과같다. Al 7075-T6의피로균열진전수명이가장짧고 Al 2024-T3의피로균열진전수명이가장길었으며 AB방향의시험편과 GH방향의시험편중 AB방향의시험편이좀더나은피로균열진전수명을보이고있다. AB 시험편과 GH 시험편의수명의차이가나는것은 Al 7075-T6에비해낮은강도를가지지만보다긴피로균열진전수명의특징을가지는 Al 2024- T3가공구의전진측에놓여져교반되어지는것이길게된원인이라생각된다. 크랙길이 28mm 지점에서 cycle의비교는 Al2024-T3가약 7.6 10 4 N, Al 7075-T6가약 4.9 10 4 N를나타내었고마찰교반용접한 AB 시편이약 6.7 10 4 N, GH 시편이약 Fig. 4 The - curve of Al 2024-T3 and Al7075-T6
40 이원준 이효재 김형진 박원조 Table 4 Experimental Constants by for Fatigue Crack Growth C Range Al 2024-T3 2.58X10-7 8.97 15.48 Al 7075-T6 3.77X10-7 9.23 16.01 AB 4.81X10-8 9.48 16.74 GH 2.65X10-8 9.54 17.73 Range Al 2024-T3 2.80171 1.25X10-4 5.83X10-4 Al 7075-T6 2.79369 1.83X10-4 8.88X10-4 AB 3.46055 1.29X10-4 8.20X10-4 GH 3.80102 1.58X10-4 1.79X10-3 =3.42 10-4 이며 Al 7075-T6의 =4.88 10-4, 용접재 AB의 =3.45 10-4 이고용접재 GH의 =4.56 10-4 이다. Al7075-T6 모재시험편에비해 GH, AB 시험편의순으로균열성장속도가늦으며 Al 2024-T3시험편의균열성장속도가가장느림을알수있었고용접시편간에도성장속도가확연히다름을확인할수가있었다. 이렇듯이시험편의이종간의접합시에는공구가회전하는방향에따라재료의위치배열이피로균열진전수명에많은영향을미치고있음을확인할수가있었다. Fig. 5 The - curve of FSW AB and FSW GH 시키는미세재결정립의영향으로생각되어진다 (Hong et al., 2007). Fig. 4와 Fig. 5는응력비 R=0.3, 정현파, 주파수 10Hz로하여진행된 및 의관계를나타낸그림이다. 응력비 R은 Pmin/Pmax이고, StageⅡ 에서의피로균열진전곡선은직선적인관계를가지며다음의식으로나타낸다. 위식은 Paris의법칙이라하며 C는재료상수이고 m은피로균열진전지수가되며재료, 응력비, 환경등에따라변하는값이다 (Park et al., 2001; Lim et al., 2002). 본실험의재료상수 C 와피로균열진전지수 m은 Table 4와같다. 일반적으로 m값의증가는균열진전속도가빠르다는것을나타낸다. 모재인 Al 2024-T3와 Al 7075-T6를비교하여볼때피로균열의진전이느린 Al 2024-T3가오히려 m값이큰이유는 Al 7075-T6가 Stage Ⅱ( 중간속도영역 ) 구간에서는더느린진전을한다는것을의미하고 StageⅡ를지나 StageⅢ 에이르러서는임계균열크기에달하여급격한파단이일어났다는것을의미한다. 마찰교반용접한시험편 AB와 GH를비교하여볼때 GH시편이 AB시편에비해 m값이크므로균열진전속도가더빠르다는것을확인할수있다. 본실험의결과로균열초기의 da/dn값에서부터마찰교반용접한시험편과모재시험편의차이를확인할수있었다. 응력확대계수가 =13MPa m 0.5 일때모재인 Al 2024-T3는 3.3 파단면관찰 Fig. 6과 Fig. 7에서마찰교반용접한피로균열진전시험편을실험후주사식전자현미경을이용하여관찰한파단면사진을나타내고있다. 피로파괴의전형적인스트라이에이션 (Striation) 을생성하고있는것을확인할수있었으며, 인장과압축에의한균열열림과균열닫힘에의한영역이며, 각스트라이에이션의간격은한사이클당균열진전량 ( ) 과같다 (Park et al., 2006; Lee et al., 2009). Al 2024-T3와 Al 7075-T6와마찰교반용접한 AB, GH 시험편을비교하여볼때 Al 2024-T3의스트라이에이션의간격이가장좁게관찰되었으며 AB시험편 GH시험편순으로좁았으며 Al 7075-T6의스트라이에이션간격이가장크게나타났다. 이는피로균열진전실험의결과와도잘부합이되며, 스트라이에이션의간격크기가크다는것은균열성장속도와대응해보면피로균열진전수명이낮게평가됨을검증할수있다. 마찰교반용접한시험편과 Al 2024-T3에대해서는알루미늄합금의전형적인파면양상인딤플이관찰되었으며 Al 7075-T6는전형적인취성스트라이에이션을볼수있었다. Fig. 6은응력확대계수범위 =12MPa m 0.5 이되는부분의스트라이에이션을비교하였으며 Fig. 7은응력확대계수범위 =15MPa m 0.5 이되는부분의스트라이에이션을비교하였다. Al 2024-T3에서관찰되는스트라이에이션은전형적인연성스트라이에이션 (Ductile striation) 의형태로 Al 7075-T6의파면과는달리플래트 (Plateau) 가거의직각으로존재하는모습이관찰되어진다. 그리고방향성에따라다르게용접되어진마찰교반용접한시험편에서는 AB와 GH 시편의각각다른파면양상이관찰되어진다. AB 시험편의경우에는스트라이에이션이선명하게관찰되나, GH 시험편의경우
이종알루미늄합금 FSW 접합부의 피로균열진전 특성 41 (a) Overall(Al2024-T3) (b) Magnification(Al2024-T3) (c) Overall(Al7075-T6) (d) Magnification(Al7075-T6) (e) Overall(AB) (f) Magnification(AB) (g) Overall(GH) (h) Magnification(GH) Fig. 6 SEM fractography of fatigue crack growth( =12MPa m0.5) (a) Overall(Al2024-T3) (b) Magnification(Al2024-T3) (c) Overall(Al7075-T6) (d) Magnification(Al7075-T6) (e) Overall(AB) (f) Magnification(AB) (g) Overall(GH) (h) Magnification(GH) Fig. 7 SEM fractography of fatigue crack growth( =15MPa m0.5) 에는 연성파괴의 흔적인 등축딤플과 플래트가 보이고 있다. 이렇 게 마찰교반용접한 시험편의 용접되어진 방향에 따라 차이를 보 이는 이유로 소성유동을 하며 용접을 하는 공구가 지나가며 발 1) 피로균열진전 시험을 상온에서 실시한 결과 Al 2024-T3의 피로균열진전 수명이 가장 길고 Al 7075-T6의 피로균열진전 수 명이 가장 짧았으며 AB 시편은 Al 2024-T3 대비 약 88%의 사 생되어진 Up-lift 되어지는 조직의 발생이 방향성에 따라 피로 균열진전의 수명의 차이를 보이게 되는 한가지의 원인이라 생각 된다. 이종간의 용접시에는 방향성을 고려하여 실시하는 것이 중 이클로 나타났다. 2) 마찰교반용접의 이종간의 접합시에는 공구가 회전하는 방 향에 따라 재료의 위치 배열이 피로균열진전 수명에 많은 영향 요하다고 판단 되어진다. 을 미치며, Al 2024-T3가 공구의 전진측 방향에 놓여져 마찰교 반용접된 AB방향의 시험편이 GH방향의 시험편에 비해 비교적 높은 피로균열진전 수명으로 나타났다. 4. 결 론 본 연구에서는 이종재인 Al 2024-T3와 Al 7075-T6에 마찰교 반용접을 시행한 후 피로균열진전시험을 실시하고 그 파면을 3) Advancing side에 보다 연성적인 재료인 Al 2024-T3가 위 치한 AB 시험편의 경우에는 취성적 파면 형태에 가까우나, GH 시험편의 경우에는 연성적 파괴의 흔적인 딤플과 플래트가 관 관찰함으로서 다음과 같은 결론을 얻었다. 찰된다.
42 이원준 이효재 김형진 박원조 후기본연구는교육과학기술부및한국산업기술재단의지역혁신인력양성사업, 경상대학교 2단계 BK사업으로수행된연구결과이며이에관계자여러분께감사드립니다. 참고문헌 Cho, J.H., Kim, M.H., Choi, J.W., 2012. Application of Friction Stir Welding Processes for Aluminum alloy Boat. Journal of KWJS, 30(2), 135-140. Hatamleh, O., Forth, S., Reynolds, A.P., 2010. Fatigue Crack Growth of Peened Friction Stir-Welded 7075 Aluminum Alloy Different load Ratios. Journal of Materials Engineering Performance, 19, 99-106. Hong, S.J., Jang, Y.H., Jeong, Y.I., Lee, T.J., Lee, C.G., Kim, S.J., Kim, S.S., 2007. Fatigue Crack Propagation Behavior of Friction Stir Welded 5083-H32 and 6061-T651 Aluminum Alloys. J. Kor. Inst. Met. & Mater, 45(02), 90-100. Jang, S.K., Han, M.S., Jeon, J.I., 2007. Effects of Tool Rotation and Transition Speed during Friction Stir Welding of Al 7075-T651 Alloy. Trans. of the KSME (A), 31(14), 532-539. Kim, C.O., Kim, S.J., 2011. Effect of welding condition on Tensile Properties of Friction Stir Welded Joints of Al-7075- T651 Plate. Journal of the Korea Society for Power System Engineering, 15(2), 61-68. Kim, C.O., Sohn, H.J., Kim, S.J., 2011. Friction Stir Welding of 7075-T651 Aluminum Plates and Its Fatigue Crack Growth Property. Trans. of the KSME (A), 35(10), 1347-1353. Lee, H.J., Park, S.H., Park, W.J., 2009. Characteristics of Fatigue Crack Growth for Camshaft Material Applied to High Frequence Induction Treatment. Journal of Ocean Engineering and Technology, 23(3), 46-52. Lee, Y.H., Lee, K.C., 2008. Welding/Joining Engineering. Intervision, Korea. Lim, M.B., Yoon H.K., Park, W.J., 2002. A study on the X-ray Diffraction Analysis and the Fatigue crack Growth Behavior for the Gas Piping Material. Journal of Ocean Engineering and Technology, 16(3), 54-58. Park, K.D., Kim, J.H., Yoon, H.K., Park, W.J., 2001. A study on Fatigue Crack Propagation Behavior Pressure Vessel Steel SA516/70 at High Temperature. Journal of Ocean Engineering and Technology, 15(2), 105-110. Park, W.J., Huh, S.C., Park, S.H., 2006. A Study on the Fatigue Characteristics of Al6061-T651 by Shot Peening Velocity. Key Engineering Materials, 326-328 Ⅱ, 1093-1096. Peel, M.J., Steuwer, A., Withers, P.J., 2006. Dissimilar Friction Stir Welds in AA5083-AA6082. Part Ⅱ: Process Parameter Effects on Microstruecture. Matall. Mater. Trans. A., 37 (7), 2195-2206. Sato, Y.S., Kokawa, H., Ikeda, K., Enomoto, M., Jogan, S., Hashimoto, T., 2001. Microtexture in Friction Stir Weld of an Aluminum Alloy. Metallurgical and Materials Transcations, 32A, 941-948. Woo, W.C., Choo, Hahn., Brown, D.W., Feng, Z.L., Liaw, Peter. K., 2006. Angular distortion and through-thickness residual stress distribution in the friction stir processed 6061-T6 aluminum alloy. Materials Science and Engineering A, 437, 64-69.