3 특집 : 마찰교반접합 연윤모 이창용 최돈현 이종봉 정승부 Friction Stir Welding of Stainless Steels Yun-Mo Yeon, Chang-Yong Lee, Don-Hyun Choi, Jong-Bong Lee and Seung-Boo Jung 1. 서론 마찰교반접합 (Friction Stir Welding, FSW) 1) 기술은고상접합으로서종래의용접법에비해접합시변형이작고접합결함이적으며접합부의기계적특성이양호하다는등의여러가지우수한특징이있어경량화가요구되는철도차량, 자동차, 선박, 항공우주기기, 토목구조물, 반도체기기등여러가지분야에서비교적단기간에실용화되어왔다 2-5). 종래, 마찰교반접합기술적용의대부분은알루미늄 (Al) 합금, 마그네슘 (Mg) 합금및구리 (Cu) 합금등과같이융점이비교적낮은재료에한정되어왔으나최근에는철강재료와같이비교적융점이높은재료에마찰교반접합이적용되고있다. 철강재료의마찰교반접합에관한연구보고는툴재질및접합장치의문제로알루미늄합금과같은비철재료의경우에비하면상대적으로적다. 그러나그중에서도 6-11) 은툴재질의마모문제가일부있음에도불구하고금속조직적특성에관해비교적활발히보고되었으며최근에는국내에서도오스테나이트계스테인리스강에관한연구 12-13) 가발표되기시작하였다. 따라서본보고에서는에관한이제까지의보고를조직, 툴의마모및내식성을중심으로정리하여소개하고자한다. 2. 접합부조직 오스테나이트계부각부분의미세조직은알루미늄합금의경우와거의비슷하지만교반부일부에서밴드조직이형성된다는점이다르다. 34 스테인리스강 (6t) 을 PCBN툴을사용하여 55rpm, 78mm/min의접합조건에서마찰교반접합한후의접합부단면마크로조직을 Fig. 1 7) 에나타낸다. 접합부에는어떠한내부결함도관찰되지않으나교반부 Welding direction(wd) Retreating side Advancing side - -5 5 (mm) Fig. 1 Cross section perpendicular to the welding direction in 34 stainless steel friction stir weld Fig. 2 Microstructure of the stir zone at the advancing side(34 stainless steel). (a) overview, (b) (c) detailed microstructure of A and B regions (SZ) 의일부에서띠형태의조직이관찰된다. 교반부일부의이러한조직을좀더미세하게보면 Fig. 2 7) 에나타내듯이교반부의전진측 (advancing side, AS) 에서형성되는띠형태의밴드조직으로서이러한밴드조직은 316L 스테인리스강마찰교반접합부 6) 의 AS 에서도확인되고있다. 34 스테인리스강마찰교반접합부의밴드조직은깊게에칭된선상조직 (A) 및층상조직 (B) 으로분류된다. 밴드조직중의입계및입내에는미세한석출물이관찰되며 Fig. 3 7) 의 TEM조직의전자회 574 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 8
31 스테나이트계스테인리스강의마찰교반부에서생기는특이한현상이라할수있다. 3. 접합부의경도분포, 결정입도및페라이트량 Fig. 3 Higher magnified TEM images of the particles in the regions A and B, and selected area diffraction patterns(34 stainless steel) 절도형에나타내듯이석출물은내부에다수의적층결함이있는시그마상이다. 또한 34 스테인리스강모재의판두께가 2mm로얇아마찰교반접합과정의냉각속도가빠른경우 ) 에는시그마상이보이지않고 δ페라이트가관찰된다. SZ의밴드형태의조직은겹치기마찰교반접합부에서도관찰된다. Fig. 4 13) 은 34 스테인리스강 (.6t) 을 8rpm, 87mm/min 의접합조건에서 WC툴로겹치기마찰교반접합한경우의광학현미경조직을나타낸다. Fig. 4(c) 에나타내듯이 SZ는모재 (Fig. 4(b)) 에비해매우미세화되며등축의재결정조직이다. SZ의 AS에서는 Fig. 4(d) 에나타내듯이밴드형태의조직이형성되며열가공영향부 (TMAZ) 에서는 Fig. 4(e) 에나타내듯이미세하면서연신된형태의조직을나타낸다. 이상에서와같이이러한밴드조직은 34 스테인리스강과같은오 34 스테인리스강 (2t) 을 PCBN툴을사용하여 13rpm, 27mm/min 의접합조건에서마찰교반접합한접합부단면의경도분포를 Fig. 5 ) 에나타낸다. 모재의평균경도는 18Hv 이나접합부의경도는 TMAZ 에서증가하며 SZ의경도는 TMAZ의경우에비해오히려약간감소한다. 34스테인리스강 SZ의경도가모재에비해높고최고경도를나타내는영역은밴드조직을나타내는영역과일치한다. 그러나 316L 부 6) 에서는경도변화및열영향부 (HAZ) 의연화가거의나타나지않는다. 이들 34 스테인리스강마찰교반접합부의결정입도를 Fig. 6 ) 에나타낸다. SZ 및 TMAZ 의결정입도는평균적으로모재의경우에비 Vickers hardness(hv) 24 22 18 16 14 TMAZ on the retreating side Average hardness of the base material TMAZ on the advancing side 12-15 - -5 5 15 Fig. 5 Hardness profiles along transverse direction in 34 stainless steel FS weld 16 14 12 Grain size( μm ) 8 6 Average grain size of base material is 8.8 μm. 4 2 TMAZ on the retreating side TMAZ on the advancing side Fig. 4 Microstructures of cross section in 34 stainless steel friction stir lap weld. (a)overview (b)bm (c)sz (d)band structure in SZ (e)tmaz/haz Fig. 6-5 5 Grain size distribution obtained from OIM maps via mean intercept method in 34 stainless steel FS weld 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 8 年 12 月 575
32 연윤모 이창용 최돈현 이종봉 정승부 해약간작다. 이와같은결절립의미세화뿐만아니라모재에비해높은 SZ 및 TMAZ의전위밀도및 SZ의 AS에서의미세한시그마상의분산등도경도를증가시키는데기여한다 ). 이상의오스테나이트계스테인리스강의경우에비해페라이트계부의경도분포는크게다르다. 43 페라이트계스테인리스강 (6t) 을 55rpm, 8mm/min의접합조건에서마찰교반접합한접합부단면의경도변화를 Fig. 7 14) 에나타낸다. SZ 중심부에서경도가모재에비해증가되는데, 그주된이유는 SZ부에서의마르텐사이트의형성과미세화된 2상조직 ( 페라이트 + 마르텐사이트 ) 때문이다. 2상스테인리스강 ( 페라이트 + 오스테나이트 ) 을용융용접하는경우, 용접금속중의페라이트량이증대되는문제점이있지만마찰교반접합하는경우에는이러한문제가생기지않는다. Fig. 8 15) 에 2상스테인리스강 (25Cr- 7Ni-3.5Mo) 접합부의페라이트량분포를나타내는데접합부전체와모재가거의비슷한정도의페라이트량 Vickers hardness number, Hv 4 35 3 25 15 5 Average hardness of the base material 1mm from upper surface 3mm from upper surface 5mm from upper surface -2-2 Fig. 7 Hardness distribution in 43 stainless steel FS weld 이유지된다. 4. 최고온도및접합툴의마모 스테인리스강은알루미늄합금에비해강도가높아마찰교반접합시, 회전마찰에의한열이많이발생하여접합툴및교반부가고온으로가열되므로접합툴의마모가중요하다. 34 스테인리스강을 55rpm의툴회전속도로마찰교반접합할경우, 접합중심부의최고가열온도를열전대를사용하여측정하면 Fig. 9 6) 에나타내듯이약 1 의고온으로되는데이부분은교반부 (SZ) 에해당되며열가공영향부 (TMAZ) 는약 까지가열된다. 그러나툴회전속도가높지않은경우 8) 에는최고가열온도가약 9 이하로저하된다. 스테인리스강을마찰교반접합하면교반부가 Fig. 9에서와같이고온으로가열되므로접합툴사용전후의형상을비교하면접합툴의마모가발생한다. Fig. 16) 은여러가지종류의스테인리스강을 PCBN툴로마찰교반접합한후의 BM, 교반부의 retreating side (SZ- RS) 및교반부의 advancing side(sz-as) 각각영역에서의질소량분석결과를나타낸다. 페라이트계 43 스테인리스강및 2상 329J4L 스테인리스강에서는 BM 및 SZ-RS 에비해 SZ-AS에서 N함유량이약간증가하지만교반부전체의질소량변화는거의나타나지않는다. 이에비해오스테나이트계스테인리스강 (34, 316L, 3) 은 SZ-AS에서 BM 및 SZ-RS 에비해질소량이현저히증가한다. 이는 PCBN 툴의마모가오스테나이트계스테인리스강에서현저하다는것을보여준다. 이러한오스테나이트계부의 SZ-AS 에서는 Fig. 2 7) 에나타낸것과같은전형적인밴드조직이형성된다. 316L 스테인리스강 FSW 접합부 SZ-AS 의밴드조직내 1 Ferrite content(%) 8 6 4 2 Stir zone Max. Temp., T/deg C 8 6 4-15 - -5 5 15 Fig. 8 Profile of ferrite content in duplex stainless steel FS weld Fig. 9 5 15 2 Peak temperature as function of the distance from the weld centerline in 34 stainless steel FS weld(55rpm, 8mm/min) 576 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 8
33 Nitrogen content (wt%).3.25.2.15..5 Base material Stir zone on the retreating side Stir zone on the advancing side. SUS43 SUS329J4L SUS34 SUS316L SUS3 Fig. Nitrogen contents of BM, SZ-RS and SZ-AS in friction stir welded stainless steels Fig. 11 (a)stem images of stir zone on the advancing side in 316L stainless steel. (b~f)selected area electron diffraction patterns and EDX spectra of particles and matrix 르게나타난다. PCBN툴을사용하여마찰교반접합한 34 스테인리스강접합부의입계부식시험 ( 황산 황산제 2철부식시험 ) 후의 BM, HAZ, SZ, SZ의 AS에서의 SEM사진을 Fig. 12 9) 에나타낸다. 마찰교반접합재 HAZ에서의입계부식은 Fig. 12(b) 에나타내듯이같은정도의접합깊이의용융용접 (Fig. 13(e)) 에비해매우억제되는데이는마찰교반접합부의 HAZ는같은정도의접합깊이의용융용접에비해예민화온도영역에유지된시간이 1/5정도로짧기때문이다 9). 또한, SZ는 Fig. 12(c) 에나타내듯이거의부식되지않는다. 그러나 SZ의 AS에서의결정입계는 Fig. 12(d) 에나타내듯이깊게부식되며내식성이저하한다. Fig. 12에서와같은접합조건에서 W-Re 툴로마찰교반접합한후, EPR시험 ( 재활성화부식시험 ) 에의해측정한 34 스테인리스강접합부각영역의예민화도를 Fig. 13 11) 에나타낸다. PCBN 툴을사용하여접합한경우, SZ의 AS에서는예민화도가매우높고 Fig. 12(d) 의부식표면결과와도잘대응되나 W-Re 툴을사용한경우의예민화도는 SZ-AS 뿐만아니라기타영역에서의경우에도매우낮으며 HAZ의경우라도용융용접 HAZ 의경우에비해약 1/3 정도로낮다. 이러한부식시험결과로미루어오스테나이트계스테인리스의경우에는 W-Re 툴을사용하는것이 PCBN툴의경우에비해마 의 PCBN 파편의형태를 STEM/EDX 로분석한결과를 Fig. 11 16) 에나타낸다. 미세한입자가입계및입내에분포하는데이들입자는기지에비해 Cr함유량이높고 Ni량은낮으며 B피크는관찰되지만 N피크는관찰되지않는다. 전자선회절패턴결과에따르면이들입자는 Cr 2 B 또는 CrB으로 PCBN 접합툴은마찰교반접합중, 고온에서마모되어 PCBN파편이오스테나이트기지와반응하여 CrB계화합물을형성하나 PCBN파편으로부터의 N은오스테나이트기지에고용되어화합물형성에는영향을미치지않는다 16). 한편, WC툴을사용하여 34 스테인리스박판 (.6t) 을마찰교반접합하는경우 13) 에는접합툴중의 W입자가극히미량이지만마모에의해기지내로미세하게혼입되기도한다. 5. 접합부의내식특성 마찰교반접합은고상접합이므로용융용접에비해접합온도가낮아열영향을적게받아오스테나이트계스테인리스강열영향부의입계부식은경미하지만교반부전진측 (SZ-AS) 의내식성은사용되는툴재질에따라다 Fig. 12 SEM images of several regions after ferric sulfate-sulfuric acid test in 34 stainless steel FS weld 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 8 年 12 月 577
34 연윤모 이창용 최돈현 이종봉 정승부 Current ratio(%) 6 5 4 3 2 1.28%.36%.14%.32% 4.98% BM HAZ SZ SZ-AS SZ-AS (PCBN).9% HAZ (GTAW) Fig. 13 Reactivation current ratios in the BM, the HAZ in 34 stainless steel FS weld, the SZ, the advancing side of the SZ and the HAZ in the GTA weld 찰교반접합부의내식성을크게향상시킴을알수있다. PCBN툴로마찰교반접합한 34 스테인리스강의 SZ-AS 에서입계부식이심하고예민화도가높게나타나는것은시그마상및 CrB 주변에 Cr결핍층이형성되는데기인된다 17). Fig. 14 9) 의 TEM/EDX 분석결과에의하면 HAZ 입계근방의 Cr결핍은 Fig. 14(d) 에나타내듯이경미하지만 SZ의 AS에서의 Cr결핍은 Cr석출물 (Cr 2 B, CrB 등 ) 의생성에의해 Fig. 14(e) 에나타내듯이현저해진다. 이러한 SZ의 AS에서의현저한 Cr결핍 (13% 이하 ) 에의해 SZ의 AS에서의내식성이저하되며 Fig. 13에나타냈듯이예민화도가가장높게나타나게된다. 형태로서 BM의경우와같이모재부에서파단된다. 또한, 34 스테인리스강을 WC 툴을사용하여 8rpm, 87mm/min 의접합조건에서겹치기마찰교반접합한경우 13) 에도모재부파단이관찰된다. 그러나 34 스테인리스강마찰교반접합부의연신률은일반적으로모재에비해약간감소한다. 43 페라이트계스테인리스강 (6t) 을 PCBN 툴을사용하여 55rpm, 8mm/min 의접합조건에서마찰교반접합한접합재의인장특성을 Fig. 16 14) 에나타낸다. 마찰교반접합한 43 페라이트계스테인리스강 (FSW- T) 의인장강도는거의모재와비슷한값을나타내지만연신률은모재연신률의약 2/3정도를나타낸다. 또한, 마찰교반영역만으로이루어진마찰접합재 (FSW-L) 의경우는모재의경우에비해거의 2배의강도를나타내는반면연신률은거의절반으로감소한다. 이는 SZ에형성된많은양의마르텐사이트에기인된다 14). 2상스테인리스강 (4t) 을 45rpm, 6mm/min의조건에서접합한경우 15) 도접합부의항복강도및인장강도는모재의경우와비슷하나연신률은감소하는경향을나타내며인장시험후의파단은 TMAZ(RS 영역 ) 와 SZ의경계부에서발생한다. 이상에서와같이마찰교반접합한스테인리스강의접합강도는강종에관계없이비교적양호하나마찰교반접합부의조직변화및경화현상으로인해접합재의연신 6. 접합부의기계적성질 34 스테인리스강마찰교반접합재를인장시험하면주로모재에서파단될정도로접합강도가우수하다. Fig. 15 6) 은 PCBN 툴을사용하여 55rpm, 8mm/min 의접합조건에서마찰교반접합한시편의인장시험후의파단 Fig. 15 Fractured transverse tensile specimen of the friction stir welded 34 austenitic stainless steel and the base metal 9 5 45 Cr concentration (wt%) 22 2 18 16 14 12-4 - 4 Distance from grain boundary(nm) Cr concentration (wt%) 22 2 18 16 14 12-4 - 4 Distance from grain boundary(nm) Fig. 14 TEM images and Cr content profiles near grain boundaries by EDS analysis in the HAZ and the advancing side of the stir zone Strength, σ.mpa 8 7 6 5 4 3 BM-T FSW-T BM-L FSW-L 4 35 3 25 2 15 5 Elongation(%) Fig. 16 Transverse and longitudinal tensile properties of friction stir welded 43 ferritic stainless steel 578 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 8
35 률은일반적으로감소한다. 7. 맺는말 스테인리스강의용접은종래의아크용접기술로도가능함에도불구하고마찰교반접합특성이요구되는특수분야라면본기술의적용이가능하리라생각된다. 특히마찰교반접합기술이알루미늄합금철도차량에이미실용화되고있듯이스테인리스철도차량제조에도그적용이검토될수있으리라기대된다. 또한, 이그동안동종재위주로연구되어왔다면향후에는스테인리스강과이종재료와의접합이요구되는분야에마찰교반접합기술의적용이기대된다고하겠다. 참고문헌 1. W.M.Thomas, E.D.Nicholas, J.C.Needhan, M.G.Murch, P.Temp Smith and C.J.Dawes: International Patent Application PCT/GB92/223 and GB Patent Application 9125978.8, UK Patent Office, London, December 6(1991) 2. M.R.Johnsen: Welding Journal, 78-2(1999), 35-39 3. H.Okamura, K.Aota, M.Ezumi: Journal of Japan Institute of Light Metal, 5-4(), 166-172(in Japanese) 4. Y.S.Sato, H.Kokawa: Journal of the High Temperature Society, 32-3(6), 165-171(in Japanese) 5. H. Fujii: Journal of Japan Institute of Light Metal, 57-11(7), 499-55(in Japanese) 6. K.Okamoto, S.Hirano, M.Inagaki, S.H.C.Park, Y.S.Sato, H.Kokawa, T.W.Nelson, C.D.Sorensen : Proc. 4th Int. Sympo. Friction Stir Welding, TWI, Park City, Utah, USA, (3), CD-ROM 7. S.H.C.Park, Y.S.Sato, H.Kokawa, K.Okamoto, S.Hirano and M.Inagaki: Scripta Mater., 49(3), 1175-118 8. A.P.Reynolds, W.Tang, T.Gnaupel-Herold and H.Prask: Scripta Mater., 48(3), 1289-1294 9. S.H.C.Park, Y.S.Sato, H.Kokawa, K.Okamoto, S.Hirano and M.Inagaki: Scripta Mater., 51(4), 1-5. S.H.C.Park, Y.S.Sato, H.Kokawa, K.Okamoto, S. Hirano, M.Inagaki: Science and Technology of Welding and Joining, -5(5), 55-556 11. Y.S.Sato, M.Muraguchi, H.Kokawa: Friction Stir Welding and Processing Ⅳ, TMS(7), 261-268 12. Heung-Ju Kim, Hyun-Jin Cho, Woong-Seong Chang: Proceedings of the 6 Spring Annual Meeting of KWJS, 286-288(in Korean) 13. Chang-Yong Lee, Don-Hyun Choi, Seong-yun Pyo, Won-Bae Lee, Jong-Bong Lee, Yun-Mo Yeon, Seung- Boo Jung: Proceedings of the 7 Autumn Annual Meeting of KWJS, 158-16(in Korean) 14. S.H.C.Park, T.Kumagai, Y.S.Sato, H.Kokawa, K. Okamoto, S.Hirano, M.Inagaki: Proceedings of The Fifteenth International Offshore and Polar En- gineering Conference, Seoul, Korea, June 19-24, (5) 15. Y.S.Sato, T.W.Nelson, C.J.Sterling, R.J.Steel and C.O.Pettersson: Mater. Sci. Eng. A, 397(5), 376-384 16. S.H.C.Park, Y.S.Sato, H.Kokawa, K.Okamoto, S.Hirano, M.Inagaki: Preprints of the National Meeting of Japan Welding Society, 77(5), 174-175(in Japanese) 17. S.H.C.Park: Microstructures and properties of friction stir welded sinless steels (Ph.D. thesis), Tohoku University, 5 최돈현 ( 崔敦鉉 ) 1982년생 성균관대학교신소재공학부 마찰교반접합, 마이크로접합 e-mail : cdh326@skku.edu 연윤모 ( 延倫模 ) 1953년생 수원과학대학신소재응용과 마찰교반접합, 마찰교반점용접 e-mail : ymyeon@ssc.ac.kr 이종봉 ( 李種鳳 ) 1953년생 POSCO 기술연구소 철강용접 e-mail : jongblee@posco.co.kr 이창용 ( 李暢鎔 ) 1974년생 한국과학기술원기계기술연구소 마찰교반접합, 마이크로접합 e-mail : lcy11@skku.edu 정승부 ( 鄭承富 ) 1959년생 성균관대학교신소재공학부 마이크로조이닝, 마찰교반접합 e-mail : sbjung@skku.ac.kr 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 8 年 12 月 579