[Research Paper] 대한금속 재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 10 (2017), pp.716~723 DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.10.716 716 Al 5083 합금용접부의기계적물성에미치는 Mg 의영향 김동윤 김동철 강문진 김영민 한국생산기술연구원용접접합그룹 Effect of Aluminum Welding Wire Mg Content on the Mechanical Properties of Al 5083 Alloy Weld Metal Dongyoon Kim, Dongcheol Kim, Munjin Kang, and Young-Min Kim * Joining R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 21999, Republic of Korea Abstract: A new aluminum welding wire with 0.8 wt% higher in Mg content was developed and compared with commercial welding wire of the 5000 series. The weldability of the Al5083 base material was evaluated using high current metal inert gas (MIG) welding, using the developed Al5183 and commercial Al5183 welding wire. For the wire with 5.1 wt% Mg content, the hardness of the weld metal decreased with increasing heat input to the center of the weld under low and high heat input conditions. For the wire with 5.9 wt% Mg content, the hardness of the weld metal did not decrease under low and high heat input conditions. The wire with 5.1 wt% Mg content exhibited a tensile strength of about 300 MPa under the low/medium heat input conditions. The tensile strength decreased to 284 MPa under high heat input conditions. However, the welding wire with 5.9 wt% Mg content exhibited a tensile strength of 300 MPa regardless of the heat input condition. Dendritic microstructures were observed in the center of the welds in both wires, with Mg contents of 5.1 wt% and 5.9 wt%, and the second dendrite arm spacing (SDAS) increased with increasing heat input. (Received May 8, 2017; Accepted July 10, 2017) Keywords: aluminum 5083 alloy, magnesium, welding wire, metal inert gas welding, tensile strength, hardness 1. 서론 세계적인에너지수요증가및석유자원고갈로인해높은연료효율과낮은탄소배출특성을가지고있는액화천연가스 (Liquified Natural Gas, LNG) 의수요가지속적으로증가 하고있는상황이다 [1-4]. 이에따라 LNG 를저장하는저장 고의수요도증가하는추세이다. LNG 저장고는 LNG 를액화 천연가스로액화시켜저장해야하기때문에저장고의소재 는액체의압력및극저온특성을만족해야만한다. 이러한 LNG 저장고로쓰이는소재는스테인리스강, 알루미늄합금, 니켈합금강등이있다. 이중알루미늄 5000계열합금은비 열처리형합금으로강도가우수하며극저온 (-196 ) 에서우 수한기계적특성으로인해 LNG 탱크소재로적용되고있다 [5-8]. LNG 탱크소재로적용가능한알루미늄합금소재는 *Corresponding Author: Young-Min Kim [Tel: +82-32-850-0232, E-mail: ymkim77@kitech.re.kr] Copyright c The Korean Institute of Metals and Materials 5000 계열의 5052, 5083 소재등이있는데높은용접아크열에의해비교적강도저하가작은 5083 소재가주로적용되고있다. 알루미늄 5083 합금은마그네슘함량이 4-5 wt% 로다른알루미늄합금에비해높은강도와내식성및용접성을가진다 [9-11]. 알루미늄 5000계열합금은 Mg 의첨가에의한고용강화를통해강도를증가시키지만, 5000계열알루미늄합금내의 Mg 성분은산화및발화특성으로인하여첨가할수있는마그네슘함량이제한되어있다. 알루미늄 5083 합금을모재로이용한아크용접에서는요구용착량을만족하기위해가공후다층용접을실시하게되는데, 이때용접부균열및기공과같은용접결함이발생하기쉽다. 이러한용접결함방지를위해서대전류용접기술을통한용접횟수를줄이는방법등이있다. 또한알루미늄 5000계열합금의아크용접시용착금속부연화로인한용접부강도저하문제도있다. 예로 LNG 탱크소재로사용되고있는 5083 알루미늄소재에대한용접부요구강도는현재최
김동윤 김동철 강문진 김영민 717 Table 1. The chmeical composition and mechanical properties of base material Al5083 Al5083 Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al wt% 0.205 0.258 0.035 0.687 4.496 0.105 0.039 0.0275 Bal. Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) Elongation (%) 215 322 18.2 Table 2. The chemical composition and mechanical properties of filler wire Si Fe Cu Mn Mg Cr Ca Ti Al wire-1 0.07 0.17-0.66 5.10 0.07-0.07 Bal. wire-2 0.06 0.10 0.01 0.66 5.98 0.10 0.04 0.04 Bal. Fig. 1. The schematic diagram of welding sample. The groove angle is 120 and the root face is 14 mm. 하기위해미세조직분석및화학성분을분석하였다. 2. 실험방법 소 270 MPa를요구하고있는상황이다. LNG 탱크소재로적용되고있는알루미늄소재두께는 25 mm에서최대 80 mm 로아크용접시적용되는입열이상대적으로높아비점이낮은 Mg 의기화가발생할수있으며, 이로인해용착금속부의연화가발생하여선급에서요구하는강도를확보하지못할경우가발생할가능성이있다 [12-14]. 이러한문제를해결하기위해서는아크용접시사용되는용접와이어에 Mg 의함량을증가시켜용착금속부연화를방지하는방법이있다 [15]. 최근알루미늄 5083 합금의대전류아크용접을위해기존상용용접와이어대비 Mg 함량을증가시킨새로운알루미늄합금용용접와이어가개발되었다. 본연구에서는기존 5083 알루미늄합금용용접와이어와새롭게개발된알루미늄 5083 합금용용접와이어를이용하여 Mg 함량이알루미늄 5083 합금용접부의기계적특성에미치는영향에대해서연구하였다. 본연구를위해서직경 4.8 mm 용접와이어를이용하여두께 25 mm의알루미늄 5083 합금모재를양면용접하였다. 그후용접부의경도, 인장강도등의기계적물성을평가하였으며 Mg 함량에따른용접부의변화를관찰및비교 본연구에서는정전류형의 1500A급 metal inert gas (MIG) 용접기를사용하였으며, 용접토치는보호가스의편류, 난류를줄이고용접중용융부를외부공기로부터완전하게차단하기위하여대구경이중보호가스공급용토치를사용하였다. 실험에사용된모재는두께 25 mm의 5083 알루미늄합금을사용하였으며모재의기계적특성및화학조성은표 1과같다. 용접와이어로는 Mg 함량이 5.1 wt% 인 Al 5183 상용와이어및 Al5183보다 Mg 함량이 0.9 wt% 정도더들어있는새롭게개발된용접와이어 2가지를사용하였으며용접와이어의성분은표 2에나타내었다. 양면완전용입의용접부확보및최적용접조건선정을위해 BOP 용접을통하여그림 1과같이 X-groove를선정하였으며, 표 3은본연구에서사용한용접조건을보여주고있다. 용접전류 600 A, 전압 32 V, 용접속도 50 cm/min으로전면 first pass 용접조건선정하였으며후면 second pass 는입열량에따라용접을수행한후용입특성을비교하였다. 용접와이어종류에따른용접부의기계적특성을평가하기위해용접부경도및인장강도를측정하였다. 인장시험편의경우노치효과를최소화하기위해상면에서 3 mm, 하면에서 2 mm 밀 Table 3. The welding conditions used in the study welding current (A) welding voltage (V) welding speed (cm/min) heat input (kj/cm) first pass 600 32 50 23 wire-1 A 651 33.4 40 32.6 second pass B 607 32.2 30 39.1 C 680 34.5 30 46.9 first pass 600 32 50 23 wire-2 A 651 32.4 40 31.6 second pass B 608 31.2 30 37.9 C 652 33.8 30 44.1 shielding gas Ar 50% + He 50% Ar 50% + He 50% CTWD 45 mm 45 mm
718 대한금속 재료학회지제 55 권제 10 호 (2017 년 10 월 ) (a) bead appearance (top/bottom) (b) bead appearance (top/bottom) Fig. 2. Bead shape and optical micrographs of cross section welded using (a) wire-1 and (b) wire-2 링가공하였다. 인장시편의 gauge length는 75 mm이며, 2개의인장시편을가공하여인장시험을실시한후인장강도를평균값으로확보했다. 용접부의단면은광학현미경 (Optical Microscope, OM) 을통해관찰하였으며미세조직은전자주 사현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM) 을이용하여분석하였으며, 용접와이어종류에따른용접부의 Mg 함량변화를알아보기위해 Energy Dispersive X-ray Spectrometer (EDS) 분석을실시하였다.
김 동 윤 김 동 철 강 문 진 김 영 민 Fig. 3. Hardness profile using wire-1 with respect to the heat input condition: (a) heat input condition A and (b) heat input condition C 3. 결과 및 고찰 3.1 용접 비드 저입열, 중입열, 고입열 조건으로 수행한 용접 결과에 대한 비드외관 및 용접단면형상을 그림 2에 나타내었다. Wire-1을 사용한 경우 용접 비드외관을 살펴 본 결과 3가지 조건 모두 언더컷과 같은 용접결함은 없었다(그림 2(a)). 용접 단면시험 719 Fig. 4. Hardness profile using wire-2 with respect to the heat input condition: (a) heat input condition A and (b) heat input condition C Table 4. Tensile strength and elongation of the welds using wire-1 and wire-2 heat input Tensile strength Elongation (%) condition (MPa) A 300.5 16.5 wire-1 B 302 18.5 C 284 14.5 A 302 20 wire-2 B 302 17.5 C 302 14.5 결과 second pass의 입열량이 증가할수록 비드 폭이 증가하 고 second pass로 인해 용입이 증가하였으며 이를 통해 3 가 mm 간격으로 경도를 측정하였다(line A). Line B 는 모재의 지 입열조건에서 모두 건전한 용접부를 형성하는 것을 확인 상면과 하면의 중간부분에서 측정을 하였으며, line C 는 모 하였다. 그림 2(b)와 같이 Mg 함량이 5.9 wt%인 wire-2를 사 재의 하면(second pass)쪽에서 경도 측정을 실시하였다. 경도 용했을 경우에도 wire-1을 사용했을 때와 마찬가지로 언더컷 는 HV 0.2 로 측정하였으며, line 당 50 포인트를 측정하였다. 과 같은 용접결함 없이 건전한 용접부를 보여주고 있다. 그림 3과 4는 wire-1 및 wire-2를 이용한 저입열과 고입열 용접부의 경도를 측정한 결과이다. 모재의 경도는 약 95 HV 3.2 용접부 경도 이며, 모든 line에서 용착금속부의 경도는 모재의 경도보다 Second pass 의 저입열 조건과 고입열 조건에 대한 용접부 낮게 나타난다. 용착금속부 중심으로 이동할수록 경도는 감 경도를 측정하였다. 모재의 상면(first pass)에서 1 mm 아래 소하며 고입열의 경우 저입열보다 용착금속부 중심으로 갈 에서 모재에서 용착금속부 중심까지 25 mm에 대하여 0.5 수록 경도의 감소폭이 커지며 용접부 중심에서의 경도는 line
720 대한금속 재료학회지 제55권 제10호 (2017년 10월) Fig. 5. weld sample after tensile test using wire-1 and wire-2 with respect to the heat input condition Fig. 6. Tensile strength with respect to heat input of second pass Fig. 7. Microstructure of base material, heat affected zone and fusion zone using wire-1 with respect to (a) heat input condition A (b) heat input condition C
김동윤 김동철 강문진 김영민 721 Fig. 8. Microstructure of base material, heat affected zone and fusion zone using wire-2 with respect to (a) heat input condition A (b) heat input condition C C에서최저 75 HV 값을나타내었다. Wire-2의경우는저입열및고입열용접부의경도는그림 4에서보는바와같이경도값이 wire-1의경우와는다르게모재에서용접부까지큰감소없이일정하게유지되는것을알수있다. 3.3 용접부인장강도표 4와그림 5는인장시험결과를보여주고있다. Wire-1 의경우인장강도는 second pass의저입열 (A) 조건에서평균 300 MPa이었으며, 연신율은 16% 를나타냈다. 중입열 (B) 조건에서인장강도는 302 MPa, 연신율 18% 이었으며, 고입열 (C) 조건에서인장강도 284 MPa, 연신율 15% 를나타냈다. Wire-1의경우저입열과중입열에서인장강도는유사하였지만, 고입열에경우인장강도가하락하였다. 인장시험중파단 위치를확인해본결과 3가지입열조건모두용착금속부에서파단이발생하였다 ( 그림5(b)). Wire-2의경우에는저입열 (A) 조건에서인장강도 302 MPa, 연신율 20%, 중입열 (B) 조건에서는인장강도 301 MPa, 연신율 18%, 고입열 (C) 조건에서는인장강도 302 MPa, 연신율 14% 의값을보였다. 그림 6은 2가지용접와이어를사용한용접부의인장강도를비교한결과이다. 2가지용접와이어모두저입열, 중입열조건에서의용접부인장강도는유사하였다. 그러나고입열조건에서 wire 1의용접부인장강도는저입열과중입열조건대비하락하였지만, wire-2의경우에는저입열, 중입열, 고입열조건에서유사한용접부강도를나타내고있다. 이러한원인은 wire-1에비해 wire-2의 Mg 함량이많아 Mg의고용강화효과가증가하여고입열조건에서도용접부강도저하가발생
722 대한금속 재료학회지제 55 권제 10 호 (2017 년 10 월 ) Table 5. Effect of heat input condition on Mg concentration in the weld heat heat area Mg (wt%) input input area Mg (wt%) 1 4.53 1 5.71 2 5.45 2 5.67 A 3 5.28 3 5.73 A 4 5.19 4 5.86 5 4.69 5 5.5 wire-1 6 5.05 6 5.72 wire-2 1 4.55 1 5.83 2 5.21 2 5.63 C 3 5.22 3 5.48 C 4 5.26 4 5.2 5 4.59 5 5.12 6 4.62 6 5.32 하지않는것으로판단된다. Wire-2 의경우에도 wire-1 과마 찬가지로인장시험시파단위치는모든용접조건에서용착 금속부에서발생하였다. wire-2 의경우앞에서말했듯이용 접부경도와모재의경도가큰차이가없었다. 그럼에도불구 하고인장시험시용착금속부에서파단이발생하는이유는 모재의경우압연방향으로미세조직이발달되어있어, 인장 시험시조직의방향성이인장방향과수평이기때문에균열 의전파가어렵다. 이에비해용접부중심조직은등축수지 상조직이기때문에인장방향에따른균열의전파가모재에 비해용이하다. 따라서용접부에서경도값이모재와유사한 값을보임에도불구하고용착금속부중심에서파단이발생 하는것으로판단된다. 3.4 용접부미세조직및화학성분 그림 7 과 8 는와이어종류별양면용접시 second pass 의입 열조건에따른용접부미세조직을나타내고있다. 그림에서 보는바와같이모재 (1 영역 ) 를제외한열영향부및용접부 미세조직은수지상형태를나타내고있다 (2-6 영역 ). 용융 부중심 (4-6 영역 ) 에서수지상의형태가더욱뚜렷하게나 타나고있으며 first pass와 second pass 용융부 (4, 6영역 ), 그리고 first pass와 second pass가겹쳐져서나타나는용접부 중심 (5 영역 ) 의미세조직이입열량에따라서수지상의형태 가약간씩다르게나타난다. 이는용접부중심에있을수록냉 각속도가감소하게되고이로인해서미세조직의 2 차수지상 간격 (secondary dendrite arm spacing, SDAS) 이점점커지기 때문이다. 따라서 2, 3 영역의 SDAS 보다는 4, 5, 6 영역 의 SDAS 가더큰것을그림을통해확인할수있다. 4, 5, Fig. 9. Effect of heat input of second pass and Mg content on SDAS in fusion zone 6 영역중에서는 first pass 와 second pass 가겹쳐지는 5 영 역의입열량이가장많아 SDAS가가장크게성장하게된다. 이는용접와이어종류및 second pass의저입열, 고입열여부 와상관없이모두동일하게나타나는현상이다. 그림 9 는 wire 1 과 2 의 6 영역에서의 SDAS 를측정한결과이다. 그림 에서보듯이저입열 (A) 의조건에서는 wire 1 과 wire 2 의 SDAS 는 14 m 와 14.8 m 이며, 고입열 (c) 조건에서는각각 16.9 m 와 17.2 m 으로오차범위내에서 Mg 함량에상관 없이유사한값을보여주고있다. 표 5는용접와이어별용접부각위치에서의 Mg 함량을측 정한결과이다. wire-1 의경우 second pass 저입열 (A) 조건의 경우 fusion line 가까이에있는 1 영역에서 4.53 wt% 로가장 낮게나왔다. 그리고용접부내부의 Mg 함량중에서는 first pass 와 second pass의용접이겹쳐진부분인 5영역에서 4.69 wt% 로가장낮게나타났다. 또한용접부내에서는용접 부중심으로갈수록 Mg 함량이감소하는경향을보였다. 고 입열 (C) 조건에서는저입열조건과유사하게 5 영역에서 Mg 의함량이 4.59 wt% 이었으며, 저입열의경우에마찬가지 로용접부중심으로갈수록 Mg 함량이감소하였다. wire-2의경우저입열 (A) 조건에서는용접부에서가장낮 은 Mg 함량은 wire-1 과마찬가지로 5 영역에서 5.5 wt% 였 다. 반면고입열 (C) 조건에서도 5영역에서가장낮은 5.12 wt% 의 Mg 함량을나타냈다. wire-2의경우저입열 (A) 조건 에서는 Mg 함량이용접부중심과모재와가까운용접부의 차이가거의나지않았으며, 고입열의경우저입열조건에비 해용접부중심으로갈수록 Mg 함량이감소하는경향을보 였다. 이러한현상은 wire-1 의경우에서도나타났으며이는 고입열조건에서는저입열조건보다고전류에따른아크입
김동윤 김동철 강문진 김영민 723 열로인한 Mg 의기화가더많이발생하기때문인것으로판단된다. 앞에서용접부인장강도의경우 Mg 함량이높은 wire 2가 wire 1와비교했을때저입열, 중입열조건에서는유사했으나, 고입열조건에서더높은값을나타냈었다. 일반적으로 SDAS가작으면강도가증가한다고알려져있는데본연구에서는 wire 1와 wire 2의경우저입열및고입열조건에서오차범위내에서유사한값을나타내고있다. 따라서고입열조건에서 wire 1과 wire 2의인장강도의차이는 SDAS와의상관관계보다는 Mg 함량의차이에따른고용강화효과의차이에의해서발생하는것으로판단된다. 4. 결론 본연구를통해 Mg 함량이다른 2가지용접와이어를이용하여알루미늄 5083 합금용접부의기계적특성을조사하였으며, 자세한결론은다음과같다. 1) Mg 함량이 5.1 wt% 인 wire-1의경우양면맞대기용접부에대한경도측정결과는저입열및고입열조건에서용접부중심으로갈수록경도가하락하는경향을나타내었으나, Mg 함량이 5.9 wt% 인 wire-2의경우에는저입열및고입열조건에서모두용착금속부에서경도감소는거의없었다. 2) Mg 함량이 5.1 wt% 인 wire-1의경우용접부인장강도결과 second pass의저 / 중입열조건에서약 300 MPa로유사하였으며, 고입열조건에서 284 MPa로인장강도가감소하였다. 이에반해 Mg 함량이 5.9 wt% 인 wire-2의경우입열에상관없이약 300 MPa 정도의인장강도값을나타냈다. 3) Mg 함량이 5.1 wt%, 5.9 wt% 2가지경우모두용접부중심에서수지상의미세조직이관찰되었으며입열량이증가함에따라 SDAS가증가하는것을확인하였다. 또한 Mg 함량에따른 SDAS 값은 2가지와이어의경우유사한값을나 타내어서 SDAS와인장강도와의상관관계를찾기어려웠다. 4) Mg 함량이 5.1 wt% 인 wire-1의경우고입열조건에서 용접부중심으로이동할수록 Mg 함유량이감소하였으나, Mg 함량이 5.9 wt% 인 wire-2의경우모재와용접부내 Mg 함량의차이가큰차이가없음을확인하였다. 따라서고입열 조건에서 Mg 의기화가많이발생하지않았기때문에, Mg 에 의한고용강화효과로인해 wire-2 를이용한용접부의경우 용접부중심에서경도및강도의감소가일어나지않은것으 로판단된다. REFERENCES 1. ExxonMobil, The Outlook for Energy: A View to 2040 (2014). 2. U.S. Energy Information Administration, International Energy Outlook 2013, DOE / EIA 0484 (2013). 3. H. Sung, D. Jeong, T. Park, J. Lee and S. Kim, Met. Mater. Int. 22, 755 (2016). 4. H.-K. Lee, T.-J. Yoon, C.-Y. Kang, Koren. J. Met. Mater. 54, 79 (2016). 5. Y. B. Choi, M. J. Kang, D. C. Kim, and I. S. Hwang, J. Korean Weld. Join. Soc. 31, 21 (2015). 6. T. C. Lee, H. W. Lee, D. W. Joo, H. H. Lee, and J. H. Sung, J. Korean Soc. Heat. Treat. 13, 1 (2000). 7. S. H. Hong, J. Korean Weld. Soc. 13, 1 (1995). 8. D.-Y. Ryoo, K.-Y. Kim, Y.-D. Lee, and J.-Y. Kang, J. Kor. Inst. Met. & Mater. 39, 1233 (2001). 9. H. Kwon, C.-H. Park, I.-P. Hong, and N. Kang, J. Korean Weld. Join. Soc. 31, 84, (2013). 10. J. L. Searles, P. I. Gouma, and R. G. Buchheit, Metall. Mater. Trans., 32A, 2859 (2001). 11. J. H. Han, K. K. Jee, and K. H. Oh, J. Kor. Inst. Met. & Mater. 42, 530 (2004). 12. A. Blake and J. Mazumder, Trans. ASME 107, 276 (1985) 13. H. Zhao and T. Debroy, Metall. Mater. Trans. 32B, 163 (2001). 14. T. Mukai, K. Higashi, and S. Tanimura, Mater. Sci. Eng. 176, 181 (1994). 15. J. B. Wang, H. Nishimura, S. Katayama, and M. Mizutani, Trans. Jpn. Weld. Res. Inst. 39, 19 (2010).