73 연구논문 가스텅스텐아크용접한클래드 (4045/3003) 기계적성질및미세조직 알루미늄합금의 김기빈 * 국진선 ** 윤동주 *** 김병일 *** 이일천 **** * 순천대학교재료 금속공학과 ** 한려대학교신소재공학과 *** 순천대학교산학협력단 **** 알메탈 ( 주 ) 기술연구소 Microstructure and Mechanical Properties of Clad(4045/3003) l lloy by Gas Tungsten rc Welding Ki-Bin Kim*, Jin-Seon Gook**, Dong-Ju Yoon***, Byung-Il Kim*** and Il-Cheon Lee**** *Department of Materials and Metallurgical Engineering, Sunchon University, Sunchon 540-742, Korea **Dept. of dvanced Materials Engineering, Hanlyo University, Kwangyang 545-704, Korea ***Corps of Industrial-cademic Cooperation, Sunchon University, Sunchon 540-742, Korea ****Research Center, LMETL Industrial Co., Ltd. Yeosu 556-822, Korea *Corresponding author ; kb0504kb@naver.com (Received pril 17, 2008 ; Revised June 23, 2008 ; ccepted ugust 11, 2008) bstract In this paper, research was the variation of microstructure and mechanical properties of clad(4045/3003) l alloy sheet by gas tungsten arc welding. Tensile properties of the gas tungsten arc welding joint decreased because of the softened heat affected zone(hz). The hardness of HZ was lower than that of base metal, because relieved the work hardening effect of the welding heat. Hardness distribution of the weld zone with the base metal appears similarly, but the hardness of HZ decreased remarkably. The microstructure in the weld zone of 4045 clad layer was formed a coarse columner grains of Si-rich. In the case of large weld heat input, the Si of the 4045 were diffused and until 3003 weld zone they decreased the strength. Key Words : TIG welding, Clad(4045/3003) l alloy, HZ, Work hardening, Columner grains 1. 서론 클래드 (4045/3003) 알루미늄합금은 BS121합금이라고도하며, KSD7043( 알루미늄합금땜납및브레이징시트 ) 에서다음과같이규정하고있다. 우선 BS는브레이징시트 (Brazing Sheet) 를의미한다. 다음 121의첫번째숫자는브레이징시트를구성하는호칭번호 ( 한면땜납클래드일경우 1) 이며, 두번째숫자는표피재의합금번호및호칭번호 (4343의경우 1, 4045일경우 2) 이며, 세번째숫자는심재의합금번호및호칭번호 (3003의경우 1) 를각각의미한다. 따라서 BS121 합금은피재인 4045 합금이심재인 3003합금에한면땜납클래딩되어있는브레이징시트이다. 이브레이징시트는필요한폭으로절단된스트립 ( 코일 ) 으로서약 80m/min 의속도로연속공급되면서조관성형을수반하는고주파유도용접 (High Frequency Induction Welding) 에의하여파이프형태로제조된다. 이렇게제조된파이프는에어컨이나자동차열교환기의 PFC(Parallel Flow Condenser) 의헤더튜브로장착되어 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 383
74 김기빈 국진선 윤동주 김병일 이일천 별도의브레이징필러 (Brazing Filler) 가없는상태로브레이징할수있다. 즉 BS121합금은피재 (4045) 의액상선온도가 590, 심재 (3003) 의액상선온도가 65 4 이다. 이합금을 620 에서 30분정도가열하면피재가녹아브레이징필러의역할을한다. 클래드알루미늄합금재의연속적인고주파유도용접을이루기위해서스트립과스트립을신속히연결주어야하는데주로판재를맞대어가스텅스텐아크용접하는방법이사용된다. 이처럼아크용접된열영향부 (HZ) 는용접부의팽창, 수축및상변태등에의하여항복응력에가까운잔류응력이발생하여기계적으로매우취약하게된다. 또한일반구조용파이프재료와는달리클래드알루미늄합금파이프는피재층 (4045) 이용융되어클래드재의특성을발휘할수없게되어연속공정중비파괴검사 ( 와전류탐상법 ) 로선별처리하여야한다. 자동차열교환기용클래드알루미늄합금파이프의치수는주로두께가 1.5mm, 외경이 22mm의것이사용되는데, 이는폭 68mm 의판재가롤성형되어야제조가가능하다. 따라서본연구에서는폭 68mm, 두께 1.5mm 인클래드 (4045/3003) 알루미늄합금판재를맞대어가스텅스텐아크용접하여시험편을제작하고용접조건이미치는열영향부의기계적성질과피재로서작용하는 4045합금용접부에대한조직변화에주안점을두어용접부의특성을조사하였다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 실험에사용된클래드 (4045/3003) 알루미늄합금은독일의 HYDRO사에서생산된것으로두께및폭은각각 1.5mm 및 68mm 이며질별은 H14( 가공경화만하여인장강도가 1/2경질로한것 ) 였다. 이판재의클래드율은 4045 층이전체두께의 10% 로서약 0.15mm 이다. 이판재는보통 H14의상태에서조관성형하여고주파유도용접한후요구되는기계적성질및치수는인발을하여 H16( 가공경화만하여인장강도가 3/4경질로한것 ) 의상태로조절할수있다. Table 1 및 Table 2에 4045/3003클래드재의기계적성질및화학조성을각각나타내었다. 본논문에서화학조성은모두중량비 (wt.%) 로표기하였다. 2.2 실험방법실험에사용한가스텅스텐아크용접을 Fig. 1에나타내었다. 예비실험으로폭 68mm, 두께 1.5mm의시험편 Table 1 Mechanical properties of test material (4045/3003) Tensile properties Vickers Tensile Yield hardness Elongation (%) strength( MPa ) strength( MPa ) (Hv) 163 142 9.8 51.5 Table 2 Chemical compositions (wt.%) of test material(4045/3003) lloy Si Fe Cu Mn Zn l 4045 9.92 0.32 0.02 0.05 0.95 Bal. 3003 0.11 0.41 0.07 1.19 0.005 Bal. Fig. 1 Gas tungsten arc welding machine 에대해서용접성을조사한결과전압 35V로고정하고용접전류를 80~140로변화시켰을때양호한비드가형성되는조건은 100~120였다. 따라서이러한조건으로아르곤가스분위기하에서 3m/min의속도로별도의용접봉과용가제를사용하지않고맞대기용접하여시험편을제작하였다. 인장시험에사용된시험편은 KS B 0801에서규정하는정형시험편 (5호) 으로 Fig. 2와같다. 시험편 는스트립의길이방향 ( 압연방향 ) 으로채취한원소재의인장시험편이고, 시험편 B와 C는각각스트립의길이방향에대하여수직및평행하게용접한시험편이다. 인장시험은 KS B 0802에의하였으며, Cross-head 의이동속도는 10 mm/min으로하였다. 경도측정은마이크로비커스경도기를사용하였으며, 용접부와열영향부를포함한모재부의경도측정은용접선을가로지르는방향으로 0.2mm 마다측정하였고각각 3회측정하여평균값으로나타내었다. 이때시험하중은 100g, 가압시간은 15초였다. 용접부의미세조직관찰에는광학현미경 (OM) 및주사전자현미경 (SEM) 을이용하였다. 미세조직관찰을위한부식액으로는 Keller 용액 (HCl 1.5% HNO 3 2.5%, HF 1%, H 2O 95%) 을사용하였다. 384 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, ugust, 2008
가스텅스텐아크용접한클래드 (4045/3003) 알루미늄합금의기계적성질및미세조직 75 Fig. 2 Dimension of specimen for tensile test : Raw material B : Vertical direction for rolling C : Horizontal direction for rolling 3.1 실험결과 3.1.1 용접부의관찰 3. 실험결과및고찰 Fig. 3은클래드 (4045/3003) 알루미늄합금판재의단면을나타낸것으로 Fig. 3 와같이피재인 4045 의두께는전체두께의약 10% 이다. Fig. 3 는 4045/3003의경계면 ( 표기부분 ) 을나타낸것으로비교적양호하게접합되어있음을알수있다. Fig. 4는가스텅스텐아크용접한용접부의단면을나타낸것이다. 35V, 100로용접한경우 용접부의길이는약 2.5mm 였으며, 열영향부의길이는약 6mm에달하였다. 35V, 120로용접한경우 용접부의길이는약 3.5mm 이었고열영향부의길이는약 8mm에달하 였다. 용착부의형상은용입량이증가에따라그폭이넓어지며, 개선각이없는맞대기용접부이지만용입형태는 3003의하단부까지는용입량이감소하다가 4045 부근에서는다시증가하는형태를보였다. 특히용입량이적은 100의경우루트부로향하는각도가크게나타났다. Fig. 5는 Fig. 4의용접부에대한열영향부의조직변화를나타낸것이다. Fig. 5 의하부의클래드 (4045) 면 ( 화살표좌측 ) 에서는 3003의용융부가 0.5mm 정도혼합된흔적이나타나는데, 이러한현상은다량의 Si을함유한 4045 가상대적으로융점이낮기때문으로보인다. Fig. 5 는화살표부분을확대한것으로클래드 4045 층은 Si 화합물이주상정또는수지상정으로다양하게존재하고있다. 이러한변화는 Mn이 1% 정도함유된 3003 의용접부경계면에서도관찰되었다. 3.1.2 기계적특성 Fig. 6은 Fig. 2에나타낸시험편 와시험편 B( 압연방향과수직으로용접 ) 및시험편 C( 압연방향과평행으로용접 ) 을 2.2의방법으로인장시험한결과를나타낸것이다. 시험편 의인장강도는약 162MPa, 항복강도는약 140MPa 을나타내었다. 시험편 B는인장강도가약 135MPa 로감소하였고, 항복강도는약 98MPa 로현저히감소하였다. 시험편 C는인장강도가약 155MPa로 4045 3003 500 μm 20 μm Fig. 3 Cross sectional images of 4045/3003 clad alloy 50 μm Fig. 5 Cross sectional SEM images of the 4045/ 3003 interface (35V, 120) 200 180 160 : Raw B-1: 100-V.D. B-2: 120-V.D. C-1: 100-H.D. C-2: 120-H.D. Ultimate strength Yield strength Elongation 20 18 16 Strength(MPa) 140 120 100 80 60 14 12 10 8 6 Elongation(%) Fig. 4 Variation of cross section according to welding conditions 35V, 100 35V, 120 Fig. 6 40 20 0 B-1 B-2 C-1 C-2 Comparisons of tensile properties in TIG welding conditions and specimen types 4 2 0 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 385
76 김기빈 국진선 윤동주 김병일 이일천 감소하였고, 항복강도는약 118MPa로다소감소하였다. 강도는시험편 B 및시험편 C에서용접전류의변화에따라서큰변화를보이지않았지만 100의경우가약간높은값을보였다. 시험편 B의강도감소는열영향부에서용접부의수축및팽창, 상변태에의하여항복응력에가까운잔류응력의발생때문에취약해졌기때문으로보인다. 시험편 C 의경우비교적강도가높은용접부가시험편길이에평행하게놓여있어취약한열영향부의강도를상쇄하기때문에강도의저하는나타나지않는다고사료된다. 연신율은시험편 가약 10% 이었고시험편 B는용접전류와상관없이모두약 4% 로현저히감소하였다. 반면시험편 C는용접전류와상관없이모두약 11% 로시험편 보다다소증가하였다. 시험편 B에서연신율이현저한저하하는이유는열영향부가용접열에의해어닐링효과를받게되어재결정및결정립성장이일어나게되고따라서가공경화효과가소멸되어열영향부의강도가모재에비해열화되었기때문이다 1). Fig. 7은시험편 C( 압연방향과평행으로용접 ) 의용접전류에따른용접부의경도분포를나타낸것이다. 용접부의구분은광학현미경에서의경도위치에따른경도값의변화에따라용착부, 열영향부, 모재부로구분하였다. 100의경우용착부의경도는모재부의경도와비슷한 Hv 52정도를나타내었으나, 접합계면을포함한열영향부고온역에서는 Hv 35로현저히감소하였고열영향부의저온역에서모재로갈수록점차증가하여모재의경도에도달하였다. 120의경우용착부의경도는모재부의경도보다약간낮은 Hv 48정도를보였으며, 접합계면을포함한열영향부고온역에서는 Hv 33로현저히감소하였고열영향부의저온역에서모재로갈수록점차증가하여모재의경도에도달하였다. 따라서용접부및열영향부의경도분포는 100보다 120에서다소감소하는경향을나타내었다. 용착부를포함하는열영향부의전체길이는 100일때약 8mm 에걸쳐형성되고있으며, 120일경우 10mm 로증가하였는데이러한이유는용입량의증가로비드폭이증가하였기때문이다. 열영향부의경도가 120에서다소낮아진이유는 100에비해서용입량이크기때문에열전도및확산이커지게되고가공경화효과도상대적으로저하되었기때문으로사료된다. H14로가공경화된 3003합금을 500 에서 2시간이상어닐링한경우경도는 Hv 32정도를나타낸다고보고되었다 2). 3003과같은비열처리형알루미늄합금은냉간가공 Hardness(HV) Hardness(HV) 55 50 45 40 35 30 55 50 45 40 35 30-6 -4-2 0 2 4 6 Distance(mm) -6-4 -2 0 2 4 6 Distance(mm) Fig. 7 Hardness distribution of cross section in type specimen 35V, 100 35V, 120 the C 및안정화처리를통해강화된합금으로서용접에의해재료의재결정온도이상까지가열된열영향부의조직특성은매우다르게나타난다 3). 비열처리형알루미늄합금을아크용접할때입열량을증가시키면열영향부의크기는증가하고강도는저하한다고알려져있다 4). 이러한강도의저하는냉간가공에의해연신및강화된조직이용접열에의해서결정립이재결정하고온도가증가할수록 ( 즉용접선에가까워질수록 ) 재결정된결정립이성장하기때문이다. 3.2 고찰 Fig. 8은인장시험후파단된부분을나타낸사진으로시험편 ( 용접하지않은상태 ) 와시험편 C( 압연방향과평행 ) 는인장축과슬립방향의각도가약 45 로파단되었다. 반면시험편 B( 압연방향과수직으로용접 ) 는열열향부에서전단이발생하여응력방향에수직으로파단되 386 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, ugust, 2008
가스텅스텐아크용접한클래드 (4045/3003) 알루미늄합금의기계적성질및미세조직 77 Fig. 8 Fracture types after tensile test 었는데, 모재부에서는연신이일어나지않고보재와용융부의사이의열화된영역에서항복응력에가까운잔류응력이발생하였기때문으로사료된다. 즉사용된시험편은 H14상태로가공경화되어용접시열영향부부분에서높은용접열에의해가공경화효과가소멸되어열화되었으며모재에서석출상및결정립성장이일어나게되어강도가모재에비해저하되었다고사료된다. H18로가공경화된 0.3mm 박판 3003합금의레이저빔용접의경우비드부와열영향부의경도가모재보다낮게나타난다고알려져있다 5). Fig. 9는인장시험후파단면을주사전자현미경관찰한것으로시험편 는딤플주변이매끄럽고립의형태가길게연신되어있다. 반면열영향부에서파단된시험편 B는딤플주변이거칠고변형에저항하는형태를보인다. 따라서인장시험에서시험편 B가시험편 보다비교적연신이적은상태에서항복응력을받고변형되었음을알수있다. 한편시험편 C의파단은일반적으로인장시험편의가장약한부분에서파단이일어나기때문에경도가가장낮은열영향부에서일어났을것으로예상된다. 즉용접부인 (c) 의경우딤플주변이거칠고변형이심한반면열영향부인 (d) 의경우는딤플주변이 (c) 에비해매끄러우며큰변형이없는것을보인다. Fig. 9,, (c) 에서화살표로표시한것은딤플내부에 2상입자가존재하는것을나타낸것이다. 제 2 상입자를함유하고있는상용재료에서의연성파괴는대부분제 2상입자들에의해유발되며이러한딤플은제 2상입자에의해미소공동의발생, 성장및합체에의하여연성파괴가일어나기때문에발생한다고알려져있다 6). Fig. 10은 100조건의용접부미세조직으로 EDS분석결과이다. 3003합금의용접부인 와 B에서는 Mn외에 Si가검출되지않았다. 반면 C는 l 100-x Si x (x=6.67), D는 l 100-x Si x (x=15.6), E는 l 100-x Si x (x=19.2) 로 Si가증가하였다. Si는용접부하부표면의약 100μm에서관찰 (c) Fig. 9 Fractographs of the fractured surface in the TIG welds type B type (c) Welds of C type and (d) HZ of C type l B Fig. 10 되었다. Si C Zn D E 3003 4045 l Si (d) SEM images and EDS analysis of a welded clad layer 120조건일때는 100의 와 B의위치에서 l 100-x-ySi xmn y(x=1.5, y=0.7) 로 Si가검출되었으며 C, D, E의양상은 100와비슷하였다. 이러한결과는입열량이큰 120에서는 4045에함유된 Si의확산이비교적쉽게일어났기때문으로보이며, Fig. 7의경도분포에서 120의경우가용접부의경도가약간낮게나온결과로볼때 3003 용착부에유동성이좋은 Si가소량용해됨으로써경도의저하를나타냈다고사료된다. Fig. 10 는 Fig. 10 의 E를확대한것으로우측에 ( ) 로표시된지점은 4045의 Si-rich화합물이용해된 l 100-x-ySi xzn y(x=30, y=1) 의공정조직이며, B는 l 100-x Si x (x=4) 의 l 고용체로사료된다. B B 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 4 號, 2008 年 8 月 387
78 김기빈 국진선 윤동주 김병일 이일천 4. 결론 본연구에서는클래드 (4045/3003) 알루미늄합금판재의가스텅스텐아크용접부의용접조건이미치는열영향부의기계적성질과조직변화를조사하였으며, 얻어진결과를요약하면다음과같다. 1) 스트립의압연방향에수직한방향으로용접한시험편은열영향부에서파단이발생하여모재보다용접강도가낮았고, 평행방향으로용접한시험편은모재와비슷한용접강도를나타내었다. 2) 경도는용착부가모재와비슷하였으나열영향부는모재보다현저히저하하였다. 이러한현상은열화효과로인한가공경화의효과가감소되었기때문이다. 3) 4045층은용접열변형에보다민감하게작용하였으며계면에서비교적큰상의변화가관찰되었다. 4) 35V, 120의용접조건에서 4045의 Si는3003의용접부까지확산되어미소한강도의감소원인이되었다. 참고문헌 1. Jong Won Yoon : Laser Welding of luminum lloys, Journal of KWS, 18-2(2000), 20-26(in Korean) 2. Il Cheon Lee, Yeong Jong Song, Jin Seon Gook, Dong Joo Yoon and Byung Il Kim : Microstructure and Mechanical Properties of 3003 luminium lloy Welds by Heat-treatment, Journal of KWJS, 25-5(2007), 51-57 (in Korea) 3. C.H. Lee, R.W. Chang : Weldability of l lloys, Journal of the KWS. 11-1(1993) 2-8 (in Korean) 4. S.S. White, R.E. Manchester, W.G. Moffat and C.M. dams : Plastic Properties of luminium - Magnesium Weldments, Welding Journal, 34-2 (1955), 112 5. I.S. Heo, B.C. Kim, T.H. Kim, J.S. Kim and H.Y. Lee : Study on the Welding Behavior of 3003 luminium lloy Thin Sheet by Nd : YG Lazer Beam, Journal of KSLP, 4-1(2001)29-38(in Korean) 6. D. Broek : Eng. Fracture Mechanics, 1(10) (1973) 55-66 후 기 본연구는교육과학기술부와한국산업기술재단의지역혁신인력양성사업으로수행된연구결과이며, 이에감사드립니다. 388 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 4, ugust, 2008