마찰교반용접한 A6061-T6의 기계적특성 평가

Evaluation of Mechanical Properties of Friction Stir Welded A6061-T6

Abstract

In this study, the mechanical properties of friction stir welded A6061-T6 were evaluated. This material is used as a battery pack case material for electric vehicles. The Vickers hardness, tensile strength, and yield stress of the friction stir welding (FSW) specimen were all smaller than those of the base metal specimen. As the heat input increased, the nugget zone widened, and there were differences in hardness according to the base metal zone, heat affected zone, thermal-mechanical affected zone, and nugget zone. Mechanical properties were not proportional to heat input, and the thermal-mechanical affected zone on the advancing side was the smallest in all conditions. This is because the material flow speed increased on the advancing side, where the welding direction and the tool rotation direction were the same, forming a distinct boundary with mechanical deformation.

1. 서론

차량 및 선박 구조물에 적용하기 위해서 알루미늄은 용접성의 향상이 필요하다. 이와 같은 특성을 만족하기 위해서는 마찰교반용접(friction stir welding, FSW)이 효과적이다. FSW은 비소모성 도구를 사용하여 재료를 녹이지 않고 결합하는 고상 접합 공정이다[1, 2]. 회전 공구와 재료 사이는 마찰로 열이 발생하며, FSW 공구 근처의 연화 영역으로 이어진다. 용접할 소재와 공구 간의 마찰열을 이용하므로 다른 용접에 비해 적은 입열량으로 접합이 가능하며, 용접 필러로 인한 결함이 없는 등의 장점이 있다. 회전 공구가 용접선을 따라 이동하는 동안 두 재료를 기계적으로 혼합하고 공구에 의해 가해지는 기계적 압력에 의해 가열되고 부드러워진 재료를 용접한다. 이것은 주로 단조 또는 압출 알루미늄에 사용되며 특히 매우 높은 용접 강도가 필요한 구조물에 사용된다. FSW는 알루미늄 합금, 구리 합금, 티타늄 합금, 저탄소강, 스테인리스강 및 마그네슘 합금을 접합할 수 있다. 최근에는 폴리머 용접에도 적용되었다[3]. 또한, 최근 FSW는 알루미늄과 마그네슘 합금을 이종 접합하였다[4]. FSW는 조선, 기차, 항공우주, 자동차 분야에서 적용되고 있다[5-10]. 그러나 일반적으로 용접 부위는 용접할 때에 투입된 열로 인하여, 모재와는 다른 미세조직이 형성되어 모재에 비해 작은 기계적 및 피로 특성이 문제가 된다[11].

따라서 본 연구는 균열무해화 연구[12]를 위한 기초적인 자료를 수집하기 위하여, 전기자동차용 배터리 팩 케이스 소재로 사용되는 Al6061-T6를 FSW하여 기계적 특성을 평가하였다.

2. 재료 및 실험 방법

2.1 재료 및 시험편

본 연구에서 사용한 재료는 Al6061-T6이며, Table 1과 Table 2에 화학성분과 기계적 특성을 나타낸다. 6,000계는 Al-Si-Mg계 합금으로 알루미늄 합금 중에서 중간 정도의 강도를 가지며, 높은 내식성과 성형 가공성을 가진다. 또한, 2000 및 7000 계열과 함께 열처리를 통한 석출 경화를 기대할 수 있어, 구조용 재료로 사용되는 소재이다. Al6061은 530℃에서 1.5시간 용체화 처리 후, 185℃에서 8시간 인공 시효처리 하였다.

Table 1. Chemical compositions of A6061-T6 (wt.%)

Table 2. Mechanical properties of A6061-T6

시험편의 형상과 치수는 Fig. 1에 나타낸다. FSW는 압연 방향에 수직으로 반시계 방향으로 툴을 회전시켜 맞대기 용접하였다. 사용한 장비는 독일 회사인 GRENZEBACH Maschinenbau GmbH의 자동화 마찰 교반 용접기이다. FSW은 핀 직경 ø2.2mm, 숄더 직경 ø5.5mm, 삽입 깊이 3mm이다. Table 3은 FWS 조건을 나타낸다. 본 연구에서는 3가지 조건(A, B, C)으로 FSW하였다. 장비 사양 및 생산성 등을 고려한 선행 연구를 통하여 본 연구는 B-FSW조건을 선정하였으며, 부족입열 A-FSW 조건과 과잉 입열 C-FSW 조건을 선정하여, 기계적 특성을 비교하였다.

Table 3. Conditions of friction stir welding

Fig. 1 Shapes and dimensions of base metal and friction stir welding specimens

2.2 조직관찰

시험편은 금속 현미경(Olympus GHX51, Japan)으로 마크로 및 마이크로 조직 관찰하였으며, 각각 NaOH 용액 및 Struers사의 A2용액으로 에칭하였다.

2.3 기계적 특성

기계적 특성은 모재 및 FSW 시험편에 대하여 경도 측정과 인장 시험을 하였다. 경도 측정은 3종류 FSW 시험편 단면의 표면에서 0.5mm(top), 1.5mm(middle) 및 2.5mm(bottom) 위치에서 측정하였다. 마이크로 비커스 경도기는 Wolpert wilson사의 430SVD를 사용하였다. 측정은 하중 100g을 10초 동안 압입하였다. 각 시험편은 냉간 마운팅 후 그라인딩-폴리싱하였으며, 0.5mm 간격으로 너깃 영역 (nugget zone ; NZ)의 중심에서 ±9mm 측정하였다. 인장시험편은 BM 시험편과 3종류 FSW 시험편을 사용하였다. 만능 인장 시험기는 Oriental사의 OTU-JOC 10톤 기기를 사용하였으며, FSW 용접부에 수직 방향으로 인장하였다. 이 때 cross head 속도는 2mm/min이고, 연신율은 표점 거리 50mm에서 파단 후 측정하였다. 각 5개의 시험편을 사용하였으며, 파단면은 SEM (MIRA3, TESCAN)으로 관찰하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 조직관찰

Fig. 2는 3종류의 FSW 시험편에서 얻어진 macro 단면을 나타낸다. (a)는 A-FSW 시험편, (b)는 B-FSW 시험편, (c)는 C-FSW 시험편을 나타낸다. 전진 측은 advancing side(AS), 후퇴 측은 retreating side(RS)로 나타낸다. AS는 열영향부(heat affected zone ; HAZ)와 NZ의 경계가 분명하지만, RS는 희미하다. (a)는 입열량의 부족으로 완전한 접합이 이루어지지 않았다. (b)는 양호한 접합을 나타냈으며, (c)는 과도한 압력 및 빠른 용접 속도 등으로 마찰 교반 면이 옴폭하며 뒷면으로 돌출하였다. NZ은 입열량이 증가함에 따라 넓어졌다.

Fig. 2 Macro cross-sections obtained from three types of FSW specimen. (a) A-FSW, (b) B-FSW, (c) C-FSW

Fig. 3은 FSW 시험편의 일반적인 micro 조직을 각 용접 영역에 따라 나타낸 것이다. (a)는 본 연구에 사용한 Al6061-T6인 BM의 미세조직이며, (b)∼(d)는 (a)를 압연한 뒤 FSW한 시험편이다. (b)는 HAZ 영역이며 (a)와 비교했을 때 결정립 조대화가 적게 나타났다. 이는 FSW의 입열량이 크지 않았기 때문이다. (c)는 HAZ와 NZ의 경계 영역인 열기계적영향부 (thermal-mechanical affected zone ; TMAZ) 조직이다. 경계 영역에서는 변형률과 온도가 NZ보다 낮아, FSW가 미세구조에 미치는 영향이 적었다. 따라서 BM시험편과 유사한 미세구조로 인식되나, 결정립들이 끌려 올라간 듯한 변형을 통해 회전에 의한 소성 유동 영향을 확인할 수 있다. (d)는 NZ이며 마찰열에 의한 재결정으로 (a)의 모재 조직과는 다른 미세한 등축정을 나타낸다.

Fig. 3 Typical micro structures at different regions of FSW specimen. (a) BM, (b) HAZ, (c) TMAZ, (d) NZ

3.2 비커스 경도

Fig. 4는 3종류 FSW 시험편의 마찰 교반면에서 0.5mm(□), 1.5mm(○) 및 2.5mm(△) 위치의 마이크로 비커스 경도 분포를 나타낸다. (a)는 A-FSW 시험편, (b)는 B-FSW 시험편, (c)는 C-FSW 시험편을 나타낸다. 경도 분포는 FSW 중심선에서 소성 유동장이 균일하지 않으므로 비대칭 형상을 나타낸다. 이는 FSW 방향과 회전 방향의 차이에 의하여, AS와 RS로 나뉘기 때문이다. 회전으로 뒤틀린 입자와 에너지가 클수록 변형 경도가 증가하여 비대칭 마이크로 비커스 경도 분포가 발생한다. 따라서 FSW 방향과 회전 방향이 다른 RS에서는 물리적인 에너지가 적기 때문에 변형 경도가 낮아진다.

Fig. 4 Micro Vickers hardness distribution of FSW specimens. (a) A-FSW, (b) B-FSW, (c) C-FSW

3종류의 FSW 시험편의 경도 분포는 ‘W’형태를 보인다. 양쪽은 모재부의 경도값으로 최대치를 나타내며, 용접 중심에 가까워질수록 직선적으로 감소한다. 이는 조직의 연화에 미치는 마찰열의 영향이 커지기 때문으로, HAZ영역이라 판단된다. 마찰열의 순환으로 Al6061-T6의 강화 개재물이 용해되면서 Orowan 매커니즘을 따라 전위 이동의 장애물이 감소하였기 때문이다[9]. 경도값은 최소 경도를 보인 뒤 소폭 상승한다. 소폭 상승한 영역은 NZ으로 재결정에 의한 조직의 미세화로 경도가 상승하였으며, TMAZ는 NZ와 달리 조직의 미세화 없이 열에 의한 연화와 기계적 변형만이 잔류하여 최소 경도를 보인다.

회전 중심선에서 낮은 경도를 나타내는 폭은 (a)(b)(c)에서 각각 약 4, 5 및 6mm로, 입열량의 증가에 따라 폭이 넓어졌다. 또한 (a)는 부족한 입열량으로 하단의 경도 폭이 매우 좁으며, 중단보다 낮은 경도 분포를 나타내었다. 반면 (b)와 (c)는 하단의 경도가 가장 작게 나타났다.

3.3 인장 특성

Fig. 5는 BM 시험편과 3종류 FSW 시험편의 응력-변형률 곡선이다. BM 시험편은 3종류 FSW 시험편보다 높은 응력과 큰 변형률을 나타낸다.

Fig. 5 Stress-strain diagram obtained from BM and three types of FSW specimen

Fig. 6은 인장강도, 항복응력 및 연신율을 나타내며, 그림에는 표준편차도 나타내었다. BM 시험편은 각각 324MPa, 274MPa 및 15.5%이었다. 반면 3종류 FSW 시험편은 각각 BM 시험편의 76.4∼79.2%, 80∼86.2%, 12.9∼21%로 상당히 감소하였다. 인장강도는 A-FSW > B-FSW > C-FSW, 항복응력은 B-FSW > C-FSW > A-FSW, 연신율은 B-FSW ≃ A-FSW > C-FSW이다. 따라서 3종류 FSW 시험편은 B-FSW 조건이 가장 우수한 기계적 특성을 나타내었다.

Fig. 6 Mechanical properties of BM and three types of FSW specimen.

Fig. 7은 3종류 FSW 시험편의 인장 시험에서 얻어진 파단 외관을 나타낸다. FSW 시험편은 모두 용접 진행 방향(AS)의 TMAZ를 따라서 비스듬하게 파괴되었다. 이것은 Fig. 4에서 언급하였듯이, 경도 차이를 가지는 FSW 시험편의 4개 영역은 인장 하중으로 가장 약한 AS의 TMAZ 영역에서 파괴가 발생한 것이다. 이것은 BM 시험편보다 FSW시험편의 인장강도 및 항복응력이 낮은 이유이다.

Fig. 7 Fracture appearance after tensile test of FSW specimens. (a) A-FSW, (b) B-FSW, (c) C-FSW

Fig. 8은 4종류 인장시험편의 파단면을 SEM으로 관찰한 것이다. (a) BM 시험편과 (c) B-FSW 시험편은 작은 딤플 형상을 나타내어, 기계적 특성이 우수한 파면을 나타내었다. (b) A-FSW 시험편은 취성 파괴와 같이 평탄한 형상을 보였으며(d) C-FSW 시험편은 많은 입열로 연화되어, 큰 딤플 형상이 나타났다.

Fig. 8 SEM observation of fracture surface. (a) BM, (b) A-FSW, (c) B-FSW. (d) C-FSW

4. 결론

본 연구는 마찰교반용접(FSW)한 Al6061-T6의 기계적 특성을 평가하였다. 얻어진 결론을 다음과 같다.

(1) FSW 시험편의 비커스 경도, 인장강도 및 항복응력은 모두 BM 시험편보다 작았다.

(2) FSW 시험편은 입열량이 증가함에 따라 NZ 영역은 넓어졌으며, 영역별 경도의 차이를 보였다.

(3) 기계적 특성은 입열량에 비례하지 않았으며, 모든 조건에서 AS 측의 TMAZ가 가장 취약하였다. 이는 용접 진행 방향과 공구 회전 방향이 같은 AS 측에서 재료 유동 속도가 증가하여 기계적 변형을 갖는 뚜렷한 경계가 형성되었기 때문이다.