KR102410369B1 - Al계 합금의 마찰교반 용접 방법 - Google Patents

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KR102410369B1 KR1020220035223A KR20220035223A KR102410369B1 KR 102410369 B1 KR102410369 B1 KR 102410369B1 KR 1020220035223 A KR1020220035223 A KR 1020220035223A KR 20220035223 A KR20220035223 A KR 20220035223A KR 102410369 B1 KR102410369 B1 KR 102410369B1
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박태원
함진희
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 Al2000계 또는 Al7000계 합금인 Al계 합금 모재간의 마찰교반 용접 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법은 a) Al2000계 또는 Al7000계 합금인 Al계 합금 모재간을 마찰교반 용접하는 단계; b) 마찰교반 용접된 용접 영역을 일정시간 동안 휴지하는 단계; 및 c) 휴지된 용접 영역을 급냉하는 단계; 및 b) 급냉된 용접 영역을 시효하는 단계;를 포함한다.

Description

Al계 합금의 마찰교반 용접 방법{Friction Stir Welding Method for Al based Alloy}
본 발명은 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법에 관한 것으로, 상세하게, Al2000계 또는 Al7000계 합금간의 마찰교반 용접시, 용접부의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
알루미늄 및 알루미늄 합금은 냉간가공, 급냉, 어닐링, 시효 등의 열처리를 행함으로써 강도, 성형성 등의 물성을 조절할 수 있다. 알루미늄 및 알루미늄 합금은 처리 형태에 따라 크게 비열처리형 합금과 열처리형 합금으로 분류되는데, 비열처리형 합금으로서는 순알루미늄(1000계열), Al-Mn 계 합금(3000계열), Al-Si 계 합금(4000계열) 및 Al-Mg 계 합금(5000계열)이 있으며, 제조상태 또는 압연, 압출 등의 냉간가공에 의해 강도를 획득한다. 열처리형 합금으로는 Al-Cu 계 합금(2000계열) 과 Al-Zn-Mg 계 합금(7000계열)이 있으며 용체화처리후 급냉, 시효 등에 의해 강도를 획득한다. 열처리형 합금의 경우 강도를 더욱 향상시키기 위해 또는 석출물의 석출거동을 변화시키기 위해 냉간가공이 수행되는 경우도 있다.
열처리형 합금인 Al-Cu 계 합금(2000계열) 과 Al-Zn-Mg 계 합금(7000계열)의 경우 고온에서는 용질원자의 고용도가 높고 상온에서는 고용도가 낮아지기 때문에 고온에서 일정시간 유지하여 용체화처리하고 급냉한 후 상온 냉간가공과 시효(2000계열)처리를 하거나 바로 시효(7000계열) 처리하여 석출상을 생성함으로써 강도를 향상시킨다.
한편 마찰교반 용접(Friction Stir Welding)은 나사산 형태의 돌기(probe)를 가지는 환봉 형태의 경질 공구를 고속회전시켜 피접합재의 접합부에 삽입하고, 공구와 피접합재간의 상호 마찰에 의한 마찰열을 이용한 용접방법이다. 마찰교반 용접시 마찰열에 의해 공구 주변 재료가 연화되고 공구의 회전에 의한 소성 유동에 의해 접합면 양쪽의 물질들이 강제로 혼합되며 접합이 수행된다.
마찰교반 용접은 별도의 열원 발생 장치, 용접봉, 분위기 가스, 용접면 전처리등이 불필요하고, 접합과정에서 유해물질을 배출하지 않아 친환경적이며, 고상상태의 접합임에 따라 접합에 요구되는 에너지가 작고, 고속접합이 가능하며, 용융 용접에서 발생하기 쉬운 기공이나 균열등의 결함이 발생하지 않는 등 경제적이면서 친환경적인 용접 방법으로 평가받고 있으며, 기존 용접 기술의 적용이 거의 불가능했던 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 합금등의 접합에 사용될 수 있어 더욱 주목받고 있다.
알루미늄 합금은 항공기 부품, 미사일, 경량 장갑재 및 각종 군수 용품등 항공우주·방위산업용에 사용되는 핵심 전략 소재이다. 그러나 열처리형 합금인 2000계열이나 7000계열의 Al 합금을 마찰교반 용접 하는 경우, 피용접재 용융온도의 약 80% 수준(약 450∼550℃)까지 온도가 상승하게 되며, 상승한 온도에 의해 기지(matrix) 내에 생성된 석출물이 조대화되거나 기지 내에 재고용되는 등, 석출상의 변화가 발생하며 용접 부위에서의 기계적 물성이 크게 열화되는 문제점이 있으며, 용접 조건에 따라 용접 부위의 기계적 물성이 민감하게 달라지는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0010565호 A
본 발명의 일 목적은 2000계열 또는 7000계열의 알루미늄 합금간의 마찰교반 용접시, 용접 부위의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 2000계열 또는 7000계열의 알루미늄 합금간의 마찰교반 용접시, 용접 부위가 모재에 상응하는 기계적 물성을 가질 수 있는 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 2000계열 또는 7000계열의 알루미늄 합금간의 마찰교반 용접시, 액체 질소등과 같이 고가이며 극한의 온도 조건이 아닌, 완화된 조건에서 저비용으로 용접 부위의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법은, a) Al2000계 또는 Al7000계 합금인 Al계 합금 모재간을 마찰교반 용접하는 단계; b) 마찰교반 용접된 용접 영역을 일정시간 동안 휴지하는 단계; c) 휴지된 용접 영역을 급냉하는 단계; 및 b) 급냉된 용접 영역을 시효하는 단계;를 포함한다.
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 b) 단계의 휴지 시간은 1분 내지 5분일 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 c) 단계의 급냉은 냉매에의 장입이나 냉매의 분사에 의해 수행될 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 냉매는 가스상 및 액상에서 하나 이상 선택될 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 b) 단계의 시효시 둘 이상의 서로 상이한 온도에서 열처리가 수행될 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 시효는 T1의 온도에서 T2의 온도로 변화되는 온도 프로파일을 갖는 제1시효를 포함하며, 상기 T1 및 T2는 하기 식 1을 만족할 수 있다.
(식 1)
T1 < T2
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 T1은 70 내지 130℃일 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법에 있어, 상기 T2는 170 내지 230℃일 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법은 상기 제1시효 후 상기 T2의 고정된 온도에서 수행되는 제2시효를 더 포함할 수 있다.
일 구체예에 따른 용접 방법은 상기 제2시효 후 상기 T2보다 높은 T3의 온도에서 수행되는 제3시효를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상술한 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법으로 제조된 용접물을 포함한다.
본 발명에 따른 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법은 마찰교반 용접의 마찰열에 의해 용접이 수행될 때, 휴지 단계를 통해 용접 부위가 마찰열에 일정 시간동안 노출되도록 하여 석출물을 실질적으로 완전히 고용시킨 후 급냉을 통해 용질의 석출을 억제하고 과포화 상태로 만든 후, 용접과 별도의 단계로 용접물을 시효시켜 용접 부위에 석출물을 형성함으로써, 용접 부위의 기계적 물성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 유리한 일 예에 따른 마찰교반 용접 방법은 물과 공기등 저가이며 풍부한 냉매를 이용하여 완화된 조건에서 마찰교반 용접시 용질의 석출을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 유리한 일 예에 따른 마찰교반 용접 방법은 매우 큰 과포화 상태의 용접 영역을 저온에서 상대적으로 고온으로 연속적으로 온도가 변화하는 온도 프로파일로 시효처리함으로써, 용접 부위가 모재와 실질적으로 동일한 기계적 물성을 가질 수 있다.
이하 본 발명의 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법을 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용된다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 특별히 한정하지 않는 한, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서, 막(층), 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분과 접하여 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막(층), 다른 영역, 다른 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 특별히 한정되지 않는 한, 비나 %는 중량비나 중량%를 의미한다.
본 출원인은 2000계열 및 7000계열의 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접시 용접 부위에서 기계적 특성이 손상되는 것을 방지하고자 장기간 심도깊은 연구를 수행한 결과, 종래 알려진 바와 달리 용접 부위의 신속한 냉각(quenching) 보다는, 오히려 용접부위가 마찰열에 충분한 시간동안 노출된 후, 용접 공정과 독립된 공정으로 용접부위에서 석출물을 석출시키는 것이 기계적 물성 향상에 유리함을 확인하였으며, 나아가, 석출시 특정 온도에서의 시효가 아닌 연속적으로 변화되는 온도의 시효에 의해 기계적 물성이 보다 더 향상되는 것을 발견하였다.
상술한 발견에 기반한 본 발명에 따른 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법은 a) Al2000계 또는 Al7000계 합금인 Al계 합금 모재간을 마찰교반 용접하는 단계; b) 마찰교반 용접된 용접 영역을 일정시간 동안 휴지하는 단계; c) 휴지된 용접 영역을 급냉하는 단계; 및 b) 급냉된 용접 영역을 시효하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 용접 방법은 Al2000계 합금인 피용접재(모재)간, Al7000계 합금인 비용접재(모재)간 또는 일 피용접재(모재)는 Al2000계 합금이며 다른 일 피용접재(모재)는 Al7000계 합금인, Al계 합금 모재간의 마찰교반 용접 방법일 수 있다.
Al2000계 합금은 2~10%의 Cu를 함유하는 Al-Cu계 합금으로, 알려진 바와 같이 Cu와 함께 첨가되는 원소에 따라 UNS# A92011, UNS# A92017, UNS# A92024, UNS# A92219, UNS# A92139등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. Al7000계 합금은 0.8~6%의 Zn을 함유하는 Al-Zn계 합금으로, 알려진 바와 같이 Zn과 함께 첨가되는 원소에 따라 UNS# A97072, UNS# A97075, UNS# A97056등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 당업자에게 구체 Al2000계 합금 또는 Al7000계 합금 물질은 주지된 것이다.
Al2000계 및 Al7000계 합금은 경도와 강도등의 기계적 물성이 석출물의 크기와 분포등에 의해 주로 결정되는 합금으로, 마찰교반 용접시 용접부위에서의 물성 열화가 매우 크고 그 조절이 까다로운 합금이다.
종래 Al2000계 또는 Al7000계 합금인 Al계 합금 모재간을 마찰교반 용접함에 있어, 용접 부위의 기계적 물성을 향상시키고자, 마찰열에 의해 고용된 용질이 석출되는 것을 방지하기 위해 신속한 급냉(quenching)이 수행되는 것이 통상적이었다.
그러나, 본 출원인은 용접 중 고용된 용질의 재석출 보다는 용접시 고용되지 못하고 잔류하는 잔류 석출물들에 의해 용접부위의 기계적 물성이 크게 열화됨을 확인하였다.
a) 단계의 마찰교반 용접시, 접합되는 두 모재의 접합면 사이에 위치하는 나사산 형태의 돌기 가지는 환봉 형태의 경질 공구가 회전되며, 두 모재간의 접합(용접)이 수행될 수 있다. 실질적인 일 예로, 경질 공구의 회전속도는 1000 내지 2000rpm일 수 있으며, 이동 속도(용접 속도)는 50 내지 300mm/min일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 용접 부위는 마찰교반 용접시 발생하는 마찰열에 의해 약 450 내지 550℃까지 온도가 상승될 수 있다.
b) 단계의 휴지(또는 휴지기)는 용접 영역의 석출물들이 기지(matrix)로 실질적으로 완전히 고용(재고용)될 수 있는 동적 시간이 확보되는 단계이다. 나사산 형태의 돌기 가지는 환봉 형태의 경질 공구의 회전에 의해 모재간 용접이 이루어진 영역에는 경질 공구의 회전에 의한 마찰열에 의해 가열된 상태일 수 있다. 휴지(휴지기)는 용접시 수반되는 마찰열을 제거하기 위한 어떠한 인위적인 냉각이 수행되지 않고, 용접이 이루어진 영역이 용접이 이루어졌던 환경에 그대로 노출되어 유지되는 것을 의미한다.
휴지시의 휴지 시간은 용접 영역의 석출물이 기지로 고용(재고용)되며 사라지고 과포화 상태의 기지에서 석출물이 생성되는 것을 방지할 수 있는 시간인 것이 좋다. 실질적인 일 예로, 휴지 시간은 1분 내지 5분, 보다 구체적으로 1 내지 3분일 수 있다.
이때, 비록 a)의 용접 단계와 b)의 휴지 단계로 단계를 나누어 설명하였으나, 용접과 휴지는 두 모재가 서로 접하는 용접면을 따라 형성되는 용접 선의 일 점(point)을 기준한 것이다. 즉, 용접되는 두 모재의 용접 선을 기준하여, 용접 선의 각 위치에서 용접이 완료된 시점에서 휴지 시간이 지난 후 해당 위치가 급냉되는 것으로 해석하여야 한다. 이에, 용접에 소요되는 시간이 휴지 시간 대비 짧은 경우 모재간의 용접이 모두 완료된 후 별도로 휴지가 수행될 수 있으며, 용접선이 긴 경우, 용접이 수행되는 중 휴지 및 급냉(휴지기가 지난 부분에 대한 급냉)이 동시 수행될 수 있다. 일 예로, 노즐을 이용한 냉매의 분사로 급냉이 수행되는 경우, 경질 공구와 동일한 방향(용접 방향)과 실질적으로 동일한 속도(용접 속도)로 용접선을 따라 이동하되 마찰교반 용접이 수행되는 속도(용접 속도)에 휴지 시간을 곱하여 산출된 거리 L 만큼, 경질 공구와 이격되어 노즐이 위치할 수 있다.
마찰교반 용접과 휴지가 수행된 후, 휴지된 용접 영역을 급냉하여 용접 영역에서의 재석출이 억제되고 용질이 과포화된 고용체를 수득할 수 있다.
상세하게, 용접 과정과 휴지기를 통해 용접 영역의 금속 기지를 과포화 상태로 만든 후, 급냉을 통해 과포화된 상태가 그대로 유지될 수 있도록 냉각함으로써, 후술하는 시효 단계를 통해 용접 영역에 미세하고 균일하게 다량의 석출물을 형성시킬 수 있다.
급냉은 냉매에의 장입이나 냉매의 분사에 의해 수행될 수 있다. 이때, 장입은 용접 영역에 냉매를 도포하는 것뿐만 아니라 냉매에 용접영역이 잠기도록 담그는 것 또한 포함하는 의미로 해석되어야 한다. 냉매의 분사는 분사 노즐을 사용하여 수행될 수 있으며, 적어도, 서로 상이한 하나 이상의 방향에서 서로 독립적으로 냉매가 분사될 수 있다. 일 예로, 분사 노즐은 두 모재가 서로 맞닿아 접합된(용접된) 접합선을 따라 이동하거나, 둘 이상의 분사 노즐이 접합선 방향으로 이격 배열되어 위치한 상태에서 분사 노즐을 통해 냉매가 분사될 수 있다. 나아가, 필요시, 액상의 냉매와 가스상의 냉매를 동시 분사하거나, 액상의 냉매에 잠긴 상태에서 추가적으로 가스상의 냉매가 용접영역에 분사될 수도 있다. 냉매의 분사는 분사 노즐에 의해 용접 이음매(용접영역)로 분사될 수 있다.
냉매는 가스상 및 액상에서 하나 이상 선택될 수 있다. 상세하게, 가스상의 냉매(냉각 가스)로 냉각된 공기, 냉각된 아르곤 가스나 질소 가스등의 불활성 가스등을 사용할 수 있으며, 액상의 냉매로 냉각된 물등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 냉매인 냉각 가스의 온도는 -20 내지 0℃ 수준일 수 있으며, 물의 온도는 0 초과 내지 10℃ 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
모재간 용접 영역은 급냉에 의해 석출물 형성이 억제되며, 용질 원자가 과포화되어 고용된 상태일 수 있다. 급냉 후, 용접 영역을 시효시켜 석출물을 석출시키는 d) 단계가 수행될 수 있다.
d) 단계의 시효시 둘 이상의 서로 상이한 온도에서 열처리가 수행될 수 있으며, 유리하게, d) 단계의 시효는 일 온도에서 다른 일 온도로 변화되는 온도 프로파일을 갖는 제1시효를 포함할 수 있다.
상세하게, 제1시효는 T1의 온도에서 T2의 온도로 변화되는 온도 프로파일을 갖는 제1시효를 포함할 수 있으며, T1 및 T2는 T1 (℃) < T2 (℃)를 만족할 수 있다. T1에서 T2로의 변화는 연속적인 변화일 수 있으며, 이에, 온도 프로파일은 T1에서 T2로 선형적으로 증가하는 온도 프로파일일 수 있다.
유리하게, 제1시효의 시작 온도인 T1은 70 내지 130℃, 구체적으로 80 내지 110℃일 수 있다. 제1시효의 종료 온도인 T2는 150 내지 230℃, 구체적으로 150 내지 220℃, 보다 구체적으로 150 내지 190℃일 수 있다. 용접 부위가 시효에 의해 우수한 기계적 물성을 가짐에도 종료 온도인 T2가 상당히 낮은 저온인 점 또한 본 발명의 이점 중 하나이다.
유리하게, 온도 프로파일은 상술한 범위의 T1에서 T2로 0.05 내지 0.5 ℃/min, 좋게는 0.07 내지 0.3 ℃/min, 보다 좋게는 0.1 내지 0.2 ℃/min의 기울기로 시간에 따라 선형적으로 온도가 증가하는 온도 프로파일일 수 있다.
반드시 이러한 해석에 한정되는 것은 아니나, 용접 이음매 및 그 주변은, b) 단계의 휴지에 의해 과포화 정도는 커지나, 일정 휴지기 후 수행되는 급냉에 의해, 용접 진행방향에 수직인 용접 이음매의 단면 기준, 용질 과포화 정도, 잔류 응력 크기, 기계적 변형에 의해 누적된 에너지등의 비균질성을 가질 수 있다. 이러한 비균질성과 우선적인 위치에서의 핵생성 및 성장시 그 주변의 용질이 소모되며 주변 핵생성 구동력을 소모하는 동적 환경 변화등이 결합되며, 단일한 온도나 고정된 여러 온도에서의 시효보다 상술한 온도 프로파일을 갖는 시효시 보다 균질하고 미세한 석출이 이루어지는 것으로 해석할 수 있다.
상술한 바와 같이, 과포화 고용체 상태의 용접 영역은 최초로 T1의 온도에 노출되어 T2까지 연속적인 온도 변화를 겪으며 시효(제1시효)가 수행될 수 있다.
제1시효 후, T2의 온도에서 수행되는 제2시효가 더 수행될 수 있다. 제2시효는 제1시효후 용접영역에 잔류하는 석출 구동력을 소모하는 한계이다. T2에서 수행되는 제2시효 시간은 특별히 제한되는 것은 아니나, 약 1 내지 4시간 수준일 수 있다.
제1시효와 제2시효는 연속적으로 수행될 수 있다. 상세하게, 제1시효에 의해 T1에서 T2까지 온도가 연속적으로 변화된 후 제1시효가 끝나는 온도인 T2가 일정시간동안 그대로 유지되며 제2시효가 수행될 수 있다.
제1시효, 유리하게는 제2시효가 수행된 후, T2보다 높은 온도인 T3에서 수행되는 제3시효가 더 수행될 수 있다. 제3시효 온도인 T3는 T2 초과 내지 T2 + 50℃, 구체적으로 T2 + 10℃ 내지 T2 + 40℃ 범위일 수 있다. 제3시효는 기계적 물성 증진에 실질적으로 거의 역할을 하지 못하는 극미세 석출물들이 없어지며 보다 균일한 크기의 석출물이 형성되는 석출물 성장(ostwald ripening)을 위한 시효일 수 있다. 제3시효 시간은 제1시효나 제2시효보다 짧은 것이 유리하며, 실질적인 일 예로, 약 10분 내지 60분 수준일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 제1시효나 제2시효보다 짧지만 상대적으로 고온에서 수행되는 제3시효를 통해 용접부위가 가열된 상태에서도 기계적 물성이 안정적으로 유지될 수 있다.
두 Al7000계 판재(20cmx10cmx1cm)의 측면을 용접면으로 하여 마찰교반 용접하되, 휴지 유무와 시효 조건을 달리하여 용접물을 제조한 후, 용접영역의 경도를 테스트하였다.
무휴지(NR) : 별도의 휴지 없이 마찰교반 용접이 수행된 후 바로 에어 노즐로 -10℃의 에어를 분사(분사량 0.02m3/min)하여 급냉
휴지(R) : 마찰교반 용접이 수행되고 2분의 휴지기 후 에어 노즐로 -10℃의 에어를 분사(분사량 0.02m3/min)하여 급냉
시효 1(A1) : 용접물을 160℃에서 8시간 동안 시효처리
시효 2(A2) : 용접물을 120℃에서 4시간 및 150℃에서 4시간 동안 시효처리
시효 3(A3) : 용접물을 90℃를 T1으로 160℃를 T2로 하여, 90℃에서 160℃까지 0.15℃/min의 기울기로 증가하는 온도 프로파일로 시효처리
시효 4(A4) : A3의 시효(제1시효)처리 후, 제1시효에서 160℃의 T2 온도에 다다른 시점에서 시효를 중지하지 않고, 160℃를 유지하며 1시간동안 시효(제2시효)처리
시효 5(A5) : 시효 4처리 후 190℃에서 30분동안 시효(제3시효)처리
특별한 언급이 없는 한 시효처리시 승온 속도는 15℃/min이었으며, 시효처리가 수행된 후 샘플은 공냉을 통해 냉각되었다.
마찰교반 용접 후 공냉된 샘플의 용접영역 경도를 레퍼런스(100)로 하여, 시효처리 전, NR 조건과 R 조건으로 제조된 샘플 각각에서 용접영역의 경도를 비커스 경도계로 측정하였다. 마찰교반 용접후 용접 영역의 경도는 직접적으로 용접 영역에서의 석출물 형성 정도와 관련된 것이며, 공냉의 경우는 과포화 없이 석출 가능한 모든 석출물이 석출된 경우에 해당한다. NR 조건 샘플의 용접영역 경도는 65였고, R 조건 샘플의 용접영역 경도는 48이었다. NR 조건 샘플과 R조건 샘플간 경도 차를 통해 알 수 있듯이 휴지기를 통해 과포화도가 크게 증가함을 알 수 있다.
R조건으로 용접물을 얻은 후, A1~A5의 조건으로 시효처리하여, 최종 용접물을 얻은 후, 인스트론 인장시험기(ASTM E8/E8M 규격으로 시편 가공) 및 비커스 경도(단면 및 용접영역의 중심에서 측정, 5회 측정 후 평균값을 취함)를 통해 각 시효처리된 샘플의 기계적 물성과 시효처리전 R조건의 용접물(R/0)의 기계적 물성을 비교하였다.
이하, 제조된 샘플을 휴지유무/시효조건로 표시한다. 일 예로, NR/A1은 무휴지 및 시효 1의 조건으로 제조된 샘플을 의미하며, R/A3은 휴지 및 시효 3의 조건으로 제조된 샘플을 의미한다. 이때, R/0는 R조건으로 수득되고 시효가 수행되지 않은 샘플을 의미한다.
R/A1은 R/0의 경도 대비 38% 향상된 경도를 가졌으며, R/A2는 42%, R/A3는 49%, R/A4는 55%, R/A5는 51% 향상된 경도를 가졌다. 특히 R/A4의 경도값은 용접에 사용된 모재 자체의 경도값에 상응하였다.
R/A1은 R/0의 인장 강도 대비 12% 향상된 인장 강도를 가졌으며, R/0의 항복 강도 대비 17% 향상된 항복 강도를 가졌다. R/A2는 R/0의 인장 강도 대비 24% 향상된 인장 강도를, R/0의 항복 강도 대비 18% 향상된 항복 강도를 가졌다. R/A3는 R/0의 인장 강도 대비 35% 향상된 인장 강도를, R/0의 항복 강도 대비 21% 향상된 항복 강도를 가졌다. R/A4는 R/0의 인장 강도 대비 39% 향상된 인장 강도를, R/0의 항복 강도 대비 23% 향상된 항복 강도를 가졌다. R/A5는 R/0의 인장 강도 대비 34% 향상된 인장 강도를, R/0의 항복 강도 대비 25% 향상된 항복 강도를 가졌다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (10)

  1. a) Al2000계 또는 Al7000계 합금인 Al계 합금 모재간을 마찰교반 용접하는 단계;
    b) 마찰교반 용접된 용접 영역을 일정시간 동안 휴지하는 단계;
    c) 휴지된 용접 영역을 급냉하는 단계; 및
    d) 급냉된 용접 영역을 시효하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 d) 단계의 시효시 둘 이상의 서로 상이한 온도에서 열처리가 수행되되,
    상기 시효는 T1의 온도에서 T2의 온도로 변화되는 온도 프로파일을 갖는 제1시효를 포함하고, T1 및 T2는 하기 식 1을 만족하는, Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
    (식 1)
    T1 < T2
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 b) 단계의 휴지 시간은 1분 내지 5분인 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 c) 단계의 급냉은 냉매의 도포나 분사에 의해 수행되는 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 냉매는 가스상 및 액상에서 하나 이상 선택되는 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 T1은 70 내지 130℃이며, T2는 170 내지 230℃인 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제1시효 후 상기 T2의 고정된 온도에서 수행되는 제2시효가 더 수행되는 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제2시효 후 상기 T2보다 높은 T3의 온도에서 수행되는 제3시효가 더 수행되는 Al계 합금의 마찰교반 용접 방법.
  10. 삭제
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH11104860A (ja) * 1997-10-01 1999-04-20 Showa Alum Corp 摩擦撹拌接合法及び摩擦撹拌接合装置
JP2006075905A (ja) * 2004-09-13 2006-03-23 Boeing Co:The アルミニウム合金物品を形成するための方法、およびアルミニウム合金物品の延性を向上させるための方法
KR20140010565A (ko) 2012-07-13 2014-01-27 주식회사 보성알앤디 마찰교반용접 기술을 이용한 알루미늄 부재의 접합방법

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