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Korean Journal of Metals and Materials > Volume 59(12); 2021 > Article
Ti/Cu 이종 마찰 교반 용접 시 미세조직과 기계적 특성에 미치는 회전속도의 영향

Abstract

The dissimilar welding of titanium and copper by fusion welding is very difficult because the melting points of the materials are very highly different and strong brittle intermetallic compounds (IMCs) can be easily produced in welded zone and heat-affected zone, etc. Friction stir welding was employed as a type of solid-state welding for Ti/Cu dissimilar welding to obtain a sound welded zone and reduce the total process cost. This study investigated how the metal flow of the welded zone changes according to the variation in the rotational speed of the tool, from 450 rpm to 600 rpm. When the rotational speed was too high, the plastic flow of the softened material increased and intermetallic compounds such as TiCu, Ti2Cu3, and Ti2Cu, were generated in the Cu region of the welded zone. The microstructural evolution of AS (Advancing Side) and RS (Retreating Side) were investigated and the soundness of the welded zone and its mechanical properties were evaluated through the microstructural evolution. A high hardness value of 200 Hv or more was exhibited in some points, due to the formation of intermetallic compounds in the RS (Cu) region. Ti/Cu dissimilar friction stir welding at a welding speed of 50 mm/min and an appropriate rotation speed of 500 rpm showed a good welded zone and mechanical properties.

1. 서 론

타이타늄은 높은 내식성과 비강도를 가지는 특성 때문에 항공기, 자동차 등의 운송기기뿐 아니라 다양한 산업에도 확대 적용되고 있다 [1-6]. 구리는 전기 및 열 전도도가 매우 좋고 연성 및 전성이 좋아 가공이 쉬우며 화학적인 저항이 커 내식성이 좋은 특징이 있으므로, 대부분 전기관련 산업에 많이 이용되며 기계 부품, 건축, 가구 등 여러 산업분야에 용도가 다양하다.
현대 산업에 사용되는 소재는 고강도, 경량화, 내식성 등 다양한 특성들이 요구되고 있으며, 이를 충족시키기 위해 우수한 성질을 갖는 두 소재의 장점을 접목하여 사용하고 있다. 이종 금속판재의 접합은 두 재료의 장점을 활용할 수 있기 때문에 산업적으로 그 응용 분야가 광범위하다. 특히, Ti/Cu 이종 소재의 접합은 열전도도, 전기 전도도, 내마모성, 고강도 및 경량화 등의 특성을 얻을 수 있다 [7]. 이종 소재 간 용접은 용융 용접이 주로 적용되고 있지만 타이타늄과 구리는 두 소재의 다른 융점, 열팽창의 불일치 및 구조적 불연성과 같은 두 재료간의 야금학적 호환성이 떨어져 용접이 어렵고 취성이 강한 금속간화합물(Intermetallic Compounds, IMCs)이 생성되기 쉽기 때문에 용융 용접을 사용한 접합은 바람직하지 않다고 알려져 있다 [8-10]. 또한, 용융 용접 시 타이타늄의 높은 화학적 활성도로 인하여 고온 산화를 방지하기 위해 불활성 분위기 내에서 용접을 진행해야 하기 때문에 공정 비용이 증가한다.
액상까지 용융시켜 접합시키는 용융 용접과 달리, 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)은 맞대어진 고상의 이종 금속에 tool을 마찰시켜 접합시킨다. 이는 마찰열에 의한 재료 내 소성 유동으로 인해 접합이 진행되기 때문에 동소 변태점 이하에서의 접합으로 고온 산화 및 활성 가스의 침입을 억제할 수 있다. 또한, 용접부 내에 동적 재결정이 일어나 결정립 미세화로 인해 기계적 특성 향상을 기대할 수 있다 [5]. 그러나 마찰 교반 용접은 두 재료가 강제적으로 혼합되어 압력과 확산으로 인하여 용접이 진행되어 입열량이 작은 경우 void defect 및 소성 유동이 불충분하여 강도가 감소하며, 입열량이 큰 경우 hook defect가 발생하기 때문에 최적의 공정 조건을 찾는 것이 중요하다 [11-13].
따라서 본 연구에서는 타이타늄과 구리의 마찰 교반 용접 시 공정 조건 중 회전툴(rotational tool)의 회전속도 변화에 따른 미세조직의 변화와 용접부의 건전성, 그에 따른 기계적 특성을 연구함으로써, 용융 용접이 거의 불가능한 Ti/Cu의 이종 마찰교반 용접공정을 분석하고자 하였다.

2. 실험 방법

2.1 마찰 교반 용접

타이타늄과 구리의 마찰 교반 용접 시 회전속도에 따른 미세조직 및 기계적 성질을 확인하고자 2 mm의 ASTM Ti Gr. 2 판재와 순수 Cu 판재(99.95 wt.%)를 이종 마찰 교반 용접한 소재를 제작하였다.
마찰 교반 용접은 Ti과 Cu를 맞대어 tool을 삽입시켜 하중이 가해짐과 동시에 회전을 주어 용접이 진행되며 용접 속도는 50 mm/min으로 고정하고 회전속도를 450 rpm~600 rpm으로 차이를 두었다(Table 1). 여기서 마찰 교반 용접용 공구는 12 mm의 어깨치수(shoulder tool)와 4 mm의 직경을 가지는 텅스텐 카바이드(Tungsten Carbide, WC)이며 전진각을 3°로 설정하였다. Tool의 회전방향과 진행방향이 같은 전진측 (Advancing Side, AS)과 반대로 방향이 서로 반대인 후진측(Retreating Side, RS)으로 나눠지며, 영역에 따라 소재 유동 현상 및 열 이력이 다르게 나타난다. 사용한 구리소재에 비해 상대적으로 높은 타이타늄의 강도와 낮은 열전도성 등을 감안하여 툴의 진행방향에 대해 마찰교반에 의한 입열량을 많이 공급받을 수 있는 영역에 구리 판재를 위치하는 것이 마찰교반용접을 양호하게 할 수 있으므로, 본 실험에서는 AS 영역을 Ti 소재로, RS 영역을 Cu 소재로 두었고, tool을 Cu 소재 방향으로 0.2 mm offset시켜 진행하였다.

2.2 조직 관찰 및 기계적 특성 평가

Ti와 Cu의 마찰 교반 용접 시 나타나는 미세조직 변화를 관찰하기 위해 광학현미경(Optical Microscope, OM, BX53M, Olympus, Japan), 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM, JSM-7001F, JEOL, Japan), 후방 산란 전자 회절패턴 분석기(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD)를 이용하였다. 교반부 내에 금속간화합물의 발생 여부와 그 종류를 파악하기 위해 X선 회절 분석기(X-ray diffraction, XRD, Brucker D8)를 이용하여 분석하였다. 용접부는 모재(Base Metal, BM), 열 영향부(Heat Affected Zone, HAZ), 열-기계적영향부(Thermo-Mechanically Affected Zone, TMAZ), 교반부(Stir Zone, SZ)로 각각 구분하였다.
Ti와 Cu의 이종 마찰 교반 용접 시 공정조건에 따른 기계적 특성을 분석하기 위해 상온 일축인장시험을 진행하였으며, 길이와 폭을 48 × 3 mm, 표점거리 20 mm의 판상형 인장시험편을 정밀 가공하여 제작하였다. 인장시험은 유압식 만능재료시험기(DSCK, Ssaul Bestech, Korea)를 이용하여 진행하였다. 인장시험편의 치수와 교반부의 위치를 Fig 1에 나타내었다. 또한, 경도시험은 Vickers hardness test (HM-200, Mitutoyo, Japan)를 이용하여 모재, 열 영향부, 열-기계적영향부 및 교반부를 각 영역별로 0.3 kgf의 하중으로 15초 동안 유지후 측정하였다. 경도는 Fig 1에 나타낸 바와 같이 용접부의 수직단면에 대해 상부 표면에서 0.5 mm 깊이의 위치에서 0.15 mm의 측정간격으로 용접부를 횡단하는 방향으로 측정하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 미세조직

마찰 교반 용접은 tool이 회전하며 모재에 삽입되어 용접 방향으로 진행됨에 따라 tool 주변의 재료는 연화가 되고, 교반에 의한 재료의 소성 유동으로 접합이 이루어진다. 이러한 용접 방법은 회전속도가 클수록 시편 내부에서 회전하는 tool이 재료에 작용하는 단위시간 당 압력과 국부적인 회전수가 증가하기 때문에 입열량이 커지며 용접부가 늘어난다 [11]. 따라서 Fig 2와 같이 3,795 µm 용접부 크기를 갖는 450 rpm 조건보다 4,350 µm 용접부 크기를 갖는 600 rpm 조건에서 약 555 µm 더 넓은 용접부 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다. 또한, 용접부 내에 기공 등과 같은 결함을 발견하였다. 강한 소재로부터 큰 파편이 형성되어 상대적으로 연한 소재에 유입되면 소재 유동을 방해하며 이 파편들로 인하여 연성 소재인 Cu에서 결함이 발견되는 것이다 [7]. 이러한 파편의 유입은 회전속도가 빠를수록 용접 중 연화된 소재의 흐름이 더 빨라져 유입되는 양이 더 많아진다.
한편, Fig 2(a)와 같이 회전속도가 너무 낮으면 입열량이 충분하지 않아서 내부의 소성유동이 잘 이루어지지 않기 때문에 void defect 발생, 불충분한 소성 유동으로 인한 내부 균열 등 마찰교반 용접부내의 결함이 생성되기 쉬우며, Fig 2(e)와 같이 Ti과 Cu의 계면결합이 나빠져 불건전한 계면 연속성을 갖게 된다. Tool의 회전속도가 너무 빠르면 높은 입열량에 따른 취약한 용접부 크기의 증가와 더불어 위에서 설명한 바와 같이 연성소재인 Cu 영역내에 결함이 발생하기 쉬우며(Fig 2(d)), Ti와 Cu 계면의 연속성이 낮아지고 hook defect 등이 생성되어 용접부의 건전성을 크게 저해한다(Fig 2(h)). 반면, 적정한 회전속도와 그에 따른 입열량이 가해질 경우 이종 소재 용접부의 Ti와 Cu 계면의 연속성이 높고 용접부의 내부결함을 최소화할 수 있다(Fig 2(b),(f)).
용접부의 각 영역별 미세조직 특징을 분석하기 위해 마찰교반용접 상태가 가장 양호한 회전속도 500 rpm인 sample 2에 대해 EBSD로 관찰한 결과를 Fig 3에 나타내었다. 열-기계적 영향부(TMAZ)는 용접 시 충분한 열에너지가 공급되지 않은 상태에서 소성변형 및 소성유동이 진행되기 때문에 재결정화가 완료되지 않는다 [14]. 따라서 Fig 3(b)와 같이 저경각계가 많은 분율을 차지하고 있으며, 회전하는 방향에 따라 결정립이 연신되어 길게 늘여진 형태를 보인다 [15-17]. 마찰 교반 용접은 소성변형으로 인하여 전위가 축적(dislocation tangle)됨에 따라 변형에너지가 저장되며, 새로운 아결정립(subgrain) 생성을 통해 저장된 변형에너지의 감소가 평형을 이루면서 동적 재결정이 일어난다 (Fig 4). 따라서 전위의 축적, 소멸 및 재배열에 의해 아결정립계(subgrain boundary)가 형성이 되고(Fig 4(b)) 고경각계(high angle boundary)로 점진적인 전환되어 결정립계로 발전한다 [18]. 동적 재결정으로 인해 교반부(SZ)로 갈수록 충분한 열에너지가 공급되어 재결정화가 완료되기 때문에 저경각계의 분율이 줄어들고, 교반부(SZ)에서의 결정립 크기가 모재(BM)에서의 크기보다 현저히 작은 것을 확인할 수 있다. 또한, 회전속도가 빠른 조건일수록 상대적으로 입열량이 크기 때문에 재결정이 진행되며 결정립이 다소 성장하여 결정립 크기가 증가한다(Fig 5(a)-Fig 5(d)).
회전속도에 따른 교반부(SZ)의 재결정화를 정량적으로 평가하기 위해 GOS (grain orientation spread)로 분석하였으며, 그 결과를 Fig 5에 나타내었다. 앞서 언급한 바와 같이 450 rpm에 비해 높은 회전속도를 갖는 600 rpm이 입열 에너지가 더 높기 때문에 상대적으로 재결정이 더 많이 진행된 것을 알 수 있다. Fig 5의 파란색으로 나타낸 부분이 재결정이 진행된 영역이며, 600 rpm의 높은 회전 속도 조건인 Fig 5(d)의 파란색 영역이 450 rpm의 조건인 Fig 5(a)의 파란색 영역보다 더 큰 것을 알 수 있다.

3.2 기계적 특성

Ti/Cu 이종 마찰 교반 용접한 판재에 대해 용접 진행 방향의 수직면을 절단하여 Ti의 모재(BM)부터 Cu의 모재(BM)까지 미소경도를 측정하여 Fig 6에 나타내었다. 마찰 교반 용접은 교반부(SZ)의 동적 재결정으로 인한 결정립 미세화 효과로 인해 모재(BM)에 비해 교반부(SZ)의 경도 값이 증가한다 [17]. 또한 Cu 내 Ti의 확산계수(DTi/cu=0.693*10-4 exp[-(196 kJmol-1/RT)] m2 s-1)가 Ti 내 Cu의 확산계수(Dcu/Ti=0.38*10-4 exp[-(195 kJmol-1/RT)] m2 s-1)보다 약 2배 크기 때문에, Cu 내에 Ti가 확산하는 것이 Ti 내에 Cu가 확산하는 것보다 더 용이하다. 이에 Ti과 Cu의 금속간화합물(IMCs)이 생성될 경우 용접부의 Cu영역내에 생성될 것으로 예측할 수 있다.
이러한 확산 현상으로 금속간화합물의 생성 유무를 확인하기 위해 마찰교반용접한 시편에서 공통적으로 관찰되는 XRD 분석 결과를 Fig 6(b)에 나타내었다. 금속간화합물은 TiCu, Ti2Cu3, Ti2Cu가 생성된 것으로 확인되었으며, 깁스 자유에너지(Gibb’s free energy)가 낮은 TiCu부터 Ti2Cu3, Ti2Cu 등이 생성되었다 [19]. Cu내에 Ti 확산으로 인하여 금속간화합물은 Cu영역에서 생성된 것으로 사료되며, 이것은 Fig 6(a)의 RS (Cu)영역에서 금속간화합물의 생성으로 인해 200 Hv 이상의 높은 경도값을 나타내는 위치들이 존재하는 것을 통해 확인할 수 있다 [8]. 한편, 입열량이 높아짐에 따라 전위밀도가 감소하며 동시에 재결정화된 결정립의 성장이 이루어져 결과적으로 경도가 다소 낮아질 수 있다 [20].
마찰 교반 용접의 상온 인장시험 결과를 Table 2에 나타내었다. 인장강도는 500 rpm에서 147 MPa로 가장 높은 값을 나타내었다. 낮은 회전속도에서는 불충분한 열 에너지로 인해 재료간의 접합이 이루어지기 부족한 조건으로 앞서 설명한 바와 같이 Ti과 Cu의 불건전한 계면 연속성 및 용접부의 내부결함 등으로 인하여 인장 균열을 촉진시켜 인장강도 및 항복강도값이 낮게 된다(Fig 2(a),(e)). 또한, 높은 회전속도의 경우 Ti 입자들이 Cu영역내 확산되는 양이 많아져 소재 내에 금속간화합물 및 hook defect 등으로 인하여 계면 및 Cu영역내에 결함이 발생하게 됨으로써 항복강도값이 떨어짐을 알 수 있다(Fig 2(g),(h)). 인장 시험편의 파단면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과, Fig 7에서 알 수 있듯이 회전속도 변화조건에 상관없이 모두 용접부에서 파괴되는 취성파괴 형태를 나타내었다. 이것은 Cu 영역내로 Ti가 확산되면서 생성된 금속간화합물, 계면 결합의 불건전성, 내부 기공 등으로 인해 발생한 것이라 할 수 있다. TiCu계 금속간화합물은 매우 brittle하기 때문에 인장하중시 균열발생으로 인해 cleavage 형태의 취성파면을 갖게 되며, 용접부 내부의 기공결함 등은 crack initiation site 역할을 하여 금속간화합물로 경화된 용접부에 빠르게 성장, 전파가 이루어져 취성파괴 형태로 파단이 발생하게 된다.

4. 결 론

본 연구는 타이타늄과 구리의 마찰 교반 용접 시 최적의 공정 조건을 도출하기 위해 회전툴의 회전속도 변화의 영향을 분석하고자 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
1) 용융용접이 거의 불가능한 Ti/Cu의 이종접합을 마찰교반 용접법으로 수행하여 양호한 용접특성을 확보할 수 있었으며, 용접속도 50 mm/min, 회전툴의 적정한 회전속도 500 rpm 조건일 때 양호한 용접부와 우수한 기계적 성질을 가지는 것을 확인하였다.
2) Ti/Cu 이종소재의 마찰 교반 용접시 회전툴의 회전속도가 너무 느릴 경우, 용접부에 충분한 열에너지가 공급되지 않기 때문에 재료의 연화가 미흡하고 용접부의 소성유동이 불충분하여 미세조직의 재결정화 비율이 낮고, 용접부의 건전성이 떨어지며, 기계적 특성이 낮아졌다.
3) 회전 속도가 너무 빠를 경우, 연화된 소재의 소성유동 흐름이 빨라지며 Ti 원자들이 Cu 영역내로 유입되는 양이 많아져 용접부의 Cu 영역내에 취성이 강한 TiCu, Ti2Cu3, Ti2Cu 등 금속간화합물이 생성되었고, hook defect 및 계면의 불연속성 증가 등으로 인해 취성파괴 형태를 나타내며 기계적 특성이 하락하였다.

Acknowledgments

본 연구는 순천대학교 교연비 사업의 연구지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

Fig. 1.
Schematic images of Ti/Cu dissimilar friction stir welding process and specimen.
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Fig. 2.
Cross-sectioned macrographs of FSWed region at each welding condition: (a) sample 1 (450 rpm), (b) sample 2 (500 rpm), (c) sample 3 (550 rpm), (d) sample 4 (600 rpm), and (e)~(h) high magnification images of Ti/Cu interface of each sample.
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Fig. 3.
EBSD grain boundary maps of (a) base metal (BM) and (b) thermo-mechanically affected zone (TMAZ) at 500 rpm condition (sample 2).
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Fig. 4.
TEM bright field images of FSWed stir zone at 500 rpm condition (sample 2); transition state from dislocation tangles to subgrain boundary.
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Fig. 5.
EBSD maps showing the GOS distribution of each sample: (a) sample 1 (450 rpm), (b) sample 2 (500 rpm), (c) sample 3 (550 rpm), and (d) sample 4 (600 rpm). (blue color : recrystallization area, red color : non-recrystallization area).
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Fig. 6.
(a) Vickers hardness distribution on the cross-sectioned area of the welded zone at each rotation speed condition and (b) X-ray diffraction analysis of the welded zone.
kjmm-2021-59-12-886f6.jpg
Fig. 7.
Fracture surface macrographs of each tensile-tested sample for each welding condition: (a) sample 1 (450 rpm), (b) sample 2 (500 rpm), (c) sample 3 (550 rpm), and (d) sample 4 (600 rpm).
kjmm-2021-59-12-886f7.jpg
Table 1.
Process conditions of Ti/Cu dissimilar friction stir welding
Samples Welding speed Rotation speed
Sample 1 50 mm/min 450 rpm
Sample 2 500 rpm
Sample 3 550 rpm
Sample 4 600 rpm
Table 2.
Room temperature tensile properties of the FSWed samples.
Samples Tensile properties
UTS (MPa) YS (MPa)
Sample 1 (450 rpm) 98 93
Sample 2 (500 rpm) 147 140
Sample 3 (550 rpm) 95 87
Sample 4 (600 rpm) 28 x

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