이 기술 요약은 Eder Paduan Alves 외 저자가 2010년 J. Aerosp. Technol. Manag.에 발표한 학술 논문 “Welding of AA1050 aluminum with AISI 304 stainless steel by rotary friction welding process”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
- Primary Keyword: 이종 재료 마찰 용접
- Secondary Keywords: 회전 마찰 용접, AA1050 알루미늄, AISI 304 스테인리스강, 고체상 접합, 항공우주 산업
Executive Summary
- 도전 과제: 기존의 융용 용접 방식으로는 알루미늄과 스테인리스강을 접합할 때 취성이 강한 금속간 화합물이 형성되어 고품질 접합이 어렵다는 점입니다.
- 해결 방법: 두 재료의 표면 마찰열과 가압을 이용하는 고체상 접합 방식인 회전 마찰 용접(RFW) 공정을 적용했습니다.
- 핵심 돌파구: 용접부가 모재인 AA1050 알루미늄보다 더 높은 기계적 강도를 가지며, 파단이 용접 계면이 아닌 알루미늄 모재에서 발생하는 이상적인 접합부를 구현했습니다.
- 핵심 결론: 회전 마찰 용접은 알루미늄과 스테인리스강과 같은 이종 재료를 접합하여 항공우주 분야 등 고성능이 요구되는 구조물에 적용할 수 있는 매우 효과적이고 신뢰성 높은 방법임이 입증되었습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
항공우주 산업에서는 경량화와 고강도, 내부식성을 동시에 만족시키기 위해 알루미늄과 스테인리스강과 같은 이종 재료의 접합이 필수적입니다. 하지만 이 두 재료는 융점이 크게 다르고, 고온에서 반응하여 FeAl, FeAl3 등 단단하고 깨지기 쉬운 금속간 화합물(Intermetallic Phases)을 형성합니다. 이 때문에 레이저나 전자빔과 같은 융용 용접(Fusion Welding) 공정으로는 건전한 용접부를 얻기 어렵고, 접합부의 기계적 특성이 모재보다 현저히 저하되는 문제가 있었습니다. 이러한 기술적 한계는 위성 발사체의 액체 추진제 탱크나 기타 핵심 부품의 설계 및 제조에 큰 제약이 되어 왔습니다. 따라서 금속간 화합물 생성을 억제하면서 두 재료를 견고하게 결합할 수 있는 새로운 접합 기술이 절실히 요구되었습니다.
접근법: 방법론 분석
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 고체상 접합 방식인 회전 마찰 용접(Rotary Friction Welding, RFW)을 적용했습니다. 연구에 사용된 재료는 상업용 순수 알루미늄인 AA1050과 오스테나이트계 스테인리스강인 AISI 304입니다. 각 재료는 직경 14.8mm의 봉 형태로 가공되었습니다.
GATWIK 브랜드의 회전 마찰 용접 장비를 사용하여 3,200 RPM의 고정된 회전 속도로 실험을 진행했습니다. 공정의 핵심 변수는 다음과 같습니다. – 마찰 압력(P1) 및 시간(t1): 접합 계면에 마찰열을 발생시키는 단계 – 단조 압력(P2) 및 시간(t2): 회전을 멈춘 후 가압하여 최종적으로 결합을 완성하는 단계
이렇게 얻어진 용접 시편에 대해 인장 시험(ASTM E 8M), 비커스 미소경도 측정, 금속 조직 분석, 그리고 주사전자현미경(SEM) 및 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 이용한 계면 분석을 수행하여 접합부의 기계적, 미세조직적 특성을 종합적으로 평가했습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
발견 1: 모재를 능가하는 우수한 접합 강도 달성
인장 시험 결과, 특정 공정 조건에서 생성된 용접부는 모재인 AA1050 알루미늄의 강도를 뛰어넘는 우수한 기계적 특성을 보였습니다. 논문의 Table 3에 따르면, 시편 8번(마찰 압력 P1=2.1 MPa, 마찰 시간 t1=32초, 단조 압력 P2=1.4 MPa, 단조 시간 t2=2초)에서 80.08 MPa의 최대 인장 강도를 기록했습니다. 이는 AA1050 알루미늄 모재의 최대 인장 강도인 78.48 MPa보다 높은 수치입니다.
특히 주목할 점은, Figure 5에서 볼 수 있듯이 인장 시험 후 파단이 취약할 수 있는 용접 계면이 아닌 연성이 더 높은 AA1050 알루미늄 모재 쪽에서 발생했다는 것입니다. 이는 용접 계면이 모재보다 더 강하게 결합되었음을 의미하는 이상적인 결과입니다.
발견 2: 확산에 의한 견고한 원자 결합 메커니즘 규명
용접 계면에 대한 SEM-EDX 분석 결과, 알루미늄(Al)과 스테인리스강의 주성분인 철(Fe) 원자가 계면을 가로질러 서로 확산(Interdiffusion)되었음이 명확히 확인되었습니다. Figure 10의 그래프는 계면 영역에서 두 원소의 농도가 점진적으로 변하는 것을 보여주며, 이는 원자 수준의 확산이 주된 결합 메커니즘임을 증명합니다.
또한, Figure 7의 비커스 미소경도 측정 결과에 따르면, 용접 계면 근처에서 알루미늄과 스테인리스강 양쪽 모두 경도가 모재보다 높게 나타났습니다. 알루미늄 측의 경도 증가는 마찰열과 압력에 의한 큰 소성 변형 때문이며, 스테인리스강 측의 경도 증가는 주로 온도 상승에 기인합니다. 이는 용접 과정에서 계면 부근의 미세조직이 강화되었음을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
- 공정 엔지니어: 본 연구는 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강의 회전 마찰 용접에 대한 최적의 공정 변수(P1=2.1 MPa, t1=32초, P2=1.4 MPa, t2=2초)를 제시합니다. 이는 결함 발생을 줄이고 용접 품질의 일관성을 확보하기 위한 중요한 기초 데이터로 활용될 수 있습니다.
- 품질 관리팀: 논문의 Table 3과 Figure 5 데이터는 성공적인 용접부의 파단이 계면이 아닌 모재에서 발생해야 함을 보여줍니다. 또한, Figure 7의 미소경도 프로파일은 열영향부 및 소성 변형부의 건전성을 평가하는 새로운 품질 검사 기준으로 도입될 수 있습니다.
- 설계 엔지니어: 연구 결과는 알루미늄과 스테인리스강을 별도의 전이재 없이 직접 고강도로 접합할 수 있음을 입증합니다. 이를 통해 특히 추진제 탱크와 같은 항공우주 부품 설계 시 더 단순하고 가벼우며 견고한 구조 설계가 가능해집니다.
논문 상세 정보
Welding of AA1050 aluminum with AISI 304 stainless steel by rotary friction welding process
1. 개요:
- 제목: Welding of AA1050 aluminum with AISI 304 stainless steel by rotary friction welding process
- 저자: Eder Paduan Alves, Francisco Piorino Neto, Chen Ying An
- 발표 연도: 2010
- 발표 학술지/학회: J. Aerosp. Technol. Manag.
- 키워드: Friction welding, Aluminum, Stainless steel, Dissimilar materials
2. 초록:
본 연구의 목적은 액체 추진제 탱크 파이프 및 위성 발사체의 다른 부품에 사용될 수 있는 이종 재료 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강의 고체상 접합 개발을 평가하는 것이었습니다. 접합은 두 표면 사이의 마찰에서 발생하는 열과 소성 변형을 결합하는 회전 마찰 용접(RFW) 공정을 통해 얻어졌습니다. 다양한 용접 공정 변수를 사용하여 시험을 수행했습니다. 결과는 인장 시험, 비커스 미소경도, 금속 조직 시험 및 SEM-EDX를 통해 분석되었습니다. 접합부의 강도는 마찰 시간 증가 및 다른 압력 값 사용에 따라 다양했습니다. AA1050 알루미늄의 기계적 특성보다 우수한 접합부가 얻어졌으며, 파단은 접합 계면에서 떨어진 알루미늄에서 발생했습니다. 접합부 계면의 EDX 분석은 관련된 재료의 주요 화학 성분 간에 상호 확산이 발생함을 보여주었습니다. RFW는 융용 용접 공정으로는 불가능한 이종 재료 간의 접합을 얻는 훌륭한 방법임이 입증되었습니다.
3. 서론:
최근 몇 년 동안 이종 재료 간의 접합 사용이 상당히 증가했습니다. 기존의 강철 구조물은 높은 기계적 강도, 적은 재료 부피 및 우수한 내식성을 제공할 수 있는 더 가벼운 재료로 대체되었습니다. 항공우주 산업을 위한 신기술 개발에서 이러한 접합은 스테인리스강과 알루미늄으로 제조된 시스템, 하위 시스템 및 부품을 구조적으로 결합할 수 있게 해주기 때문에 매우 중요합니다. 레이저 및 전자빔 용접 공정과 같이 열영향부(HAZ)가 잘 감소된 융용 용접 공정조차도 모재보다 열등한 특성의 접합부를 생성합니다. 융용 용접 공정으로 알루미늄 합금과 스테인리스강을 용접하는 것의 어려움은 공학적으로 큰 도전 과제였는데, 이는 고온에서 알루미늄과 강철 사이에 형성되는 단단하고 취성이 강한 금속간 화합물(Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5, FeAl3) 때문입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
항공우주 분야에서는 경량화와 고강도 특성을 동시에 요구하는 구조물이 많아, 알루미늄과 스테인리스강과 같은 이종 재료의 접합 기술이 필수적입니다. 그러나 기존의 융용 용접 방식은 취성 금속간 화합물 생성 문제로 인해 적용이 어려웠습니다.
이전 연구 현황:
융용 용접 방식의 한계로 인해, 고체상 접합 방식인 회전 마찰 용접(RFW)이 이종 재료 접합의 대안으로 연구되어 왔으며, 그중에서도 RFW가 가장 좋은 결과를 보였습니다.
연구 목적:
항공우주 분야 구조물에 적용 가능한 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강의 회전 마찰 용접 접합부를 개발하고, 그 특성을 평가하여 최적의 용접 변수를 찾는 것을 목적으로 합니다.
핵심 연구:
회전 마찰 용접 공정을 이용하여 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강을 접합하고, 다양한 공정 변수(마찰/단조 압력 및 시간)가 접합부의 기계적 강도에 미치는 영향을 인장 시험을 통해 평가했습니다. 최적의 결과를 보인 시편에 대해 미소경도 측정, 금속 조직 관찰, SEM-EDX 분석을 수행하여 접합 계면의 특성과 결합 메커니즘을 심층적으로 분석했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
다양한 공정 변수 조합(Table 3 참조)을 적용하여 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강 봉을 회전 마찰 용접했습니다. 이후, 각 시편의 기계적 특성을 평가하여 최적의 조건을 도출하고, 해당 조건의 시편에 대해 정밀 분석을 수행하는 방식으로 설계되었습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
- 인장 시험: ZWICK 1474 시험기를 사용하여 ASTM E 8M 규격에 따라 용접 시편의 기계적 강도를 측정했습니다.
- 비커스 미소경도 시험: Future-Tech Corporation의 디지털 미소경도 시험기를 사용하여 용접 계면 부근의 경도 변화를 측정했습니다.
- 금속 조직 분석: 시편을 절단, 연마 후 Keller 시약(알루미늄)과 10% 옥살산 전해 에칭(스테인리스강)을 통해 조직을 관찰했습니다.
- 계면 분석: 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 이용하여 접합 계면의 미세구조와 원소 확산 거동을 분석했습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강의 회전 마찰 용접에 국한됩니다. 고정된 회전 속도(3,200 RPM) 하에서 마찰 압력(P1), 마찰 시간(t1), 단조 압력(P2), 단조 시간(t2)을 주요 변수로 하여 접합부의 기계적 특성 및 미세조직 변화를 분석했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- 회전 마찰 용접을 통해 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강의 성공적인 접합이 가능했습니다.
- 최적의 용접 조건(P1=2.1 MPa, t1=32초, P2=1.4 MPa, t2=2초)에서 얻어진 접합부는 모재인 AA1050 알루미늄(78.48 MPa)보다 높은 80.08 MPa의 최대 인장 강도를 보였습니다.
- 최적 조건의 시편은 인장 시험 시 용접 계면이 아닌 알루미늄 모재에서 파단이 발생하여, 계면의 결합력이 매우 우수함을 입증했습니다.
- 용접 계면에서는 Fe와 Al 원소의 상호 확산이 관찰되었으며, 이는 확산이 주된 결합 메커니즘임을 나타냅니다.
- 용접 계면 근처에서는 알루미늄과 스테인리스강 양측 모두에서 모재보다 높은 미소경도 값을 나타내어, 용접부 주변이 강화되었음을 확인했습니다.
Figure 목록:
- Figure 1: Phases of conventional friction welding process. (A) Period of approximation; (B) P1, t1 application; (C) end of P1, t1 application, and braking of the machine (RPM = 0); (D) P2, t2 application and finish welding.
- Figure 2: Equipment of rotary friction welding.
- Figure 3: Schematic view of the positioning of the materials before welding.
- Figure 4: Interfaces of pins that were joined (A); flash generated by the process (B); specimen for tensile test (C); samples on graph paper.
- Figure 5: Specimen number 5: (A) – rupture on the bonding interface; specimen number 8: (B) – rupture away from the bonding interface.
- Figure 6: Specimens number 1, 2 and 3 – AA1050 aluminum/ AISI 304 stainless steel after completion of tensile tests.
- Figure 7: HV microhardness x distance bonding interface. (A) AA1050 aluminum; (B) AISI 304 stainless steel.
- Figure 8: Photomicrograph of the bonding interface between the AA1050 aluminum and AISI 304 stainless steel, showing the measuring points and the approximate distance in scale of the regions that presented a variation of the Vickers microhardness values.
- Figure 9: Photomicrograph of the interface bonding between the AA1050 aluminum and AISI 304 stainless steel with an increase of 100 Χ.
- Figure 10: Analysis by semiquantitative EDX showing the interdiffusion of the main elements of alloy AA1050 (Al) and AISI 304 stainless steel (Fe).
- Figure 11: Joints produced by the rotary friction welding process (RFW) (dark part: AISI 304 stainless steel; clear part: AA1050 aluminum).
7. 결론:
마찰 용접 공정은 AA1050 알루미늄과 AISI 304 스테인리스강과 같은 이종 재료를 용접하는 데 매우 효율적이었습니다. 이는 융용 용접 공정으로는 달성할 수 없는 기계적 특성을 나타내는 인장 기계 시험 결과로 확인되었습니다. 시험에 사용된 변수 중, AA1050 알루미늄의 기계적 강도보다 우수한 값을 보이며 인장 시험에서 최고의 결과를 보인 것은 8번 시편(P1 = 2.1 MPa; t1 = 32초, P2 = 1.4 MPa; t2 = 2초)이었습니다. AA1050 알루미늄 측과 AISI 304 스테인리스강 측의 접합 계면 근처 중앙 영역에서 측정된 비커스 미소경도 값은 모재보다 높았습니다. 측정 지점이 계면에서 멀어질수록 각 재료의 기준 미소경도 값에 도달할 때까지 감소했습니다. 이 연구 결과는 마찰 용접 공정의 주요 특성, 이종 재료 간의 결합 메커니즘, 그리고 항공 및 항공우주 산업에서 사용될 구조적 접합부 생산에 이 공정을 적용할 타당성을 이해하고 파악하는 데 근본적인 중요성을 가집니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 융용 용접 대신 회전 마찰 용접(RFW)을 선택한 구체적인 이유는 무엇인가요?
A1: 융용 용접은 고온에서 알루미늄과 강철이 반응하여 FeAl, FeAl3와 같이 매우 단단하고 깨지기 쉬운 금속간 화합물을 형성하기 때문입니다. 이러한 화합물은 용접부의 기계적 특성을 심각하게 저하시킵니다. 반면, 회전 마찰 용접은 재료의 융점 이하 온도에서 진행되는 고체상 접합 공정이므로 이러한 취성 화합물의 생성을 근본적으로 억제하여 건전하고 강한 접합부를 얻을 수 있습니다.
Q2: 용접 시 발생하는 ‘플래시(flash)’가 알루미늄 쪽에서만 형성된 것은 무엇을 의미하나요?
A2: 이는 두 재료의 기계적 강도 차이 때문입니다. AISI 304 스테인리스강은 AA1050 알루미늄보다 고온 강도가 훨씬 높습니다. 따라서 마찰열과 압력이 가해졌을 때, 강도가 낮은 알루미늄만 소성 변형되어 계면 밖으로 밀려나와 플래시를 형성하고, 스테인리스강은 거의 변형되지 않은 것입니다. 이는 불순물과 산화물을 효과적으로 제거하는 긍정적인 과정이기도 합니다.
Q3: Table 3의 결과 중 가장 강한 접합부를 만든 구체적인 공정 변수는 무엇이며, 이 조합이 효과적이었던 이유는 무엇인가요?
A3: 가장 강한 접합부는 시편 8번 조건인 마찰 압력(P1) 2.1 MPa, 마찰 시간(t1) 32초, 단조 압력(P2) 1.4 MPa, 단조 시간(t2) 2초에서 얻어졌습니다. 32초라는 비교적 긴 마찰 시간은 계면에 충분한 열을 발생시켜 원활한 소성 변형과 확산을 촉진했으며, 이후 2초간의 단조 압력은 가열된 재료를 효과적으로 압착하여 최종적인 결합을 완성했기 때문으로 분석됩니다.
Q4: Figure 7을 보면 용접 계면 근처에서 양쪽 재료 모두 경도가 증가했습니다. 각 재료에서 경도가 증가한 원인은 무엇인가요?
A4: 두 재료에서 경도가 증가한 원인은 다릅니다. AA1050 알루미늄의 경우, 용접 중 발생한 큰 소성 변형(가공 경화)과 온도 상승이 복합적으로 작용하여 경도가 증가했습니다. 반면, 소성 변형이 거의 없었던 AISI 304 스테인리스강의 경우, 주로 알루미늄으로부터 전달된 열에 의한 온도 상승과 그에 따른 미세조직 변화가 경도 증가의 주된 원인입니다.
Q5: Figure 10의 EDX 분석에서 어떤 원소가 다른 원소로 더 많이 확산되었으며, 논문에서 제시하는 이유는 무엇인가요?
A5: 분석 결과, 알루미늄(Al)이 철(Fe)로 확산된 것보다 철(Fe)이 알루미늄(Al)으로 더 많이 확산되었습니다. 논문에서는 이에 대한 두 가지 가능한 이유를 제시합니다. 첫째, 철 원자의 직경이 알루미늄 원자보다 작아 확산이 더 용이하다는 점. 둘째, 각 모재에 포함된 철과 알루미늄의 농도 차이 때문일 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 이종 재료 마찰 용접이 기존의 기술적 한계를 극복하고 알루미늄과 스테인리스강을 성공적으로 접합할 수 있는 매우 강력한 솔루션임을 명확히 보여주었습니다. 특히 용접부가 모재보다 더 강한 이상적인 접합부를 구현함으로써, 항공우주와 같이 극한의 신뢰성이 요구되는 분야에서의 적용 가능성을 입증했습니다. 이 연구 결과는 R&D 및 운영팀에게 공정 최적화, 품질 관리 기준 설정, 그리고 혁신적인 제품 설계를 위한 실질적인 통찰력을 제공합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하기 위해 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 당사의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.
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- 이 콘텐츠는 “Eder Paduan Alves” 외 저자의 논문 “Welding of AA1050 aluminum with AISI 304 stainless steel by rotary friction welding process”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
- 출처: https://doi.org/10.5028/jatm.2010.02037110
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