Analysis of Microstructure and Mechanical Properties According to Heat Treatment Conditions in GMAW for Al 6061-T6 Alloy

찬규 김; 영태 조; 윤교 정; 신현 강

doi:10.5781/JWJ.2016.34.4.34

Abstract

Recently, aluminum alloy has used various industry, such as automobile, shipbuilding and aircraft because of characteristics of low density and high corrosion resistance. Al 6061-T6 is heat treatment materials so it has high strength and mostly used for assembly by mechanical fastening such as a bolting and riveting.

In GMA (Gas Metal Arc) welding of alloy, some defects which are hot cracking, porosity, low-mechanical properties and large heat affected zone is generated, because of high heat conductivity. It reduces mechanical properties.

In this study, the major factor effected on properties are analyzed after welding in Al 6061-T6 in GMAW, then optimize heat treatment conditions. Plate of Al 6061-T6 with a thickness of 12 mm is welded in V groove and applied welding method is butt joint. Mechanical properties and microstructure are analyzed according to heat treatment condition. Tensile strength, microstructure and Hardness are evaluated. Result of research appears that Al 6061-T6 applied heat treatment show outstanding mechanical properties.

Key words: Al 6061-T6 alloy, GMAW, Heat-treatment, Taguchi method

1. 서론

최근 구조물의 경량화를 위해 사용되는 알루미늄은 철강보다 가공성이 좋고 산화 피막의 형성으로 내부식성이 우수하여 차량, 선박, 항공기 등 다양한 분야에 사용되고 있다^{¹^,²⁾}.

Al 6061-T6 합금은 알루미늄에 마그네슘 (Mg), 규소 (Si)를 첨가한 후 T6 처리를 한 것으로, 열간가공 후 용체화 처리 및 인공시효처리를 거쳐 최적의 기계적 성질을 가진다^{³^,⁴⁾}.

GMAW 는 가장 많이 사용되는 접합기술 중 하나이며 이를 이용하여 알루미늄 6000, 7000, 8000 계열에 관한 연구가 이루어지고 있다^⁵⁾. 하지만 알루미늄 합금은 높은 열전도율과 전기전도를 가지는 특성 때문에 용접 시 고온 균열 (Hot cracking), 확산성 수소에 의한 기공 (Porosity) 및 입열에 의한 변형과 넓은 열영향부 (Heat affected zone) 형성 등 다양한 결함이 발생하여 용접이 까다로운 소재이다^⁶⁾.

Taguchi method 는 실험조건을 강건 설계할 수 있는 유용한 도구이다. 간단하면서도 능률적으로 변수, 품질, 경제성을 고려한 최적화설계가 가능하여 다양한 변수가 존재하는 실험에 최적화 되어있는 실험방법이다^{⁷^,⁸⁾}.

본 연구에서는 Taguchi method 실험 계획법을 적용하여 Al 6061-T6 합금의 MIG 용접 후 열처리조건을 강건 설계하고 강도에 영향을 미치는 주요인자 및 최적의 열처리조건을 파악하였다.

2. 실험 방법

2.1 시편 제작

두께 12t 의 Al 6061-T6 합금을 맞대기 용접을 하기 위해 V 형 그루브 용접을 수행하였다. 높은 열전도율과 전기전도를 가지는 알루미늄 합금의 특성으로 용접 시 입열에 의한 변형 및 기계적 성질의 저하를 최소화하기 위해 단시간에 대전류로 용접을 수행하였다.

아래의 Table 1은 Al 6061-T6 합금의 MIG 용접 조건을 나타낸 것이다.

Table 1

MIG welding condition of Al 6061-T6

weld current (A)	CT WD (mm)	Work angle(°)	Progress angle(°)	Weld speed (cm/min)	Wire feed (rpm)	Polarity
180~190	8~10	90	75	22	180	DCEP

시편제작 시 용접 전류는 180 ~ 190A, 작업각 90°, 진행각 75° 로 진행하였으며 극성은 DCEP 로 용접을 수행하였다.

MIG 용접후의 시편은 Fig. 1 의 규격과 같이 인장시험시편을 제작하여 인장강도 및 항복강도를 측정하였다.

2.2 실험 계획법 (Taguchi method)

Fig. 1

Standard specimen of tensile test for butt welded joints (KS B 0833)

Taguchi method 를 이용한 실험계획법의 작성에 앞서 열처리조건의 주요인자로 온도와 시간을 선정하였다.

Table 2 는 기초 실험을 하기 위해 작성된 실험조건표이며 [A] 모재, [B] 맞대기 용접 후, [C] 열처리조건을 나타낸 것이다.

Table 2

Basic experiment of strength test for specimen A (Substrate), B (After welding) and C (Heat treatment)

No.	Specimen name	Condition
A	Substrate	Al 6061-T6 alloy
B	After welding	MIG welding
C	Heat treatment	175°C, 6hr

Al 6061-T6 합금의 MIG 용접 후 저하되는 강도를 확인하고 기준이 되는 온도와 시간으로 열처리를 하였을 때 개선되는 정도를 파악하였다. 그 후 인자별 수준을 정하여 Taguchi 실험계획법을 작성하였다.

Table 3 은 선행으로 수행한 기초실험 조건을 토대로 온도 [160°C, 175°C, 190°C], 시간 [8hr, 18hr, 24hr] 의 2인자 3수준의 열처리 조건표를 나타낸 것이다.

Table 3

Heat treatment conditions of weld specimen

No.	Heat treatment		No.	Heat treatment
No.	Temperature (°C)	Time (hr)	No.	Temperature (°C)	Time (hr)
1	160	8	7	190	8
2	160	18	8	190	18
3	160	24	9	190	24
4	175	8	10	310	2
5	175	18	11	310	2
6	175	24	11	175	8

시편 No. 1 ~ 9 는 앞서 선정한 2인자 3수준에 해당되는 열처리 조건이며 No. 10 은 응력제거 [310°C, 2hr], No. 11 은 선행으로 응력제거 [310°C, 2hr] 를 하고 후행으로 열처리 [175°C, 8hr]를 병행한 것이다.

3. 실험 결과

3.1 Tensile test

인장시험 결과 모든 시편은 Fig. 2 의 사진과 같이 용접부와 HAZ 의 사이에서 파단이 발생하였다.

Fig. 2

Fracture of specimen for tensile test

Fig. 3 은 Table 2 의 기초 실험으로 수행된 [모재, 맞대기 용접 후, 기본 열처리 후]의 강도를 나타낸 그래프이다. 시편의 신뢰성을 위해 각 조건 당 3 개의 시편을 만들어 인장시험을 진행하였으며 Fig. 3 에 나타낸 그래프는 측정된 인장 및 항복강도의 평균값이다.

Fig. 3

Graph of tensile strength for substrate, welding and heat treatmen

각 조건에 대해 인장강도의 평균값을 비교해보면 모재 [324.3 MPa], 맞대기 용접 후 [212.7 MPa], 기본 열처리 후 [218.7 MPa] 가 측정되었다. 용접 후의 인장강도는 모재의 인장강도 대비 65.6 % 감소되었지만, 기본 열처리 후에는 2.74 % 증가하였음을 확인하였다. 이를 통해 알루미늄 합금은 MIG 용접 후 강도 현저히 저하되지만 후열처리를 통해 강도를 개선할 수 있는 가능성을 확인하였다. 항복강도 그래프 또한 유사한 경향을 보이는 것을 알 수 있다.

Fig. 4 는 Table 3 의 시편 No. 1 ~ 9 의 인장강도를 나타낸 그래프이다. 각 조건 당 2 개의 시편을 제작하여 실험하였으며 그래프는 평균값을 나타낸 것이다. 그래프상의 모든 조건은 모재의 인장강도보다는 낮게 측정되었지만 후열처리를 수행한 결과 용접 후의 인장강도보다 향상되었음을 확인할 수 있었다.

Fig. 4

Graph of tensile strength for No. 1 ~ 9

특히, No. 2 [160°C, 18hr] 의 열처리조건에서 가장 높은 인장강도인 288 MPa 이 측정되었으며 용접 후의 인장강도에 비해 35.4 % 향상되었다. 위 실험을 통하여 용접 후 강도가 저하된 알루미늄 합금에 대하여 최적의 열처리조건을 적용한다면 강도가 개선된 제품을 얻을 수 있을 것이라 예상된다.

다음은 Table 3에서 시편 No. 3 [175°C, 8hr], No. 10 응력제거 [310°C, 2hr], No. 11 응력제거와 열처리 병행 [310°C, 2hr / 175°C, 8hr] 의 세 가지 조건에 대한 인장강도 결과를 비교하였다.

먼저 Fig. 5 는 시편 No. 11 의 조건을 그래프로 나타낸 것으로서 선행으로 응력제거 [310°C, 2hr] 후 후행으로 열처리 [175°C, 8hr] 를 병행하였을 때의 온도와 시간을 나타낸 그래프이다. 응력제거 [310°C, 2hr] 의 경우 냉각온도 0°C 에 도달하는 시간이 1시간이며 시편 No. 3 열처리 조건 [175°C, 8hr] 은 4 시간에 걸쳐 노냉하였다.

Fig. 5

Process of heat treatment for annealing and heat treatment

Fig. 6 은 시편 No. 3 [175°C, 8hr], No. 10 응력제거 [310°C, 2hr], No. 11 응력제거와 열처리 병행 [310°C, 2hr / 175°C, 8hr] 의 세 가지 조건의 인장강도 측정값을 그래프로 나타낸 것이다.

Fig. 6

Graph of tensile strength for heat treatment [175°C, 8hr], annealing [310°C, 2hr] and heat treatment after annealing

세 가지 조건의 측정값을 비교해보면 시편 No. 3 [175°C, 8hr] 에서 가장 높은 인장강도 237 MPa 이 측정되었으며 No. 10 응력제거 [310°C, 2hr] 를 수행한 경우 220 MPa, No. 11 응력제거 후 열처리를 병행하였을 경우 가장 낮은 212 MPa 이 측정되었다.

특히 No. 11 선행으로 응력제거를 하고 후행으로 열처리를 병행한 조건은 시편 No. 3 열처리조건과 비교하였을 때 10.55 % 의 강도 저하를 보였으며, 이때 인장강도는 맞대기 용접 후의 강도보다 0.7 MPa 낮은 212 MPa 이 측정되었다. 이러한 원인으로는 시편에 가해지는 입열과 시간이 증가하게 되면서 Al 6061-T6 합금의 재결정화에 영향을 주어 강도가 저하되는 것으로 판단된다.

Fig. 7 은 시편 No. 1 ~ 9 의 인장강도를 평균에 대한 주효과 그래프로 나타낸 것이다.

Fig. 7

Main effects plot for means according to the tensile strength

그래프의 좌측은 열처리온도, 우측은 열처리시간을 나타낸 것이며 기울기의 크기에 따라 열처리 온도와 시간이 인장강도에 영향을 미치는 정도를 확인할 수 있다.

열처리 온도의 경우 160°C > 190°C > 175°C 순서로 인장강도에 영향을 주며, 열처리 시간은 18 hr > 24 hr > 8 hr 순서가 된다. 위 그래프를 통하여 가장 높은 인장강도는 [180°C, 18 hr] 의 조건임을 알 수 있지만 시편제작 시 경제성을 고려한다면 온도 160°C ~ 168°C, 시간 11 hr ~ 18 hr 의 열처리조건이 최적의 범위임을 확인할 수 있다.

3.2 Microstructure

다음은 열처리조건에 따라 Al 6061-T6 합금의 강도에 미치는 영향을 확인하기 위하여 인장시험 시 파단이 발생하는 용접부와 HAZ 의 미세조직구조를 관찰하였다.

아래의 Fig. 8 는 열처리된 Al 6061-T6 합금 시편을 폴리싱 후 에칭한 모습을 나타낸 것이다.

Fig. 8

Cross section of specimen

Fig. 9 는 (a) [160°C, 8hr], (b) [160°C, 24hr], (c) [175°C, 24hr], (d) [190°C, 24hr] 열처리 시편을 200 배율로 확대한 미세조직 사진을 나타낸 것이다.

Fig. 9

Microstructure of (a) [160°C, 8hr], (b) [160°C, 24hr], (c) [175°C, 24hr] and (d) [190°C, 24hr]

(a) 와 (b) 는 열처리온도가 160°C 로 동일한 경우 열처리 시간에 따라 성장한 미세조직의 구조를 나타낸 것이다. 열처리 시간이 8 hr 인 (a)에 비하여 24 hr 인 (b) 의 경우 용접부의 미세조직이 매우 조밀하게 발달한 것을 확인할 수 있다. (a)와 (b) 시편의 HAZ 에서는 비슷한 크기의 결정립이 형성되었다. 두 조건의 인장강도는 223 MPa 로 동일하게 측정되었다.

동일한 열처리 시간에서 온도가 증가하게 되면 (a)와 (b) 의 조건과 마찬가지로 용접부의 미세조직이 조밀하게 성장함을 알 수 있다.

Fig. 10 은 인장강도가 다르게 측정된 (c) [175°C, 24hr], (d) [190°C, 24hr] 의 조건의 미세조직을 500 배율로 확대한 사진이다. 두 조건에서 용접부의 미세조직은 (c)에서 조밀하게 성장하였으며, 열처리 온도가 높은 (d) 의 조건에서는 알루미늄 석출물로 추정되는 검은점을 관찰할 수 있다.

Fig. 10

Grain boundary between fusion zone and HAZ for [175°C, 24hr] and [190°C, 24hr]

3.3 Hardness

다음은 열처리 조건에 따라 용접부 단면의 경도를 측정한 것이다.

Fig. 11 는 Fig. 9 의 조건 (a) [160°C, 8hr], (b) [160°C, 24hr], (C) [175°C, 24hr], (d) [190°C, 24hr] 의 경도를 그래프로 나타낸 것이다. 경도 측정은 로크웰 F 스케일로 용접부 중심에서 양옆으로 2 mm 간격씩 11회를 측정하였다.

Fig. 11

Hardness of (a) [160°C, 8hr], (b) [160°C, 24hr] (c) [175°C, 24hr] and (d) [190°C, 24hr]

(a) ~ (d) 그래프의 Weld 부분은 용접 시 형성된 비드의 너비에 따라 간격이 다양하게 나타난다.

열처리 온도가 160°C 로 동일한 (a) 와 (b) 의 조건에서는 열처리 시간이 24 hr 일 때 가장 높은 경도인 91.7 HRF 값이 측정되었으며, 열처리시간이 24 hr 로 동일한 (c) 와 (d) 의 조건에서는 열처리온도가 190°C 일 때 84.7 HRF 가 측정되었다. 이러한 결과를 토대로 경도는 열처리 시간과 온도에 비례함을 알 수 있으며 용접부와 HAZ 사이에서 경도가 가장 높게 측정됨을 확인하였다.