Post-weld heat treatment of AA7075 friction stir welded joints manufactured under various tool rotation speeds and cooling conditions

두 개의 금속 조각을 붙이기 위해 접착제를 사용하는 대신, 회전하는 도구를 사용하여 금속을 문질러 뜨겁고 부드럽게 만들어 서로 융합시키는 방법을 상상해 보십시오. 이것을 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)이라고 하며, 비행기나 탄산음료 캔에 사용되는 가벼운 금속인 알루미늄을 접합할 때 즐겨 사용하는 기술입니다. 문제는 이 과정이 알루미늄 내부의 아주 미세하고 눈에 보이지 않는 결정들을 너무 많이 가열하여 그 성질을 망가뜨린다는 점입니다. 이는 마치 완벽하게 정리된 책장을 흔들어 모든 책이 엉망으로 무너지게 만드는 것과 같습니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 종종 금속에 열의 '목욕'이라 불리는 후열처리(Post-Weld Heat Treatment, PWHT)를 제공합니다. 이것은 결정들을 다시 정리하여 금속의 강도를 회복시키려는 '리셋 버튼'과 같습니다. 하지만 함정이 있습니다. 리셋 버튼을 눌렀을 때, 결정들이 단순히 깔끔하게 정리되는 것이 아니라, 오히려 금속을 더 약하거나 잘 부서지게 만들 수 있는 거대한 결정으로 자라날 수도 있습니다. 이 논문은 우리가 이 거대한 결정들을 제어할 수 있는지 확인하기 위해 특정 알루미늄 합금(AA7075)을 탐구합니다.

폴란드 군사기술대학교의 연구진은 이 알루미늄을 가지고 "만약에"라는 게임을 하기로 했습니다. 그들은 AA7075 판을 가져와 분당 600회전(rpm)의 느린 속도부터 1400rpm의 빠른 속도까지 다양한 속도로 회전하는 도구를 사용하여 용접했습니다. 냉각 속도가 중요한지 알아보기 위해, 그들은 단순히 공기 중에 두는 대신, 물속에 잠긴 상태, 퀜칭 오일(quenching oil) 속, 또는 특수 냉각액 속에서 용접을 시도했습니다. 용접이 끝난 후, 그들은 모든 접합부에 특정 열처리를 적용했습니다: 470°C에서 2시간 동안 굽고, 120°C에서 24시간 동안 시효 처리를 하는 것입니다. 이것이 바로 "리셋 버튼"의 순간이었습니다.

결과는 좋은 소식과 고집스러운 놀라움이 섞여 있었습니다. 첫째, 열처리는 금속을 더 단단하고 강하게 만드는 데 탁월한 효과가 있었습니다. 애초에 구멍이나 균열이 없었던 접합부의 경우, 열처리는 금속의 항복 강도를 70% 이상 높였고 인장 강도를 약 35% 향상시켰습니다. 실제로 수리된 가장 강한 접합부는 원래 용접되지 않은 알루미늄 판보다 더 튼zy했습니다. 공기 중에서 용접된 후 열처리된 금속은 최고의 성과를 보였습니다. 이 금속은 더 강해졌을 뿐만 아니라 거의 두 배 더 잘 늘어났으며, 용접 부위 중간에서 끊어지는 대신 용접부 외부에서 끊어졌습니다.

하지만 연구진은 "거대 결정 괴물"(이상 결정립 성장, Abnormal Grain Growth, AGG이라 불리는 현상)을 막으려는 그들의 최선의 계획이 제대로 작동하지 않는다는 것을 발견했습니다. 도구를 얼마나 빨리 돌렸는지, 혹은 물, 오일, 공기 중 무엇으로 금ंतु를 식혔는지와 상관없이, 거대 결정들은 용접부의 윗부분(숄더 주도 영역)에서 여전히 나타났습니다. 많은 경우, 이 결정들은 용접부의 아랫부분(핀 주도 영역)까지 침범했습니다. 결과적으로, 단순히 금속을 더 빨리 식히거나 도구를 더 빨리 돌리는 것만으로는 열처리 과정 중에 이 결정들이 멋대로 자라는 것을 막기에 충분하지 않았습니다.

실험에는 어두운 면도 있었습니다. 연구진이 퀜칭 오일을 사용했을 때, 오일이 금속 층 내부에 갇히게 되었습니다. 나중에 금속을 구울 때, 갇혀 있던 오일이 빠져나가려 시도하면서 접합부를 망치는 기포와 균열을 만들어냈습니다. 이러한 결함이 있는 접합부는 열처리가 아무리 강하게 만들려고 해도 약하고 잘 부서졌습니다. 마찬가지로, 도구를 너무 빠르게(1200 또는 1400 rpm) 돌렸을 때 금속에 구멍과 빈 공간(voids)이 생겼으며, 이 또한 최종 제품을 약하게 만들었습니다 파괴 양상을 살펴보았을 때, 그들은 혼란스러운 이야기를 목격했습니다. 금속은 단순히 깔끔하게 끊어지는 것이 아니라, 결정 경계를 따라 끊어지는 현상(입계 파괴)과 결정 자체를 찢고 지나가는 현상(딤플 파괴)이 섞여 나타났습니다. 때로는 금속 내부의 작은 입자들이 작은 닻처럼 작용하여 구멍을 형성하고 파괴를 유도하기도 했습니다. 이 연구는 열처리가 금속을 더 강하게 만들기는 하지만, 거대 결정이 자라는 근본적인 문제를 해결하지는 못하며, 용접 과정에서 생긴 구멍이나 균열을 마법처럼 치유해주지도 않는다는 점을 시사합니다. 결론적으로, 우리는 알루미늄을 매우 강하게 만들 수는 있지만, 거대 결정이 용접부 윗부분을 장악하는 것을 막는 간단한 방법은 아직 찾지 못했으며, 완벽한 접합을 원한다면 냉각을 위해 절대로 오일을 사용해서는 안 됩니다.