Ti-6Al-4V 관성 마찰 용접부의 열영향부 및 열기계적 영향부 모델링

Modeling of the Heat-Affected and Thermomechanically Affected Zones in a Ti-6Al-4V Inertia Friction Weld

본 연구는 항공우주, 자동차 및 발전 산업에서 핵심적으로 사용되는 Ti-6Al-4V 티타늄 합금의 관성 마찰 용접(IFW) 공정 중 발생하는 미세조직 변화 영역을 예측하기 위한 수치 해석적 방법론을 제시한다. 특히 유한요소 해석(FEA)을 통해 열영향부(HAZ)와 열기계적 영향부(TMAZ)의 폭을 정량적으로 예측하고 이를 실험 결과와 비교 검증함으로써 공정 설계의 효율성을 높이는 데 기여한다.

Paper Metadata

• Industry: 항공우주, 자동차, 발전
• Material: Ti-6Al-4V (티타늄 합금)
• Process: 관성 마찰 용접 (Inertia Friction Welding, IFW)

Keywords

• 관성 마찰 용접
• Ti-6Al-4V
• 열영향부 (HAZ)
• 열기계적 영향부 (TMAZ)
• 유한요소 모델링 (FEM)
• 미세조직 변태

Executive Summary

Research Architecture

본 연구의 실험적 구성은 125톤급 MTI 관성 마찰 용접기를 사용하여 외경 80mm, 내경 40mm의 Ti-6Al-4V 중공 원통형 시편을 접합하는 방식으로 이루어졌다. 용접 공정 변수는 플라이휠의 관성 모멘트, 초기 회전 속도, 그리고 인가된 압력을 조합하여 총 5가지 조건으로 설정되었으며, 각 조건에 따른 용접부의 거동을 분석하였다.

수치 해석 프레임워크는 Deform v11.1 소프트웨어를 기반으로 한 2차원 축대칭 유한요소 모델로 구축되었다. JMatPro 소프트웨어를 통해 확보한 온도 의존적 열물성 및 유동 응력 데이터를 모델에 반영하였으며, 용접 계면에서의 마찰 발열을 모사하기 위해 온도에 따른 전단 마찰 조건을 적용하여 실제 공정 환경을 정밀하게 구현하였다.

Key Findings

고에너지 및 고압 조건(Weld 1, 2)에서 유한요소 모델은 열영향부(HAZ)의 폭을 실제 측정값의 약 15% 이내의 오차로 예측하는 우수한 성능을 보였다. 열기계적 영향부(TMAZ)의 폭 또한 Von Mises 소성 변형률 필드를 기반으로 분석하였을 때 평균 13% 내외의 오차 범위를 기록하며 실험 결과와 높은 상관관계를 나타냈다.

반면, 저에너지 용접 조건에서는 모델의 예측 오차가 증가하는 경향을 보였는데, 이는 매우 짧은 가열 시간 동안 발생하는 야금학적 상변태의 지연 현상과 미세한 공정 메커니즘의 영향으로 분석된다. 특히 100 MPa의 압력 조건에서도 상변태 온도 변화는 1.65 K에 불과하여 압력보다는 가열 및 냉각 속도가 미세조직 형성에 더 결정적인 역할을 함을 확인하였다.

Industrial Applications

개발된 모델링 프레임워크는 항공기 엔진 부품과 같이 고신뢰성이 요구되는 축대칭 부품의 관성 마찰 용접 공정 설계에 직접적으로 활용될 수 있다. 실제 시편 제작 전 HAZ 및 TMAZ의 범위를 사전에 예측함으로써 공정 최적화에 소요되는 시간과 비용을 획기적으로 절감할 수 있는 기술적 토대를 제공한다.

또한, 용접부의 미세조직 범위를 정량적으로 관리함으로써 접합부의 피로 수명 및 기계적 강도를 설계 단계에서 제어할 수 있는 위치 기반 특성 설계(Location-specific-property design)를 가능하게 한다. 이는 복잡한 형상의 부품 제조 시 품질 균일성을 확보하는 데 중요한 도구로 사용될 수 있다.

Theoretical Background

관성 마찰 용접(IFW)의 열-기계적 원리

관성 마찰 용접은 회전하는 플라이휠에 저장된 운동 에너지를 마찰열로 변환하여 두 부품을 접합하는 고체 상태 접합 기술이다. 공정 중 계면에서의 마찰은 급격한 온도 상승을 유발하며, 인가된 축 방향 압력에 의해 재료의 소성 유동이 발생하여 플래시(Flash)가 형성된다. 이 과정에서 재료는 용융점 이하의 온도에서 접합되므로 용융 용접에서 발생하는 응고 균열이나 기공 문제를 방지할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 복합적인 열-기계적 거동을 유한요소법으로 수치화하여 분석하였다.

티타늄 합금의 상변태 및 영역 구분

Ti-6Al-4V 합금은 온도 변화에 따라 조밀육방구조(hcp)인 $\alpha$ 상에서 체심입방구조(bcc)인 $\beta$ 상으로 동소 변태를 일으킨다. 관성 마찰 용접부에서 HAZ는 온도가 $\beta$-transus(약 1256 K)를 초과하여 상변태가 일어난 영역으로 정의되며, TMAZ는 이러한 열적 이력과 함께 강한 전단 변형에 의한 소성 변형을 동시에 경험한 영역을 의미한다. 본 연구에서는 FE 모델의 온도 필드와 소성 변형률 필드를 각각 HAZ와 TMAZ의 경계 조건으로 설정하여 실제 미세조직 변화 범위와 비교 분석하였다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 MTI 사의 125톤 관성 마찰 용접기를 사용하여 수행되었으며, 시편으로는 외경 80mm, 내경 40mm, 길이 86mm의 Ti-6Al-4V 중공 원통이 사용되었다. 용접 전 시편의 초기 미세조직은 변태된 $\beta$ 기질 내에 연신된 일차 $\alpha$ 상이 분포된 구조를 가졌다.

공정 변수는 압력(40~100 MPa)과 초기 회전 속도(96~185 rad/s)를 변화시켜 총 5가지 케이스로 구성하였다. 용접 완료 후 시편을 절단하여 표준 연마 및 0.5% 불산(HF) 에칭 과정을 거친 뒤, 광학 현미경(LOM)과 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 HAZ 및 TMAZ의 폭을 정밀하게 측정하였다.

또한, Struers Emco-test DuraScan 경도 시험기를 사용하여 용접부 횡단면의 미세 경도를 측정함으로써 조직 변화 영역을 물리적으로 재확인하였다. 이러한 실험 데이터는 FE 모델의 예측 정확도를 평가하는 기준점으로 활용되었다.

Visual Data Summary

Figure 5와 Figure 6의 분석 결과, FE 모델이 예측한 플래시의 거시적 형상과 열 프로파일은 실제 용접 시편의 외형 및 조직 변화 영역과 매우 유사한 양상을 보였다. 특히 고에너지 조건에서의 온도 분포 곡선은 계면에서 멀어질수록 급격히 감소하는 형태를 띠며, 이는 실제 측정된 HAZ 경계와 잘 일치하였다. SEM 이미지(Figure 10) 분석을 통해 $\beta$-transus 온도를 초과한 영역에서 냉각 속도에 따라 형성된 침상형 마르텐사이트 조직을 확인하였으며, 이는 모델의 열적 예측 타당성을 뒷받침한다.

Variable Correlation Analysis

공정 변수 분석 결과, 초기 회전 속도는 전체 투입 에너지를 결정하므로 HAZ 폭 형성에 가장 지배적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. 회전 속도가 증가함에 따라 계면에서의 최고 온도와 열 영향 범위가 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.

인가된 압력은 HAZ 폭 자체보다는 소성 변형의 깊이와 플래시 배출량에 더 큰 영향을 미쳤다. 압력이 높을수록 고온의 연화된 재료가 계면 밖으로 더 빠르게 배출되어 TMAZ 영역의 변형률 구배가 가팔라지는 현상이 관찰되었다.

결과적으로 HAZ와 TMAZ의 폭은 에너지 입력량과 압력의 복합적인 함수로 나타나며, 본 연구의 FE 모델은 이러한 변수 간의 상관관계를 물리적으로 타당하게 재현하였다. 다만 저에너지 영역에서의 오차는 단순화된 마찰 모델이 극초기 단계의 불균일한 접촉 거동을 완전히 반영하지 못한 결과로 판단된다.

Paper Details

Modeling of the Heat-Affected and Thermomechanically Affected Zones in a Ti-6Al-4V Inertia Friction Weld

1. Overview

• Title: Modeling of the Heat-Affected and Thermomechanically Affected Zones in a Ti-6Al-4V Inertia Friction Weld
• Author: R.P. Turner, B. Perumal, Y. Lu, R.M. Ward, H.C. Basoalto, J.W. Brooks
• Year: 2019
• Journal: Metallurgical and Materials Transactions B

2. Abstract

관성 마찰 용접은 항공우주, 자동차 및 발전 산업에서 40년 이상 복잡한 축대칭 부품 제작에 사용되어 왔다. 이 공정은 하나의 축대칭 부품은 고정되고 다른 부품은 플라이휠에 의해 회전하며 하중 하에서 접촉하여 접합되는 방식이다. 마찰열을 통한 접합 계면의 가소화로 인해 두 부품이 결합된다. 티타늄 합금 Ti-6Al-4V는 관성 용접 응용 분야를 위해 널리 연구되어 왔다. 적절한 공정 변수(플라이휠 에너지, 질량, 인가 하중) 선택을 통해 좁은 폭의 열영향부(HAZ)와 열기계적 영향부(TMAZ)를 가진 고품질 용접부를 생성할 수 있다. 본 연구에서는 Ti-6Al-4V를 이용한 일련의 실험적 관성 마찰 용접을 수행하였으며, 용접 계면에서의 HAZ 및 TMAZ 폭을 예측하기 위해 Deform 소프트웨어를 이용한 유한요소(FE) 모델링 프레임워크를 개발하였다. 실험적으로 관찰된 HAZ 경계는 FE 모델의 열장(Thermal fields)과 상관관계가 있었으며, TMAZ 경계는 Von Mises 소성 변형률 필드와 상관관계가 있음을 확인하였다.

3. Methodology

3.1. 실험 준비: MTI 125톤 관성 마찰 용접기를 사용하여 Ti-6Al-4V 중공 원통 시편(외경 80mm, 내경 40mm)을 준비하고, 5가지 공정 변수 조합에 따라 용접을 수행함.
3.2. 유한요소 모델링: Deform v11.1 소프트웨어를 사용하여 2D 축대칭 모델을 구축하고, JMatPro를 통해 확보한 온도 의존적 물성(열전도도, 비열, 유동 응력 등)을 입력함.
3.3. 경계 조건 및 마찰 설정: 대류 열전달 계수 20 $Wm^{-2}K^{-1}$를 적용하고, 온도에 따른 전단 마찰 계수 식 $f = a \ln(T) – b$를 사용하여 계면 발열을 모사함.
3.4. 미세조직 분석: 용접부 횡단면을 에칭한 후 광학 현미경(LOM) 및 SEM 분석을 통해 HAZ 및 TMAZ의 실제 폭을 측정하고 모델 예측값과 비교함.

4. Key Results

고에너지 용접 조건(Weld 1, 2)에서 FE 모델은 HAZ 폭을 약 15% 이내의 오차로 예측하였으며, TMAZ 폭은 약 13%의 평균 오차를 보였다. 압력 변화(80~100 MPa)가 온도 프로파일에 미치는 영향은 미미했으나, 초기 회전 속도의 변화는 에너지 입력량에 직접적인 영향을 주어 HAZ 폭을 크게 변화시켰다. 저에너지 용접의 경우 모델이 HAZ 폭을 과소평가하거나 과대평가하는 경향이 나타났는데, 이는 시간 의존적인 야금학적 변태 특성이 단순화된 모델에 완전히 반영되지 않았기 때문이다. SEM 분석 결과, $\beta$-transus 온도를 초과했음에도 불구하고 매우 짧은 노출 시간으로 인해 상변태가 불완전하게 일어난 ‘고스트’ 조직이 관찰되었다.

5. Mathematical Models

$$f = a \ln(T) – b \quad \text{for } 100 \, ^\circ\text{C} < T < 1400 \, ^\circ\text{C}$$ $$\frac{dP}{dT} = \frac{L}{T \Delta v}$$

Figure List

1. 중공 원통의 관성 용접 모식도 및 모재, HAZ, TMAZ 영역 표시.
2. Ti-6Al-4V 모재의 미세조직 (50배 확대).
3. Deform v11.1을 이용한 IFW 모델링 설정 예시.
4. Weld 2~5 시편의 모재, HAZ, TMAZ 영역 광학 현미경 사진.
5. 모델과 실제 공정의 거시적 플래시 형상 비교.
6. FE 모델로 예측된 용접부 열 프로파일 (녹색-황색 경계가 $\beta$-transus 온도).
7. 인가 압력 및 초기 회전 속도 변화에 따른 예측 열 프로파일 비교.
8. FE 모델로 예측된 Von Mises 소성 변형률 필드.
9. 인가 압력 및 초기 회전 속도 변화에 따른 소성 변형률 프로파일 비교.
10. Weld 1의 각 위치별(모재, HAZ 내부, TMAZ 내부 등) SEM 미세조직 분석.

References

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Technical Q&A

Q: FE 모델에서 HAZ와 TMAZ를 구분하는 구체적인 수치적 기준은 무엇인가?

본 연구의 모델에서 HAZ는 열 사이클 중 최고 온도가 $\beta$-transus 온도인 1256 K(983 °C)를 초과한 영역으로 정의된다. TMAZ는 이 온도 조건을 만족함과 동시에 Von Mises 유효 소성 변형률이 0.05 이상인 영역으로 정의된다. 특히 소성 변형률이 1.0을 초과하는 영역은 완전 소성 변형 영역으로, 0.05에서 1.0 사이는 부분 소성 변형 영역으로 세분화하여 분석하였다.

Q: 고에너지 용접과 저에너지 용접에서 모델의 예측 정확도가 차이 나는 이유는 무엇인가?

고에너지 용접은 정상 상태의 재료 연소(Burn-off)와 플래시 형성이 뚜렷하여 단순화된 열-기계 모델로도 충분히 모사가 가능하다. 그러나 저에너지 용접은 플래시 형성이 최소화되고, 접합 기전이 표면 거칠기 제거와 같은 미세한 물리적 현상에 의존하기 때문에 모델이 이를 포착하기 어렵다. 또한 상변태에 필요한 임계 시간 등 야금학적 요인이 저에너지 조건에서 더 민감하게 작용하기 때문이다.

Q: 공정 압력이 티타늄 합금의 상변태 온도($\beta$-transus)에 미치는 영향은 어느 정도인가?

Clausius-Clapeyron 관계식을 이용하여 계산한 결과, 100 MPa의 압력이 인가될 때 $\beta$-transus 온도의 변화량($\Delta T$)은 약 1.65 K 수준으로 나타났다. 이는 전체 용접 온도 상승폭에 비해 매우 미미한 수준이므로, 관성 마찰 용접 공정에서 압력이 상변태 온도 자체에 미치는 직접적인 영향은 무시할 수 있음을 이론적으로 입증하였다.

Q: SEM 분석에서 관찰된 ‘고스트(Ghost)’ 미세조직의 의미는 무엇인가?

‘고스트’ 조직은 온도가 $\beta$-transus를 초과했음에도 불구하고, 가열 및 냉각 속도가 너무 빨라 동소 변태가 완전히 완료되지 않은 상태를 의미한다. 이는 $\alpha$ 상이 완전히 용해되지 않고 잔류하거나 $\beta$ 상의 재결정이 충분히 일어나지 않았음을 보여주며, IFW와 같은 급속 열처리 공정에서는 단순 온도 기준 외에 시간 의존적 변태 거동을 고려해야 함을 시사한다.

Q: 본 모델링에서 무시된 물리적 현상 중 향후 개선이 필요한 부분은?

현재 모델은 복사 열손실을 무시하고 있으나, 실제 공정에서는 고온 가열 시 복사에 의한 에너지 손실이 발생한다. 또한, 계면에서 연화된 $\beta$ 상 재료가 압력에 의해 우선적으로 플래시로 배출되면서 발생하는 합금 원소의 국부적 불균형이나 상 분율 변화 등 복잡한 야금학적 상호작용은 포함되지 않았다. 향후 이러한 미세조직적 복잡성을 통합한 모델링이 보완된다면 예측 정밀도를 더욱 높일 수 있을 것이다.

Conclusion

본 연구를 통해 Ti-6Al-4V 관성 마찰 용접 공정의 HAZ 및 TMAZ 폭을 예측하기 위한 유한요소 모델링 프레임워크의 타당성을 확인하였다. 특히 고에너지 용접 조건에서 온도 필드와 소성 변형률 필드만을 이용한 단순화된 접근법으로도 15% 이내의 높은 예측 정확도를 달성할 수 있음을 입증하였다. 이는 복잡한 야금학적 서브루틴 없이도 실용적인 수준의 공정 예측이 가능함을 의미한다.

결론적으로, 관성 마찰 용접부의 미세조직 변화 범위는 초기 회전 속도에 의한 에너지 입력량에 가장 민감하게 반응하며, 압력은 소성 변형의 구배를 결정하는 주요 인자임을 확인하였다. 본 연구에서 제시된 수치 해석 방법론은 티타늄 합금 부품의 접합 공정 설계 및 품질 관리를 위한 신뢰성 있는 도구로 활용될 수 있으며, 향후 시간 의존적 상변태 모델과의 결합을 통해 저에너지 영역에서의 예측 정밀도를 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

Source Information

Citation: R.P. Turner, B. Perumal, Y. Lu, R.M. Ward, H.C. Basoalto, and J.W. Brooks (2019). Modeling of the Heat-Affected and Thermomechanically Affected Zones in a Ti-6Al-4V Inertia Friction Weld. Metallurgical and Materials Transactions B.

DOI/Link: https://dx.doi.org/10.1007/s11663-018-1489-z

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