A STUDY ON THE THERMO/MECHANICAL BEHAVIOR IN FRICTION STIR WELDING OF STEEL

Abstract

마찰교반용접(FSW)은 고상에서 재료를 접합할 수 있는 매우 획기적인 기술로서, 1991년 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 처음으로 개발되었다. 이 용접 방법은 액상에서 고상으로 가는 과정이 공정 중에 일어나지 않기 때문에 일반적인 용접 방법에 비해 잔류 응력과 뒤틀림, 결함 등을 최소화할 수 있다. 또한, 이 공정은 보통 접합부에 미세한 결정립을 발달시킴으로써 기계적 강도를 향상시키는 장점을 가지고 있기 때문에 다른 일반적인 용접 방법의 대안으로 떠오르고 있다. 마찰교반용접은 초기에는 녹는점이 낮은 재료, 즉 알루미늄 합금같은 재료에 주로 적용되어 왔다. 반면에, 강도가 높은 재료, 즉 철강 같은 녹는점이 높은 재료에는 그 적용이 제한되어 있는 실정이었다. 그러나, 툴의 발달과 공정의 최적화에 관한 연구가 차츰 축적됨으로써, 강도가 높은 철강 계열에도 최근에는 이 공정이 적용되고 있다. 본 고에서는 실험과 전산모사 방법을 결합함으로써 철강의 마찰교반용접에서의 열적/기계적 거동을 기술하였다. 이에 더하여 계산된 결과들은 실험 결과들을 직접적으로 예측하기 위해 비교되었고, 검증되었다. 먼저, 마찰교반용접 중에 상변태가 일어나지 않는 강의 미세조직 변화가 분석되었다. 409 페리틱 스테인리스 강을 마찰교반용접을 통해 성공적으로 접합시켰으며, 우수한 강도의 접합부를 도출하였다. 현저하게 미세한 결정립이 접합부에서 관찰되었으며, 이는 연속동적 재결정에 의한 현상이라 판단되었다. 또한, 소각 입계가 접합부에서 기본 재료에 비해 상당히 증가하였다. 툴 삽입 깊이가 증가함에 따라 소각 입계와 경도가 증가하였고, 반면에 결정립 크기는 감소하였다. 다음으로, 마찰교반용접에 대한 열-기계적 모델을 Eulerian 유한체적법을 이용하여 개발하였으며, 정상상태하에서 FSW 공정 중의 열적/기계적 거동 변화를 예측하였다. 계산된 결과들은 측정된 온도 변화 이력과 미세조직 변화와 비교되었고, 검증되었다. 점소성 self-consistent 접근법을 이용하여 접합부의 집합조직이 예측되었고, 툴 근처에서 재료의 유동이 계산되었다. 계산된 결과를 통해, 열은 주로 재료와 툴의 경계에서 발생하는 것을 확인하였고, 점성도는 교반부와 열-기계적 영향부에서 급격하게 변화하는 것을 확인하였다. 재료의 유동은 주로 툴의 회전방향과 진행방향이 반대인 지점에서 발생하는 것을 예측하였다. 또한, 계산을 통해 접합부에서는 주로 전단 집합조직이 발달하는 것을 확인하였다. 측정된 온도 변화 이력과 미세조직적 특성은 계산된 결과와 잘 일치하였다. 다음으로, 상변태가 공정 중에 일어나는 강의 미세조직 변화가 분석되었다. 다양한 미세조직이 접합부 지역에서 발달하게 되는데, 발달된 미세조직들은 소각 입계의 재배열, 연속동적 재결정, 상변태에 의해 설명될 수 있다. 교반부의 대부분에서는 바늘모양의 베이나이틱 페라이트가 상변태에 의해 생성되었다. 연속동적 재결정이 일어나는 열-기계적 영향부에서는 미세한 결정립이 분포되어 있는 미세조직을 관찰할 수 있었다. 또한, 교반부에서는 상변태로 인해 전단 집합조직이 관찰되지 않았으며, 교반부의 경도는 상변태로 인해 발달된 상으로 인해 다른 접합부보다 높게 관찰되었다. 마지막으로, 개발된 열-기계적 모델에 상변태 모델을 결합하여 공정 중에 강의 상변태가 어떻게 진행되는지를 예측하였다. 마찰열과 과도한 소성 변형은 공정 중에 있는 강의 상변태에 큰 영향을 미친다. 따라서 열간 압연 중에서 흔히 사용되는 오스테나이트 결정립 크기 모델을 적용함으로써 적당한 상변태 모델을 만들고 이를 기존의 열-기계적 모델에 결합하였다. 측정된 온도와 상분율이 계산된 결과와 잘 일치하였다. 본 연구를 통해, 아직까지 명확하지 밝혀지지 않았던 철강의 마찰교반용접 중의 열적/기계적 거동을 분명하게 이해할 수 있었다. 개발된 모델과 제안된 방법은 철강의 마찰교반용접의 열적/기계적 거동에 대한 근본적인 이해를 가능하게 하였으며, 더욱이 개발된 모델은 계산만으로도 마찰교반용접으로 인해 나타나는 미세조직적 특징 변화들을 직접적으로 예측할 수 있는 충분한 가능성을 증명해주었다.

Friction stir welding (FSW) is a solid state joining process invented by The Welding Institute (TWI, UK) in 1991. The process leads to lower residual stress and distortion in comparison with the fusion-based welding processes, since no melting of the material occurs during the process. Also, the process reduces manufacturing costs on account of the elimination of defects, shielding gas, and costly weld preparation. In addition, the process produces high-quality joints with a finer homogeneous microstructure and superior mechanical properties compared with the fusion-based welding processes. Initially, the FSW process was used only for non-ferrous alloys with a low melting temperature, such as aluminum alloys. In contrast, application of FSW to ferrous alloys including high strength steel with high melting temperatures has been limited due to high temperatures and severe wear conditions induced by the welding tool during the process. However, continued research into this process has brought some success in the joining of ferrous alloys, and this practical success requires a clearer understanding of the FSW joints of ferrous alloys. In this thesis, the thermo/mechanical behavior in FSW of steel is investigated based on the microstructural and numerical approaches. Also, the simulated results are directly compared with the experimental results for validation of the developed model. Firstly, the microstructural change in the FSWed region of steel, where phase transformation does not occur, is analyzed. High-quality, defect-free welds are successfully produced in 409 ferritic stainless steel by FSW. A remarkably fine-grained microstructure was observed in the stir zone, and the fraction of low angle grain boundary in the stir zone (SZ) significantly increased as compared to that in the base material. An increase in plunging depth led to an increase of the fraction of low angle grain boundary, a decrease in grain size, and an increase in hardness in the stir zone. Secondly, a three-dimensional thermo-mechanical simulation of FSW processes is carried out for ferritic stainless steel by utilizing an Eulerian finite volume (FV) method under the steady state condition, and the simulation result is compared directly with both the measured temperature histories during FSW and the microstructural changes after FSW. Based on a visco-plastic self-consistent (VPSC) approach for polycrystal, the texture development in the FSWed material is determined from the velocity gradients along the streamlines in the material flow field. The simulation results show that the heat is generated mainly near the interface between the tool and the workpiece, and that the viscosity changes drastically in the vicinity of the boundary between the SZ and the TMAZ. From the predicted streamlines, it can be indicated that the strong material flow mainly develops on the retreating side of the tool. Also, the simulation results show that the shear deformation texture is significantly developed in the FSWed region. The measured temperatures and microstructural characteristics agree fairly well with the predicted data. Thirdly, microstructural evolution during FSW of a high-strength linepipe steel with phase transformation is studied. The various grain structures developed through a complex process including the rearrangement of low-angle boundaries, continuous dynamic recrystallization and phase transformation. In most parts of the SZ, acicular-shaped bainitic ferrites were formed by the phase transformation during the FSW process. A fine-grained microstructure developed mainly in the TMAZ, where continuous dynamic recrystallization occurs. The shear texture in the SZ became considerably weak due to the phase transformation during the FSW process. The hardness of the SZ was significantly higher than that of the other FSWed regions due to the bainitic ferrites. Lastly, the developed thermo-mechanical model is coupled with the phase transformation model. Frictional heat and severe plastic deformation would affect phase transformation behavior of steel during FSW. Thus, the appropriate model is developed using the austenite grain size evolution model. The measured temperatures and phase fraction agree fairly well with the predicted data. From this study, thermo/mechanical behavior in FSW of steel, which has not been clear up to now, is described well. The developed model and suggested method lead to a clearer understanding about FSW of ferrous alloys. Furthermore, the rigorous numerical model coupled with experimental results demonstrates sufficient possibilities, which can predict directly the changes of microstructural characteristics during the FSW process.