Sachverhalt: A. A.a. Das Kantonsgericht von Appenzell Ausserrhoden verurteilte Z._ am 29. März 2011 wegen einfacher Körperverletzung, Diebstahls, versuchter Erpressung, Sachbeschädigung, mehrfachen Hausfriedensbruchs sowie Widerhandlung gegen das Ausländergesetz und das Betäubungsmittelgesetz zu einer Freiheitsstrafe von 22 Monaten, davon 12 Monate bedingt, und einer Busse von Fr. 500.--. A.b. Die Staatsanwaltschaft focht die Verurteilung wegen einfacher Körperverletzung mit Berufung an. Das Obergericht von Appenzell Ausserrhoden stellte am 18. Juni 2012 die Rechtskraft der übrigen Schuldsprüche und der Busse von Fr. 500.-- fest. Es erklärte Z._ des Angriffs und der qualifizierten einfachen Körperverletzung (Gebrauch eines gefährlichen Gegenstands) schuldig und verurteilte ihn zu einer Freiheitsstrafe von vier Jahren. Dem Urteil liegt folgender Sachverhalt zugrunde: Y._, Z._ und X._ lauerten W._ im Auftrag von Drittpersonen am frühen Morgen des 8. Juni 2010 in dessen Stall auf. Während X._ Schmiere stand, schlugen Y._ und Z._ mit Fäusten und Füssen auf W._ ein. Zu Beginn versetzte Z._ diesem zudem mit einem Holzstock mit einem aufgesetzten Metallrohrbogen von rund 190 Gramm zwei bis drei Schläge, bevor der Stock zerbrach. Dabei hielt er den Holzteil des Stocks und setzte den Metallteil gegen den Körper des Opfers ein. W._ erlitt eine Hirnerschütterung der Kategorie 2, einen Bruch des Mittelhandknochens, des Ringfingers und des Nasenbeins, eine tiefe und eine oberflächliche Rissquetschwunde über bzw. unter dem linken Auge sowie Prellungen u.a. am Schädel. Y._, Z._ und X._ wurden für die Tat je mit einem Betrag zwischen Fr. 3'000.-- und Fr. 3'500.-- belohnt. B. Z._ führt Beschwerde in Strafsachen mit den Anträgen, ihn vom Vorwurf des Angriffs und der qualifizierten einfachen Körperverletzung freizusprechen und das erstinstanzliche Urteil zu bestätigen. Eventualiter sei die Sache zur Neubeurteilung an die Vorinstanz zurückzuweisen. Er ersucht um unentgeltliche Rechtspflege.