4 기술해설 경량알루미늄합금의최신접합기술동향 유호천 * 김환태 * * 한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램 Recent Technological Tendency of Joining for Light Aluminium Alloy Ho-Cheon Yoo* and Hwan-Tae Kim* *KISTI ReSEAT Program 1. 서론 최근수송기기의연비향상과매연가스저감을위한경량화추세에따라알루미늄합금의접합기술의중요성이한층더높아지고있는데, 이에대비하여국제적인경쟁력을갖춘고효율용접기술의국내자체개발과정착이요구된다. 본해설에서는경량알루미늄합금의최신접합기술동향을파악하기위하여국내및해외의학술문헌정보, 특허정보및최신기술동향분석을행하였는데, 주로 NDSL 과 ScienceDirect 등에의해서알루미늄합금의최신접합기술동향에관한과학기술정보를발췌하였다. 국내알루미늄합금의접합기술발전을위하여용접방법에따른최신접합기술특성과국내외동향을체계적으로분석하였으며향후기술전망을제시하고자하였다. 2. 용접방법에따른접합기술동향 2.1 MIG 용접 이재 ( 異材 ) 접합에플럭스코어드와이어를사용하여직류펄스 MIG용접하는경우, 아크가불안정하게되어스퍼터가발생하기쉽고산화막을제거하는클리닝작업이불충분하므로이에대한개선이요구된다 1). Murakami et al. 2) 은알루미늄과일반탄소강을플럭스코어드 Al-12%Si 용가와이어로 GMA 용접하는경우에접합부의횡방향인장강도는알루미늄모재의 70% 에도달하였음을확인하였다. 그러나 M. Staubach 등 3) 은알루미늄합금에아연도금강판을접합하는데있어서 Zn기용가재는 Al-Si 용가재에비해접합강도를크게향상시켰다. 아크용접은주로열에의한변형이심하며, 작업자의기능이나날씨에크게영향을받으므로이를해결하기 위하여이종알루미늄합금인 5083-O 와 5456-H116 에대하여 ER5183 용접재료로로봇을이용하는기술이시도되고있다 4). MIG 토치에전극으로서소모성용가와이어를장착시키고, 불활성가스를방출하는방법 5) 은입열량을감소시켜용접열영향부의폭을줄일수있으며다양한용가재의사용으로접합부의고온균열을방지할수있다. 또한자동화공정의속도를더욱증가시킬수있다. 아크의안정화를위해아르곤보호가스중에 O 2 가스를 300ppm 정도첨가하거나원주용접시시작되는부분과끝나는부분의용입을개선하기위하여아르곤보호가스중에헬륨가스를 70~80% 정도혼합하여사용하였다 6). 철강-알루미늄합금의접합시플럭스코어드와이어 (Cs계플럭스 +4047) 를사용하여 1050 알루미늄과 SPCC( 냉간압연강판 ) 의이종재료겹치기이음부를 GMAW 브레이징법으로접합함으로써입열량을억제하고 Fe- Al 2원계금속간화합물의생성을억제시켰다 7). 6022 알루미늄합금과 GI아연도금강판의이종재료겹치기이음부를극저입열용접함으로써금속간화합물의두께를 1μm정도로얇게만들고 Fe Al 의확산을억제시켰다 8). 비금속개재물의생성을억제하고용접부의인성을향상시키기위하여플럭스코어드아크용접에적용할수있는리튬알루미늄합금을함유하고금속전극부와, 금속전극부에인접한플럭스부로구성된용접전극의제조기술을확립하였다 9). 일본 Kobe Seikosho 10) 에서는 AlF 3 를특정량포함하고염화물을포함하지않는불화물을조성으로하는플럭스와, Si 1~13wt.% 함유한외피알루미늄합금의플럭스코어드와이어를이용하여고장력강재와 6000 계알루미늄합금재의고강도이종재료끼리의용융접합하여높은접합강도를얻었다. Sumitomo Light Metal Journal of KWJS Vol.29 No.3(2011) pp260-269 DOI : 10.5781/KWJS.2011.29.3.260
경량알루미늄합금의최신접합기술동향 5 IND 11) 에서는 4000 계혹은 5000 계알루미늄과강을겹치기하여용가와이어를사용하여 MIG용접으로접합하였다. Al 6061 의 MIG 펄스용접시예비가스유출시간이 2 초이상에서기공발생이현저히낮게되고용접전류가증가함에따라기공발생이증가하였다. 또한펄스파형의피크전류가높아질수록기공발생은감소하는경향을보이고있다 12). 2.2 TIG 용접 TIG 용접이나레이저용접과같은용융용접방법은알루미늄계피용접재와철계피용접재와의접합시계면에 FeAl 3 혹은 Fe 2 Al 5 등의취약한 Al-Fe 계금속간화합물이매우두텁게생성하여접합강도를현저히저하시킨다 1). 싱가포르의 Eagle Services Asia Private Limited 에서는알루미늄항공기부품의용접부에기공 (porosity) 을없애기위해서첫째, 밀폐된용접박스내에서 100 이상으로예열하고교류전류의 TIG 용접을이용하였으며, 둘째밀폐된분위기내에서아르곤과헬륨이혼합된불활성가스를방출하고용접비드의윗부분을제거하여원하는두께로만들었다 13). 미국 Praxair Tech. Inc. 14) 는 TIG 용접시에주파수가변화에의한모재로의열집중성개선을필요로하였으며, 교류아크의주파수를초음파영역으로하여용접부에발생하는기포의발생을억제할수있었다. 아크용접에산소 0.6~1.9%, 헬륨및아르곤 10~24% 를주성분으로하는보호가스조성물을개발하였는데, 고속자동화용접에사용하여뛰어난기계적특성을유지하면서용접속도, 이음부피트-업공차및용락을현저하게개선시킬수있었다. Dalian 대학 15) 에서는알루미늄합금 (5A02-H34) 과스테인리스강 (STS 304) 을접합하는경우플럭스코어드 Zn-15%Al 용가와이어로용접한후 280 에서 30분동안어닐링하여인장강도를향상시켰다. 스테인리스강과용착부사이의계면층두께는 1.5 μm이하였으며용착부는 ZnO-enhanced Zn-Al 서멧이형성되는것이관찰되었다. S.B. Lin 등 16) 은알루미늄합금 (5A06) 과스테인리스강 (STS 321) 에대하여 Al-Cu 용가재 (2319Al Cu6) 와내부식성플럭스를사용하여 TIG 버트용접을한결과, 172.5MPa의인장강도에도달할수있었다. 이때사용된플럭스는 Nocolok flux (KAlF 4 and K 3AlF 6 eutectic), Zn과 Sn의금속분말, K 2SiF 6 등 이었다. 또한금속간화합물층은 3~5 μm, 주성분은 Fe 4 Al 13 임을밝혔다. 2.3 저항점용접 저항점용접은알루미늄표면에형성되는강고한산화피막의영향, 전극재료와알루미늄의합금화가원인으로전극이빨리소모되고, 통전저해에의하여이음부강도의편차가발생하며, 불균일한너깃의생성, 강재에비하여연속타점성이뒤떨어지는등의문제점이있다. 이를해결할수있는용접기술의확보가중요하다. 알루미늄합금의열전도율이연강보다약 3배정도높아서용융부주위의온도상승에의한용접열손실이크고높은전류를필요로하며낮은용융온도와높은전기전도도로인하여짧은용접수행시간을필요로한다. 또한소성영역 ( 약 95~200 ) 이극히좁고모재의강도가낮으므로용접시전극가압력에따른용접물의과도한압흔 (indentation) 등용접불량이발생하기쉽다 17). 일본 Nissan Motor Co. 18) 에서는 3매이상의이종금속재료 ( 알루미늄합금판, 아연도금강판및나강판 ) 을포개어접합하는방법을개발하였다. 일본 Nippon Light Metal Co. 에서는합금성분, 응고, 압연및용체화처리조건을제어한후에재결정입경의평균치가 25μm이하이고금속간화합물이 5000개 /mm 2 이상존재하는프레스성형성및연속저항스폿용접성이우수한알루미늄합금판을개발하였다 19). Ranfeng Qiu 등 20,21,77) 은강판등에의한덮개판 (cover plate) 를이용하여 A5052 알루미늄합금에 SPCC 냉연강혹은 STS 304 를저항점용접하였다. 2.4 레이저빔용접 고출력에의한고밀도에너지로서 3차원레이저용접시스템및관련장치구축 22) 으로인하여빠른용접속도와용입깊이가깊고용융폭이적기때문에열에의한변형이적어열영향부가매우좁다는장점과한쪽면에서의용접이가능하다. 레이저용접성이우수하고용접부의기공발생도를감소시킨전지케이스덮개용알루미늄합금판재를국내에특허출원하였다. 일본 Sumitomo Light Metal Industries, Ltd. 에서는알루미늄합금에금속간화합물을 10000 μm 2 당 40개이상 23) 혹은 2~5 μm범위의 Si 단상 24) 을함유시켰다. 일본 Kobe Seikosyo 25) 에서는펄스레이저용 A1000 계알루미늄합금재를개발하였는데, 액상에서의점도를 0.001Pa s 로감소시키고, 또한기공의단면적과개수의곱으로표시되는기공총단면적 ( μm 2 ) 을관찰 大韓熔接 接合學會誌第 29 卷第 3 號, 2011 年 6 月 261
6 유호천 김환태 구간의길이 (mm) 로나눈용접부기공발생도를 1.5( μm 2 /mm) 이하로하였다. 중국 Harbin Institute 26) 에서는알루미늄합금 (5A06 Al alloy) 과티타늄합금 (Ti-6Al-4V) 을레이저로접합하였다. 아르곤가스분위기에 Al-12Si 용가와이어를이용하여레이저용접을하였는데, 이방법은진공중에서실시하지않아도되며, 복잡한부분에도접합이가능하다. 미국 Alcoa Inc. 27) 에서는레이저빔진동을이용한알루미늄합금의용접방법을개발하였는데, 레이저빔이키홀의위치가변함에따라, 키홀이용융금속풀의전구역에걸쳐서진동하여용융금속이키홀을채우도록하였다. 일본 Kobe Seikosho 에서는알루미늄계피용접재와, 아연계피복층을갖는철계피용접재에대하여용융용접하는이종재료의접합방법을개발하였다 1). 플럭스를이용하여, 레이저빔으로용접하여플럭스도용융하도록하면서높은계면접합력으로피용접재를접합하는방법이다. 6000 계 Al과강을겹치기용접하는경우 Fe 2Al 5 와 FeAl 3 가두텁게관찰되어 150N/mm의강도밖에얻을수없지만, GA강판의도금층을사전에레이저조사 28) 로제거하면 GI강판과같은정도의 220N/mm의강도를얻을수있다. 6061Al 과 GA강판의접합시계면에플럭스 (CsF) 를도포한후에 Fe-Al 의비금속개재물을형성하기어려운은납 (silver solder) 을이용하여반도체레이저브레이징용접 29) 을실시한결과, IMC의형성은이루어지지않았으며약 130N/mm 2 의양호한인장강도를얻을수있었다. 6111 Al과 SPCC 강에대하여레이저조사 8) 로겹치기용접을하는경우최적의시공조건을파악하였다. 저속도고입열조건에서 Fe 2 Al 5 (5μm), Fe 4 -Al 13 (1μm) 의금속간화합물이형성되지만, 고속도저입열에서 1μm정도의얇은연성을가진 Fe-rich 한 IMC, 즉 Fe 3 Al, FeAl, FeAl 2 Fe 2 Al 5 등이형성되었다. Al과강의접합시 SPCC 강에레이저조사한직후에롤압접하면 IMC 두께가 4~5 μm정도로얇게되고, 또한연성이있는 Fe-rich 한 Fe-Al, Fe 3 Al의구성비율이취성적인 Al-rich 한 FeAl 3, Fe 2Al 5 에비해 28~ 40% 로증가하여양호한접합부를얻을수있다 30). Nippon Light Metal Co. 31) 는내압력성및레이저용접성을동시에향상시키는배터리케이스용시효처리된알루미늄합금판의제조기술을확립하였다. 미국 NASA Johnson Space Center 32,33) 에서는피로 균열의성장을억제하기위하여마찰교반접합된 7075- T7351 알루미늄합금판의용접부에대한레이저피닝처리를하였다. 그결과 3층레이저피닝처리는숏피닝이나 1층레이저피닝처리에비해서압축잔류응력과표면경화효과의상승으로피로균열의성장을크게완화시킬수있었다. 레이저용접은높은에너지밀도를갖기때문에매우깊은용접두께를얻을수있고아크용접에비해서약 2 배에서 10배까지의고속용접이가능하다. 빠른냉각속도로인해수지상간격이좁고열영향부와열변형이작아기계적성질의개선이가능하다. 최근고품질, 고정밀도 ( 高精密度 ), 고속도에대한기술이추진되고있다. 2.5 레이저-아크하이브리드용접알루미늄합금의용접시용입깊이의증가, 그루브간격여유의완화용접속도의고속화, 기공과용착부족 (underfill) 의저감과안정화를얻기위하여레이저와아크를동시에사용하는하이브리드용접을개발하고있다 24). YAG 레이저-GMAW 하이브리드용접은첫째, 용접비드의표면이미려한것이특색이며, 용입이깊고고속도용접화가가능하고, 둘째가스메탈아크용접의고전류상태에서높은아크압력에의해용탕이오목형상으로되면서기포의발생이억제되고, 셋째, YAG 레이저빔을가스메탈아크용접의아크에근접시킴으로써용입을깊게해주는장점이있다 35). 용융지와응고재료에대해가장양호한최적의형태를만들어주기위하여보호가스의성분, 유량, 이온화전위를고려하여야하는데, 특히경제성을고려하여값비싼헬륨의양을줄이기위해서는가스유동속도를최대한낮추어야한다 36). 자동차, 조선산업에널리이용되고있는레이저키홀용접은높은정밀도, 깊은용입깊이, 작은용접변형및높은용접속도가장점이다. 그러나 5000 계, 6000 계알루미늄합금에는기공과고온균열과같은용접결함의발생을용이하게하고강도를감소시킬수있다. 향후하이브리드레이저-MIG 용접을적용하여언더컷의억제, 기공형성의방지, 용착금속의화학성분의개질등을이루어야할것이다 22). 레이저브레이징기술로철강-알루미늄합금의이종금속접합기술을개발하였는데, SPCC/6022 SMAW 겹치기이음부에대해 SPCC 측에레이저빔을조사하여고속도 저입열접합하여금속간화합물을 1μm정도의두께로억제시키고접합부의연성을높였다 37). 6000 알루미늄합금과 GA( 합금화용융아연도금 ) 강판 262 Journal of KWJS, Vol. 29, No. 3, June, 2011
경량알루미늄합금의최신접합기술동향 7 의겹치기필릿이음부에대해 Zn-15%Al 브레이징재를사용하여레이저브레이징접합하였다 38). YAG 레이저-MIG 하이브리드용접에서 MIG의전류를증가시키면기공의발생을억제할수있다. MIG 의고전류조건하에서아크압력보다용탕이오목한형상으로됨으로써기포의발생이억제되거나생성하여도표면에서소실된다고보고되고있다 35). YAG 레이저-MIG 하이브리드용접을실시함으로써 YAG 출력의반감화 ( 半減化 ) 와용접속도의 60% 증가가가능하게되어접합부강도는 MIG보다개선되고갭여유도 YAG 레이저단독에서보다 2배정도로향상시켰다 39). YAG 레이저-MIG 하이브리드용접의적용사례로유럽의 AUDI 의신형 AB의루프 40) 와 VW의 Phacton 의도어 41) 등이있다. 일본에서는철도차량의중공형재끼리의용접에적용되었다. MIG 용접에서그루브의설계변화없이적용가능하였고, 좁은그루브에서도종래 MIG에비교해서 4배의고속도화가가능하였으며열영향부의저감에의해서피로강도를크게향상시켰다 38). 레이저빔용접에 MIG 브레이징을적용하는경우, 이종금속접합용으로개발된알루미늄도금강판을사용하여 IMC 미형성지역을형성시킬수있으며동시에중앙부에 MIG 브레이징의경우보다도얇은 IMC를형성시켜 200N/mm 의높은인장전단강도를얻을수있다 42). J. Zhou, H.L. Tsa 22) 는레이저-MIG 하이브리드용접에용가재를적용하여언더컷의억제, 기공형성의방지, 용착금속의화학성분의개질을이루었다. G. Sierra 등 43) 에의해 6016 알루미늄합금과아연도금된저탄소강에대하여레이저-double side TIG용접으로접합하였다. 계면에는 2~40μm두께의중간반응층이형성되었는데, 10μm이상의금속간화합물층이형성될경우에용접부에균열이관찰되었다. 플럭스를사용하지않는경우에는용착부에아연유기기공으로인하여 140N/mm의낮은강도를나타내었으나, 플럭스를사용한경우에는 190~250N/mm 의매우높은강도를얻을수있었다. CHEN Yan-bin 등 44) 은 5A06 알루미늄합금에대하여 CO 2 레이저-GTA 양면용접을하였다. 이방법은용접부의미세한결정립과좁은구간의용접열영향부로인해결함생성이억제되고인장강도와연신율의상승을가져오는효과가있다. 2.6 마찰교반접합전기적에너지의열원이필요없으며별도의용가제나용제의공급도불필요하다. 입열량이 MIG, TIG 용접에 비해 60% 수준으로이에따른열변형및잔류응력의발생이적어기계적성질이향상된다. 또한고상화균열이나블로우홀또는기공등이발생하지않으며용융이발생되지않아미세한압출조직이남게되고양호한용접이이루어진다. 7075-T6 알루미늄합금을이용하여마찰교반접합을실시한결과, 툴회전속도 1600rpm 에서동적재결정이가장효율적으로일어나가장높은인장강도를나타내었다 45). 최근알루미늄합재질의 TFT-LCD 용서셉터의접합에마찰교반용접이이용되었다 46,47). 서셉터와캡이경계되는부분에경계선을따라형성된충전홈에서셉터와캡이원활하게접합하도록유도하는촉매제를충전하여마찰교반용접으로접합시키는것이특징이다. 또한접합부의누설문제가없어세라믹코팅시발생하는미소균열및미립자의발생을최소화할수있는장점이있다. 일본 Kawasaki Jukogyo 48) 에서는불활성가스중에서구조용강을알루미늄합금과함께용접할수있는마찰교반접합장치를개발하였다. 또한용접툴에 AlN 을코팅하여마찰열에의한연화현상을억제하여툴의수명을크게향상시켰다. 목포해양대학교산학협력단 49) 에서는마찰교반용접성과수소취화방지성능이우수한알루미늄합금으로된친환경레저선박건조기술을확립하기위하여 Al 5052-O 와 5083-H321 합금에대한최적의용접조건을규명하였으며, ( 주 ) 고강알루미늄에의해 7000 계알루미늄합금계압출재를이용한자동차범퍼백빔의제조방법이개발되었다 50). 마찰교반접합에서는공구 (tool) 의온도가매우높아연화및열화가발생되므로공구는내마멸성이높고공구의선단부에서의손상과변형이방지되고보수유지비용이절감되며생산성이향상되는방향으로기술개발이이루어지고있다. 2.7 마찰교반점접합프로브와숄더가일체식으로제조된툴 (Fixed Pin Tool) 을사용하는마찰교반점접합은일본에서 Matsuda RX 8을시작으로양산차에적용되고있으며운전비용을대폭적으로삭감할수있다. 그러나일체식툴의경우점접합후에구멍이남게되면접합부의강도와내식성이저하되는문제점을갖고있다. 복동식툴의경우아래에놓인모재쪽으로소성유동이일어나계면근방의접합체적이증가하기때문에후판또는 3매이상판재의겹치기점접합에도유리하다 51). 大韓熔接 接合學會誌第 29 卷第 3 號, 2011 年 6 月 263
8 유호천 김환태 종래의일체식툴을대신하여개발된복동식툴 (Adjustable Pin Tool) 을사용하면접합부에구멍이남지않아툴을교환하지않고도두께가다른모재를접합할수있다. 복동식툴을탑재한로봇건이개발되었으며, 이장치를이용하여구멍이나덧살이남지않는마찰교반점접합을실시함으로써여러종류의판두께에서연속적인작업이가능하다 51). 일반적으로용융용접과정에서는계면에 Fe 2Al 5 등의취약한금속화합물이형성되기때문에접합이대단히어렵지만, 여기에새로운마찰교반접합방법 52) 이발표되고있다. 6016 Al합금을상판으로하고연강판을하판으로하여툴을알루미늄과강의계면직상까지교반접합하는방법이다. 이방법은접합계면에금속간화합물이생성되지않고나노단위의비정질층의새로운계면구조가형성되므로강력한접합이가능하다. 일본 Gifu Prefectural Research Institute 53) 에서는종래의프로브툴대신에스크롤툴을개발하였다. 스크롤툴의회전속도를 3000rpm, 쇼울더플런지깊이를 0.7mm로한결과, Al 6061-T4 판의최대인장전단강도를종래의 3.9kN 에서 4.6kN 까지향상시킬수있는효과가있었다. Paris-Sud 대학의 S. Bozzi 54) 는 Al 6016/IF-steel 의마찰교반점접합시금속간화합물 (IMC) 의특성을조사하였다. IMC층은타원의석출물이얽히어있는형태 (tangle) 로되어있으며길이는약 200nm 이다. IMC 층의두께는회전속도와침투깊이의증가에따라상승하게되고, IMC층이두터우면균열이쉽게생성되고전파된다. 또한회전속도가 3000rpm, 툴침투깊이 2.9mm일때최적의두께는 8μm였으며, 가장경도가높은 IMC는 FeAl 2(1000HV), Fe 2Al 5(1100HV) 로확인되었다. H. Badarinarayan 등 55) 은 5754 Al합금의마찰교반점용접시툴의숄더부와핀부에대하여최적의형태를조사하였다. 오목한숄더부는편평하거나볼록한숄더부보다정적강도가상승되었으며삼각형핀부는실린더형핀부보다더높은정적강도를나타내었다. 또한 Shigeki Hirasawa 등 56) 은실린더형의핀은 1500rpm 으로회전시직경이 5mm, 길이가 1.5mm인것을제시하였으며, 강도향상을위해서는오목한숄드부에삼각형핀으로된툴을제시하였다. 2.8 브레이징지금까지브레이징판의제조에롤접합, 용사법, 주조법등을적용하여왔으나이들에대한장단점을비교분석하여최적의제조기술의확립이필요하다 7). 특히 플럭스를사용하지않고진공이아닌가스분위기에서브레이징할수있는기술이필요하다. 플럭스의높은가격과취급의불편으로인하여플럭스양을감소시킬수있는접합방법의개발연구에주력하고있다 57). 최근자동차의경량화를위하여열교환기의각부재를얇게하고, 브레이징시트의브레이징후의강도, 내식성을더욱향상시키는연구가필요하다 58). 불활성가스분위기중에서플럭스를사용하지않고알루미늄-실리콘용가재를사용하여브레이징판을접합할수있는기술이독일 Aleris Aluminium Koblenz GMBH 57) 에의해개발되었는데, 이방법은작업의용이하고제조원가를절감할수있으며특히열교환기등을공업적으로대량생산하는데응용할수있다. 불활성가스분위기중에서플럭스를사용하지않고브레이징기술을개발한특허로서유럽특허 EP-1430988, EP-1306207, US 특허 No.4,908, 184, 2004/0028940-A1 등이있다. 주로플럭스를줄이는방법으로 Mg을 2.0wt.% 이하로첨가하거나 Si, Bi, Cu, Si, Zr, Cr, Mn 등을 1종이상소량으로첨가한용가재를개발하여접합성능의개선에주력하고있다. Aleris Aluminium Koblenz GMBH 59,60) 에서는 1 Al-Mn 계코어합금을주조, 2 균질화, 3 Al-Si 계브레이징합금으로코어알루미늄합금을클래딩, 4 열간과냉간압연, 5 재결정어닐링, 6 변형경화및최종어닐링단계를거쳐, 코어관통에대한낮은감수성과양호한성형성을지닌최종평균입경이약 60μm미만인알루미늄합금브레이징판의제조기술을확립하였다. 고가의진공솔더링장치를사용하지않고서도플럭스리스금속부품을브레이징함으로써고품질의솔더점을달성할수접합기술을 Hydro Aluminium Deutschland GMBH 78) 에의해개발되었다. 일본 Furukawa-Sky Aluminium Corp. 에서는희생양극재-심재-중간재-브레이징필러금속을클래드한알루미늄합금브레이징시트 58,79) 를개발하였는데, 심재, 중간재및희생양극재중에존재하는구 ( 球 ) 에상당하는입자지름이 0.1 μm이하인금속간화합물의갯수밀도를크게증가시킨알루미늄합금브레이징시트에대한제조기술을확립하였다. 향후대량생산을위한브레이징공정기술은초경량, 초소형, 고효율, 내식성이요구되는방향으로추진되어나가야한다. 구체적으로 1 동종뿐만아니라이종금속간에도접합이가능, 2 원가절감및다양한부품의설계가가능, 3 강한접합강도, 4 미려하고정교한접합부생성을요구, 5 세척성, 기밀성, 내부식성등에대한다양한특성, 6 자동차를통한대량생산이가능해야한다 57). 264 Journal of KWJS, Vol. 29, No. 3, June, 2011
경량알루미늄합금의최신접합기술동향 9 2.9 전자빔용접 Hidetoshi Fujii 등 61) 은전자빔용접시알루미늄합금에서용융지에서부터방출되지못한버블 (bubble) 이응고과정중에붙잡혀 4Al(l) + Al 2O 3(s) = 3Al 2O(g) 에의해기포가발생되는데, 1 응고시용융지내에서용해된원소들의용해도의감소, 2 화학적인반응, 3 키홀현상, 4 높은증기압으로인한원소의증발, 5 루트부에서포획된가스, 6 보호가스의물리적트랩핑에의해기포가발생한다고밝히고있다. 아크에의한고전류밀도 ( 예를들면, 종래의가스금속아크용접의 150amp. 와비교하여 350amp.) 를이용한접합방법은겹치기침투접합의가스금속매립아크용접에직접적용할수있다. 또한전자빔용접뿐만아니라레이저빔혹은플라즈마용접으로도적용할수있다 62). 미국 Alcoa Inc. 62) 에서는접합표면으로부터표면산화물을음극방식으로제거할수없는경우와제한된침투및불충분한계면깊이를극복하기위하여, 가스금속매립아크 (GMBA) 용접방법을이용한연속적인또는간헐적인겹치기침투전자빔접합기술을확립하였다. 전자빔용접부에발생되는고온균열의생성원인은주로 Cu, Si, Mg, Zn과같은합금성분이알루미늄합금의결정립계에편석이된것으로밝히고있다 63). 2.10 초음파용접초음파용접은저항점용접이나마찰교반점용접에비하여용접당에너지가매우적다 64,65). 용접시간은마찰교반점용접에비하여대단히짧고저항점용접과거의비슷한수준으로짧은편이다. 독일 Schunk Sonosystems GMBH 67) 에서는알루미늄와이어로된연선들을금속으로이루어진 U형캐리어와초음파용접에의해도전접속하는방법을개발하였다. 미국 U.I.T., L.L.C. 68,69) 에서는고출력의부드러운초음파충격을응용제어함으로써접합을강화하고합금깊이를증가시켜금속의성능을개선및강화하고열화를억제하는새로운다기능적방법을제시하였다. 소규모, 대규모및대량생산을가능하게하였으며특히불활성가스브레이징에의한자왜변환기, 진동시스템및공구의제조에신뢰성을향상시켰다 7). 미국 U.I.T., L.L.C. 70,71) 에서는용접부의초음파충격처리기술을개발하였는데, 초음파충격처리에의해압축응력영역을생성시키고적어도약 50μm의깊이까지의백색층및비정질조직을형성시킴으로써가변하중 에서최대약 2.5 배만큼의부식-피로강도의증가및부식환경에서의최대약 20배의수명증가를꾀하였다. 미국 Utah State 대학항공우주학과 73,74) 에서는 Al 3003, Ni 201 및 Cu에대해서동종과이종끼리초음파압밀법 (ultrasonic consolidation) 에의한접합방법을개발하였다. 그리고 Al 3003/ SiC/Al 3003 과 Al 3003/SiC/Cu 복합재료에대해접합을시도하였다 73). 영국 Loughborough 대학 72) 에서는 Al 1050 모재판에 Al3003 을접합하기위하여초음파압밀법을개발하였다. 여기에서표면산화물층의제거가계면접합에가장중요한역할을하고있음을확인하였다. 영국 Manchester 대학 64) 에서는기존의저항점용접에너지에비해 2% 이하의에너지로용접할수있는고전력초음파용접 (HP-USW) 방법을개발하였으며, 일본 Toyama Prefectural 대학 75) 에서는알루미늄과구리에대하여수중에서초음파용접을하여용접열영향부에미세한결정립을얻었으며, 경도향상을가져오게하였다. 2.11 리벳팅 지금까지리벳팅은일반적으로냉간기계가공으로경화되거나또는침전경화된알루미늄합금과같은강성대중량비가높은재료로적용되어왔다. 그러나강성알루미늄합금은리벳을제조및설치하는도중에필요한성형성이부족하여네킹, 균열또는테어링이발생하므로이에대비한재료의개발도시도되고있다 76). 미국 Boeing Co. 76) 에서는먼저소재내에 3~5 μm크기의정제된입자구조를갖는영역을형성시킨다음리벳을형성시키는접합기술을확보하였다. 이러한정제된입자구조로인하여성형성, 강성, 인성, 내구성, 내부식성, 및내피로성과같은기계적성질을향상시킬수있다. 특히리벳의성형성이향상됨으로써리벳을제조및설치하는도중에균열이형성되어퍼지는현상이감소되는장점이있다. 리벳을제조및설치하는도중에불량을억제하기위해서는높은성형성을유지하여야하며리벳및얻어진구조어셈블리의제조비용이증가되지않도록비용효율적이어야한다. 또한, 리벳은강성대중량비가높고, 피로및부식에대한내성이높을뿐만아니라열응력에대한내성을가진재료로형성되어야한다. 자동차차체에사용되고있는리벳접합중에는셀프피어싱리벳이개발되어있는데, 피접합재에원통형의리벳을두들겨넣어다리를넓혀체결하도록하는방법이다. 향후접합강도의향상이외에도전위차에의한부식의발생등을고려한최신리벳팅기술의개발이요구된다. 大韓熔接 接合學會誌第 29 卷第 3 號, 2011 年 6 月 265
10 유호천 김환태 3. 알루미늄합금의주요접합기술동향및향후기술전망 3.1 알루미늄합금과이종재료와의접합기술 알루미늄합금과구리, 철강, 스테인리스강, 니켈및마그네슘과같은이종재료와의접합기술이활발히시도되고있다. 알루미늄합금과이종재료와의접합시고품질, 고정밀, 고속도에초점을맞추고있으며, 고속용접으로인하여수지상간격이좁고열영향부와열변형을적게하여기계적성질을향상시키는연구도추진되고있다. 3.2 고온균열방지및기공발생억제기술 MIG토치에다양한소모성용가재를사용하고불활성가스를방출시켜입열량을감소시키고용접열영향부의폭을줄여고온균열을방지하고있다. 또한용접부에발생하는기공의발생을억제하기위하여, 1 밀폐된용접박스내에서예열하고교류전류의 TIG 를이용하여, 아르곤과헬륨이혼합된불활성가스를방출시키거나 2 교류아크의주파수를초음파영역으로하여용접하는기술이개발되고있다. 최근알루미늄합재질의 TFT-LCD 용서셉터의접합에접합부의누설이없고세라믹코팅시발생하는미소균열및미립자의발생을최소화할수있는마찰교반접합기술이연구되고있다. 3.3 금속간화합물형성의억제기술 알루미늄과철강의접합시계면에 FeAl 3 혹은 Fe 2 Al 5 와같은취약한 Al-Fe 계금속간화합물의형성을 1μm정도이하로억제시켜접합강도를향상시키는접합기술을확립해나가고있다. 이방법은 MIG, TIG, 플럭스코어드아크용접, 레이저용접과같은용융용접에도입열량을억제하는연구가진행되고있다. 또한금속간화합물의입자지름을최대한줄이고재결정립경 (25 μm이하 ) 과용접부기공발생도를감소시킨알루미늄합금브레이징시트에대한연구도추진되고있으며, 또한브레이징시금속간화합물이형성되기어려운은납의이용기술도시도되고있다. 3.4 초음파이용기술 용접부의초음파충격처리로인하여백색층및비정질조직을형성시켜강도및내부식성을크게향상시킬수있는접합기술이개발되고있다. 또한고출력의부 드러운초음파충격을응용제어함으로써접합을강화하고합금깊이를증가시켜금속의성능을개선, 강화하고열화를억제하는새로운다기능적방법이제시되어대량생산, 소규모혹은대규모생산을가능하게하고있다. 특히초음파압밀법 (consolidation) 에의한접합기술이확립되고있으며, 기존의저항점용접에너지에비해 2% 이하의에너지로용접할수있는고전력초음파용접 (HP-USW) 방법이개발되고있다. 3.5 보호가스의성분, 유량조절기술 아크용접시아르곤보호가스중에 O 2 가스와헬륨가스를혼합하여사용하여아크를안정화시키고있다. 경제성을고려하여값비싼헬륨량을줄이기위해서가스유동속도를최대한낮추고있으며, 고가의진공솔더링장치를사용하지않고불활성가스분위기에서플럭스리스금속부품을브레이징할수있는제조기술을확립하고있다. 3.6 저입열용접기술 아크용접시저입열을시도하여아크발생성개선, 스패터의저감화, 고속용접화, 용입의안정화, 박판용극저전류의안정화및교류펄스에서의용입기술을확보해나가고있다. 저항점용접이나마찰교반용접에비해입열량및용접당에너지가적은초음파용접기술이확대되고있다. 후 기 본기술해설은한국과학기술정보연구원이교육과학기술부의과학기술진흥기금으로수행하는 ReSEAT 프로그램의성과물입니다. 참고문헌 1. Joining method of dissimilar material, Korean unexamined patent, KR10-2008-0061402, Kobe Seikosyo (in 2. T. Murakami, K. Nakata, H. Tong, M. Ushio : ISIJ Int. 43-10 (2003), 1596~16022 3. M. Staubach, S. Jutter, U. Fussel, M. Dietrich, : Weld. Cutt. 7-1 (2008), 30~38 4. Seong-Jong Kim : Development of welding technology using robot for dissimilar aluminium alloys, Mokpo National Maritime University (2009) 1~119, (in 5.A fusion welding process to join aluminium and 266 Journal of KWJS, Vol. 29, No. 3, June, 2011
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