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알루미늄합금과 강의 레이저 브레이징 용접에 의한 이종재료 접합

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김유상(kiysjnsc@reseat.re.kr)
* 출처 : 松本剛,  “アルミニウム合金と鋼とのレ?ザブレ?ジング溶接による異材接合”, 輕金
屬溶接, 48(1), 2010, pp.15~19

1. 개요

지구 온난화 방지책으로 자동차 등의 경량화 달성을 위해서는 알루미늄재료와 강재와의  이종재료 접합기술 개발이 바람직하다. 그러나 강과  알루미늄합금을 조합시킬 경우에는 취약한 금속간화합물이 생성되어 강도가 낮아지기 때문에 기계적 체결이나 접착접합 방법  등에 의지할 수밖에 없는 것이 현실이다.통상의 용접장치(미그, 레이저, 저항점용접)를 사용하면서도 용융알루미늄 도금강판,  GA강판 각각을 사용하여 용접조건을 최적화함으로써 알루미늄합금과 강의 이종재료 접합에서 알루미늄합금과 같은 수준의 양호한 이음부 강도를 얻는 접합 방법을 개발했다.
내용에서는 이들 접합 방법의 하나로서, 고에너지  밀도 열원에 의한 금속의 급속가열/응고가 기대되는 『레이저 브레이징 용접』에 대하여 기술했다.

2. 신개발 용융알루미늄 도금강판을 사용한 이종재료 접합

▶ 특징
용융알루미늄강판을 사용한 이종재료 접합은 Nisshin Steel과 공동 개발하여 얻은 신기술이다. 개발 초기에는 저항점용접을 적용하여 검증했다. 알루미늄합금과 SPCC(냉간압연강판)를 점용접한 경우, 이음부 인장전단강도는 알루미늄합금과 같은  수준의 값이 얻어졌어도 계면파단으로 되기 쉬워 십자이음부 인장시험에서는 강도가 낮았다.
본 강판(용융알루미늄강판)과 AA6022(또는 5182)를 접합하여  알루미늄합금과 같은 이음부 수준의 높은 값을 얻었다. 파단방식도 알루미늄합금 모재 측  너깃의 바깥 둘레에서 파단하는 버튼파괴였다. SPCC와 알루미늄합금과 접합할 때, 접합계면 전면에 걸쳐서  Fe-Al계 금속간화합물 층이 형성된다.

이에 대하여  용융알루미늄강판과 알루미늄합금의 접합부에서는 금속간화합물의 미형성 영역이 너깃의 바깥 둘레에 존재하여 강고한 접합강도를 발휘함으로써 접합계면 방향으로의 균열전파를 방해하여 버튼파단으로 되었다.이종재료 접합용 용융알루미늄강판을  사용한 경우에 Fe-Al계  금속간화합물 미형성영역이 생성한다. 그 이유는 강 기지와 도금 층의 경계면에서 확산장벽의  기능을 할 수 있도록 질소(N) 농축 층을 형성시키고, 접합과정에서 이 N농축 층이 Fe-Al의 상호확산을 억제한다고 추정하고 있다.

▶ 레이저 브레이징 용접
저항점용접에서 발견된 본 특징을 선접합인 레이저 용접에 적용하여 그 가능성을 검증했다. 판 두께가 1.0㎜인 AA5182와 개발재료를 조합시켜서 개발재료 위에  5182를 겹치기 용접했다. 본 레이저 용접법의 특징은 다음과 같다.
- 고속도 용접에서 생산성이 높은 가공이 가능
- 접합부의 폭이 좁고 용접변형도 작아 이음부 외관이 미려
- 용가재를 사용하지 않고도 용접 가능
램프여기의 YAG레이저를 사용하여 출력 4kW(초점이 흐린 빔), 접합 속도 80~160㎝/min 범위의 시공조건으로 접합했다. 겹치기 이음부의 강도는 직각 L자 형상으로  절곡하여 인장하고, 접합부를 잡아당겨 박리하는 필 시험(Peel Test)으로 평가했다.필 강도는 고속도 측인 160㎝/min에서 가장 높았고, 파단하지  않았던 금속간화합물이 얇고 강고한 상태로 접합되는 고속도 용접시공의 경우, 용접금속부로 균열이 전파하여 파단에 이르는 것으로 추정됐다.새로이 개발한 용융알루미늄 도금강판을 사용하면 알루미늄합금과 같은 수준의 높은 인장전단강도를 얻을 수 있다. 그리고 접합조건을 보다 최적화함으로써  필 강도가 높은 이음부가 얻어지게 된다.

▶ GA강판을 사용한 이종재료 접합
자동차용 합금화 용융아연도금강판(GA강판)과  알루미늄합금의 레이저  브레이징 용접에서 시공조건과 용가재 첨가 등을 검증한 결과, 알루미늄  용융금속과 GA강판 표면과의 젖음성(Wettability)을 개선하여 이음부의 성능이 향상됐다.  현미경 관찰을 통해 접합계면의 금속간 화합물 두께를 측정한 결과 AA4047을 용가재로 사용하면 평균 수십㎛로 성장하고 있는데 반해 플럭스가 내장된 플럭스 코어드  와이어를 용가재로 사용하면 수㎛ 정도로  억제됐다.

3. 제품 적용 방안

●건재 관련 : 알루미늄제의 새시, 벽 패널, 난간, 계단 등과 강재부품과의 접합
●전기 전자기기 관련 : 알루미늄히트싱크와 철강재와의 접합, 평면형 TV·컴퓨터 등 기기
의 철 부재와 알루미늄부재와의 접합
●알루미늄선박 관련 : 알루미늄 선박의 강재 사용처와의 접합
●트럭·밴 관련 : 컨테이너, 바디, 트레일러 등의 알루미늄 패널부재와 골조 강재와의 접합
●버스 관련 : 알루미늄 외판·부재와 강재의 접합
●자동이륜차, 자전거 관련 : 알루미늄 프레임과 철부품의 접합
●자동차 관련 : 후드·도어의 알루미늄 링 포스부재와 강제 로크부재의 접합, 알루미늄 루
프패널과 강재 루프레일의 접합, 알루미늄 도어빔과 강제 링 포스부재의 접합, 도어 링 포스부재와 강제 도어 빔과의 접합, 알루미늄 인 패널 링 포스부재와 강제 부재와의 접합,  알루미늄 범퍼 빔과 강제 스테이의 접합, 알루미늄 크로스멤버와 강제 프레임과의 접합,  알루미늄패널과 강 패널의 테일러드 블랭크 접합, 하이브리드 전기자동차/전기자동차용 축전지 전지부의 접합 등

4. 결언

내용에서 소개한 접합방법은 알루미늄합금 용접에 사용되고 있는 레이저 용접장치를 사용하면서도 취약한 금속간화합물의 생성을 억제하는 기술을 이용했다. 강의 레이저 용접 특성을 최대한 살릴 수 있는 각종 접합조건을 최적화함으로써 알루미늄과 동일한 이음부 강도를 얻었다.

5. 전문가 제언

최근 KOBE Steel사 Tsuyoshi Matsumoto 등은 알루미늄합금과 강의레이저 브레이징 용접에 의한 이종재료 접합 연구에서 알루미늄합금용접 전용으로 사용되고 있는 레이저  용접장치를 사용하면서도 취약한 금속간 화합물 생성을  억제하는 용접표면 처리기술을 발표했다. 용융알루미늄강판을 사용한 이종재료 접합은 Nisshin Steel과 공동 개발한 것으로 알려졌다. 강의 레이저 용접 특성을 최대한 살릴 수 있는 각종 접합조건을 최적화함으로써 알루미늄과 동일한 이음부강도를 얻을 수 있었다.플럭스 코드 와이어(FCW:Flux Cored Wire)도 적용하여 용접부에  존재하는 금속간 화합물 발생을 최대한 억제함으로써 용접성을 개선한 것으로 확인되었다. 향후 금속간 화합물 발생을 억제하는 플럭스를 사용하고 용접부 열확산이 방지되는 용접시공 기술을 사용하면  이종재료 접합성이 향상될 것으로 사료된다.

최근 국내  유로비젼  중소기업에서도 다이오드   및 Nd·YAG레이저를  응용한 금속용접(Welding of   Metals), 플라스틱  융착(Welding of   Plastics), 브레이징(Brazing),  클래딩(Cladding), 코팅(Coating), 열처리(Hardening), 펌핑(Pumping)용 레이저기를 고객  맞춤식으로 공급하고 있다. 향후 이동통신용 휴대폰 케이스,  자동차 경량도어 접합부품, 두께차이와 이종재료를 사용하는 테일러드 블랭크, 알루미늄 충돌패널과  강제 송풍대열에 강제 멤버와 접합, 알루미늄 범퍼부재와 강제 정면측면 멤버의 접합, 구조용 알루미늄 섀시, 프레임 등에 사용되는 알루미늄-마그네슘합금과 철강은 물론  퍼스널컴퓨터 폴리카보네이트 비금속소재에 이르기까지 복합 레이저 용접기술이 연이어 가속적으로 개발될 것으로 예상된다.