[논문]경량 알루미늄합금의 최신 접합기술동향

유호천; 김환태

doi:10.5781/kwjs.2011.29.3.260

경량 알루미늄합금의 최신 접합기술동향
Recent Technological Tendency of Joining for Light Aluminium Alloy 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.3, 2011년, pp.4 - 13

유호천 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램) , 김환태 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램)

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문제 정의

본 해설에서는 경량 알루미늄합금의 최신 접합기술동향을 파악하기 위하여 국내 및 해외의 학술문헌 정보, 특허 정보 및 최신 기술동향분석을 행하였는데, 주로 NDSL과 ScienceDirect 등에 의해서 알루미늄합금의 최신 접합기술동향에 관한 과학기술정보를 발췌하였다. 국내 알루미늄합금의 접합기술 발전을 위하여 용접방법에 따른 최신 접합기술특성과 국내외 동향을 체계적으로 분석하였으며 향후 기술전망을 제시하고자 하였다.
본 해설에서는 경량 알루미늄합금의 최신 접합기술동향을 파악하기 위하여 국내 및 해외의 학술문헌 정보, 특허 정보 및 최신 기술동향분석을 행하였는데, 주로 NDSL과 ScienceDirect 등에 의해서 알루미늄합금의 최신 접합기술동향에 관한 과학기술정보를 발췌하였다. 국내 알루미늄합금의 접합기술 발전을 위하여 용접방법에 따른 최신 접합기술특성과 국내외 동향을 체계적으로 분석하였으며 향후 기술전망을 제시하고자 하였다.

제안 방법

를 특정량 포함하고 염화물을 포함하지 않는 불화물을 조성으로 하는 플럭스와, Si 1～13wt.% 함유한 외피 알루미늄합금의 플럭스 코어드 와이어를 이용하여 고장력강재와 6000계 알루미늄합금재의 고강도 이종재료끼리의 용융접합하여 높은 접합강도를 얻었다. Sumitomo Light Metal IND¹¹⁾에서는 4000계 혹은 5000계 알루미늄과 강을 겹치기하여 용가와이어를 사용하여 MIG용접으로 접합하였다.
6000 알루미늄합금과 GA(합금화 용융아연도금)강판의 겹치기 필릿이음부에 대해 Zn-15%Al 브레이징재를 사용하여 레이저 브레이징 접합하였다³⁸⁾.
에서는 Al 3003, Ni 201 및 Cu에 대해서 동종과 이종끼리 초음파 압밀법(ultrasonic consolidation)에 의한 접합방법을 개발하였다. 그리고 Al 3003/ SiC/Al 3003과 Al 3003/SiC/Cu 복합재료에 대해 접합을 시도하였다⁷³⁾. 영국 Loughborough 대학⁷²⁾에서는 Al 1050 모재판에 Al3003을 접합하기 위하여 초음파 압밀법을 개발하였다.
비금속개재물의 생성을 억제하고 용접부의 인성을 향상시키기 위하여 플럭스 코어드 아크용접에 적용할 수 있는 리튬알루미늄합금을 함유하고 금속전극부와, 금속전극부에 인접한 플럭스부로 구성된 용접전극의 제조기술을 확립하였다⁹⁾.
또한 자동화공정의 속도를 더욱 증가시킬 수 있다. 아크의 안정화를 위해 아르곤 보호가스 중에 O₂가스를 300ppm 정도 첨가하거나 원주용접시 시작되는 부분과 끝나는 부분의 용입을 개선하기 위하여 아르곤보호가스 중에 헬륨가스를 70～80%정도 혼합하여 사용하였다⁶⁾.
철강-알루미늄합금의 접합시 플럭스 코어드 와이어(Cs계 플럭스＋4047)를 사용하여 1050 알루미늄과 SPCC(냉간압연강판)의 이종재료 겹치기이음부를 GMAW 브레이징법으로 접합함으로써 입열량을 억제하고 FeAl 2원계 금속간화합물의 생성을 억제시켰다⁷⁾. 6022알루미늄합금과 GI아연도금강판의 이종재료 겹치기이음부를 극저입열 용접함으로써 금속간화합물의 두께를 1㎛ 정도로 얇게 만들고 FeAl의 확산을 억제시켰다⁸⁾.

대상 데이터

레이저용접성이 우수하고 용접부의 기공발생도를 감소시킨 전지케이스 덮개용 알루미늄 합금판재를 국내에 특허출원하였다. 일본 Sumitomo Light Metal Industries, Ltd.
5MPa의 인장강도에 도달할 수 있었다. 이때 사용된 플럭스는 Nocolok flux (KAlF₄ and K₃AlF₆ eutectic), Zn과 Sn의 금속분말, K₂SiF₆ 등 이었다. 또한 금속간화합물 층은 3～5㎛, 주성분은 Fe₄Al₁₃임을 밝혔다.

이론/모형

G. Sierra 등⁴³⁾에 의해 6016 알루미늄합금과 아연도금된 저탄소강에 대하여 레이저-double side TIG용접으로 접합하였다. 계면에는 2～40㎛ 두께의 중간반응층이 형성되었는데, 10㎛ 이상의 금속간화합물 층이 형성될 경우에 용접부에 균열이 관찰되었다.

성능/효과

6061Al과 GA강판의 접합시 계면에 플럭스(CsF)를 도포한 후에 Fe-Al의 비금속개재물을 형성하기 어려운 은납(silver solder)을 이용하여 반도체 레이저 브레이징 용접²⁹⁾을 실시한 결과, IMC의 형성은 이루어지지 않았으며 약 130N/mm²의 양호한 인장강도를 얻을 수 있었다.
에서는 피로 균열의 성장을 억제하기 위하여 마찰교반접합된 7075-T7351 알루미늄합금판의 용접부에 대한 레이저 피닝 처리를 하였다. 그 결과 3층 레이저 피닝처리는 숏피닝 이나 1층 레이저피닝처리에 비해서 압축잔류응력과 표면경화 효과의 상승으로 피로균열의 성장을 크게 완화시킬 수 있었다.
에서는 불활성가스 중에서 구조용강을 알루미늄합금과 함께 용접할 수 있는 마찰교반접합 장치를 개발하였다. 또한 용접툴에 AlN을 코팅하여 마찰열에 의한 연화현상을 억제하여 툴의 수명을 크게 향상시켰다.
IMC층의 두께는 회전속도와 침투깊이의 증가에 따라 상승하게 되고, IMC층이 두터우면 균열이 쉽게 생성되고 전파된다. 또한 회전속도가 3000rpm, 툴 침투깊이 2.9mm일 때 최적의 두께는 8㎛였으며, 가장 경도가 높은 IMC는 FeAl₂(1000HV), Fe₂Al₅(1100HV)로 확인되었다.
일본 Gifu Prefectural Research Institute⁵³⁾에서는 종래의 프로브 툴 대신에 스크롤 툴을 개발하였다. 스크롤 툴의 회전속도를 3000rpm, 쇼울더 플런지 깊이를 0.7mm로 한 결과, Al 6061-T4 판의 최대 인장 전단강도를 종래의 3.9kN에서 4.6kN까지 향상시킬수 있는 효과가 있었다.
¹⁴⁾는 TIG용접 시에 주파수 가변화에 의한 모재로의 열집중성 개선을 필요로 하였으며, 교류아크의 주파수를 초음파영역으로 하여 용접부에 발생하는 기포의 발생을 억제할 수 있었다. 아크용접에 산소 0.6～1.9%, 헬륨 및 아르곤 10～24%를 주성분으로 하는 보호가스 조성물을 개발하였는데, 고속자동화 용접에 사용하여 뛰어난 기계적 특성을 유지하면서 용접속도, 이음부 피트-업 공차 및 용락을 현저하게 개선시킬 수 있었다.
영국 Loughborough 대학⁷²⁾에서는 Al 1050 모재판에 Al3003을 접합하기 위하여 초음파 압밀법을 개발하였다. 여기에서 표면산화물 층의 제거가 계면접합에 가장 중요한 역할을 하고 있음을 확인하였다.
Badarinarayan 등⁵⁵⁾은 5754 Al합금의 마찰교반점용접시 툴의 숄더부와 핀부에 대하여 최적의 형태를 조사하였다. 오목한 숄더부는 편평하거나 볼록한 숄더부보다 정적 강도가 상승되었으며 삼각형 핀부는 실린 더형 핀부보다 더 높은 정적 강도를 나타내었다. 또한 Shigeki Hirasawa 등⁵⁶⁾은 실린더형의 핀은 1500rpm 으로 회전시 직경이 5mm, 길이가 1.

후속연구

향후 대량 생산을 위한 브레이징 공정기술은 초경량, 초소형, 고효율, 내식성이 요구되는 방향으로 추진되어 나가야 한다. 구체적으로 ① 동종뿐만 아니라 이종금속 간에도 접합이 가능, ② 원가절감 및 다양한 부품의 설계가 가능, ③ 강한 접합강도, ④ 미려하고 정교한 접합부 생성을 요구, ⑤ 세척성, 기밀성, 내부식성 등에 대한 다양한 특성, ⑥ 자동차를 통한 대량생산이 가능해야 한다⁵⁷⁾.
자동차 차체에 사용되고 있는 리벳접합 중에는 셀프 피어싱 리벳이 개발되어 있는데, 피접합재에 원통형의 리벳을 두들겨 넣어 다리를 넓혀 체결하도록 하는 방법이다. 향후 접합강도의 향상 이외에도 전위차에 의한 부식의 발생 등을 고려한 최신 리벳팅기술의 개발이 요구된다.
그러나 5000계, 6000계 알루미늄합금에는 기공과 고온균열과 같은 용접결함의 발생을 용이하게 하고 강도를 감소시킬 수 있다. 향후 하이브리드 레이저-MIG 용접을 적용하여 언더컷의 억제, 기공형성의 방지, 용착금속의 화학성분의 개질 등을 이루어야 할 것이다²²⁾.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저항 점용접의 문제점과 그 원인은 무엇인가?	저항 점용접은 알루미늄 표면에 형성되는 강고한 산화피막의 영향, 전극재료와 알루미늄의 합금화가 원인으로 전극이 빨리 소모되고, 통전저해에 의하여 이음부 강도의 편차가 발생하며, 불균일한 너깃의 생성, 강재에 비하여 연속타점성이 뒤떨어지는 등의 문제점이 있다. 이를 해결할 수 있는 용접기술의 확보가 중요하다.
	레이저용접의 장점은?	고출력에 의한 고밀도 에너지로서 3차원 레이저용접 시스템 및 관련 장치 구축22)으로 인하여 빠른 용접속도와 용입깊이가 깊고 용융폭이 적기 때문에 열에 의한 변형이 적어 열영향부가 매우 좁다는 장점과 한쪽면에서의 용접이 가능하다.
	알루미늄합금은 좁은 소성영역과 낮은 모재 강도의 특성으로 인해 용접시 어떤 문제가 발생하는가?	알루미늄합금의 열전도율이 연강보다 약 3배 정도 높아서 용융부 주위의 온도상승에 의한 용접열손실이 크고 높은 전류를 필요로 하며 낮은 용융온도와 높은 전기전도도로 인하여 짧은 용접수행시간을 필요로 한다. 또한 소성영역(약 95～200℃)이 극히 좁고 모재의 강도가 낮으므로 용접시 전극가압력에 따른 용접물의 과도한 압흔(indentation) 등 용접불량이 발생하기 쉽다17). 일본 Nissan Motor Co.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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