[논문]자동차용 알루미늄 합금의 레이저 용접기술

김철희; 안영남; 임현식

doi:10.5781/kwjs.2011.29.4.383

자동차용 알루미늄 합금의 레이저 용접기술
Laser Welding of Automotive Aluminum Alloys 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.29 no.4, 2011년, pp.21 - 26

김철희 (한국생산기술연구원 용접접합연구그룹) , 안영남 (한국생산기술연구원 용접접합연구그룹) , 임현식 (두산인프라코어)

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문제 정의

본 논문에서는 알루미늄 5000계열과 6000계열 소재를 중심으로 1.03㎛ 파장을 가지는 디스크 레이저를 이용한 용접특성에 대한 평가결과를 소개하고자 한다. 알루미늄 합금의 레이저 용접에서 기공, 용접부에서 발생하는 응고균열이나 HAZ의 액화균열의 양상을 관찰하였다.
본 논문에서는 알루미늄함금의 레이저 용접에서 기공 및 균열의 향상에 대하여 기술하였다.

제안 방법

소재의 조성에 대한 응고균열의 거동을 관찰하기 위하여 1.6mm 두께의 5J32합금과 6K21합금에 비드용접을 수행하면서 균열의 양상을 관찰하였다. 시험편은 그림 9와 같은 자기구속형 시험편을 이용하였다^12,13).
03㎛ 파장을 가지는 디스크 레이저를 이용한 용접특성에 대한 평가결과를 소개하고자 한다. 알루미늄 합금의 레이저 용접에서 기공, 용접부에서 발생하는 응고균열이나 HAZ의 액화균열의 양상을 관찰하였다.
시험편은 그림 9와 같은 자기구속형 시험편을 이용하였다^12,13). 완전용입이 발생하는 조건을 선정하기 위하여 레이저출력 및 용접속도는 각각 3.5kW와 4m/min으로 선정하였다. 조성에 따른 균열 양상을 관찰하기 위하여 4043(AlSi5), 4047(AlSi12), 5356(AlMg5), 5183(AlMg4.
5Mn)와이어를 공급하면서 용접을 수행하였다¹⁴⁾. 용접시험편 균열의 길이는 Xray시험을 통해 측정하였으며, 그림 10은 와이어 공급 없이 레이저 단독용접 시 발생하는 균열을 측정한 결과이다.
5kW와 4m/min으로 선정하였다. 조성에 따른 균열 양상을 관찰하기 위하여 4043(AlSi5), 4047(AlSi12), 5356(AlMg5), 5183(AlMg4.5Mn)와이어를 공급하면서 용접을 수행하였다¹⁴⁾. 용접시험편 균열의 길이는 Xray시험을 통해 측정하였으며, 그림 10은 와이어 공급 없이 레이저 단독용접 시 발생하는 균열을 측정한 결과이다.
프레임류에 많이 사용되는 압출재와 판재사이의 용접성을 평가하기 위하여 판재를 상판에 두고 압출재를 하판에 둔 상태에서 겹치기 용접을 수행하였다. 압출재로는 4mm 두께의 Al 6005합금과 3mm 두께의 Al 7021합금을 이용하였으며, 판재로는 1mm두께의 Al 5J32, 6K21, 6K32합금을 이용하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 그림 1과 같이 10mm 두께의 5052소재에 560mm 초점거리의 장초점 광학계를 이용하여 레이저 용접을 수행하였으며 이때 초점에서의 레이저빔의 직경은 0.54mm이다. 레이저는 +5 도의 각도를 가지고 조사되었으며, Ar 50%와 He 50%의 혼합가스를 표면에서 20 l/min으로 공급하였다⁹⁾.
6mm 두께의 5J32합금과 6K21합금에 비드용접을 수행하면서 균열의 양상을 관찰하였다. 시험편은 그림 9와 같은 자기구속형 시험편을 이용하였다^12,13). 완전용입이 발생하는 조건을 선정하기 위하여 레이저출력 및 용접속도는 각각 3.
프레임류에 많이 사용되는 압출재와 판재사이의 용접성을 평가하기 위하여 판재를 상판에 두고 압출재를 하판에 둔 상태에서 겹치기 용접을 수행하였다. 압출재로는 4mm 두께의 Al 6005합금과 3mm 두께의 Al 7021합금을 이용하였으며, 판재로는 1mm두께의 Al 5J32, 6K21, 6K32합금을 이용하였다. 압출재의 경우 두께가 두꺼워 부분용입을 형성하도록 용접을 수행하였으며, 이 때 레이저의 출력, 용접속도, 초점위치는 각각 4kW, 4m/min, -6mm이다.

성능/효과

소재별, 용가재별 균열 발생 특성 평가결과는 그림 11과 같다. Mg, Si 등 균열을 억제할 수 있는 원소를 포함한 용가재를 이용하여 용접부의 화학적 조성을 제어할 경우 응고균열에 대한 감수성을 억제할 수 있었으며, 특히 균열감수성이 높은 6000계열 합금에서 균열 제어가 요구된다. Si를 12% 함유하고 있는 4047 와이어가 가장 균열제어 효과가 높다.
용접속도의 증가에 따라 비드폭과 용입이 감소함을 확인할 수 있으며, 용접속도 6m/min에서는 완전용입에서 불완전용입으로 천이가 발생한다. 기공의 발생은 Mg의 기화에 기인한 것으로 판단되고, 용접속도가 느릴 경우 완전용입이 발생하고 백비드의 폭이 충분히 넓기 때문에 금속 증기의 배출이 용이하여 기공이 발생하지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 합금의 특성은?	연비와 환경문제에 대응하여 자동차를 경량화하기 위한 소재로 고강도강과 알루미늄 합금의 사용이 증가하고 있다. 이 중 알루미늄 합금은 비강도가 우수하고 내식성이 우수한 특성을 가지고 있어 자동차에서의 사용량이 점차 증가하고 있는 추세에 있다1). 알루미늄 합금의 경우 열전도도가 높아 기존 자동차 조립공정에서 이용되는 저항점용접의 적용 시 고전류를 요구하여 전극 마모문제가 발생하는 등 적용상의 어려움이 많아 고밀도에너지를 이용하는 레이저 용접에 대한 관심이 높다.
	자동차의 소재로 고강도강과 알루미늄 합금의 사용이 증가하고 있는 이유는?	연비와 환경문제에 대응하여 자동차를 경량화하기 위한 소재로 고강도강과 알루미늄 합금의 사용이 증가하고 있다. 이 중 알루미늄 합금은 비강도가 우수하고 내식성이 우수한 특성을 가지고 있어 자동차에서의 사용량이 점차 증가하고 있는 추세에 있다1).
	자동차의 차체에 적용되는 알루미늄 합금에 대한 특성은?	자동차의 차체에 적용되는 알루미늄 합금은 주로 AlMg계 합금인 5000계열과 Al-Mg-Si계 합금인 6000계열이 이용되고 있다. 비열처리형 합금인 5000계열의 합금은 Mg의 첨가로 인해 강도가 증가하나 성형성이 부족하여 주로 내판용으로 이용되며, 열처리형 합금인 6000계열의 합금은 성형성, 내식성이 우수하여 외판용으로 주로 이용되나 용접 시 열처리가 풀려 강도가 저하되는 특징을 가지고 있다6)

참고문헌 (15)

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