알루미늄 합금 레이저 용접에서 흔히 발생하는 결함

흔히 발생하는 결함알루미늄 합금 레이저 용접

레이저 자가 용접이든레이저-아크 하이브리드 용접알루미늄 합금에 사용되는 이 용접 방식에는 몇 가지 일반적인 기술적 문제가 있습니다. 즉, 공정 매개변수 및 용접 조건이 야금학적으로 부적절할 경우 결함이 발생할 수 있습니다.부적절하다.알루미늄 합금 용접부의 결함은 크게 용접 기공과 용접 열균열 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 기공과 열균열 외에도 언더컷, 불량한 후면 성형과 같은 결함이 알루미늄 합금 레이저 용접에서 발생할 수 있습니다. 용접 기공에 비해 용접 균열(육안 또는 저배율 현미경으로 관찰 가능)의 발생 확률은 낮습니다. 그러나 균열은 더욱 위험하기 때문에 JIS Z 3105에서는 용접부에서 균열이 발견될 경우 해당 용접부를 4급 용접으로 판정하도록 규정하고 있습니다. 언더컷, 불량한 후면 성형 등의 결함은 대부분 부적절한 속도 제어 또는 공정 변수 불일치로 인해 발생하는 심각한 결함입니다. 이러한 결함은 일반적으로 공정 탐색 및 디버깅 단계에서 발생하며, 정상적인 실제 생산 공정에서는 거의 발생하지 않습니다. 따라서 기공은 알루미늄 합금 레이저 용접 및 용접 구조물의 사용에 있어 더욱 심각한 문제를 야기하는 결함 유형이며, 근본적으로 제거하기 어렵습니다.

1. 다공성

기공성은 가장 흔하고 주요한 부피 결함입니다.알루미늄 합금의 레이저 용접기공은 수백 마이크론에서 수 밀리미터에 이르는 다양한 크기를 가지며, 그 형성 메커니즘은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 기공은 용접부의 유효 작업 면적을 약화시킬 뿐만 아니라 응력 집중을 유발하여 용접부의 동적 강도와 피로 성능을 저하시킵니다.

수소를 포함하는 환경에서 알루미늄 합금이 용융될 때, 내부 수소 함량은 0.69ml/100g 이상에 도달할 수 있지만, 합금이 응고된 후 평형 상태에서의 수소 용해도는 최대 0.036ml/100g입니다. 일반적으로 레이저 용접의 냉각 과정에서 수소 용해도가 급격히 감소하고, 과포화 수소가 석출되어 수소 기공이 형성되는 것으로 알려져 있습니다. 또한, 저융점 고증기압 합금 원소의 증발도 기공을 유발할 수 있는데, 이를 야금학적 기공이라고 합니다. 이 외에도 레이저 빔의 교란이나 키홀의 불안정성 또한 기공을 형성할 수 있지만, 이러한 기공은 불규칙한 형태를 가지므로 공정 유발 기공이라고 합니다. 알루미늄 합금은 화학적 활성이 높아 표면에 산화막이 쉽게 형성됩니다. 용접 과정에서 알루미늄 합금 표면의 산화막에서 분해된 결정수와 결합수는 공기 중의 수분 및 보호 가스와 함께 레이저의 작용으로 고온 영역에서 직접 분해되어 수소를 생성합니다. 이러한 수소 가스는 용융 풀의 냉각 및 응고 과정에서 석출되어 기포를 형성하거나, 불완전하게 용융된 산화막 표면에 직접 기포를 생성할 수 있습니다. 알루미늄 합금은 비중이 낮아 용융 풀 내에서 기포의 상승 속도가 느립니다. 또한, 알루미늄 합금은 열전도율이 높아 용융 풀의 냉각 및 응고 속도가 매우 빠릅니다. 따라서 일부 기포는 제때 빠져나가지 못하고 용접부에 남아 야금학적 기공을 형성합니다. 연구에 따르면 알루미늄 합금 용접부 기공의 주요 가스는 수소이므로, 알루미늄 합금 용접부의 기공을 수소 기공이라고도 합니다. 주사전자현미경으로 기공의 파괴면을 관찰하면, 기공은 대부분 구형이며 수지상 결정의 끝부분이 촘촘하게 배열되어 있고, 내벽은 매끄럽고 깨끗하며 산화 흔적이 없다. 기공의 존재는 용접부의 치밀도와 접합부의 하중 지지력을 저하시킬 뿐만 아니라, 접합부의 강도와 소성을 다양한 정도로 감소시킨다.

2. 뜨거운 균열

용융 금속 풀의 응고 과정에서 발생하는 고온 균열(응고 균열 및 액화 균열 포함)은 알루미늄 합금 레이저 용접에서 흔히 발생하는 결함 유형 중 하나입니다. 응고 균열의 파괴 형태는 파괴면이 매끄럽지만 불규칙한 자갈 모양 또는 감자 모양의 입자 구조로 넓게 분포되어 있으며, 표면에는 종종 입계에 저융점 공융체 또는 액막 주름, 그리고 수지상 결정의 취성 파괴 흔적이 남아 있는 것이 가장 두드러진 특징입니다. 액화 균열의 파괴 형태는 응고 균열과 유사하지만, 고온 입계 파괴 또는 응고 파괴의 특징을 보입니다. 피로 하중을 받는 용접 접합부의 피로 파괴에서도 이러한 고온 균열로 인한 피로 균열이 흔히 발생합니다. 알루미늄 합금 레이저 용접에서 고온 균열이 발생하는 원인은 주로 합금 자체의 특성과 용접 공정과 관련이 있습니다. 알루미늄 합금은 응고 과정에서 수축률이 매우 높아(최대 5%) 용접부에 큰 응력과 변형을 유발합니다. 또한, 용접 금속의 응고 과정에서 결정립계를 따라 저융점의 공정 조직이 형성되어 결정립계의 결합력을 약화시키고, 인장 응력 하에서 열균열을 발생시킵니다. 이러한 이유로 알루미늄 합금 레이저 용접 시 발생하는 균열의 형태는 용접 중심 균열, 용접 융합선 균열, 용접부 내 결정립계 균열, 열영향부 액상 균열, 산화막에 의한 균열, 그리고 결정립계 미세 균열 등으로 요약할 수 있습니다.

또한, 용접 중 보호가 제대로 이루어지지 않으면 용접 금속이 공기 중의 가스와 반응하여 개재물이 생성되고, 이 개재물 역시 균열 발생의 원인이 될 수 있습니다. 합금 원소의 종류와 함량은 알루미늄 합금 용접 시 고온 균열 발생 경향에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 Al-Si 및 Al-Mn 계열 알루미늄 합금은 용접성이 우수하고 고온 균열 발생이 적은 반면, Al-Mg, Al-Cu 및 Al-Zn 계열 알루미늄 합금은 고온 균열 발생 경향이 비교적 높습니다. 고온 균열 발생 경향은 용접 공정 매개변수를 조정하여 가열 및 냉각 속도를 제어함으로써 줄일 수 있습니다. 일반적으로 레이저 아크 하이브리드 용접의 고온 균열 발생 경향은 레이저 필러 와이어 용접보다 우수하고, 레이저 필러 와이어 용접의 고온 균열 발생 경향은 레이저 자가 용접보다 우수합니다.

3. 언더컷 및 번스루

알루미늄 합금은 이온화 에너지가 낮아 광유도 플라즈마가 용접 중 과열 및 팽창하기 쉬워 용접 공정이 불안정해집니다. 또한, 액체 알루미늄 합금은 유동성이 좋고 표면 장력이 낮습니다. 용접 침투력을 향상시키기 위해 보호 가스 유량과 레이저 출력량을 높여야 하는 경우가 많은데, 이는 용접 공정의 안정성을 저하시켜 용융 풀이 압력 하에서 심하게 요동치게 하고 언더컷이나 번스루와 같은 결함을 쉽게 발생시킵니다. 레이저 용접된 알루미늄 합금 판재의 후면 성형성은 용접부 후면에 수냉식 구리판을 설치함으로써 효과적으로 향상시킬 수 있습니다.

4. 슬래그 혼입

자동차 차체 용접에서 흔히 발생하는 또 다른 결함 유형은 용접 슬래그 혼입입니다. 연구에 따르면 슬래그 혼입은 주로 용접부와 용접 와이어 표면의 산화물, 그리고 알루미늄 합금 소재의 특정 부위에서 발생하는 불안정한 공정에서 비롯됩니다. 따라서 알루미늄 합금 소재 제조업체는 원료의 불순물 및 수소 함량을 최소화하고 제품의 품질 안정성을 향상시키기 위해 기술 혁신을 강화하고 주조 공정을 개선해야 합니다.