레이저 빔 용접용접은 고속, 고정밀, 비접촉 특성으로 자동차, 항공우주, 전자 기기 등 다양한 분야에 널리 적용되고 있으며, 특히 이종 재료 접합에서 탁월한 장점을 보여줍니다. 그러나 용접 과정에서 발생하는 응고 균열(Solidification Cracking)은 용접의 산업적 적용을 제한하는 주요 결함 중 하나입니다. 이러한 균열은 일반적으로 용융부(Fusion Zone)의 응고 말기에 발생하며, 열응력, 응고 수축, 결정립계의 액막 등의 복합적인 영향으로 인해 발생하여 접합부의 기계적 특성과 피로 수명을 크게 저하시킵니다.
1. 형성 메커니즘
응고 균열의 핵심 메커니즘은 응고 말기에 결정립계에 남아 있는 잔류 액막에 있습니다. 응고 과정에서 용융 풀은 그림 1과 같이 자유 액상 영역, 제한 액상 영역, 고체 영역의 세 영역으로 나뉩니다. 제한 액상 영역에서는 액상 흐름이 차단되어 응고 수축으로 인한 변형을 보상할 수 없으므로 결정립계 분리가 발생합니다. 결정립계 에너지(γgb)와 고체-액체 계면 에너지(γsl)의 비율은 액막의 안정성을 결정합니다. γgb < 2γsl이면 액막이 불안정하여 결정립 합체가 발생하고, 반대로 액막이 안정하면 균열 발생 가능성이 높아집니다.
또한, 응고 균열의 발생은 재료의 야금학적 특성과도 관련이 있습니다. 재료마다 응고 온도 범위, 응고 수축률, 합금 원소 분포 등과 같은 응고 특성이 다르며, 이러한 특성은 균열 발생 민감도에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 저융점 공융상을 다량 함유한 재료에서는 이러한 공융상이 응고 과정에서 연속적인 액막을 형성하기 쉬워 응고 균열 발생이 더욱 심화되므로 응고 균열 발생 민감도가 높아집니다.
그 동안레이저 용접 공정레이저 출력, 용접 속도, 스폿 크기 등의 용접 매개변수 또한 응고 균열 발생에 영향을 미칩니다. 이러한 매개변수들은 용접 과정 중 열 입력과 온도 구배에 영향을 주어 응고 구조와 결정립 형태를 변화시킵니다. 예를 들어, 레이저 출력이 높고 용접 속도가 낮으면 열 입력이 증가하고 냉각 속도가 느려져 주상 결정의 성장이 촉진되고 균열 민감도가 증가합니다. 반대로, 레이저 출력이 낮고 용접 속도가 높으면 열 입력이 감소하고 냉각 속도가 빨라져 등축 결정 형성이 용이해지고 균열 민감도가 감소합니다.
2. 억제 조치
응고 균열을 효과적으로 억제하기 위해레이저 용접연구자들은 주로 결정립 구조 제어, 용접 매개변수 최적화, 재료 특성 개선에 초점을 맞춘 다양한 전략을 제안해 왔습니다. 결정립 구조를 미세화함으로써 결정립계의 수를 늘리고 응력 집중을 줄여 균열 발생을 감소시킬 수 있습니다. 연구에 따르면 레이저 빔 진동 기술을 사용하면 다른 재료를 첨가하지 않고도 주상정을 미세한 등축정으로 변환할 수 있습니다. 레이저 빔 진동은 레이저 에너지를 분산시켜 용융 풀에 난류를 발생시키고, 이를 통해 주상정의 성장 방향을 차단하고 등축정 형성을 촉진합니다(그림 3 참조). 또한, 레이저 빔 진동은 용융 풀의 폭을 넓히고 온도 구배를 줄이며 용융 풀의 응고 시간을 연장시켜 용질 확산과 액막 보충에 유리하게 작용함으로써 응고 균열 발생 민감도를 크게 감소시킵니다.
다양한 풀 형상에 따른 결정립 경계 액막의 분포.
용접 용융 풀의 개략도, a, b) 진동 없음, c, d) 횡방향 진동, e, f) 종방향 진동, g, h) 원주 방향 진동.
그 외에도레이저 빔이중 레이저 소스를 사용하는 진동 기술 또한 응고 균열을 억제하는 효과적인 방법 중 하나입니다. 이중 레이저 소스는 열 사이클을 최적화하여 주상 결정에서 등축 결정으로의 변환을 유도함으로써 결정립 크기와 응력 집중을 줄일 수 있습니다. 예를 들어, CO₂ 레이저를 주 열원으로, Nd:YAG 펄스 레이저를 보조 열원으로 사용할 경우, 용접 과정에서 최적화된 열 사이클이 형성되어 등축 결정 형성을 촉진하고 응고 균열에 대한 민감도를 감소시킬 수 있습니다(그림 4 참조).
용접 매개변수를 최적화하는 것 또한 응고 균열을 억제하는 중요한 방법입니다. 레이저 출력, 용접 속도, 스폿 크기 등의 매개변수를 조정함으로써 용접 과정 중 열 입력과 온도 구배를 제어하여 응고 구조와 결정립 형태에 영향을 줄 수 있습니다. 연구 결과에 따르면 예열 처리는 냉각 속도를 늦추고 등축정 형성을 촉진하여 응고 균열에 대한 민감도를 감소시킬 수 있습니다(그림 5 참조). 또한, 펄스 레이저 용접을 사용하거나 용접 속도를 높이는 등의 방법도 열 입력과 냉각 속도를 조절하여 주상정에서 등축정으로의 변환을 유도함으로써 균열에 대한 민감도를 감소시킬 수 있습니다.
그림 5. a) 가열하지 않은, b) 300°C로 예열한 등축 결정립.
레이저를 이용한 이종 재료 용접 시, 재료 간의 물리적 및 화학적 특성 차이가 크기 때문에 취성 금속간 화합물이 형성되기 쉬우며, 이는 응고 균열의 주요 원인 중 하나입니다. 따라서 금속간 화합물의 형성 또는 생성량을 줄이기 위해 레이저 매개변수 및 설정을 조정하는 것은 응고 균열을 억제하는 중요한 전략입니다. 예를 들어, 구리-알루미늄 이종 재료의 레이저 용접에서 레이저 빔 오프셋과 용접 속도를 제어함으로써 용융 풀 내 구리와 알루미늄의 혼합 비율을 줄일 수 있으며, 이를 통해 취성 금속간 화합물의 형성을 감소시키고 균열 발생 민감도를 낮출 수 있습니다. 또한, 용가재를 사용하면 용접부의 성능을 향상시키고 균열 발생을 줄일 수 있습니다. 용가재는 용접부의 조성 및 미세 구조를 변화시켜 금속간 화합물의 형성을 억제하고 용접부의 인성을 향상시킬 수 있습니다.
응고 균열은 레이저 용접 공정에서 흔히 발생하는 결함 중 하나입니다. 균열 발생 메커니즘은 복잡하며 열, 역학, 야금학적 특성 등 여러 요인이 복합적으로 작용합니다. 응고 균열 발생 메커니즘을 심층적으로 연구함으로써 균열 억제를 위한 이론적 기반을 마련할 수 있습니다. 최근 연구자들은 응고 균열 억제를 위해 다양한 전략을 제시해 왔으며, 주로 결정 구조 제어, 용접 매개변수 최적화, 재료 특성 개선에 초점을 맞추고 있습니다. 이러한 전략들은 응고 균열 발생 민감도를 일정 수준까지 효과적으로 감소시키고 레이저 용접의 품질과 신뢰성을 향상시킬 수 있음이 실제 연구를 통해 입증되었습니다. 그러나 레이저 용접 공정의 복잡성과 다양성으로 인해 현재 연구에는 여전히 몇 가지 미흡한 점이 있습니다. 예를 들어, 다양한 재료 및 용접 조건에서의 응고 균열 억제 메커니즘에 대해서는 더욱 심층적인 연구가 필요합니다.
게시 시간: 2025년 3월 20일
