강철과 알루미늄을 접합할 때, 접합 과정에서 Fe와 Al 원자 사이의 반응으로 취성이 강한 금속간 화합물(IMC)이 형성됩니다. 이러한 IMC의 존재는 접합부의 기계적 강도를 저하시키므로, IMC의 양을 제어하는 것이 중요합니다. IMC가 형성되는 이유는 Al에 대한 Fe의 용해도가 낮기 때문입니다. 만약 일정량을 초과하면 용접부의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. IMC는 경도, 제한된 연성 및 인성, 형태학적 특징과 같은 고유한 특성을 가지고 있습니다. 연구에 따르면, 다른 IMC에 비해 Fe2Al5 IMC 층이 가장 취성이 강한 것으로 널리 알려져 있습니다(11.8%).± Fe2Al5 IMC 상은 1.8 GPa의 철 함량을 가지며, 용접 불량으로 인한 기계적 특성 저하의 주요 원인입니다. 본 논문에서는 조절 가능한 링 모드 레이저를 사용하여 IF 강과 1050 알루미늄의 원격 레이저 용접 공정을 연구하고, 레이저 빔 형상이 금속간 화합물 형성 및 기계적 특성에 미치는 영향을 심층적으로 조사했습니다. 코어/링 출력비를 조절한 결과, 전도 모드에서 코어/링 출력비가 0.2일 때 용접 계면의 접합면적이 향상되고 Fe2Al5 IMC 상의 두께가 현저히 감소하여 접합부의 전단 강도가 향상되는 것을 확인했습니다.
본 논문은 IF강과 1050 알루미늄의 원격 레이저 용접 시, 조절 가능한 링 모드 레이저가 금속간 화합물 형성 및 기계적 특성에 미치는 영향을 소개합니다. 연구 결과, 전도 모드에서 코어/링 출력비가 0.2일 때 용접 계면의 접합 면적이 넓어져 최대 전단 강도 97.6 N/mm²(접합 효율 71%)를 얻을 수 있었습니다. 또한, 출력비가 1보다 큰 가우시안 빔과 비교했을 때, Fe₂Al₅ 금속간 화합물(IMC)의 두께는 62%, 전체 IMC 두께는 40% 감소했습니다. 천공 모드에서는 전도 모드에 비해 균열이 발생하고 전단 강도가 낮아지는 현상이 관찰되었습니다. 특히, 코어/링 출력비가 0.5일 때 용접 이음매에서 결정립 미세화가 현저하게 나타나는 것을 확인할 수 있었습니다.
r=0일 때는 루프 전력만 생성되고, r=1일 때는 코어 전력만 생성됩니다.
가우스 빔과 환형 빔 사이의 전력비 r의 개략도
(a) 용접 장치; (b) 용접 단면의 깊이 및 폭; (c) 시편 및 고정 장치 설정 표시 개략도
MC 테스트: 가우스 빔의 경우에만 용접 이음매가 초기에는 얕은 전도 모드(ID 1 및 2)를 보이다가 부분 관통 잠금 구멍 모드(ID 3-5)로 전환되면서 뚜렷한 균열이 나타납니다. 링 출력이 0에서 1000W로 증가했을 때, ID 7에서는 뚜렷한 균열이 없었고 철 농축 깊이도 비교적 작았습니다. 링 출력이 2000W 및 2500W로 증가했을 때(ID 9 및 10), 철 농축 영역의 깊이가 증가했습니다. 2500W 링 출력에서는 과도한 균열이 발생했습니다(ID 10).
MR 테스트: 코어 출력이 500~1000W 사이일 때(ID 11 및 12), 용접부는 전도 모드입니다. ID 12와 ID 7을 비교해 보면, 총 출력(6000W)은 동일하지만 ID 7에서는 록홀 모드가 구현됩니다. 이는 ID 12에서 지배적인 루프 특성(r=0.2)으로 인해 출력 밀도가 크게 감소하기 때문입니다. 총 출력이 7500W(ID 15)에 도달하면 완전 용입 모드가 달성되며, ID 7에서 사용된 6000W와 비교하여 완전 용입 모드의 출력이 크게 증가합니다.
IC 테스트: 전도 모드(ID 16 및 17)는 코어 출력 1500W, 링 출력 3000W 및 3500W에서 달성되었습니다. 코어 출력이 3000W이고 링 출력이 1500W에서 2500W 사이일 때(ID 19-20), 철 함량이 높은 부분과 알루미늄 함량이 높은 부분의 경계면에서 뚜렷한 균열이 발생하여 국부적으로 관통하는 작은 구멍 패턴이 형성되었습니다. 링 출력이 3000W 및 3500W일 때(ID 21 및 22), 완전 관통 키홀 모드가 달성되었습니다.
광학 현미경으로 관찰한 각 용접 부위의 대표적인 단면 이미지
그림 4. (a) 용접 시험에서 극한 인장 강도(UTS)와 출력비의 관계; (b) 모든 용접 시험의 총 출력
그림 5. (a) 종횡비와 인장강도(UTS)의 관계; (b) 연신율 및 용입 깊이와 인장강도(UTS)의 관계; (c) 모든 용접 시험에 대한 출력 밀도
그림 6. (ac) 비커스 미세경도 압흔 등고선 지도; (df) 대표적인 전도 모드 용접에 대한 해당 SEM-EDS 화학 스펙트럼; (g) 강철과 알루미늄 계면의 개략도; (h) 전도 모드 용접부의 Fe2Al5 및 전체 금속간화합물(IMC) 두께
그림 7. (ac) 비커스 미세경도 압흔 등고선 지도; (df) 대표적인 국부 관통 용접 모드에 대한 해당 SEM-EDS 화학 스펙트럼
그림 8. (ac) 비커스 미세경도 압흔 등고선 지도; (df) 대표적인 완전 관통 용접 모드에 대한 해당 SEM-EDS 화학 스펙트럼
그림 9. EBSD 플롯은 완전 관통 모드 시험에서 철 함량이 높은 영역(상판)의 결정립 크기를 보여주고, 결정립 크기 분포를 정량화합니다.
그림 10. 철 함량이 높은 영역과 알루미늄 함량이 높은 영역의 계면의 SEM-EDS 스펙트럼
본 연구는 ARM 레이저가 IF강-1050 알루미늄 합금 이종 겹침 용접 접합부에서 금속간 화합물(IMC)의 형성, 미세구조 및 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 세 가지 용접 모드(전도 모드, 국부 침투 모드, 완전 침투 모드)와 세 가지 레이저 빔 형상(가우시안 빔, 환형 빔, 가우시안-환형 빔)을 고려하였다. 연구 결과, 가우시안 빔과 환형 빔의 적절한 출력비 선택이 금속간 화합물의 형성 및 미세구조를 제어하고 용접부의 기계적 특성을 극대화하는 데 핵심적인 요소임을 알 수 있었다. 전도 모드에서는 출력비가 0.2인 원형 빔이 최상의 용접 강도(접합 효율 71%)를 나타냈다. 관통 모드에서는 가우시안 빔이 더 깊은 용접 깊이와 높은 종횡비를 제공하지만 용접 강도는 크게 감소하였다. 출력비가 0.5인 환형 빔은 용접 이음매에서 강재 측 결정립의 미세화에 상당한 영향을 미쳤다. 이는 환형 빔의 최고 온도가 낮아 냉각 속도가 빨라지고, 용접 이음매 상부로의 Al 용질 이동이 결정립 구조에 미치는 성장 억제 효과 때문입니다. 비커스 미세경도와 Thermo Calc에서 예측한 상 부피 백분율 사이에는 강한 상관관계가 있습니다. Fe4Al13의 부피 백분율이 클수록 미세경도가 높아집니다.
게시 시간: 2024년 1월 25일
