알루미늄 합금은 왜 용접하기 어려운가?

용접성은 재료의 균열 저항성, 용접 구조물의 안전성, 그리고 제품의 의도된 용도에서의 경제성을 종합적으로 평가한 지표입니다. 재료의 화학적, 야금학적, 물리적 특성이 용접 공정에 적합하고, 용접 이음부가 요구되는 강도 기준을 충족할 때 해당 재료는 용접 가능하다고 간주됩니다.

알루미늄과 그 합금은 독특한 물리화학적 특성을 지니고 있기 때문에, 이를 용접할 때는 다음과 같은 어려움이 따릅니다.

1. 급속 산화

알루미늄은 공기 중이나 용접 과정에서 쉽게 산화됩니다. 이로 인해 생성된 알루미늄 산화물(Al₂O₃)은 안정적이며 제거하기 어렵습니다. 이 물질의 녹는점은 약 2,500°C로, 알루미늄 합금의 녹는점인 약 660°C보다 훨씬 높습니다. 용접 시, 이 산화막은 모재의 용융 및 용합을 방해합니다. 알루미늄보다 밀도가 약 1.4배 높기 때문에 용접 풀에서 쉽게 떠올라 나가지 못하며, 이로 인해 불완전한 용합이나 슬래그 함유가 발생할 수 있습니다. 또한 수분을 흡수하여 용접부의 기공을 유발할 수도 있습니다.

따라서 용접 전에 엄격한 화학적 또는 기계적 표면 세정을 통해 산화막을 제거해야 하며, 용접 중 새로운 산화가 발생하지 않도록 해야 합니다.

2. 다공성에 대한 민감도

기공을 형성할 가능성이 있는 가스로는 수소, 일산화탄소, 질소가 있다. 질소는 액체 알루미늄에 불용성이며, 알루미늄 합금에는 일산화탄소 기공을 생성할 수 있는 탄소가 포함되어 있지 않다. 따라서 수소가 기공 형성을 유발할 수 있는 주요 가스이다. 수소의 용해도는 액체 알루미늄에서 7 mL/kg이지만, 660°C의 응고 온도에서는 0.4 mL/kg에 불과합니다. 용접부가 응고됨에 따라 원래 액체 금속 속에 용해되어 있던 수소의 상당 부분이 침전되어 기포를 형성합니다. 순수 알루미늄과 내식성 알루미늄 합금은 특히 이러한 현상에 취약합니다.

모재와 용가재로의 수소 침투를 제한해야 하며, 고순도 차폐 가스를 사용해야 합니다. 용접 전에 공작물, 와이어 및 전극에서 산화물, 수분 및 기름을 철저히 제거해야 합니다. 용접 중단은 최소화해야 합니다. 강력한 용접 매개변수를 사용하는 것이 권장됩니다. TIG 용접은 비교적 높은 이송 속도와 함께 높은 전류를 사용하는 반면, MIG 용접은 용융 풀을 더 오랫동안 액상 상태로 유지하고 과포화 고체 용액에서 수소가 빠져나갈 수 있도록 낮은 이송 속도와 함께 높은 전류를 사용합니다.

3. 번스루 위험

알루미늄은 고체 상태에서 액체 상태로 변할 때 뚜렷한 색상 변화가 나타나지 않아 용탕 온도를 파악하기 어렵습니다. 또한 이 소재의 기계적 강도는 온도가 상승함에 따라 감소하며, 370°C에서는 10 MPa에 불과합니다. 따라서 이 소재는 용융 금속을 지탱하지 못해 용접 비드 형상이 불량해지거나, 붕괴되거나, 관통 파손이 발생할 수 있습니다.

일반적으로 백킹 바를 사용합니다. 또한 가열을 신중하게 조절해야 하며, 가능한 한 수평 위치 용접을 사용해야 하고, 아크는 시작 및 종료 탭에서 점화하고 소멸시켜야 합니다.

4. 고온 균열 성향

알루미늄의 선팽창 계수는 강철의 약 2배에 달하며, 응고 수축률도 약 2배 정도 높아 상당한 용접 응력을 발생시킵니다. 합금 조성 또한 큰 영향을 미치는데, 규정 한도를 초과하는 불순물이 존재할 경우 용융 풀 내에 저융점 유텍틱 성분이 더 많이 생성됩니다. 이러한 요인들이 복합적으로 작용하여 고온 균열을 유발합니다.

균열은 일반적으로 아크 시작부, 아크 종료부, 갑작스러운 아크 중단 부위, 타크 용접부 및 보수 용접부에서 발생합니다. 따라서 이를 예방하기 위해서는 용접 응력을 줄이고, 용접 금속의 조성을 조정하며, 용융 풀의 응고 조건을 개선하고, 적절한 공정을 적용하며, 용접 매개변수를 적절히 제어해야 합니다.

5. 접합부의 강도가 모재의 강도보다 낮음

용접 시 발생하는 열로 인해 열영향부가 연화되어 강도가 감소하고 기계적 특성이 저하됩니다. 그 결과, 이음부의 강도가 모재의 강도에 미치지 못할 수 있습니다. 동일한 강도를 가진 맞대기 이음부를 얻으려면 용접부의 금속 두께를 늘려야 합니다.

6. 용접 후 내식성 저하

듀랄루민과 같은 열처리 가능 알루미늄 합금의 이음부에서는 내식성이 상당히 저하될 수 있습니다. 미세구조의 불균일성이 클수록 내식성 저하 정도도 커집니다. 용접 금속의 순도와 밀도도 중요한데, 불순물이 많거나 결정립이 굵거나 FeAl₃와 같은 취성 상이 침전되면 내식성이 현저히 저하되어 국부적인 표면 부식 및 입계 부식을 모두 유발할 수 있습니다. 용접 응력 또한 중요한 요인 중 하나입니다.

다음과 같은 방법으로 내식성을 향상시킬 수 있습니다:

1. 적절한 용가재를 사용하여 용접부에 합금을 첨가함으로써 조성 및 미세구조의 불균일성을 줄이고, 결정립을 미세화하며, 결함을 방지하고, 공정을 조정하여 열영향부 및 과열을 최소화하며, 용접 후 열처리를 실시한다.
2. 용접 응력 해소; 예를 들어, 국부적인 표면 인장 응력은 해당 부위를 망치로 두드리는 방식으로 줄일 수 있다.
3. 양극 산화 처리나 도장 등의 보호 처리를 적용합니다.