두꺼운 알루미늄 용접의 변형 제어 방법

항공우주, 조선, 철도 운송, 특수 차량 및 대형 장비 분야에서는 고강도, 긴 수명, 내식성을 갖춘 경량 구조물에 대한 수요가 점점 더 증가하고 있다. 알루미늄 합금은 높은 강도, 낮은 무게, 우수한 연성 및 뛰어난 내식성을 겸비하고 있어 중요한 구조용 재료로 꼽힌다.

미국에서 고강도 알루미늄에 대한 연구는 1940년대에 시작되었다. 1956년에는 변형 경화 처리된 5083 Al-Mg-Mn 판재가 시험 생산되었다. 일부 고강도 용도에서 종합적인 성능이 제한적이었기 때문에, 1960년대 초에는 열처리 가능한 7039 Al-Zn-Mg 합금이 뒤를 이었다. 그러나 이 합금은 응력 부식 균열에 매우 취약하여 장기간의 해수 또는 염분 분무 노출에는 적합하지 않았다. 1980년대에 들어 미국, 구 소련 및 기타 국가들은 차세대 고강도 합금을 개발했다. 미국에서 개발된 2519-T87 Al-Cu 합금은 높은 강도, 균형 잡힌 기계적 특성, 내응력부식성 및 용접성을 제공한다.

차세대 고강도 합금, 특히 Al-Cu 2xxx 계열 합금은 가혹한 환경에 노출된 대형 구조물에 더 높은 구조적 강도와 향상된 응력 부식 저항성을 제공합니다. 그러나 용접은 여전히 이음매 연화 현상을 유발하며 이음매 강도 계수가 낮은 문제를 안고 있습니다. 또한 대형 정밀 구조물의 경우, 용접 변형을 기존 용접 방식에서 발생하는 변형의 3분의 1 이하로 억제해야 한다.

제품 및 공정상의 과제

주요 어려움으로는 심한 이음매 연화 현상과 낮은 강도 계수, 융점이 2,060°C인 Al₂O₃ 내화성 표면막, 두껍고 고강도인 재료에 필요한 높은 에너지 투입량, 열균열 및 기공 발생 가능성, 그리고 높은 열전도율과 큰 선팽창 계수로 인한 변형 등이 있습니다. 두께가 20 mm를 초과하면 변형 제어가 특히 어려워지므로, 현장 생산에 적합하고 기술적으로 타당한 대책이 마련되어야 한다.

변형 제어 대책

1. 용접 공정을 선택하십시오.

두꺼운 알루미늄 판은 열전도율이 높아 고출력 밀도 공정에 적합합니다. 단일 와이어 및 이중 와이어 MIG 용접, 전자빔 용접, 마찰 교반 용접, 레이저-MIG 하이브리드 용접에 대한 시험 결과, 이중 와이어 용접이 양산 공법으로 선정되었습니다.

단선 MIG 용접에서는 저주파 복합 펄스를 사용했다. 용융 풀의 진동은 교반을 강화하여 응고 과정에서 이종 핵생성을 촉진했고, 전자기 교반을 통해 용접 조직을 미세화하며 강도와 연성을 향상시켰다. 이 접합부는 인장 강도 목표치를 충족하거나 초과했다. 시험을 통해 이송 속도, 전류, 저주파 변조 펄스의 유리한 조합이 확인되었다.

고속 트윈 와이어 용접을 통해 고강도 접합부가 형성되었다. 고전류 2패스 및 저전류 4패스 트윈 와이어 MIG 용접을 비교한 결과, 두 방식의 장점을 결합한 고전류 다중 패스 용접 매개변수가 도출되었다. 접합부의 인장 강도는 296 MPa(모재 기준 62%)였으며, 충격 인성은 13 J/cm²(모재 기준 42%)였다.

Y형 홈을 이용한 기존 용접, X형 홈을 이용한 용접, 그리고 X형 홈을 이용한 진동 용접, 이 세 가지 방식을 비교하였다. X형 홈을 사용하면 변형이 기존 방식에 비해 5분의 1로 줄어들었으며, 진동 용접을 적용하면 변형이 더욱 감소하였다.

2. 용접 순서 계산 및 최적화

이음부가 많은 대형 구조물의 경우, 각 용접부에 번호를 매기고 구조적 특징을 바탕으로 초기 순서를 정의해야 합니다. 예를 들어, 16개의 주요 용접부가 있는 구조물의 경우, 초기에는 1, 3, 4, 2, 5, 6, 7, …, 16 순서를 사용했습니다. 유한 요소 해석을 통해 후보 순서들을 비교하여, 변형이 적고 응력 분포가 더 유리한 순서를 파악할 수 있습니다.

먼저 개별 다중 패스 이음부 내의 패스 순서를 분석해야 합니다. 이는 잔류 응력의 크기와 분포 모두에 영향을 미치기 때문입니다. 현장 용접 전에 저응력 패스 순서를 확립하면 최종 잔류 응력을 제한하는 데 도움이 됩니다.

그런 다음 이음매의 전체적인 순서를 최적화합니다. 개방 순서를 1, 3, 4, 2에서 1, 3, 2, 4로 변경하자 응력 분포가 상당히 달라졌습니다. 두 번째 순서는 300 MPa 이상의 영역을 줄여주어, 응력 부식 균열에 대한 저항성을 향상시킬 수 있습니다.

3. 진동 응력 완화 처리를 통해 응력과 치수를 안정화한다

동적 응력은 진동 응력 완화에서 핵심적인 매개변수입니다. 여기기는 주기적으로 교대하는 하중에 상응하는 동적 응력을 가합니다. 이 응력이 기존의 잔류 응력과 결합하여 국부적 또는 전체적인 소성 변형을 유발하면, 잔류 응력은 완화되고 더 균일해지며 감소하는 한편, 금속 매트릭스는 변형에 대한 저항력이 높아집니다.

일반적인 기준은 σ입니다._동적 + σ_잔여 ≥ σ_s, 여기서 σ_s 소성 변형이 전파되어 거시적 변형을 일으키기 위해 필요한 항복 응력은 다음과 같습니다. σ_동적/σ_잔여 = 0.1–0.3이어야 하며, 동적 응력 진폭은 부재의 사용 응력의 1/3에서 2/3 수준에 도달해야 한다. 적절한 범위 내에서 동적 응력이 클수록 더 많은 변형을 유발하고 응력을 더 효과적으로 해소한다. 과도한 동적 응력은 공작물을 손상시키거나 피로 수명을 단축시킬 수 있다.

시험에는 Hailun Vibratory Stress Relief Equipment Co., Ltd.에서 제조한 WZ-86A 진동 응력 제거 장치가 사용되었습니다. 이 공정을 통해 용접 잔류 응력을 0.3σ 이내로 유지했습니다._s.

이번 시험을 통해 제품별 진동 응력 완화 매개변수가 확립되고 적용되었습니다.

제어 결과

양산 공정에 적합한 용접 공정, 홈 형태·용접 매개변수 및 순서에 대한 비교 시험, 그리고 진동 응력 완화 처리를 통해 기계적 성능이나 내식성을 저하시키지 않으면서 잔류 응력과 변형을 줄일 수 있었다. 최적화된 공정을 통해 변형을 기존 용접 결과의 3분의 1 수준으로 억제함으로써, 대형 고강도 구조물에 대한 설계 및 제조 요건을 충족시켰다.

이 공법은 항공우주, 선박, 철도 운송 및 대형 기계류 외에도, 선별된 특수 차량, 경량 보호 구조물 및 기타 고강도 알루미늄 부품의 제작에 활용될 수 있습니다.