아크 브레이징 기술과 전망

현재 자동차 차체에는 일반강에서 1000MPa급 첨단 고장력강까지 다양한 강종들이 적용되고 있고, DP강은 자동차 차체의 트렁크리드 사이드필러 등 미려한 외관이 필요한 접합부에 적용된다. 고장력 강판에 MIG와 TIG용접을 적용할 경우, 과도한 입열로 인하여 모재가 변형되고, 용접 열 영향부가 넓게 형성되어 내식성과 기계적 성질을 해치기 때문에 이를 해결하기 위하여 조욱제 등은 1000MPa급 DP강에 대하여 Cu-5.3wt%Sn 삽입금속을 사용하여 아크 브레이징 기술을 확립하였다.

아크용접에서 용가재는 주로 동합금와이어가 사용되고 있는데, Si와 Mn을 함유한 Cu-Si합금과 Al을 함유한 Cu-Al합금이 일반적으로 사용되고 있다. Taiyo Nippon Sanso Corp. 에서는 Cu를 주성분으로 하고 Al을 함유한 솔리드와이어를 사용하고, 펄스용접이행과 단락용적이행을 주기적으로 행하고 실드가스로서 산소가스가 0.03-0.3 vol.%, 나머지는 아르곤(Ar) 혼합가스를 사용하여 가스실드 아크브레이징을 하였다. 이 방법은 아크의 불안정현상을 개선하고 스퍼터의 발생을 저감 할 수 있고, 비드의 젖음성을 개선하기 때문에 평탄한 비드를 얻을 수 있는 장점이 있다.

도금강판은 MIG/metal active gas용접으로 알려진 GMAW 동안에 여러 가지 어려움에 직면하고 있다. 초과된 아연 증발은 스패터의 발생, 기공의 형성, 불균일한 비드형상 등으로 인하여 용접품질을 악화시키고, 용접 후 세정(cleaning) 비용을 증가시키고 재작업을 유도하여 생산성이 낮아지고 내부식성을 크게 손상시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 가스메탈아크 브레이징(혹은 MIG브레이징)이 활발히 연구 개발되고 있다.

GMAW 브레이징공정은 GMAW의 높은 용착(deposition) 속도와 브레이징 시의 저온접합에 대한 장점을 공유하고 있다. 또한 낮은 용융점을 지닌 용접재료를 사용하기 때문에 높은 용접속도와 낮은 열입열량은 안정된 작업을 확보하고, 양호한 기계적 성질, 내부식성 및 피로특성을 나타내어 자동차의 성능과 수명을 향상시킨다.

Shome 등은 아연도금된 저탄소강과 고강도 DP590강에 대하여 Cu-Al계(CuAl8) 용가와이어를 이용하여 MIG브레이징 하였다. 용가 와이어로 인하여 Cu기지에 분산된 Fe-rich 상은 강도와 경도를 확보하였다.

 

기존의 레이저+MIG하이브리드 용접에서는 높은 에너지밀도의 레이저빔이 주요 열원으로 작용하여 깊은 용입이 형성된다. 그러나 Qin 등은 대형 스폿 레이저+MIG 아크 브레이징-용융 용접공정을 제시하였다. 레이저는 선도하는 보조열원으로 아크를 안정화시키고 강을 예열할 목적으로 초점이탈(defocusing) 상태로 사용하였고, MIG 아크는 주요 열원으로 사용하였다. 이 방법은 통상의 MIG 용접에 비해서 공정 안정성, 용접외관 품질 및 용접효율을 개선시킬 수 있었으며, 종래의 레이저+MIG하이브리드용접에 비해서도 더 낮은 에너지비용을 가져왔다. 또한 수치 시뮬레이션방법을 적용하여 용접에너지조건을 예측할 수 있었고 용접품질을 제어할 수 있었다.

Meng 등은 아연도강판에 Al합금의 접합에 대하여 대형 스폿 레이저+ MIG 아크 브레이징-용융용접 열공정을 개발하였다. 이때 강은 용융되지 않은 상태에서 Al합금이 완전히 용입되었으며, 브레이징된 계면에서 온도장은 불균일과 비대칭
분산이 이루어졌다. 또한 3D 유한요소 모델을 이용하여 에너지 조건(레이저출력, 용접전류, 용접속도 등)을 확립하였다.

알루미늄합금과 스테인리스강을 접합하기 위하여 Zhang 등)은 보조 TIG 토치를 주요 MIG 토치의 평행된 위치에 부착시켜, 강에 열을 가하게 하는 새로운 하이브리드 용접기술을 제시하였다. TIG 토치의 부착효과로 인하여 균열이 발생하기 쉬운 취약한 Fe-Al 금속간 화합물 층은 균질화 되고, 용융금속 내의 비철원자의 용해도가 증가하였는데, 금속간화합물 내에 Cr과 Ni의 함량을 상승시켜 접합부 인장강도를 96.7MPa에서 146.7 MPa까지 증가시켰다.

 

[아크 브레이징기술 전망]

아크브레이징은 MIG 또는 TIG 용접과 브레이징 접합법을 하이브리드화 시킨 접합방법으로 브레이징 용접와이어와 모재사이에 아크를 발생시켜 이 아크열을 이용하여 접합하는 공정이다. 이 공정의 장점은 강판에 대한 열영향이 적고 자동화가 용이하며, 또한 역극성 전원을 사용함에 따라 모재의 청정작용으로 플럭스 사용이 불필요하고, 스패터 또는 흄의 발생이 아주 적다는 장점을 가지고 있다.

아크브레이징은 전기아크를 열원으로 하여, 접합하는 모재보다 융점이 낮은 금속 또는 합금을 용가재로 사용하여, 모재를 거의 용융시키지 않고 접합하는 방법이다. 아크브레이징은 GMA(Gas Metal Arc) 용접 등의 용융용접에 비해서 저입열이므로 변형의 발생이 적고, 갭이 큰 계면의 접합이 가능하기 때문에 자동차 차체부품 등의 박판을 접합하는데 적당하다.

 

아크브레이징은 통상 피가공물을 거의 용융하지 않기 때문에 저입열로 변형이 적은 접합을 실현할 수 있다.

계면의 강도는 판재와 용착금속과 접하는 면에서 확보되어야 하는데, 특히 아크브레이징에 많이 사용하고 있는 겹치는 계면의 경우에는 상판과 용착금속과의 접촉면을 충분히 확보할 필요가 있다. 종래에 사용되고 있는 아크브레이징방법에서는 비드의 젖음성이 나쁘기 때문에 비드 폭이 좁은 볼록한 비드가 형성되기 쉽고, 상판과 용착금속과의 접촉면을 충분히 확보하는 것이 곤란하다는 문제가 있기 때문에 이에 대한 개선이 필요하다.

레이저+MIG하이브리드 용접에서는 레이저빔이 주요 열원으로 작용하여 깊은 용입이 형성되지만, 레이저+MIG 아크 브레이징-용융 용접공정기술의 개발로 인하여 레이저는 보조열원으로 아크를 안정화시키고 강을 예열할 목적으로 사용하고, MIG 아크는 주요 열원으로 사용한다. 이 방법은 통상의 MIG 용접에 비해서 공정안정성, 용접외관 품질 및 용접효율을 개선시킬 수 있으며, 종래의 레이저+MIG하이브리드용접에 비해서도 더 낮은 에너지비용을 가져올 수 있는 장점이 있으므로 향후 발전가능성이 기대된다.

보조 TIG 토치를 주요 MIG 토치의 평행된 위치에 부착시켜, 강에 열을 가하게 하는 하이브리드 용접기술은 취약한 Fe-Al 금속간화합물 층을 균질화시키고 접합부 인장강도를 상승하는 효과가 크므로 향후 고강도 복합재료의 개발에 도움을 줄 수 있을 것이다.

 

출 처 : 최신의 고능률 브레이징 기술개발 동향(Recent Study of Technical Development for High Efficient Brazing) /

         유호천 / 한국과학기술정보연구원 / ReSEAT 프로그램 전문연구위원