레이저 텍스처링 살펴보기: 알루미늄/티타늄 브레이징에 미치는 영향

요약

알루미늄/티타늄 계면의 부서지기 쉬운 화합물 층으로 인한 접합 성능 저하 문제를 해결하기 위해 나노초 레이저를 사용하여 티타늄 합금의 표면을 격자 및 선형 처리하여 표면의 미세 형태를 변경하는 방식으로 처리했습니다. 그 후 6061 알루미늄 합금과 TC4 티타늄 합금의 레이저 브레이징을 수행했습니다.

연구 결과, 점 간격이 감소함에 따라 필러 금속의 확산 능력이 크게 향상되는 것으로 나타났습니다. 레이저 표면 텍스처링 처리는 용접 표면 형상을 효과적으로 향상시킬 수 있으며, 격자 처리가 선형 처리보다 더 효과적이었습니다.

텍스처링 처리는 주로 구덩이에서 화합물의 성장 방향과 형태에 영향을 미치는 취성 Ti-Al 화합물인 계면 화합물의 유형에 약간의 영향을 미칩니다. 도트 매트릭스 처리 후, 알루미늄/티타늄 레이저의 인장 하중은 용접 조인트 5%에서 21%로 증가했습니다.

텍스처링 처리로 인해 생긴 구덩이는 균열 전파를 효과적으로 차단한 반면, 선형 처리는 알루미늄/티타늄 접합부의 특성에 미미한 영향을 미쳤습니다.

이 연구는 용융 땜납의 습윤 효과를 개선하는 동시에 이종 금속의 습윤을 보장하고 접합부의 기계적 특성을 향상시킬 필요성을 강조합니다. 이는 다음 연구 단계의 핵심 초점이 될 것입니다.

서문

알루미늄/티타늄 복합 구조는 높은 비강도, 우수한 내식성, 경제성 및 에너지 절약 효과, 가공 용이성 등을 자랑합니다. 따라서 항공우주, 조선, 자동차 제조 등 다양한 산업 분야에서 활용 가능성이 높습니다.

예를 들어, 에어버스는 시트 가이드 레일에 티타늄 플레이트-알루미늄 리브 구조를 사용하고 알루미늄 합금 블레이드를 용접하여 다음을 수행합니다. 티타늄 합금 튜브를 사용하여 엔진룸 라디에이터를 제조합니다. 자동차 부문에서 독일은 기존 강철 배기 시스템보다 40% 가벼운 알루미늄/티타늄 복합 배기 시스템을 개발했습니다.

알루미늄/티타늄 이종 소재 구조는 에너지 절약, 배출 감소 및 성능 유지에 대한 현대 산업의 엄격한 요구 사항을 충족합니다. 따라서 이 둘의 연결 기술은 많은 관심을 받고 있습니다.

그러나 알루미늄 합금과 티타늄 합금의 물리적, 화학적 특성이 매우 달라 용접 시 취성 화합물의 두께를 제어하기 어렵기 때문에 두 재료의 안정적인 연결에 어려움이 있습니다. 이러한 한계는 알루미늄 합금과 티타늄 합금 복합 부품의 적용을 방해해 왔습니다.

의 급속한 발전 레이저 용접 기술은 현대 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 레이저 용융 브레이징은 열 입력을 정밀하게 제어하고 계면 화합물을 효과적으로 조절할 수 있어 알루미늄과 티타늄 판을 연결할 때 매력적인 옵션입니다.

알루미늄과 티타늄 사이의 이종 금속 접합부의 기계적 특성과 용접부의 습윤 및 확산 효과는 계면 화합물과 관련이 있기 때문에 연구자들은 이러한 특성을 개선하기 위해 광범위한 연구를 수행했습니다. 합금 원소 열 입력을 조절합니다.

한편으로 용접 금속의 습윤성은 접합 성능에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, Cui Qinglong은 TC4 티타늄 합금과 5A06 알루미늄 합금을 용접할 때 용접 파라미터를 조정함으로써 필러 금속의 최적 습윤성이 알루미늄/티타늄 이종 금속 접합부의 인장 강도를 크게 향상시킬 수 있음을 발견했습니다.

반면 계면 화합물의 종류, 형태, 분포는 관절의 기계적 특성에 결정적인 역할을 합니다. 그러나 기존의 방법으로 계면 구조를 제어하는 것은 매우 어려울 수 있습니다.

이 연구에서는 티타늄 판재 처리에 레이저 표면 텍스처링을 사용했습니다. 티타늄 표면의 필러 금속의 습윤성을 개선하고 계면 반응 층의 형태와 분포를 조절함으로써 알루미늄/티타늄 이종 금속의 접합 품질을 개선하여 우수한 기계적 특성을 가진 접합부를 만들었습니다.

이 연구는 레이저 텍스처링이 알루미늄/티타늄 레이저 융합 브레이징의 용접 모양, 기계적 특성 및 계면 미세 구조에 미치는 영향을 밝혀냈습니다.

1. 테스트 자료 및 방법

테스트 시편은 TC4 티타늄 합금과 6061 알루미늄 합금 판으로 구성되며, 둘 다 100mm x 50mm x 1.5mm 크기입니다.

그리고 6061 알루미늄 합금 은 압연 상태이며, 그 화학적 조성은 표 1에 나와 있고, TC4 티타늄 합금의 조성은 표 2에 나와 있습니다.

필러 와이어의 경우 직경 1.2mm의 ER4043(AlSi5) 알루미늄 실리콘 용접 와이어가 선택됩니다. 화학 성분은 표 3을 참조하세요.

표 1 6061(wt.%)의 화학 성분

표 2 TC4의 화학 성분(wt.%)

표 3 ER4043의 화학 성분(wt.%)

용접하기 전에 화학적 세척 방법을 사용하여 표면에서 산화막을 제거하십시오. 알루미늄 플레이트. 알칼리성 세척을 위해 40°C~60°C에서 약 7분간 6%~10% NaOH 수용액을 사용합니다.

그 후 테스트 피스를 30% HNO3에 약 3분간 담가 중화시킨 후 광화학 처리하여 표면에 회색 또는 검은색으로 매달려 있는 재를 제거합니다. 티타늄 판을 청소할 때는 HCl-HF(3:1) 용액을 사용합니다.

용접 테스트에는 IPG YLS-6000 파이버 레이저를 사용하며, 테스트 플랫폼은 그림 1a에 표시되어 있습니다. 선행 연구를 바탕으로 테스트 파라미터는 다음과 같이 설정됩니다: 레이저 파워 2000W, 디포커싱량 +20mm, 용접 속도 0.5m/min, 와이어 공급 속도 5m/min, 차폐 가스(99.9% Ar) 유량 10L/min입니다.

그림 1b는 알루미늄/티타늄 레이저를 보여줍니다. 브레이징 프로세스 연속 발광 방식을 사용합니다.

기본 금속은 상단에 티타늄 판과 하단에 알루미늄 판으로 덮여 있습니다. 랩핑 너비 5mm.

두 그룹의 티타늄 합금 기본 소재를 저출력 레이저를 사용하여 한 그룹은 도트 매트릭스 텍스처링, 다른 그룹은 선형 텍스처링으로 처리했습니다.

도트 매트릭스 텍스처링의 경우 도트 간격은 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm의 값으로 변경되었습니다. 반면 선형 텍스처링의 경우 선형 간격은 0.2mm, 0.4mm, 0.6mm의 값으로 변경했습니다. 선형 가공의 방향은 용접 방향과 평행했습니다.

그림 1 레이저 용접-납땜 장비 및 Al/Ti의 개략도

처리 후, 그림 2와 같이 티타늄 플레이트 표면에 규칙적인 홈과 구덩이가 형성됩니다. 그림 3은 초심도 현미경으로 관찰한 구덩이와 홈의 3차원 형태를 보여줍니다. 、

그림 3에서 볼 수 있듯이 단위 면적당 생성되는 구덩이와 홈의 수는 점과 선 사이의 간격에 따라 달라집니다. 그러나 피트와 그루브의 깊이와 직경(폭)은 일정하게 유지됩니다. 이는 간격이 작을수록 티타늄 플레이트의 표면적이 더 많이 증가한다는 것을 나타냅니다.

그림 2 티타늄 합금의 레이저 표면 텍스처링

그림 3 레이저 표면 텍스처 티타늄 합금의 3D 형태

용접 후 용접부에 수직으로 절단하고 접합부 기계적 특성 테스트를 위해 50mm x 10mm 크기의 인장 시료로 가공합니다.

정확한 테스트 결과를 얻으려면 테스트 중에 알루미늄 및 티타늄 플레이트의 양쪽 끝에 심을 추가하여 인장 과정 중 토크 또는 처짐을 방지해야 합니다.

금속 조직 샘플을 연마하고 광학 현미경(OM), 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산 분광기(EDS)를 사용하여 용접 미세 구조를 특성화해야 합니다.

2. 테스트 결과 및 분석

2.1 다양한 텍스처링 방법이 용접 형성에 미치는 영향

레이저 텍스처링에서 격자 간격이 작아지면 티타늄 합금 기판의 거칠기가 증가합니다. 이는 결과적으로 모세관 현상을 개선하여 용접 금속의 전방 확산을 촉진합니다.

그림 4는 다양한 격자 간격에서 알루미늄/티타늄 레이저 브레이징 용접의 거시적 형태를 보여줍니다. 실험 그룹마다 용접 형성에 상당한 차이가 있습니다.

텍스처링이 없으면 브레이징 필러 금속이 잘 퍼지지 않아 용접이 제대로 형성되지 않습니다. 용접 금속이 응고되는 동안 젖지 않아 습윤 각도가 커지고 퍼짐 효과가 떨어집니다.

그러나 텍스처링 처리 후 용접부의 형성이 크게 개선되어 습윤 및 확산 효과가 우수하여 지속적이고 안정적인 용접부 형성을 유도합니다.

그림 4e는 다양한 격자 간격에 따른 습윤각과 필러 금속 확산 폭의 통계적 결과를 보여줍니다. 도트 간격이 감소함에 따라 습윤 각도가 점차 감소하고 용접 금속의 확산 효과가 향상됩니다.

개선 효과는 도트 간격이 작을수록 더욱 두드러집니다. 이는 주로 격자의 모세관 효과로 인해 용융 땜납의 확산을 촉진하여 용접 형성이 개선되기 때문입니다.

그림 4 다양한 스폿 간격에서 생성된 Al/Ti 접합부의 용접 외관

그림 5는 알루미늄/티타늄 레이저 브레이징 용접의 거시적 형태를 다양한 선형 간격으로 표시합니다.

다양한 직선 간격에서 용접 습윤 각도 및 솔더 확산 폭에 대한 해당 값은 그림 5e에 나와 있습니다.

직선 간격이 감소함에 따라 습윤 각도는 상대적으로 변하지 않는 반면 용접 확산 능력은 약간 증가합니다. 그러나 솔더 확산 능력의 향상 효과는 격자 가공에 비해 약합니다.

이는 직선으로 처리된 홈에 의해 생성된 에너지 장벽이 격자 처리보다 크다는 것을 의미합니다. 그 결과 용융된 용접 금속의 움직임을 방해합니다. 또한 홈의 가장자리는 3상 라인에 고정 효과가 있어 용융 금속이 더 이상 퍼지는 것을 억제합니다.

그림 5 다양한 선형 간격에서 생산된 Al/Ti 접합부의 용접 외관

2.2 다양한 텍스처링 방식이 인장 특성에 미치는 영향

다양한 텍스처링 모드에서 조인트의 인장 특성을 테스트한 결과는 그림 6에 나와 있으며, 모두 인터페이스에서 파단되었습니다.

텍스처링 처리를 하지 않은 조인트의 인장 하중은 2345N이었습니다.

도트 매트릭스 처리는 조인트의 성능을 5%에서 21%로 향상시킨 반면, 알루미늄/티타늄 조인트의 성능은 선형 처리의 영향을 받지 않았습니다.

분석 결과 도트 매트릭스 처리로 인해 접촉각이 더 작아진 것으로 나타났습니다. 용접 조인트더 큰 용접 폭과 더 큰 기계적 바이트 효과로 도트 매트릭스 처리 샘플의 인장 강도가 크게 향상되었습니다.

그러나 선형 처리로 인해 용융된 필러 금속의 확산이 더 어려워져 확산 효과와 인장 특성에 미미한 차이가 발생했습니다.

그림 6 관절 인장 시험 결과

2.3 다양한 텍스처링 방식이 인터페이스 구조에 미치는 영향

도트 매트릭스 텍스처링 처리 후 용융 브레이징 조인트 인터페이스의 미세 구조 특성은 그림 7에 나와 있습니다.

도트 매트릭스 처리 후 관절의 미세 구조는 도트 처리가 최소화되고 대부분의 단면 형태가 도트 처리 구덩이를 나타내지 않기 때문에 처리되지 않은 관절과 유사합니다.

문헌 연구에 따르면 텍스처링 처리 후 계면에서 생성된 계면 화합물 층은 더 이상 피트와 홈에서 매끄러운 분포를 보이지 않습니다. 대신 인터페이스를 따라 지그재그 패턴으로 분포합니다.

이 패턴은 인터페이스의 효과적인 연결 영역을 향상시키는 동시에 기계적 모자이크 현상을 개선하여 조인트의 기계적 특성을 향상시킵니다.

그러나 국부 레이저 가열로 인한 큰 온도 구배로 인해 용접 토우 b와 중간 조사 영역 c의 미세 구조가 다릅니다.

그림 7d는 용접 발가락 영역의 반응 층의 두께가 얇고 라인 스캔 결과 Ti Al Si 상으로 추측되는 Si 원소가 농축된 것을 보여줍니다.

한편, 중간 조사 영역의 반응 층 두께는 약 30μm이며, 스캔 결과 55.69% Al, 44.22% Ti, 0.08% Mg의 취성 TiAl 상으로 나타났습니다.

그림 7 도트 매트릭스 텍스처링이 적용된 Al/Ti 접합의 인터페이스 미세 구조

선형 처리가 된 융합 브레이징 조인트의 계면 구조의 특성은 그림 8에 나와 있습니다.

레이저가 접합부에 작용하면 필러 금속이 모세관 작용과 자체 유동성에 의해 녹아 티타늄 플레이트의 홈을 채웁니다.

화합물은 영역 b와 레이저 조사 영역 e의 용접 발가락 근처의 직선 처리된 구덩이에서 형성되는 것으로 나타났습니다. 이들의 성장 방향은 매트릭스의 방향과 일치하지 않아(그림 8c 참조) 균열 성장을 억제하는 역할을 할 수 있습니다.

레이저가 직접 조사된 부위의 조직은 더 두껍습니다.

에너지 스펙트럼 결과에 따르면 지점 b에는 60.93% Al, 38.73% Ti, 0.33% Mg가 포함되어 있고, 지점 e에는 4.16% Al, 25.19% Ti, 0.65% Mg가 포함되어 있는 것을 알 수 있습니다.

취성 금속 간 화합물은 TiAl3 상이며, 연속적인 계면 취성 화합물이 계면 고장의 원인이 될 수 있다고 추론됩니다.

그림 8 선형 텍스처링 처리된 Al/Ti 접합부의 인터페이스 미세 구조

위의 미세 구조 관찰 결과를 분석해 보면 도트 매트릭스와 선형 텍스처링이 인터페이스 형태에 미치는 영향이 미미하다는 것을 알 수 있습니다. 또한 인터페이스는 지속적인 반응 생성물을 생성합니다.

인터페이스 컴파운드의 높은 취성으로 인해 처리되지 않은 인터페이스는 균열의 원인이 될 수 있습니다. 이러한 균열은 평평한 취성 화합물 층으로 계속 확장되어 궁극적으로 관절 골절로 이어질 수 있습니다.

텍스처링 후 인터페이스 컴파운드 층에도 균열이 발생하지만 모재와 인터페이스 컴파운드가 톱니 모양이 됩니다. 결과적으로 미세 균열이 톱니 모양의 가장자리로 확장되면 차단되어 균열의 추가 확장을 억제하고 조인트의 취성 파단을 방지합니다.

요약하자면, 레이저 텍스처링의 톱니형 인터페이스 형성은 취성 화합물 층에서 대규모 균열 전파 가능성을 줄여 조인트의 기계적 특성을 개선합니다.

도트 매트릭스 처리된 알루미늄/티타늄 파단 표면의 SEM 형태는 그림 9에 나와 있습니다.

그림 9a와 같이 파단 부위의 용접 금속 일부, 특히 텍스처링 처리 후 움푹 들어간 부분이 늘어나는 동안 티타늄 기판에 부착되어 표면에 규칙적인 "돌기"가 생기는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 격자 처리가 관절 접착력을 효과적으로 개선했음을 나타냅니다.

에너지 스펙트럼 분석 결과, 크레이터 접착은 땜납 용융 후 형성된 용접 금속(#1: Al 함량 98.39%, Ti 함량 0.46%, Mg 함량 1.15%)임을 확인했습니다. 또한 그림 9d에 표시된 것처럼 티타늄 기판 피트는 Ti-Al 화합물(#2: 38.56% Al, 60.32% Ti, 1.12% Mg)로 둘러싸여 있습니다.

이러한 결과는 균열이 발생할 때 계면의 균열이 피트 계면을 통과하지 않고 피트에서 용접 금속을 절단한다는 것을 나타냅니다. 이는 피트가 균열 성장을 효과적으로 차단하고 접합 성능을 향상시킨다는 것을 시사합니다.

이러한 결과는 추가 연구를 위한 귀중한 인사이트를 제공합니다.

그림.9 도트 텍스처링이 적용된 조인트의 파단 표면 형태

그림 10은 선형 처리 후 알루미늄/티타늄의 파단 표면의 SEM 형태를 보여줍니다.

그림 10b 및 10d에서 볼 수 있듯이, 선형 텍스처링 처리 후 조인트 파단 표면의 티타늄 기판에 일부 용접 금속이 남아 있습니다.

에너지 스펙트럼 분석 결과, 구덩이의 금속은 필러 금속(#1)으로 밝혀졌습니다: Al 함량 69.19%, Ti 함량 1.68%, Mg 함량 0.94%, Si 함량 21.52%), Ti-Al 반응 생성물(#2: Al 함량 33.28%, Ti 함량 55.18%, Mg 함량 1.81%)로 둘러싸여 있는 것으로 나타났습니다.

따라서 선형 처리를 통해 생성된 홈은 인터페이스에서 균열이 전파되는 것을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.

그러나 녹은 땜납의 습윤 및 확산이 제한되어 조인트의 기계적 특성이 크게 개선되지 않았습니다.

그림.10 라인 텍스처링이 있는 조인트의 파단 표면 형태

요약하면, 텍스처링 방법에 따라 용접 금속의 습윤성, 기계적 특성 및 조인트의 미세 구조에 다양한 영향을 미칠 수 있습니다.

도트 매트릭스 텍스처링 처리를 거친 후, 필러 금속은 용접 중에 피트와 홈으로 흘러 들어갈 수 있습니다. 이는 모세관 효과로 인해 필러 금속이 티타늄 표면에 더 쉽게 퍼져 기계적 특성이 향상되기 때문입니다.

반면 선형 텍스처링 처리는 땜납 확산에 큰 영향을 미치지 않습니다. 용접부와 평행한 홈이 에너지 장벽을 생성하여 용융된 땜납이 더 이상 퍼지는 것을 방지합니다.

그러나 두 텍스처링 방법 모두 인터페이스 연결 면적을 증가시킬 수 있으며, 인터페이스 컴파운드가 톱니 모양이 되어 균열의 대규모 전파를 억제할 수 있습니다.

선형 텍스처링 처리는 필러 금속 확산 면적 및 기계적 특성 개선에 큰 영향을 미치지 않는다는 점에 유의해야 합니다.

3. 결론

(1) 레이저 표면 텍스처링은 용접 표면의 형성을 크게 개선할 수 있습니다.

도트 매트릭스 처리 후 습윤 각도는 98°에서 최소 62°로 감소했습니다. 모세관 현상으로 인해 솔더의 습윤성이 개선되어 용접 금속의 습윤각이 감소하고 솔더의 퍼짐 폭이 증가했습니다.

도트 매트릭스 처리는 솔더 습윤성을 향상시키는 데 선형 텍스처링 처리보다 더 효과적이며 도트 간격이 작을수록 개선 효과가 더 커집니다.

(2) 매트릭스 텍스처링 처리는 조인트의 인장 특성을 크게 향상시켜 처리되지 않은 조인트에 비해 인장 하중을 21%까지 증가시킬 수 있습니다.

매트릭스 텍스처링 처리는 솔더의 습윤성을 개선하고 효과적인 접합 면적을 증가시키며 격자 블록에 형성된 피트는 균열 전파를 차단합니다.

선형 텍스처링 처리도 균열을 방지할 수 있지만, 습윤성과 조인트의 확산을 크게 개선하지는 못하므로 조인트 성능이 크게 향상되지는 않습니다.

(3) 텍스처링 처리는 금속 간 계면의 유형에 거의 영향을 미치지 않으며, 모두 취성 Ti-Al 화합물입니다. 인터페이스의 연속적인 취성 금속 간 화합물은 균열의 원인을 형성합니다.

그러나 텍스처링 처리는 인터페이스의 유효 연결 면적을 증가시키고 인터페이스 화합물의 형태를 변화시킵니다. 텍스처링 처리에 의해 형성된 컴파운드의 성장 방향은 기판 처리가 없는 연속 컴파운드의 성장 방향과 다릅니다. 화합물 층이 직선 분포에서 지그재그 분포로 변경되어 균열의 확장을 억제하여 계면 화합물의 대규모 균열 성장 가능성을 줄입니다.

(4) 다음 연구는 텍스처링을 전제로 용융 땜납의 습윤 효과를 더욱 개선하여 접합부의 기계적 특성을 향상시키고 이종 금속의 습윤을 보장하는 방법에 중점을 둡니다.