레이저를 이용한 알루미늄 강철 용접: 4가지 전문 용접 방법

요약:

알루미늄과 강철을 연결하면 자동차 부품의 경량화를 달성할 수 있습니다. 그러나 이러한 이종 금속을 용접할 때 발생하는 금속 간 화합물 균열은 접합 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

이 게시물에서는 알루미늄과 강철의 레이저 용접에 대한 주요 용접 방법을 소개하고 최근의 연구 현황을 설명합니다.

아연도금강판은 다양한 두께의 아연 층으로 코팅된 강철 기판입니다. 아연 도금 공정은 전기 도금과 열간 도금으로 분류됩니다.

아연 층은 물리적 차폐를 제공할 뿐만 아니라 강철 기판에 전기 화학적 보호 기능도 제공합니다.

아연도금강판은 내식성이 뛰어나 운송, 전력, 건설, 난방 설비, 기기, 가구 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

특히 자동차 산업에서 일반 아연 도금강, 고강도 아연 도금강, 초고강도 아연 도금강을 적용하면 차체 및 기타 부품의 내식성이 향상되고 수명이 연장됩니다.

그러나 아연층이 존재하면 아연도금 강판의 용융 용접이 어려워집니다. 아연의 녹는점은 420℃, 끓는점은 908℃인 반면 모강의 녹는점은 1300℃, 끓는점은 2861℃이기 때문입니다.

녹는 동안 용접 프로세스아연은 증발과 산화가 광범위하게 일어나 모공, 불완전한 융합, 균열과 같은 결함을 유발하는 경향이 있습니다.

알루미늄과 그 합금은 가벼운 특성(밀도 2.7g/cm3), 높은 비강도, 우수한 전기 및 열 전도성, 내식성, 저온에서도 우수한 기계적 특성을 유지하는 능력으로 잘 알려져 있습니다.

오늘날의 세계에서 에너지, 안전, 환경 보호는 중요한 이슈가 되었습니다. 환경 오염과 에너지 위기에 대한 우려가 커지면서 차량 경량화는 전 세계적인 관심사가 되었습니다.

따라서 전 세계적으로 알루미늄/마그네슘, 알루미늄/티타늄, 티타늄/알루미늄, 알루미늄/강 복합 구조물에 대한 광범위한 연구가 진행되었습니다.

알루미늄/강 복합 구조물은 두 소재의 장점을 최적으로 활용하여 무게와 오염을 줄이며 자동차, 항공, 조선 산업에서 폭넓게 활용되고 있습니다.

자동차 도어 패널에 알루미늄-강 연결부를 적용하는 방법은 아래 그림에 나와 있습니다.

알루미늄과 강철을 연결하는 것은 열물리학적 특성이 크게 다르기 때문에 매우 까다로운 작업입니다.

철의 녹는점은 1538℃, 밀도는 7870kg/m3이고 알루미늄의 녹는점은 660℃, 밀도는 2700kg/m3입니다.

기간 동안 용접 프로세스 의 경우, 알루미늄과 강철이 완전히 녹으면 알루미늄이 강철 위에 뜨기 때문에 용접이 어렵습니다. 또한 알루미늄은 선팽창 계수가 철보다 거의 두 배나 높기 때문에 용접 시 열 응력이 높고 균열이 발생할 위험이 높습니다.

Fe-Al 이원상 다이어그램은 철과 알루미늄이 고용체, 금속 간 화합물 및 유텍틱을 형성할 수 있음을 보여줍니다.

그러나 알루미늄에서 철의 고체 용해도 한계는 미미합니다.

225~600℃ 범위의 온도에서 Al에서 Fe의 고체 용해도는 0.01%~0.022%입니다. 652℃의 공융 온도에서 Fe의 Al 용해도는 0.53%입니다. 수많은 연구에 따르면 Fe와 Al이 결합하여 Fe3Al, FeAl, FeAl2, Fe2Al5 및 FeAl3와 같은 금속 간 화합물을 형성하여 용접부에 취성 구조를 유발할 수 있는 것으로 나타났습니다.

그러나 Fe-Al의 열역학적 분석에 따르면 용접 공정 중에 모든 금속 간 화합물이 발생하는 것은 아닙니다. 깁스 자유 에너지 계산에 따르면 Fe2Al5와 FeAl3만이 마지막으로 안정적인 취성 구조입니다.

부서지기 쉬운 구조가 있으면 다음과 같은 기계적 특성이 저하될 수 있습니다. 용접 조인트 쉽게 균열이 생길 수 있습니다.

알루미늄과 강철의 용융 용접은 알루미늄에 대한 철의 용해도가 제한되어 있어 건전한 접합부를 얻기 어렵기 때문에 까다로울 수 있습니다.

강철과 알루미늄 사이에 부서지기 쉬운 금속 간 화합물이 형성되는 것을 방지하려면 강철 표면을 Ni, Zn, Ag, Cu 등 알루미늄 및 철과 모두 호환되는 금속으로 코팅해야 합니다.

이 코팅은 Fe-Al 금속 간 화합물의 형성 또는 성장을 방지하거나 최소화하는 데 도움이 됩니다.

코팅 금속에 따라 강철과 알루미늄 계면 사이의 반응에 미치는 영향이 다르며, 코팅 금속이 다르면 용접성 의 비율도 달라질 수 있습니다.

개선하는 것 외에도 강철의 용접성 및 알루미늄과 같이 적절한 필러 재료와 플럭스를 선택하면 이종 금속의 용접성을 향상시키고 다양한 산업 분야에서 응용 분야를 확장할 수 있습니다.

L애저 심용입 용접

레이저 딥의 주요 특징 관통 용접 는 깊은 침투 구멍을 만드는 능력입니다.

이 프로세스에는 금속 표면에 고출력 밀도 레이저를 조사하여 표면 금속이 끓는점에 도달하고 빠르게 녹아 기화되는 과정이 포함됩니다.

금속이 증발하면 기압이 발생하여 표면이 오목해지고 작은 구멍이 생깁니다.

이 작은 구멍은 레이저의 에너지 흡수를 증가시킵니다.

이 과정에서 발생하는 열은 작은 구멍 주변의 금속이 녹는 것과 구멍 외부의 액체 흐름, 구멍 내벽의 표면 장력, 구멍 내부 공동의 지속적인 증기 압력에서 비롯됩니다.

레이저 빔이 작은 구멍으로 계속 들어가면 구멍 밖의 물질이 계속 녹아 흐르게 됩니다.

레이저 빔의 움직임에 따라 작은 구멍은 동적 안정성을 유지합니다.

광선이 움직이면 작은 구멍을 둘러싼 용융 금속이 함께 움직이면서 냉각되고 굳어져 용접부를 형성할 때까지 작은 구멍을 계속 채웁니다.

알루미늄 강철을 연결하기 위한 레이저 심용입 용접에서 가장 일반적으로 사용되는 접합 형태는 강철 상부와 알루미늄 하부입니다.

레이저 빔이 강철 표면을 향하여 강철과 알루미늄 플레이트 를 사용하여 녹여 용접 구멍을 만듭니다.

Gsierra 등은 상부 알루미늄 랩과 하부 랩 조인트 구성으로 강철의 레이저 심용입 용접에 대한 연구를 수행했습니다.

연구 결과에 따르면 용접 침투를 500μm 이하로 제어하면 Fe-Al 금속 간 화합물의 형성을 줄이고 용접 취성을 최소화할 수 있습니다.

용접 침투를 500μm 이하로 제어하면 접합 강도가 250MPa에 도달할 수 있습니다.

그러나 용접부에 알루미늄이 풍부한 화합물로 인해 형성되는 금속 간 화합물 및 흰색 용융 밴드가 존재할 수 있습니다.

관통 깊이가 500μm 미만인 경우 용접과 알루미늄 합금 사이의 접합부가 조인트의 고장 지점입니다.

침투 깊이가 증가하면 접합부 파괴 위치가 이동하고 접합 강도가 크게 감소합니다. Kouadri David 등은 아연 도금의 레이저 심용입 용접 및 레이저 열전도 용접의 미세 구조 및 특성에 대한 연구를 수행했습니다. 강철 및 알루미늄 합금.

용접 침투를 600μm로 제한함으로써 레이저 심용입 용접 조인트의 강도는 140MPa에 도달했습니다. 이 연구는 강철 두께 방향에 따른 침투가 접합 강도에 큰 영향을 미친다는 점을 지적했습니다.

마찬가지로 카츠야마 등은 알루미늄에서 강철의 침투 깊이가 접합 성능에 영향을 미치는 핵심 요소임을 입증했습니다.

토리아니 등은 Nd: YAG 펄스를 조사했습니다. 레이저 용접 실험에서 저탄소강/5754 알루미늄 합금의 레이저 심관통 용접 중첩 구조를 사용했습니다.

다음의 효과에 대한 연구가 수행되었습니다. 레이저 파워, 펄스 폭 및 랩 팩터가 금속 화합물 형성에 미치는 영향을 연구했습니다. 결과는 레이저 피크 파워(일정한 펄스 에너지에서), 펄스 폭(일정한 피크 파워에서), 랩 팩터(일정한 펄스 에너지 및 피크 파워에서)가 증가함에 따라 금속 간 화합물의 양이 증가한다는 것을 나타냅니다.

Jinyang 등은 순수 알루미늄/스테인리스강의 레이저 심용입 용접에서 침투와 용접 형성 사이의 관계를 조사했습니다. 그 결과 침투가 클 때(354μm) 알루미늄/융착 영역 계면에 미세 균열이 있는 Fe-Al 금속 간 화합물이 형성되며, 이는 알루미늄이 풍부하다는 것을 보여줍니다. 접합 강도는 (27.2 ± 1.7) MPa입니다. 골절은 전단 취성 골절, 절단 취성 골절, 혼합 골절의 세 가지 형태로 발생합니다.

반면, 침투가 작은 경우(108), Al/Fe의 인터페이스는 퓨전 존 는 균열이 없는 금속 간 화합물이며 접합 강도는 (46.2 ± 1.9) MPa입니다. 한 가지 형태의 골절, 용접부를 따라 쪼개짐 취성 골절만 관찰됩니다.

레이저 심용입 용접의 장점은 레이저 에너지의 높은 활용률과 효율적인 용접입니다.

키홀은 용접 관통력과 폭에 중요한 역할을 하며 레이저 심용입 용접 공정에서 매우 중요한 요소입니다.

그러나 용접 중에 형성되는 플라즈마와 깊은 관통 구멍으로 인해 공정이 불안정해지고 제어가 어려워질 수 있습니다.

또한 작은 구멍으로 가스가 유입되고 응고 기공이 형성되는 것은 레이저 심용입 용접 공정에서 흔히 발생하는 현상입니다.

금속 증기로 인해 발생하는 증기 압력은 응고 과정에서 금속 수축으로 인해 표면 함몰과 보기 흉한 용접을 유발할 수 있습니다.

레이저 열전도 용접

레이저 빔이 재료의 표면을 조사하면 레이저의 일부는 반사되고 나머지는 재료에 흡수됩니다. 흡수된 레이저 에너지는 열 에너지로 변환되어 재료를 녹입니다.

그런 다음 재료 표면의 열이 열전도를 통해 재료를 통해 전파되어 결국 두 재료가 서로 용접됩니다.

레이저 열전도 용접은 특히 얇은 부품의 경우 레이저 용접에서 중요한 용접 공정입니다. 이 용접 모드에서는 열 전도가 열 전파 과정을 지배하며 복사 및 대류는 무시할 수 있는 사소한 역할을 합니다.

또한 레이저 열전도 용접의 용접 풀은 작기 때문에 용접 열 프로세스에 대한 온도 및 상태와 용접 풀의 상변화 잠열 방출에 대한 열물리학적 파라미터의 영향은 무시할 수 있습니다.

MECO와 다른 연구자들은 레이저 열 전도 용접은 2mm 두께의 강판과 6mm 두께의 알루미늄 판을 상단은 강철, 하단은 알루미늄으로 겹치는 형태로 결합하는 기술입니다. 레이저가 표면을 조사하면 강판를 누르면 전달된 열이 알루미늄 합금을 녹이는 융점에서 녹습니다.

금속 간 화합물의 결과 두께는 4~20μm였으며, Fe2Al5의 최대 미세 경도는 1145HV였습니다.

L애저 아크 하이브리드 용접

레이저 아크 하이브리드 용접 기술그림 2의 실험 개략도에서 볼 수 있듯이, 1970년대에 개발된 새롭고 효율적인 용접 방법입니다.

레이저의 높은 에너지 밀도는 더 깊은 투과를 허용하지만 간격의 브리징이 열악하고 조립 정확도가 높아야 합니다.

아크의 가열 범위가 넓어 더 넓은 용접을 얻을 수 있지만 아크와 틈새의 브리징이 좋습니다.

레이저 아크 하이브리드 용접 기술은 각각의 특성을 활용하여 넓은 상단과 큰 관통 용접을 얻을 수 있습니다.

레이저로 생성된 플라즈마는 아크를 안정화하여 하이브리드 용접 프로세스를 적응력 있고 효율적으로 만들 수 있습니다.

홍강 동아 등은 대형 스폿 레이저와 아크 복합 열원을 사용하여 이종 금속을 접합하는 방법을 발명했습니다.

이 특허는 강철과 알루미늄, 강철과 구리 및 기타 이종 금속 간의 연결에는 적용할 수 없는 작은 스팟의 레이저 아크 하이브리드 열원 용접에 초점을 맞추고 있습니다.

이 방법에서 레이저는 필러 금속과 저융점 모재를 녹이는 데 사용되는 아크에 명백한 안정화 효과가 있습니다.

대형 스팟 레이저는 열 입력을 정확하게 제어할 수 있습니다.

이 방법으로 얻은 5A02 알루미늄 합금 및 아연 도금 강철 조인트의 인장 특성 테스트는 샘플의 고장 위치가 다음과 같은 위치에서 발생 함을 보여줍니다. 용접 열 브레이징 연결 부위가 아닌 알루미늄 합금 모재 한쪽의 영향을 받는 부위입니다. 접합 강도는 153.1MPa에 달할 수 있습니다. Qin 등은 아연도금강/알루미늄 합금과 AlSi5 용접 와이어의 레이저 MIG 복합 용접을 채택합니다.

실험 결과에 따르면 브레이징 인터페이스는 2~4 μm를 생성하며 상 그룹은 FeAl2, Fe3Al5 및 Fe4Al13입니다. 조인트의 최대 인장 강도는 247.3MPa입니다.

왕슈준 등은 레이저 MIG 하이브리드 용접 기술을 사용하여 세 가지 다른 솔더로 실험했습니다: 금속 간 화합물, 용접 미세 구조 및 Si와 Mg 첨가 후 형성의 영향을 연구하기 위해 AlSi5, AlSi12 및 AlMg5의 세 가지 솔더를 실험했습니다.

결과는 Si 함량이 증가하면 용융 영역의 입자를 미세화하고 용융 영역의 미세 경도를 높일 수 있음을 보여줍니다. 용융 영역에서 Al-Si 솔더의 미세 경도는 Al-Mg 솔더의 미세 경도보다 더 큽니다.

금속 간 화합물 층의 평균 두께는 각각 0.90μm, 1.49μm, 2.64μm입니다(AlSi12, AlSi5 및 AlMg5 솔더의 경우).

솔더에 Si가 존재하면 Fe의 확산을 억제하고 금속 간 화합물의 형성을 감소시킨다는 결론이 내려졌습니다.

중간층에 대한 XRD 분석 결과, AlSi5 및 AlSi12에 해당하는 금속 간 화합물 층은 Fe2Al5, Fe4Al13 및 Al0.5Fe3Si0.5 상으로 구성된 반면, AlMg5에 해당하는 층은 FeAl2, Fe2Al5 및 Fe4Al13 상으로 구성되어 있는 것으로 밝혀졌습니다.

AlMg5, AlSi5 및 AlSi12 솔더의 접합 강도는 각각 178.9MPa, 172.43MPa 및 144MPa입니다.

Si 함량이 증가하면 관절 강도에 해로운 반면, 마그네슘을 첨가하면 관절 강도가 향상된다는 결론이 내려졌습니다. 그러나 Si와 Mg가 관절 강도에 어떤 영향을 미치는지는 설명되지 않았습니다.

토미 등은 레이저와 플라즈마 아크 레이저 아크 하이브리드 용접 시 동축 레이저 아크 하이브리드 용접 헤드를 개발했습니다.

L애저 브레이징

브레이징은 모재보다 녹는점이 낮은 땜납을 사용합니다. 땜납의 용융점보다 높고 모재의 용융점보다 낮은 온도로 가열하면 땜납은 녹고 모재는 단단하게 유지됩니다.

그런 다음 액체 땜납이 모재를 적시고 납땜 간격의 모세관 작용으로 모재의 틈새를 자동으로 메우고 확산되어 강력한 접합부를 만듭니다.

퓨전 브레이징은 브레이징과 퓨전 용접의 특성을 결합하여 물성 차이가 큰 이종 재료를 연결하는 데 이상적입니다.

강철과 알루미늄을 융합 납땜하면 강철은 단단하게 유지되고 알루미늄과 땜납은 녹습니다. 그 결과 강철/납땜 쪽에서 브레이징 연결이 형성되고 납땜/알루미늄 쪽에서 용융 용접이 이루어집니다.

강철과 알루미늄의 융합 납땜의 핵심 원리는 계면 반응을 통해 용융 알루미늄과 납땜을 고체 강철과 결합하는 것입니다.

이 방법에서는 용접을 위해 땜납을 추가할 수도 있고 추가하지 않을 수도 있습니다.

페이르 등은 다음과 같은 결합에 대한 연구를 수행했습니다. 아연 도금 강철 및 알루미늄 납땜 없이 레이저 퓨전 브레이징을 사용하는 합금입니다.

연구 결과에 따르면 강철-알루미늄 계면을 따라 2~20μm 두께의 계면층이 형성되는 것으로 나타났습니다.

이 층은 주로 최대 1200HV의 경도를 가진 Fe2Al5 상으로 구성됩니다. 이로 인해 조인트에 균열이 발생하여 조인트의 기계적 특성이 크게 저하됩니다.

아연이 증발하면 기공이 생기지만 10μm 두께의 아연 코팅은 강철에 알루미늄이 젖고 퍼지는 것을 촉진합니다.

인장 테스트 결과 아연 도금 강철 표면의 코팅 플럭스는 아연 증발을 억제할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 비아연도금 강철은 기계적 저항이 낮습니다.

Fe-Al 금속 간 화합물의 형성을 제어하고 조인트 성능을 향상시키기 위해 일부 연구자들은 다음과 같이 땜납을 사용했습니다. 레이저 브레이징 를 사용하여 관절의 화학 성분을 변경할 수 있습니다.

시에라 등은 알루미늄/강철 레이저 융합 브레이징 연결에 4047(Al-12Si) 땜납을 사용하여 심각한 매크로 결함이 없는 연속 조인트와 강철/용접 경계에 얇은 Fe Al-Si 금속 간 화합물 층을 생성했습니다.

Fe-Al 금속 간 화합물의 성장에 대한 Si의 영향은 Al-12Si 땜납을 사용하여 조사되었습니다. 제안된 메커니즘은 Si가 알루미늄의 용융 온도를 낮추고 용융 알루미늄의 점도와 표면 장력에 영향을 미치며 결과적으로 용접 습윤 각도와 폭에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

또한 일부 학자들은 땜납 합금이 용접의 미세 구조와 특성에 미치는 영향을 탐구하기 위해 땜납에 마그네슘, 구리 및 기타 원소를 추가했습니다.

다르멘드라 등은 연속 펄스 Nd: YAG 레이저를 사용하여 DP600 아연 도금 강철과 AA6016 알루미늄 합금으로 만든 랩 조인트에 대한 용융 브레이징 테스트를 수행했습니다.

테스트에는 85% Zn과 15% Al이 포함된 Zn-Al 용접 와이어를 사용했으며 레이저 출력, 용접 속도 및 와이어 공급 속도를 변경했습니다.

연구진은 반응 층의 두께가 3~23μm라는 것을 발견했습니다.

열 입력이 60~110J/mm일 때 접합부의 인장 강도는 220MPa에 달했으며, 파단 위치는 용접부에서 멀리 떨어져 있고 알루미늄 합금 쪽에 가까웠습니다.

0.5m/min 및 0.8m/min의 용접 속도에서 해당 금속 간 화합물 두께는 각각 8 및 12μm였습니다.

인장 테스트 결과 금속 간 화합물 두께가 8~12μm일 때 조인트의 기계적 저항이 가장 높았습니다.

두께가 8μm 미만인 경우 금속 간 층이 증가함에 따라 기계적 저항이 증가했고, 12μm 이상인 경우 기계적 저항이 감소했습니다.

화합물 층이 얇으면 깨지기 쉬운 금속 간 화합물 층을 따라 균열이 시작되어 파단 강도가 매우 낮아진다고 설명했습니다.

반면에 복합 층이 두꺼우면 다른 영역에 비해 층의 취성으로 인해 기계적 저항도 낮습니다.

Laukant 등은 알루미늄/철에 ZnAl2 땜납을 사용하여 레이저 융착 브레이징 테스트를 수행했습니다. 그 결과 약 5μm의 금속 간 화합물 층(FeAl)이 생성되었고 접합 전단력은 최대 9KN에 달했습니다.

마찬가지로 라자셰카라 샤바디 등은 AA6016 및 저탄소 아연도금강에 ZnAl30 땜납을 사용하여 레이저 융착 브레이징 테스트를 수행했습니다. 테스트 결과에서 형성된 금속 간 화합물은 주로 Fe2Al5Znx이며, 두께가 약 10μm인 ZnFeAl3도 포함될 수 있습니다.

최근 일부 학자들은 알루미늄화 고강도 강철 및 알루미늄 합금에 대한 레이저 융합 브레이징 실험을 수행했습니다.

예를 들어, Windmann 등은 AlSi3Mn 땜납을 사용하여 레이저 융합 브레이징 테스트를 수행하여 AlSi3Mn/Mn22B5 인터페이스에서 Al8Fe2Si 상이 형성되는 것을 발견했습니다.

또한, Mn22B5/AlSi3Mn 계면에서 생성되는 금속 간 화합물의 두께는 2~7μm이며 접합부의 전단 강도는 21~74MPa입니다.

용접 전에 강철 표면을 예열하면 접합 강도를 210~230MPa까지 높일 수 있습니다.

최근 연구에 따르면 Al-Si 솔더와 Zn-Al 솔더 모두 금속 간 화합물을 필연적으로 생성하는 것으로 나타났습니다.

그럼에도 불구하고 Fe Al-Si 금속 간 화합물의 성장 순서와 Zn-Al 솔더 반응 단계의 확인은 추가 조사가 필요합니다.

레이저 융착 용접은 강철과 알루미늄을 연결하는 데 유망한 기술입니다.

결론

레이저 아크 하이브리드 용접은 용접 효율이 높기 때문에 주로 두꺼운 판재를 용접하는 데 사용됩니다.

레이저 융합 납땜은 자동차 경량화 생산에 적용될 가능성이 매우 높습니다.

레이저 융합 브레이징 프로세스 은 알루미늄과 강철로 만들어진 얇은 이종 금속을 연결하는 데 사용되었으며, Al-Si 및 Zn-Al 솔더를 활용했습니다.

그러나 자동차 제조용 아연 도금 강철/알루미늄 합금의 레이저 용접에는 몇 가지 과제가 남아 있습니다. 예를 들어, 레이저 에너지에 대한 재료의 낮은 흡수율은 플라즈마 발생을 초래하여 용접 공정의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.

또한 알루미늄과 강철을 연결하는 과정에서 부서지기 쉬운 Fe-Al 금속 간 화합물이 생성될 수 있습니다. 또한 용융 땜납의 알루미늄 합금 모재와의 야금학적 호환성 및 모재 강철에 대한 습윤성도 고려해야 합니다.

마지막으로, 다음을 제어하고 예방하는 것이 중요합니다. 용접 결함 모공, 균열, 불완전한 융합, 슬래그 포함 등의 문제를 일으킬 수 있습니다.