금속재료 가공에서의 용접에 대해서 설명을 해보고자 한다. 용접은 금속재료의 가공기술의 일종으로 생각 할 수 있다. 용접은 하나의 성형체로 만들기 어렵거나 고가의 재료를 2개이상의 금속부위를 서로 붙이는 기술을 말하며, 서로 같은 금속, 같지 않은(이종재료)의 금속을 접합하는 가공기술을 용접이라고 말을 할수있다.
금속재료가공에서의 용접 의 정의
금속 재료 가공에서 용접의 정의및 종류
용접은 하나의 성형체로 만들기가 어렵거나 재료의 가격이 비쌀경우 2개 이상의 금속부위를 서로 붙이는 기술을 말한다. 동일한 금속의 재료, 또는 이종재료의 접합을 할수있는 가공기술이라고 정의 할수있다. 용접은 리벳이다 볼트같이 단순한 기계적 접합이 아니고, 야금학적인 현상(확산현상)을 수반한 접합이라고 할수있다. 아크,가스용접, 땜질(Brazing,Soldering)등의 다양한 용접법이 있다고 할수있다.
접합부위의 금속조직의 구조와 성질에 관한 설명
아크와 가스용접중에 대상물을 붙이고 용가재(fillermetal), 즉 용접봉및 용접와이어와 같은 것으로 충분히 높은 온도로 가열하여 대상물과 용가재를 모두 녹인다. 응고가 끝나면 용가재는 두 대상물 사이의 용융접합부위에 작용한다. 따라서 미세구조와 성질이 변화되는 용법부위 영역이 존재하는데 이를 열영향부(Heat Affected Zone) 이라고 하며 상변화는 아래의 경우로 설명할수있다.
대상물의 재료가 앞서 냉간 가공이 되었다면, 열영향부에서는 재결정화와 결정성장이 일어나므로 강도, 경도, 인성이 열화된다고 할수있다. 아래의 그림으로 설명할수있다.
그림1. 전형적인 용융접합 부위에서의 영역 표시도
그림출처: 재료과학과 공학
열영향부에서 예측할수있는 변화
대상물의 재료가 앞서 냉각가공 되었으면 열영향부에서는 재결정화와 결정성장이 일어나므로 강도, 경도 인성이 열화된다고 할수있다.
냉각과 동시에 잔류응력이 이부위에 형성되어 이는 접합강도를 저하 시킨다.
강의 경우 이영역은 오스테나이트가 형성되기에 충분한 고온으로 가열된다. 이때 상온으로 냉각되면 변화된 미세구조는 냉각속도와 조성에 따라 달라지는데, 순 탄소강의 겅우에는 경화능이 작기때문에 보통 펄라이트나 초석상이 만들어지는 반면에 합금강에서는 마르텐사이트의 미세구조가 만들어지는데, 이구조는 취성이 있어 깨지지 쉬운 조직이라 할수있다.
스테인리스강은 용접중에 열화되어 입자부식에 취약하다. 퍼지를 시켜 산화와 예민화 반응를 방지하여야 한다.
최근에는 이러한 열영향부를 최소화하는 용접접합법으로 레이저 용접을 사용하는데, 원리는 집중된 강한 레이저빔을 열원으로 사용하여, 모재를 용융시키고, 응고후에 용융접합이 형성되므로 일반적으로 용가재가 사용되지 않는다.
장점으로는 비 접촉 방법으오 대상물의 기계적 변형을 피할수있고, 공정속도가 매우 빠르며, 자동화가 용이하여, 생산성이 증대하여, 비용이 절감된다, 또한 대상물에 대한 에너지 투입이 국부적으로 작아 열형향부를 최소화할수있어, 결함을 최소화 할수있고, 용접부위가 자곡 정밀제어가 가능하다. 다양한 금속재료의 접합이 가능하고, 모재에 버금가거나 더 우수한 강도를 갖는 접합부위를 만들수 있다는것이다. 따라서 고품질과 고속의 용접 공종이 필요한 자동차나 전자산업에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 반도체 패키징 접합기술에도 응용하여 사용하고 있다.
그림2. 레이저 용접
그림출처:http://www.hanslaser.co.kr/news_detail/id-70.html
레이저 하이브리드 용접
그림3. 레이저 하이브리드 용접의 원리
레이저 하이브리드 용접은 레이저 빔 용접과 아크 용접의 원리를 결합한 용접 공정 유형이며, 레이저 광과 전기 아크를 융합한 용접 공정으로 결합하는 것은 1970년대부터 존재했지만 산업 응용 분야에서 최근에야 사용되었다.-출처: 나무위키
CO²레이저, YAG레이져, 반도체레이져,파이버레이저와 GMAW,GTAW,Plasma Arc와 같은 아크열원을 복합함으로써 각기 단독 용접법의 단점을 보완하여 고효율, 고품질의 용접법으로 발전시킨 용접기술을 말한다 .
레이져 하이브리드용접의 적용분야
조선분야
레이저 용접의 조선 산업에의 적용은 1990년대에 유럽에서 조선소와 선급협회를 중심으로 개발되어 현재도 유럽의 조선소에서 적용되고 있다. 그러나 레이저 용접은 용접 갭의 여유도가 작기 때문에 이를 완화하는 방법으로 레이저/아크 하이브리드 용접을 기계절삭장치나 클램프장치 등의 전용설비와 조합시켜 레이저 용접에 대체하여 이용하는 것이 최근의 추세이다.
대형, 고유연성의 면에서 파이버레이저/ MAG하이브리드 용접법이 많이 적용에 검토되고 있다. 많은 조선소에서 레이저/아크하이브리드 용접법의 도입 시 발생하는 고액의 초기 설비 투자가 장애가 되어 충분히 보급되고 있지 못하고 있으며, 일본의 미쓰비시 중공업에서 종래의 조선공작의 연장선상의 공작법으로 서 적용가능한 하이브리드 용접법을 개발하여 실선 적 용을 개시하였다.
자동차 및 철도차량 산업 분야
종래 유럽에서의 레이저/아크하이브리드 용접은 자동차의 차체용접에 실용화되었다. 최근 파이버 레이저의등장에 의해 보다 레이저의 적용이 쉽게 되어 박판뿐만아니고 후판용접에서도 적용되기 시작하였다. 이 하이브리드 용접에서 용접결함의 저감화가 시도되고 있고,그루브 간격의 여유도가 확대되고 있으며 자동차뿐만아니고 조선, 원자력분야에도 적용되게 되었다알루미늄합금의 레이저/아크 하이브리드용접에 관해서는 1990년대 중반 이후에 활발하게 검토되어 2000년대 초에는 YAG/MIG 하이브리드 용접이 AUDI사의A8의 루프 프레임이나 폭스 바겐사의 페이톤 차의 도어의 알루미늄합금 용접에 채용되었고, 2000년대 중반에는 알루미늄 합금 철도차량의 용접에 하이브리드 용접법이 적용되기 시작하였다.
Kinki Sharyo Co.에서 철도차량의 알루미늄합금의 차량 제작에 레이저/MIG 하이브리드 용접이 적용되어있다. 이러한 하이브리드 용접의 채용으로 품질향상과생산성 행상 효과를 거둘 수 있었다.
기타 산업분야
기타 산업 분야일본의 IHI 사에서는 교량용 패널제작에 레이저/아크 하이브리드용접을 적용함으로써 용접변형을 저감하고 용접 패스 수를 감소시키며 용접속도의 향상으로 제작비용의 절감효과를 얻었다.. 에너지 수송용 파이프라인 구축에 YAG/GMA 하이브리드 용접 헤드를 로봇에 장착한 모델이 실용화를 위해 제작 사용에 적용하고있다.
이와같이 레이져의 기술이 발전하여 다양한 분야에 응용하여 결함감소및 생산성 향상 비용절감을 하고 있으며, 작업자와 환경의 안전등이 많이 개선되는 효과를 보고 있다고 할수있다.
참고문헌
재료과학과 공학
레이저 아크 하이브리드 용접기술의 최신동향, 대한 용접접학회지 제 31뤈 2호 별책 김영식,길상철저 2013.04