알루미늄 주물 접합 기술—리뷰

본 소개 자료는 "[Coatings]"에 게재된 "[Joining Technologies for Aluminium Castings—A Review]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 논문명(Title): Joining Technologies for Aluminium Castings—A Review
• 저자(Author): Dezhi Li, Carl Slater, Huisheng Cai, Xiaonan Hou, Yongbing Li and Qudong Wang
• 발행 연도(Year of publication): 2023
• 학술지/학회(Journal/academic society of publication): Coatings
• 키워드(Keywords): aluminium castings; porosity; hot cracking; laser welding; friction stir welding; arc welding; self-piercing riveting; clinching; electron beam welding

2. 초록:

알루미늄 주물은 경량성, 우수한 전기 및 열전도성, 전자기 간섭/무선 주파수 간섭(EMI/RFI) 차폐 특성으로 인해 자동차, 항공 우주, 통신, 건설, 소비재 등 다양한 산업에서 널리 사용되어 왔습니다. 알루미늄 주물의 주요 응용 분야는 자동차 산업입니다. 경량화 목적으로 자동차 구조물에 알루미늄 주물 사용이 증가하면서 무게 감소, 연비 향상, 온실가스 배출량 감소 효과를 보고 있습니다. 그러나 다공성, 낮은 표면 품질, 고온 균열 경향, 낮은 연성과 같은 주조 알루미늄의 특성으로 인해 이러한 재료의 접합은 문제가 됩니다. 본 논문에서는 알루미늄 주물의 접합 기술과 주로 균열 및 다공성과 관련된 문제들을 검토합니다. 현재 최신 접합 기술을 요약하고 향후 연구 분야를 제안합니다.

3. 서론:

알루미늄 주물은 자동차, 항공 우주, 통신, 건설, 소비재 등 다양한 산업 분야에서 사용되어 왔습니다. 예를 들어, 우수한 EMI/RFI 차폐 능력과 방열 능력으로 인해 광범위한 네트워킹, 통신 및 컴퓨팅 장비의 하우징으로 사용되었으며, 내구성, 경량성, EMI/RFI 차폐 능력으로 인해 소형 전자 제품에 사용되었고, 경량성과 우수한 전기 전도성으로 인해 전기 커넥터에 이상적입니다. 알루미늄 주물의 주요 응용 분야는 자동차 산업입니다. 지구 온난화와 정부 규제로 인해 자동차는 연비를 높이고 온실가스 배출량을 줄여야 합니다. 경량화는 차량 전기화 외에도 좋은 방법입니다. 차량 총중량을 줄이기 위해 점점 더 많은 경량 알루미늄 주물이 구조물에 도입되고 있습니다. 주조 알루미늄은 1900년대 초부터 엔진 블록 [1], 실린더 헤드, 변속기와 같은 파워트레인 응용 분야에 사용되어 왔으며, 합금 휠, 세로 부재, 가로 부재 [2], 필러 [2], 전방 스티어링 너클, 스티어링 휠 코어, 연결 노드, 쇼크 타워 등 구조 부품에서의 응용도 크게 증가했습니다 (그림 1 참조). 알루미늄 다이캐스팅은 Audi A2 및 A8 알루미늄 스페이스 프레임 [3]에서 제시된 바와 같이 서로 다른 알루미늄 합금 압출 프로파일을 연결하는 연결 절점으로 사용되었습니다.

자동차에서 알루미늄 주물의 적용은 주로 두 가지 상황입니다: 1. 엔진 블록과 같은 복잡한 구조물; 2. 부품 통합. 무게를 더욱 줄이고 차량 조립 공정을 단순화하기 위해 자동차에 사용되는 주물은 이전에 개별 부품이었던 많은 부품들이 통합되면서 점점 더 커지고 있습니다. Tesla는 이 분야의 선구자입니다. 최근 Tesla는 Gigafactory Texas에서 거대한 IDRA 기가 프레스(길이 약 19.5m, 너비 7.3m, 높이 5.3m)를 사용하여 일부 메가 캐스팅을 생산했습니다. Tesla는 전면 및 후면 차체 하부에 두 개의 거대한 단일 주물을 사용하고 이를 차체 구조의 일부 역할을 하는 배터리 팩과 연결할 계획입니다 [4]. 후면 차체 하부 주물은 70개의 서로 다른 부품을 통합한 것이며, 이 새로운 3섹션 조립 전략은 이 구조물의 총 부품 수를 370개 줄일 것입니다.

그러나 다공성, 낮은 표면 품질, 고온 균열 경향, 낮은 연성과 같은 주조 알루미늄의 특성으로 인해 이러한 재료의 접합은 문제가 됩니다. 재료 관점에서 볼 때, 융합 용접에 의한 알루미늄 용접성은 주로 다음과 같은 특성에 의해 영향을 받습니다: 표면 산화알루미늄 층과 주조 시 방출제 잔류물의 존재는 습윤성을 저하시키고 용접부에 가스와 개재물을 유입시킵니다; 높은 열전도율은 용접 영역에서 지속적으로 많은 양의 열을 제거합니다; 상대적으로 높은 열팽창 계수는 잔류 응력을 증가시키고 더 큰 변형을 유발합니다; 합금 내 수소 함량은 용접부에 다공성을 유발합니다; 넓은 응고 범위는 합금 원소의 편석과 고온 균열을 유발합니다 [6]. 이러한 이유로 표면 청소, 고에너지원 사용, 적절한 용접 공정 및 고정구 설계는 알루미늄 주물의 융합 용접에 필수적입니다. 응고 균열 및 액상 균열을 포함한 고온 균열은 알루미늄 주물의 융합 용접 중에 발생할 수 있습니다. 알루미늄 주물 부품의 융합 용접은 일반적으로 낮은 가스 함량, 특히 낮은 수소 함량을 필요로 합니다. 알루미늄 주물 부품의 기공과 수소 함량은 용접 비드에 다공성을 유발합니다. 다이캐스트 알루미늄의 특징적인 용접 결함은 응고 및 액상 균열, 야금학적 및 공정 관련 기공의 형성으로 인해 발생할 수 있습니다 [7]. 셀프 피어싱 리벳팅(SPR) 및 클린칭과 같은 기계적 접합 방법은 알루미늄 주물의 가스 함량에 덜 민감하지만 재료의 큰 소성 변형을 필요로 합니다. 주물 재료는 일반적으로 더 취성이고 연신율이 낮기 때문에 SPR 및 클린칭은 접합 과정에서 균열을 유발합니다.
다양한 산업 분야에서 알루미늄 주물의 사용이 크게 증가했음에도 불구하고 현재 이러한 재료의 접합 기술에 대한 포괄적인 과학적 검토는 없습니다. 알루미늄 주물의 추가 적용과 접합 기술 개발을 용이하게 하기 위해 본 논문에서는 알루미늄 주조 공정을 간략하게 소개하고 Al 주물의 접합 기술을 검토합니다. 다양한 접합 기술을 소개하고, 공정 매개변수를 논의하며, 응용 사례를 보여주고, 최근 개발 동향을 요약합니다. 특히 알루미늄 주물 접합과 관련된 문제, 특히 고온 균열 및 다공성, 그리고 이러한 문제를 개선하는 데 사용된 방법을 검토합니다. 마지막으로 알루미늄 주물의 모든 접합 기술을 요약하고 향후 연구 분야를 제안합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

알루미늄 주물은 경량성, 우수한 전도성, EMI/RFI 차폐 특성으로 인해 자동차, 항공 우주, 통신 등 다양한 산업에서 활용도가 증가하고 있습니다. 특히 자동차 산업에서는 연비 향상 및 배기가스 감축을 위한 경량화의 핵심 소재로, 파워트레인 및 구조 부품에 널리 사용됩니다. 그러나 알루미늄 주물은 다공성, 낮은 표면 품질, 고온 균열 경향, 낮은 연성 등 고유한 재료적 특성으로 인해 접합이 어렵습니다. 이러한 특성은 융합 용접을 복잡하게 만들고 기계적 접합 공정에서도 결함을 유발할 수 있습니다.

이전 연구 현황:

알루미늄 주물이 널리 사용되고 있음에도 불구하고, 본 논문은 이러한 재료에 대한 접합 기술을 구체적으로 다루는 포괄적인 과학적 검토가 부족하다고 지적합니다. 기존 연구들은 개별 접합 방법이나 특정 문제에 초점을 맞추었지만, 다양한 기술, 공정 변수, 응용 분야, 최근 개발 동향, 그리고 특히 고온 균열 및 다공성과 같은 지속적인 문제들을 요약하는 전체적인 개요가 필요했습니다.

연구 목적:

본 논문의 목적은 알루미늄 주물의 추가적인 응용과 접합 기술 개발을 촉진하는 것입니다. 이는 다음을 통해 달성됩니다:

1. 알루미늄 주조 공정을 간략하게 소개합니다.
2. Al 주물의 다양한 접합 기술, 공정 변수, 응용 분야 및 최근 개발 동향을 검토합니다.
3. 알루미늄 주물 접합과 관련된 문제, 특히 고온 균열 및 다공성에 초점을 맞추고 이러한 문제를 개선하기 위한 방법을 검토합니다.
4. 알루미늄 주물의 모든 접합 기술을 요약하고 향후 연구 분야를 제안합니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 알루미늄 주물에 적용 가능한 접합 기술에 대한 포괄적인 문헌 검토입니다. 알루미늄 주조 공정(사형, 셸 몰드, 다이캐스팅 등)과 이러한 공정이 접합성에 미치는 특성(가스 함량, 다공성, 연성)을 개괄적으로 설명하는 것으로 시작합니다. 그런 다음 다양한 접합 방법을 체계적으로 검토합니다:

• 고상 용접(Solid-State Welding): 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW).
• 융합 용접(Fusion Welding): 레이저 용접, 아크 용접(TIG, MIG, PCGTA 포함), 레이저-아크 하이브리드 용접, 전자빔 용접(Electron Beam Welding, EBW).
• 기계적 접합(Mechanical Joining): 셀프 피어싱 리벳팅(Self-Piercing Riveting, SPR), 클린칭(Clinching), 플로우 드릴 스크류(Flow Drill Screw, FDS).
• 기타 접합 방법(Other Joining Methods): 복합 주조, 접착제 접합, 펄스 통전 접합.

각 기술에 대해 원리, 공정 변수, 장단점, 응용 분야 및 최근 발전 사항을 논의하며, 특히 고온 균열 및 다공성과 같은 문제 해결에 중점을 둡니다. 이 연구는 현재 문제점에 대한 요약과 해당 분야의 향후 연구 방향에 대한 전망으로 마무리됩니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구의 설계는 포괄적인 문헌 검토입니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 동료 심사를 거친 학술지 논문, 학회 발표 자료, 특허, 산업 핸드북, 기술 보고서 등 광범위한 기존 과학 및 기술 문헌에서 수집되었습니다. 분석에는 이 정보를 종합하여 알루미늄 주조 공정, 다양한 접합 기술, 공정 변수, 응용 분야, 최근 개발 동향 및 일반적으로 발생하는 문제(특히 고온 균열 및 다공성)에 대한 구조화된 개요를 제공하는 과정이 포함되었습니다. 이 연구는 다양한 기술을 비교하고 접합 관련 결함을 완화하는 데 사용된 방법을 요약합니다.

연구 주제 및 범위:

주요 연구 주제는 알루미늄 주물의 접합 기술입니다. 범위는 다음과 같습니다:

• 다양한 알루미늄 주조 공정(예: 사형 주조, 다이캐스팅, 스퀴즈 캐스팅, SSM)과 이러한 공정이 접합과 관련된 재료 특성에 미치는 영향에 대한 개요.
• 다양한 접합 방법에 대한 상세 검토:
  • 고상 용접 (마찰 교반 용접).
  • 융합 용접 (레이저 용접, 아크 용접, 전자빔 용접, 레이저-아크 하이브리드 용접).
  • 기계적 접합 (셀프 피어싱 리벳팅, 클린칭, 플로우 드릴 스크류).
  • 기타 다양한 접합 방법.
• 각 접합 기술에 대한 공정 변수, 장단점 및 응용 분야 논의.
• 알루미늄 주물 용접의 주요 문제, 특히 고온 균열(응고 및 액상 균열) 및 다공성(발생원 및 완화 전략)에 대한 심층 분석.
• 해당 분야의 최근 개발 동향 및 향후 연구 방향.

6. 주요 결과:

주요 결과:

본 리뷰는 알루미늄 주물 접합 기술의 현재 최신 기술을 요약하며, 주요 과제와 발전을 강조합니다:

• 주조 공정의 영향: 사형, 다이캐스팅, 스퀴즈 캐스팅, SSM 등 다양한 알루미늄 주조 공정은 다공성, 가스 함량, 표면 품질, 기계적 특성이 각기 다른 주물을 생산하며, 이는 모두 접합성에 큰 영향을 미칩니다. 고품질 HPDC, 스퀴즈 캐스팅, SSM 캐스팅과 같은 공정은 일반적으로 접합에 유리한 낮은 가스 함량과 더 나은 특성을 제공합니다.
• 마찰 교반 용접 (FSW): 고상 공정인 FSW는 알루미늄 주물에 매우 적합하며 다공성 및 변형과 같은 문제를 줄입니다. 고품질 접합부를 생산할 수 있습니다. 그러나 복잡한 용접 경로, 공구 마모, 이탈 구멍, 견고한 클램핑 필요성 등의 과제가 있습니다. 결함을 피하기 위해서는 최적화된 매개변수(공구 설계, 회전/이송 속도, 축 방향 힘, 경사각)가 중요합니다.
• 레이저 용접: 고속, 저입열, 정밀성을 제공합니다. 그러나 주물 내 가스 함량에 민감하며, 알루미늄의 높은 반사율이 문제가 될 수 있습니다. 이중 빔, 빔 진동, 진공 환경, 적절한 보호 가스와 같은 기술은 다공성을 완화하고 용접 품질을 향상시킬 수 있습니다. 주물이 열처리 가능한 경우 용접 후 열처리를 통해 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
• 아크 용접 (MIG, TIG): 비용 효율성과 다용도성으로 인해 널리 사용됩니다. 그러나 입열량이 높으면 변형이 발생하고 가스 함량이 높을 경우 다공성을 악화시킬 수 있습니다. 필러 금속 선택, 보호 가스(예: Ar-He 혼합물), 펄스 전류 기술(예: PCGTA)은 용접 품질을 개선하고 미세 구조를 미세화할 수 있습니다.
• 레이저-아크 하이브리드 용접: 레이저와 아크 용접의 장점을 결합하여 개별 공정에 비해 용접 속도, 용입 깊이, 갭 브리징 능력을 향상시키고 다공성을 줄일 수 있습니다.
• 전자빔 용접 (EBW): 일반적으로 고진공에서 수행되어 우수한 탈기 효과와 최소한의 변형으로 깊고 좁은 용접부를 얻을 수 있습니다. 저진공 또는 대기압 EBW가 등장하고 있어 적용 범위가 확대될 수 있습니다.
• 기계적 접합 (SPR, 클린칭, FDS): 이러한 냉간 성형 공정은 주물의 가스 함량에 민감하지 않습니다. 그러나 변형 중 균열을 피하기 위해 주물 재료에 충분한 연성이 필요합니다. 연성 향상을 위한 열처리 또는 최적화된 공구/공정 설계(예: F-SPR)가 필요할 수 있습니다. FDS는 단면 접합 솔루션을 제공합니다.
• 고온 균열: 많은 알루미늄 합금(특히 6xxx 계열, Al-Cu, Al-Mg)의 융합 용접에서 주요 관심사입니다. 합금 조성(Si, Mg 함량이 중요), 응고 범위, 결정립 구조, 구속 조건의 영향을 받습니다. 완화 전략에는 용접 풀 화학 조성을 변경하기 위한 적절한 필러 금속 사용, 결정립 미세화(예: Ti, Sr 사용), 용접 속도 및 입열량 제어, 구속 최소화 등이 포함됩니다.
• 다공성: 주물의 융합 용접에서 주로 수소(습기, 윤활제, 표면 산화물 또는 모재에 용해된 수소)와 키홀 불안정성(레이저/EBW에서)으로 인해 발생하는 일반적인 결함입니다. 다공성 감소에는 표면 사전 세척, 저가스 함량 주물 사용, 용접 매개변수 최적화(예: 아크 용접의 경우 느린 속도, 레이저의 경우 안정적인 키홀), 보호 가스 제어, 진공, 빔 진동 또는 전자기 교반 등이 포함됩니다.
• 열처리: 접합 전후에 적용할 수 있습니다. 접합 전 열처리는 가스 함량을 줄이거나(융합 용접의 경우) 연성을 향상시킬 수 있습니다(기계적 접합의 경우). 접합 후 열처리는 열처리 가능한 합금의 기계적 특성을 회복/향상시킬 수 있지만, 그 효과는 접합 공정 및 합금에 따라 다릅니다.

그림 목록:

• Figure 1. Typical applications of aluminium castings in automotive vehicles [5]. Nemak/American Metal Market Conference, 2015, accessed on 1 October 2022.
• Figure 2. Friction stir welding, (a) a schematic diagram of friction stir welding [43], (b) shoulder shape and end face features [43], (c) different probe designs [43], and (d) a typical macrograph showing various microstructural zones [42]. Reproduced with permission from [42], Elsevier, 2005. Reproduced with permission from [43], Taylor and Francis, 2012.
• Figure 3. Hardness profiles of FSWed aluminium alloys (a) AA5083 and (b) AA7075-T6. Reproduced with permission from [49], Taylor and Francis, 2009.
• Figure 4. Range of optimum FSW conditions for different axial forces for 4 mm thick ADC12 Al-Si casting alloy welded with 15 mm diameter shoulder and 5 mm diameter and 3.9 mm long threaded pin. Reproduced with permission from [62], Elsevier, 2006.
• Figure 5. The joint strength in (a) transverse, and (b) longitudinal directions with various welding speeds. Reproduced with permission from [66], Elsevier, 2003.
• Figure 6. Schematic diagram of a remote laser welding system (source: Orion Automation, accessed on 1 October 2022). (https://www.industrysearch.com.au/panasonic-robot-welding-systems-robot-laser-welding/p/149654).
• Figure 7. The three modes of laser welding (accessed 20 April 2023). Reproduced with permission from [76], AMADA WELD TECH Inc., 2016.
• Figure 8. Relative absorption of different materials to different lasers (source: Akela Laser, accessed on 1 October 2022) [77].
• Figure 9. 3D reconstructed transparent images of porosity distribution in all the aluminum alloy samples welded at various ambient pressures. Reproduced with permission from [97], Elsevier, 2020.
• Figure 10. Micro-hardness of SSM A356 across the weld for as cast, pre HT and post HT samples, FZ (fusion zone), HAZ (heat affected zone) and BM (base metal). Reproduced with permission from [95], Elsevier, 2007.
• Figure 11. Yield strength (YS), ultimate tensile strength (UTS) and elongation of unwelded and welded samples in as cast, pre-HT and post-HT conditions. Reproduced with permission from [95], Elsevier, 2007.
• Figure 12. Schematic diagram of an arc welding system.
• Figure 13. Influence of filler wires on the mechanical properties, (a) microhardness at pulse frequency of 5 Hz, (b) impact energy. Reproduced with permission from [109], Elsevier, 2015.
• Figure 14. Schematic diagram of laser arc hybrid welding (source: Lincoln Electric) and the weld bead patterns for MIG/MAG welding, laser welding and hybrid welding. Reproduced with permission from [114], Elsevier, 2018.
• Figure 15. Cross-section of a laser-TIG weld bead on a 4 mm thick AlSi11Mg plate. Reproduced with permission from [87], Taylor and Francis, 2005.
• Figure 16. Electron beam welding, (a) Principle of electron beam welding (source: Keyence) [118], (b) Schematic diagram of electron beam welding, D, penetration depth, d, beam focal diameter and v, weld velocity, and (c) Different weld penetration and welding width with different parameters, (i) acceleration voltage 150 kV, focal distance 350 mm, (ii) acceleration voltage 60 kV, focal distance 350 mm, (iii) acceleration voltage 150 kV, focal distance 1200 mm, and (iv) acceleration voltage 60 kV, focal distance 1200 mm, reproduced from [123].
• Figure 17. Influence of ambient pressure on beam focus. Reproduced from [115].
• Figure 18. Schematic diagram of SPR. Reproduced from [127].
• Figure 19. Schematic diagram of clinching process. Reproduced from [149].
• Figure 20. Macrograph of clinching tools: (a) round split; (b) round grooved; (c) round flat; and (d) rectangular. Reproduced with permission from [148], Elsevier, 2016.
• Figure 21. Cross sections of clinched joints with AlSi10Mg at the die side in, (a) as-cast and (b) T6 condition. Reproduced from [154].
• Figure 22. SPR joint buttons, (a), A380, (b), W3 as casted, (c), AA6061, (d), W3, 250 °C heat treated, (e), W3, 350 °C heat treated, (f), W3, 400 °C heat treated. Modified from [150] with permission from Springer Nature, 2020.
• Figure 23. The lap shear strength comparison of SPR joints for the dies with different depths at various heat treatment conditions. Reproduced with permission from [150], Springer Nature, 2020.
• Figure 24. Joint buttons (a,c) and cross-sections (b,d) of a wrought and casting aluminium stack SPR joint: 1.5 mm AA5754 + 2.5 mm AA5754 + 3 mm Magsimal-59 with severe cracks (a,b) and mild cracks (c,d).
• Figure 25. Schematic diagram of flow drill screw process (source: EJOT, accessed on 20 April 23). (https://www.ejot.co.uk/Industrial-Fasteners/Applications/General-Fabrications/Castings/FDS%C2%AE/p/VBT_FDS).
• Figure 26. (a) Circular patch test for solidification cracking and schematic diagram of materials around a weld pool; Macrographs showing: (b) solidification cracking; (c) liquation cracking; Micrographs showing: (d) solidification cracking; (e) liquation cracking. Modified from [185] with permission from Springer Nature, 2003.
• Figure 27. Hot crack sensitivity of aluminium alloys dependent on Si- and Mg-content. Reproduced with permission from [90], Elsevier, 2017.
• Figure 28. Cracking susceptibility of different Al-Cu cast alloys as a function of laser scanning speed [200]. Copyright CC-BY, 2003.
• Figure 29. Calculated hydrogen solubility in aluminium. Reproduced with permission from [229], Taylor and Francis, 1999.
• Figure 30. X-ray inspections followed by image analysis of laser-welded beads show the influence of surface preparation in A356. Reproduced with permission from [234], Elsevier, 2003.
• Figure 31. Influence of die casting processes on the gas content in the cast aluminium and the gas porosity in laser welded joints. Reproduced with permission from [88], EAA, 2015.
• Figure 32. Porosity in MIG weld beads of two different pressure die-cast plates (2 mm thick). On the left, AlSi9Mg (Silafont 36), and on the right, AlMg5Si2Mn (Magsimal 59). The gas contents are indicated as a percentage. Reproduced with permission from [87], Taylor and Francis, 2005.

7. 결론:

자동차 산업에서 경량화 및 제조 공정 단순화 요구로 인해 알루미늄 주물의 사용이 증가하고 있습니다. 그러나 다공성, 낮은 표면 품질, 고온 균열 경향, 낮은 연성과 같은 고유한 특성으로 인해 이러한 재료의 접합은 어려운 과제입니다.
사형 주조, 셸 몰드 주조, 압력 다이캐스팅, 로스트 폼 주조, 영구 주형 주조, 인베스트먼트 주조, 원심 주조, 스퀴즈 캐스팅, 반용융 주조, 연속 주조 등 다양한 주조 공정이 알루미늄 주물 제조에 사용됩니다. 서로 다른 주조 공정으로 제조된 알루미늄 주물은 가스 함량, 표면 조도, 기계적 특성이 다르며, 이는 융합 용접 및 기계적 접합 시 접합성에 영향을 미칩니다. 따라서 우수한 주물 접합부를 얻기 위해서는 주물 부품을 만드는 올바른 주조 공정을 선택하는 것이 올바른 접합 방법과 접합 공정 매개변수를 선택하는 것만큼 중요합니다.
다양한 등급의 알루미늄 주물은 기계적 특성, 균열 민감도, 접합부 다공성 문제가 다릅니다. 결과적으로 접합성도 다를 것입니다. 고강도 알루미늄 합금 중에서 Al-Si 합금은 응고 균열에 덜 민감하며, Al-Cu, Al-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg 등은 용접 중 응고 균열에 더 민감합니다. 일반적으로 넓은 응고/동결 범위는 고온 균열에 대한 높은 민감도를 유발하며, 미세 구조 내 공정상의 높은 분율과 충분한 습윤성을 가진 공정상은 고온 균열에 대한 민감도를 감소시킵니다. 동일한 등급의 주물이라도 다른 주조 공정으로 제조될 경우 가스 함량과 접합성이 다를 수 있습니다. 고품질 HPDC, 스퀴즈 캐스팅, SSM 캐스팅으로 제조된 주물은 가스 함량이 훨씬 낮습니다.
알루미늄 주물을 접합하는 데 사용할 수 있는 접합 기술에는 마찰 교반 용접, 레이저 용접, 아크 용접, 전자빔 용접, 레이저-아크 하이브리드 용접, 셀프 피어싱 리벳팅, 클린칭, 플로우 드릴 스크류 등이 있습니다.
마찰 교반 용접(FSW)은 고상 용접 공정이며 알루미늄 주물의 가스 함량에 대해 다른 용접 기술보다 덜 민감하기 때문에 알루미늄 주물 용접에 적합한 것으로 입증되었습니다. 그러나 FSW는 선형 또는 원형과 같은 단순한 용접 라인을 가진 부품에만 적합하며, 부품은 단단히 고정되어야 하고 충분히 단단하지 않은 부품에는 지지판이 필요합니다. 일반적으로 융합 용접용 알루미늄 주물은 가스 함량이 낮아야 하며, 특히 수소 함량이 낮아야 합니다. 주조 알루미늄 부품의 기공과 수소 함량은 용접 비드에 다공성을 유발합니다. 용접 풀이 크고 용접 속도가 느리기 때문에 아크 용접 공정은 가스 함량에 덜 민감하며, 이 경우 탈기 매개변수가 매우 중요합니다. 전자빔 용접은 진공의 탈기 효과로 인해 가스 함량에 가장 덜 민감한 융합 용접 공정이지만 용접할 수 있는 부품의 크기가 제한될 수 있습니다. 탈가스, 높은 가열 및 냉각 속도, 복잡한 용접 유체 흐름으로 인해 레이저 용접은 가스 함량에 가장 민감하며, 이러한 이유로 레이저 용접용 알루미늄 주물은 용접부의 높은 다공성을 피하기 위해 가스 함량이 매우 낮아야 합니다. 레이저 빔 용접과 TIG 또는 MIG 용접을 결합한 하이브리드 용접은 알루미늄 주물 용접에 유익할 수 있습니다. 다중 공정 기술을 사용하는 전자빔 용접 또는 하이브리드 레이저 용접과 같은 일부 혁신적인 공정 변형은 용융조를 구성하여 탈기를 촉진하고 접합 영역에서 불균일한 기공의 바람직하지 않은 형성을 최소화할 수 있습니다. 이러한 공정을 통해 낮은 다공성을 가진 접합부를 얻을 수 있을 것으로 기대됩니다.
SPR 및 클린칭과 같은 기계적 접합 방법은 융합 용접 공정만큼 가스 함량에 민감하지 않지만, 알루미늄 주물은 접합 과정에서 심각한 균열을 발생시키지 않을 만큼 충분히 연성이어야 합니다. 때로는 알루미늄 주물을 더 연성으로 만들기 위한 열처리가 필수적입니다. 그 동안 공정 최적화를 통해 생성되는 균열의 수와 심각도를 줄일 수 있습니다.
알루미늄 주물의 융합 용접 및 마찰 교반 용접의 경우, 주물이 열처리에 적합하다면 용접 후 열처리 또는 용접 전후 열처리의 조합이 용접 전 열처리보다 접합부 기계적 특성을 개선하는 데 더 효율적입니다. 용접 공정은 용접 전에 수행된 열처리의 효과를 상쇄할 수 있습니다. SPR 및 클린칭과 같은 기계적 접합 공정의 경우, 심각한 균열을 피하기 위해 알루미늄 주물에 충분한 연성이 필요하므로 연성을 향상시키기 위한 열처리는 접합 전에 수행해야 합니다.
고온 균열 민감도는 합금 성분, 결정립 구조, 응고 속도, 구속 조건 등 여러 요인에 따라 달라집니다. 적절한 필러 와이어 사용, 결정립 미세화제 첨가, 용접 속도 감소, 잔류 응력 감소 방법, 응고 속도 감소 방법 등 다양한 방법을 사용하여 융합 용접 중 고온 균열을 줄일 수 있습니다. 이러한 유형의 균열 가능성을 줄이려면 과도한 재료 구속을 피해야 합니다. 균열에 민감한 합금의 경우, 공정 매개변수의 신중한 선택 및 제어와 함께 적절한 필러 와이어를 사용하는 것이 성공적인 용접에 필수적입니다. 알루미늄 합금을 용접할 때는 균열 민감도 곡선의 정점에서 벗어난 용접 금속 조성을 갖는 것이 바람직합니다. 이중 빔 레이저 용접, 전자빔 용접, 레이저-아크 하이브리드 용접은 응고 균열을 줄이는 데 유익합니다.
재료 용접 중 형성된 다공성은 기계적 강도, 크리프, 피로 및 부식 파괴의 손실을 초래할 수 있습니다. 알루미늄 주물의 융합 용접 중 다공성 형성에는 세 가지 잠재적인 원인이 있습니다. 하나는 용접 중 주변 가스의 흡수 및 후속 포획이고, 다른 하나는 모재에 존재하는 가스 함량이며, 세 번째는 키홀 용접 중 키홀의 불완전한 붕괴로 인한 기포 포획입니다. 수소는 액체 및 고체 알루미늄의 현저하게 다른 용해도 때문에 다공성의 주요 원인이자 기공의 주요 가스 성분입니다. 수소 공급원에는 알루미늄 산화물 층, 표면 윤활제, 표면 오염 물질, 습기 등이 포함됩니다. 용접 전에 부품 표면을 청소하면 수소 공급원과 결과적인 다공성을 줄일 수 있습니다. 용접 매개변수를 최적화하면 알루미늄 주물의 접합부 다공성을 줄일 수 있지만, 가장 효율적인 방법은 주조 공정을 개선하여 주물 부품의 가스 함량을 줄이는 것입니다. 알루미늄 주물의 용접 다공성을 줄일 수 있는 방법으로는 레이저-아크 하이브리드 용접, 이중 빔 레이저 용접, 전자빔 용접, 빔 진동, 전자기장 탈기 등이 있습니다. 용접 풀의 크기를 늘리고 응고 속도를 줄이면 가스 기포가 용접 풀 밖으로 이동할 시간을 더 많이 주어 용접 다공성을 줄이는 데 유익합니다. Sr을 사용하여 알루미늄 주물의 결정립 구조를 미세화할 때는 주의해야 합니다. 특정 조성의 알루미늄 주물의 경우 Sr을 첨가하면 다공성이 증가할 수 있다고 보고되었습니다.
자동차 부문에서 알루미늄 주물의 적용이 증가함에 따라, 균열 및 다공성 문제를 개선하기 위해 알루미늄 주물 자체 및 다른 재료와의 접합에 대한 더 많은 연구가 수행될 것으로 예상됩니다. 그 동안 새로운 접합 기술이 개발되고 현재의 접합 공정은 자동화, 공정 모니터링 및 새로운 기술로 업그레이드되어 접합 품질을 개선하고 이러한 접합 방법을 더 효율적이고 신뢰할 수 있으며 비용 효율적으로 만들 것입니다. 또한 기계 학습 및 인공 지능과 같은 더 많은 디지털 기술이 접합 기술에 적용되어 공정 매개변수를 예측 및 최적화하고, 공정 효율성 및 접합 품질을 개선하며, 공정 모델링을 지원할 것입니다.

8. 참고문헌:

• [참고문헌은 [1] EAA. Cast alloys and products… 부터 [264] Ashton, Y.R.F.; Wesley, R.P.; Dixon, C.R. The effect of porosity on 5806-H116 aluminium alloy welds. Weld. J. 1975, 54, 95s–98s. 까지 광범위합니다.]
  (논문의 전체 264개 참고문헌 목록은 본문을 참고하시기 바랍니다.)

9. 저작권:

• 본 자료는 "Dezhi Li, Carl Slater, Huisheng Cai, Xiaonan Hou, Yongbing Li and Qudong Wang"의 논문입니다. "Joining Technologies for Aluminium Castings—A Review"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.3390/coatings13050958

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