P3-2425분
알루미늄 합금 용접
1xxx~7xxx 분류, 청정작용, HAZ 5구역, 기공·균열 메커니즘
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왜 알루미늄 용접이 어려운가? — 6대 도전 과제
알루미늄은 산업 현장에서 가장 많이 다뤄지는 비철 금속이지만 강 대비 용접이 까다롭습니다.
| # | 특성 | 영향 |
|---|---|---|
| 1 | 융점이 낮고(660℃) 비열·열전도도 높음 | 단시간에 용접 온도 도달 어려움, 강한 열원 필요 |
| 2 | 색 변화로 가열 온도 판정 곤란 | 적색 변색 없이 갑자기 용융 → 과용해 위험 |
| 3 | Al₂O₃ 산화막 융점 2,050℃ | Al(660℃) 융점의 3배 — 산화막이 용융을 방해 |
| 4 | Al₂O₃ 비중 4.0 > Al 비중 2.7 | 산화막이 가라앉아 슬래그 혼입 결함 |
| 5 | 열팽창계수 강의 2배, 응고수축 1.5배 | 용접 변형·잔류응력·균열 |
| 6 | 수소 용해도: 액상이 고상의 ~20배 | 응고 시 수소 방출 → 기공(porosity) 다발 |
이러한 이유로 알루미늄 용접은 불활성 가스 아크용접(TIG, MIG)이 표준이며, 아크의 청정작용(Cleaning Action)과 정밀한 입열 제어가 필수입니다.
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알루미늄 합금 4자리 분류 (Wrought) — 용접성과 직결
| 계열 | 주요 합금원소 | 강화 방식 | 대표 합금 | 용접성 | 권장 용가재 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1xxx | 순 Al ≥ 99% | 비열처리 | 1100 | ◎ 우수 | ER1100 |
| 2xxx | Al-Cu | 열처리 | 2024(T3) | △ 어려움 (균열↑) | ER4043 |
| 3xxx | Al-Mn | 비열처리 | 3003 | ○ 양호 | ER4043 / ER1100 |
| 4xxx | Al-Si | 비열처리 | 4043 (용가재) | ◎ 우수 | (용가재 자체) |
| 5xxx | Al-Mg | 비열처리 (가공경화) | 5052, 5083 | ◎ 우수 | ER5356 (동조성) |
| 6xxx | Al-Mg-Si | 열처리 | 6061(T6) | ○ 양호, HAZ 연화 | ER4043 / ER5356 |
| 7xxx | Al-Zn-Mg(-Cu) | 열처리 | 7075, 7050 | × 매우 어려움 | (대부분 용접 불가) |
핵심 구분
- 비열처리 합금 (1·3·4·5xxx): 가공경화로 강도 확보, 용접 후 HAZ가 재결정 연화
- 열처리 합금 (2·6·7xxx): 석출경화로 강도 확보, 용접 시 연화역(Over-aged zone) 발생 → 이음효율 40~70%
**용가재 선택 빠른 가이드 — Alcoa 차트 핵심** - **5xxx 모재**: 동일 조성 5356·5183 사용 (Mg 보존) - **6xxx 모재**: 4043(균열 방지) 또는 5356(강도 우선) 선택 - **6xxx와 5xxx 이종**: 4043 권장 (Mg-Si 균열 방지) - **2xxx·7xxx**: 4043은 가능하나 강도 회복 어려움 → 가능한 한 용접 회피 4043(Al-5%Si)은 융점이 낮고 응고 온도범위가 넓어 **고온균열 방지**에 가장 유리합니다.
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열처리 합금의 HAZ — 5구역 모델
2·6·7xxx 열처리 합금은 용접 시 HAZ가 5개 영역으로 명확히 구분됩니다 (GMAW·GTAW 기준 폭 약 6.4mm):
| 구역 | 온도 범위 | 조직 변화 | 강도 | 내식성 |
|---|---|---|---|---|
| 1. 용융부(Fusion Zone) | 융점 이상 | 주조 조직, 급냉 | 모재의 70% (용가재 의존) | 약간 저하 |
| 2. 부분 용융부(PMZ) | 액상선~고상선 사이 | 저융점 공정상이 입계 용융 | 매우 낮음 | × 고온균열·입계부식 다발 |
| 3. 고용역(Solution Zone) | 용체화 온도 이상 | 시효 효과로 부분 강화 | 보통 | 양호 |
| 4. 연화역(Over-aged Zone) | 300~450℃ | 석출물 조대화·OVER AGING | 최저 → 인장 시 파단 위치 | 저하 |
| 5. 미영향부(Unaffected BM) | < 300℃ | 변화 없음 | 모재와 동일 | 모재와 동일 |
핵심 사실: 열처리 합금의 용접 인장 시편은 거의 항상 연화역(4번 구역)에서 파단합니다. 따라서 강도가 중요한 구조물은 용접 후 용체화 처리 + 인공시효(T6 재처리)를 적용해야 모재 강도를 회복할 수 있습니다.
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청정작용(Cleaning Action)과 극성 선택
Al₂O₃ 산화막(2,050℃)을 제거하지 않으면 융합 불량이 발생합니다. 청정작용은 전극이 양극(+)일 때 발생합니다 — Ar⁺ 이온이 모재 표면에 충돌하여 SAND BLAST 효과로 산화막을 깨뜨립니다.
| 프로세스 | 극성 | 청정작용 | 용입 | 권장 두께 |
|---|---|---|---|---|
| GTAW DCEP(역극성) | 전극+ / 모재− | ◎ 강함 | × 얕음 | 박판만 (전극 과열) |
| GTAW DCEN(정극성) | 전극− / 모재+ | × 없음 | ◎ 깊음 | (AL에 부적합) |
| GTAW AC(교류) | 교차 | ○ 절반 사이클 | ○ 보통 | AL 표준 (2~6mm) |
| GMAW DCEP | 와이어+ / 모재− | ◎ 강함 | ◎ 깊음 | AL 후판 (3mm+) |
GTAW는 AC가 표준 — 정극성 반사이클에 용입과 전극 보호, 역극성 반사이클에 청정작용을 모두 얻습니다. He 가스는 너무 가벼워 청정작용이 거의 없으므로 Ar 또는 Ar-He 혼합가스를 사용합니다.
**기공(Porosity) 방지 — AL 용접 최대 적** 액상 알루미늄의 수소 용해도(0.7 mL/100g)는 고상의 **약 20배(0.04 mL/100g)**입니다. 응고 시 수소가 방출되며 기공을 형성합니다. **기공 발생 원인 TOP 5**: 1. 모재·와이어 표면 유분·습기 (가장 흔함) 2. 보호가스 순도 부족 (Ar 99.99%+ 필요) 3. 가스 호스의 수분 침투 4. 작업 환경 습도 과대 5. 와이어 표면 산화막 **대책**: 와이어 직경 큰 것(5~6mm)으로 큰 전류 사용 → 응고속도 늦춰 수소 탈출 시간 확보. 자세는 **아래보기**가 가장 유리, 수평·위보기는 기공 多.
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알루미늄 용접 균열 — 응고균열 메커니즘
AL 합금은 응고온도 범위(액상선-고상선 차)가 넓을수록 균열에 취약합니다. 균열율은 합금 농도 XM 부근에서 최대를 보이는 종형 곡선을 그립니다.
| 합금계 | 균열 최대 농도 XM | 비고 |
|---|---|---|
| Al-Si (4xxx) | 0.4~0.6% | 4043 용가재가 6xxx 용접 시 유리한 이유 |
| Al-Mg (5xxx) | 1~2% | 5%Mg 이상은 균열율 급감 |
| Al-Cu (2xxx) | 1% | 2xxx 용접의 어려움 |
고온균열 방지 대책:
- 농도 XM 회피 — 5%Si 함유 4043이 6xxx에 적합한 이유
- 결정립 미세화 원소(Ti, Zr, B) 미량 첨가
- 용접 입열 최소화, 빠른 진행
- 구속 최소화 (15mm 이상 후판에서 균열 多)
비고용성/저고용성 원소(Fe, Mn, Cr)는 균열에 영향 적습니다.
1
모재 분류 및 용가재 선정
모재 합금 번호(예: 6061-T6, 5083-H116)를 확인하고 강화 방식(비열처리/열처리)을 판단합니다. Alcoa 차트로 용가재 선정 — 5xxx 모재는 5356, 6xxx는 4043 또는 5356, 2/7xxx는 가능한 피합니다.
2
표면 청정 및 산화막 제거
용접 직전 알코올·아세톤으로 탈지하고, STS 와이어 브러시로 산화막을 기계적 제거합니다(브러시는 AL 전용으로 사용해 STS 오염 방지). 제거 후 24시간 이내에 용접합니다. 와이어도 동일하게 청정 유지합니다.
3
용접 실시 — 극성·자세 최적화
GTAW: 2~6mm는 AC, 박판은 DCEP. GMAW: 3mm 이상은 DCEP 스프레이 이행. 자세는 **아래보기 우선**(기공 최소). Ar 99.99%+ 사용, He 혼합(25~75%)으로 후판 입열 증가도 검토합니다.
4
용접 후 검사 + 필요 시 재열처리
RT로 기공·균열을 검사합니다(PMZ 균열은 검출 어려움 → 입계부식시험 병행). 열처리 합금이 강도가 요구되면 **용체화 처리(500℃) + 인공시효(160~190℃)**로 T6 상태 복원합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
알루미늄 용접이 어려운 이유 중 가장 핵심적인 것은?