Cu합금의 용접

1. Cu합금의 용접
1.1 이종금속 접합시 고려사항
(1) 용융온도 (Tm)
200℉이상의 차이에서는 저용융 금속에 균열이 발생하기 쉬우며, Buttering, Brazing, Solid state용접으로 방지할 수 있다.

 

(2) 열전도도 (K)
열전도도가 높은 모재쪽의 냉각속도가 빨라 비드 형상이 凸형으로 되어 용입불량 등의 결함이 발생하므로 용접토치를 열전도도가 낮은 쪽으로 유지하며 열전도도가 높은 모재는 예열한다.

(3) 열팽창 계수 (α)
차이가 큰 경우 용접중에 고온 균열의 우려가 있으며 중간재질의 용접재료를 선정한다.

 

(4) 아크 쏠림(Arc Blow)
한쪽 금속이 Ferromagnetic재질인 경우 자장효과(Magnetic Effect)에 의해 DC용접시 아크쏠림이 발생한다.

(5) 용접부와 모재의 상호작용
모재와 열영향부에 용착금속이 용입되어 Intergranular균열이 발생한다

(6) 개선부 형상
희석과 밀접하다.

 

1.2 Cu-Al의 용접특성

 

(1) 구분
→ α-Al청동: Al 7~8 %의 균일 α상 합금
→ 시효경화형 Al 청동: α상 용해도의 온도에 따른

    변화로 시효경화된 합금
→ α+β′+ X상 Al청동: Al 10%에 제3원소를 첨가하여

    β→α+γ의 공식변태를 억제하여 취화현상을 저지하고

    조직미세화 한다.

 

(2) 용접야금상의 문제점 (용착부 균열)
→ α단상의 용착금속은 균열감도가 높고 전층비드의 균열이 발생되므로 열간취성에 강한 β상의 혼입이 효과적이다.
→ α상은 고온에서 취화역이 존재하므로 재가열을 받으면 그 영향을 현저히 받는다.
→ Al량이 7% 이상시 고온에서 연성을 갖는 β상이 석출하며, 10% 이상시 부터는 γ2상의 석출 가능성이 있다.
    β → β1 → β′→ α+γ2
→ 급냉시 γ2상의 석출억제을 가져오며, 전층비드의 β → α+γ2변화억제를 위해서 Ni, Fe, Mn을 첨가한다.
→ 7~11% Al: 불활성가스 용접봉, 9~12% Al: 피복아크용접봉을 사용

 

(3) 용접시공상의 문제점
→ SMAW, GTAW, GMAW, SAW 적용
→ SMAW, SAW 사용시에는 MnO2, SiO2가 Al과 반응하므로 Al의 산화손실을 고려하여야 한다.
→ 열전도도가 양호하므로 100~200℃의 예열이 요구된다.

 

1.3 Cu-Ni 용접특성

 (1) 구분
→ 고온강도 특성
→ 응력부식균열의 고저항성
→ 10 ~30% 의 Ni성분을 함유

 

(2) 용접 야금상의 문제점
→ 균열
- 불순물에 의한 결정입계 균열: Pb, As, Bi존재시 박막단계의

  기간이 길게 된다.
- H2O발생에 따른 입계균열: Cu2O+2H→2Cu+H20, H20의 확산력은 수소의 0.5%
- 용착금속의 고온취성에 관계되는 균열

 

 

→ Blow Hole
  - Gas의 용해도 감소에 따라 생성
    2H (Liquid, Solusion) ⇔H2 (Gas)
  - Gas 화합물로써 생성
    2H(Liquid, Solusion) + O(Liquid, Solusion) ⇔ H20 (Gas)
  - Mn, Si, Ti 탈산제 함유 용접봉 또는 예열하여 냉각속도를 완화시키면 탈가스 가능

 

(3) 용접시공상의 문제점
→ 70-30, 90-10 Cu-Ni심선 사용
→ 고온취성이 있으므로 다층용접시 균열발생: 대입열시 결함
→ Blow Hole발생시 예열

 

1.4 Cu-Ni, Cu-Al과 탄소강과의 용접부 특성
(1) 탄소강에 대한 동합금의 물리적 성질의 차이
→ 용융온도가 낮다
→ 열팽창 계수가 크다.
→ 열전도도: Cu-Al은 높고, Cu-Ni는 낮다.

 

(2) 야금학적인 특성
→ 용착금속에 Fe용입에 의한 편석
→ Cu의 탄소강 입계침입
→ 동합금 Fusion Line근처 불순물에 의한 Segregated된 영역에서의 균열
→ 결합종류: Lack of Fusion, Crack, Blow Hole

 

(3) 용착금속에 Fe용입에 의한 편석
→ 탄소강위에 동합금을 직접용접하는 경우에 발생
→ 용접열원에 의해 용융된 Fe중에 Cu가 다량 침입하여 상온에서 Fe는 Cu중에 고용되지 않고

    α철로 석출된다.
→ 구상으로 Fe가 편석되며 탄소가 많은 취화물이다.
→ Fe의 편석시 내균열성, 내극성을 약하게 한다.
→ 방지책으로는 Fe용입을 작게하여 Dilusion량을 최소화하거나, Fe편석이 적게 일어나는

    ERNi-1, ERNiCu-7 등의 용접재료 선택이 필요하다.

 

(4) Copper Contamination Crack (CCC)
→ Back Filling Crack으로 Cu계통의 용접재료로 일부 금속에 용접을 하면 모재의 결정입계에 Cu가

    침입하여 균열발생하며 보통 0.2~0.5mm 정도의 크기를 갖는다.
→ Hot Crack과의 차이점
  - CCC는 Fusion영역에서 약간 이동된 열영향부의 위치에서 발견
  - Hot Crack은 입계에서 발생되나 CCC는 Fusion영역에 완전히 접촉되지 않음.
  - 민감도가 불명하며 고립된 위치에서 Fusion영역의 직각방향으로 형성
→ CCC 발생순서
  - 용접열에 의해 일시적으로 조직이 Austenitic되는 열영향부 안에서의 입자경계층에 Cu원자가 침입
  - 증가되는 변형에 의해 입자경계층 결집력의 감소로 미세균열
  - 입자경계층의 틈새에 Cu가 Backfilling되는데 이것은 용접열 Cycle의 최고온도가 용접재료의

    응고온도보다  적게 되는 모재의 위치에서 정지된다.
     2σγLCOS = σγγ

     σγγL : 액상계면 자유에너지
     σγγL : γ상 액상계면 자유에너지
     θ = 0, Liquid Film형성
     θ = 0~60°일때, CCC발생
→ FCC 구조에 민감하며 Cu가 Ni보다

    확산계수가 크므로 Cu가 침투하며 방지

    책으로는 구속력을 적게하고 Ni계통의

용접재료를 사용한다.

 

(5) Fusion-Line Cracking
→ Fusion line근처에서 불순물에 의한 Segregated된 영역의 균열
→ 발생요인
   - Cu-Ni모재중에 불순물의 량
   - 용접재료의 조성
   - 용접입열의 정도
→ 높은 용융온도를 갖는 Ni계통의 용접재료는 액상에서 고상의 응고시간이 짧기 때문에 용착금속안으로 충분히 확산될 시간을 갖지 못함에 따라 균열발생
→ 예열하거나 입열을 많이 하여 불순물의 확산성을 증대시키며 주로 Cu계통의 것을 사용한다. 또한

    용접부의 청결성을 유지한다.

 

(6) Cu-Ni + 탄소강의 용접부 현상
   A부분 (Cu계) : L/F (용융온도차), CCC(탄소강에 Cu침입)
   B부분 (Ni계, Cu계) : Blow Hole, Hot Crack
   C부분 (Ni계) : Fusion Line Cracking
   (Cu계) : L/F

 

 

(7) Cu-Al + 탄소강의 용접부 현상 (Cu+Al계 용접재료만 사용)
A부분 : L/F (용융온도차), CCC(탄소강에 Cu침입)
B부분 : Blow Hole, Hot Crack
C부분 : L/F

 

(8) 실험적 고찰
→ Arc Blow 현상: 토치방향을 Cu-Al로 향함이 유리하며, 모재 Cu-Al을 용접사 방향으로 함이 유리
→ 90:10 Cu-Ni와 탄소강에서의 용접결함 발생률은 Bead Test결과,
    ERCuNi (90:10) > ERNiCu-7 > ERCuNi(70:30) > ERNi-1순으로 양호하다.

 

2. Al합금의 용접
2.1 Al합금의 분류
(1) 비열처리 합금: 99% Al 1xxx P-No.21
                     Al - Mn계 3xxx
                       Al - Si계 4xxx
                     Al - Mg계 5xxx P-No.22, P-No.25

(2) 열처리 합금: Al - Cu계 2xxx
                       Al - Ma - Si계 6xxx P-No.23
                       Al - Zn계 7xxx P-No.27

(3) 비열처리 Al합금
→ 초기강도는 각 원소의 고용강화에 따른 경화효과에 의해 결정
→ Mg가 고용강화에 효과적이며 따라서 높은 강도 유지
→ 대부분 비열처리 합금은 가공경화되기 쉽고, Annealing시에 인성이 강화됨.

(4) 열처리 Al합금
→ 초기강도는 마찬가지로 각 원소에 의존
→ 온도상승시 고용성이 증가되므로 , 열처리에 의해 높은 강도를 유지
→ 열처리 담금질, 자연시효, 인공시효
→ 인성을 얻기 위해 Annealing실시

(5) 각 Al합금 특성
→ 99 % Al (1xxx계)
→ Al-Cu계 (2xxx 계)
    : 용접성 저하로 Clad재 또는 리벳구조재
→ Al - Mn계 (3xxx 계)
    : 강도가 크므로 용접성, 내식성이 나쁘지 않다.
→ Al - Si계 (4xxx 계)
    : 유동성이 좋으므로 주물용 재료
→ Al - Mg계 (5xxx 계)
    : 20~30 Kg/㎟의 인장강도를 가지며 용접구조물로서 사용
→ Al - Mg - Si계 (6xxx 계)
    : Mg2Si합금원소로 구성되는 열처리으로 인장강도가 높고 용접부가 용접열에 의해 연화하는 결점이 있다.
→ Al - Zn계 (7xxx 계)
    : Al-Zn-Mg 3원합금의 인장강도 30 Kg/㎟ 고강도이며 용접성이 좋다. 상온 시효성이 크므로 용접에 의한 연화부가 자연회복 된다. 

(6) 용접 자재
→ ASMEⅡ Part. C : ER4xxx, ER5356 (Al - Mg – Si *Ti첨가), ER5183 (Al-Zn-Mg)
→ 모재보다 합금원소량이 약간 많은 것으로 용착금속의 결정립을 미세화하는 Ti첨가
→ 주물용접 : TIG

 

2.2 Al 용접특성
(1) 물리적 성질
→ 융점 660℃ (순 Al), 530~650℃ (Al합금) 으로 쉽게 용융
→ 열전도도는 강재의 5배로서 국부가열은 곤란
→ 비중은 2.7로 슬래그 혼입
→ 산화막(Al2O3)이 생성되므로 용접시 Shielding Gas로써 공기와의 접촉을 방지하여야 한다.

    Al2O3는 얇고 고융점 (약2700℃) 이므로 용접시 융합을 저해한다.
→ 용접시 수소용해도가 크다.- Blow Hole발생
 →팽창계수가 Fe의 2배, 수축률이 Fe의 1.5배이므로 응고균열 발생이 용이하다.
→ 용접열의 영향이 크다. 따라서 열영향부가 연화되거나 비열처리 함금은 가공경화 효과를 상실하여

    강도저하 및 내식성 저하를 가져온다.

 

(2) Arc용접법과 용접장치
→ TIG용접
    - 크리닝 작용(DCRP경우 산화막 제거)과 텅스텐 전극의 허용전류 등으로 주로 교류용접 (ACHF)사용
    - 박판의 경우에만 DCRP사용
→ MIG용접
    - 크리닝 작용과 깊은 용입이 가능하며 Spray이행상태가 가 양호하다.
    - Arc의 자기 제어작용이 잇다.
    - Shielding Gas는 He, Ar, 75He + 25Ar을 사용한다. He는 확산이 빠르며 전위경도가 Ar보다 크므로 Arc열 에너지가 증가하여 후판에 적합하다.

 

2.3 용접부 기계적, 야금학적 특성
(1) Weld Metal
→ 빠른 응고속도, 냉각속도로 용착부는 급냉 응고조직이며, 따라서 모재로부터 Epitaxial성장인

   미세 주상정과 연속된 조대 주상정립, 입상정 및 우모상정으로 나타난다.
→ 응고조직은 Bond부근에서 Cell상이지만 Bead중앙으로 갈수록 수지상으로 변화한다.
→ 수지상 거리(Dendrite Arm Spacing, DAS)는 응고가 빠를수록 미세 Dendrite가 된다.
→ 입열이 작을수록 DAS가 작아지며 편석률도 작아지므로 고온균열의 저항성이 크진다.

 

(2) Heat Affected Zone
→ 용접열에 의한 석출과도 부분이 발생되어 연화역이 존재한다.
→ 비열처리 합금: Annealing온도에서 단시간에 가공경화효과를 상실할 수 있으며 설계시 연화를

    고려하여야 한다.
→ 열처리 합금: 용접속도를 빠르게 하여 저입열을 유지함으로서 HAZ의 크기를 작게 한다. 예열은

    연화역의 증가를 초래한다.

(3) 조직 구성
→ 비열처리 합금
   - Weld Metal
   - Annealed (소둔지역): 용접열에 의한 냉간 가공된 조직의 재결정 성장으로 짧은 시간에 가공경화

     효과가 상실되어 강도저하
   - Unaffected Zone
→열처리 합금
   - Weld Metal
   - Fusion(Partially Melted Zone): 공정조직 및 자융점상이 국부용융, 강도연성저하로 고온균열,

     입계부식&균열 예상구역 (부식시험: ASTM G66)
   - Solid solution: 냉각속도가 빨라 경화되자 않는 구역
   - Oceraged: 결정입계의 석출, 입자성장 등에 의해 연화되어 국부소둔, 삭출물 조대화로 인해 강도저하,

      내식성 저하구역
   - Unaffected Zone

(4) 빠른 용접속도로 입열을 적게 하며 냉각속도를 빠르게 하여 취약영역을 최소화한다.

 

2.4 용접 결함
(1) 결함종류
→ Blow Hole (Porosity)
   - 전압전류 증가에 따라 감소하며 가장 많은 비율로 약 90%에 해당한다.
   - H2의 용융, 응고간 용해도의 급격한 변화 즉, ‘온도에 따른 고용도 차이’에 기인하며, 대기압하에서

     용해량이 Cu, Fe, Ni에 비해 낮다.
→ 균열
   - 종균열, 횡균열, Creater Crack, Root Crack
   - Bond부위의 Micro Crack
   - 대부분 Hot Crack 이며 이는 결정입계에 있어서 합금원소의 편석 또는 저융점 물질의 존재에 기인한다

     이경우 Ti, B, Zr을 첨가하여 결정립을 미세화하거나 저입열 용접을 수행한다.
   - 인성저하균열은 저융점원소의 편석과 특정원소의 고갈(Precifitation Free Zone)에 기인한다.
→ 융합불량
   - 후판용접시 개선면, Bead층간에 발생
→ 용입불량
   - Root부가 완전히 용융이 되지 않은 상태

(2) 용접변형시 수정
→ 박판 : Spot가열, 망치타격 등의 기계적 방법
→ 조립공정시: 가열급냉 방법으로 구속하여 가열 (가열한계는 약 300℃)

(3) 용접시 문제점
→ Blow Hole과다 발생: 수소용해도가 크다
→ 용접변형 과다: 열팽창 계수, 응고수축률이 크다.
→ 융합불량: Al2O3의 고융융 온도
→ 용접 열영향부 물성저하: Overage되어 연화
→ 용접위한 큰 전원 필요: 열전도도가 크다