KR20230051690A - 알루미늄 합금 용가재, 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 알루미늄재의 용접 방법 - Google Patents

알루미늄 합금 용가재, 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 알루미늄재의 용접 방법 Download PDF

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료 요시다
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Abstract

알루미늄 합금의 고속 접합에 있어서, 강도 및 인성이 우수한 접합부가 형성됨과 함께, 용접 균열이 생기기 어려운 알루미늄 합금 용가재, 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 제조되는 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용한 알루미늄재의 접합 방법을 제공한다. 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재는, 용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시키는 계면 활성 원소를 포함하는 알루미늄을 포함하고, 당해 계면 활성 원소가 Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 어느 1종이며, 계면 활성 원소의 함유량이 0.05 내지 0.50질량％인 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄 합금 용가재, 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 알루미늄재의 용접 방법
본 발명은 아크 용접 등의 용융 용접에 사용할 수 있는 알루미늄 합금 용가재, 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 제조되는 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용한 알루미늄재의 용접 방법에 관한 것이며, 특히 용접 속도가 빠른 용접에 적합한 알루미늄 합금 용가재에 관한 것이다.
알루미늄재의 용접에 사용하는 용가재는, 모재와의 조합에 있어서, 용접 시의 균열의 발생 정도, 기계적 성질, 내식성 및 고온 특성 등을 고려할 필요가 있다. 구체적인 지침은 JIS Z 3604에 제시되어 있고, 용도에 따라, 4000계, 5000계 및 6000계 등의 알루미늄 합금을 포함하는 용가재가 사용되고 있다.
예를 들어, 4000계의 알루미늄 합금을 포함하는 용가재에는, Al과 5질량％의 Si를 표준 조성으로 하는 4043과, Al과 12질량％의 Si를 표준 조성으로 하는 4047의 2종류의 용가재가 존재하고, 4043은 용접 금속의 고온 균열에 대한 저항이 크기 때문에, 용접 균열을 일으키기 쉬운 알루미늄 합금이나 주물의 용접에 사용되고 있다.
그러나, 4000계의 용가재에서는, 용접부의 강도 및 인성이 낮아지는 경향이 있고, 용접 전류, 용접 전압 및 용접 속도 등의 용접 조건을 최적화함으로써 이음 강도의 향상을 도모할 필요가 있지만, 당해 용접 조건의 최적화만으로는 한계가 있어, 높은 강도 및 우수한 인성이 요구되는 용접부에는 실용적이지 않다는 문제가 있었다.
이에 반해, 예를 들어 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2006-218491호 공보)에 있어서는, MIG 용접에 적용할 수 있고, 이음 강도가 높고, 인성이 높은 용접부를 구비한 알루미늄 합금재의 용접 이음을 얻을 수 있는 알루미늄 또는 알루미늄 합금용 용가재를 제공하는 것을 목적으로 하여, 질량비로, 4.5 내지 13.0％의 Si와 함께, 10 내지 400ppm의 Sr을 함유하고, 잔부 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금용 용접 재료가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1에 기재된 알루미늄 합금용 용접 재료에 있어서는, Al-Si계 용접 재료에 미량의 Sr을 첨가함으로써, Al-Si계 합금을 포함하는 용접 금속 중에 정출하는 공정 Si 입자를 미세화할 수 있어, 고강도, 고인성을 갖춘 용접 이음을 형성할 수 있다고 되어 있다.
일본 특허 공개 제2006-218491호 공보
그러나, 근년에는 생산성의 향상이 보다 요구되어 오고 있어, 용접 속도의 향상이 열망되고 있지만, 용접 속도를 증가시키면 용접부에 용접 균열이 생기기 쉬워지기 때문에, 4000계의 4043 용가재를 사용해도 용접 균열을 충분히 억제할 수 없다. 특히, 하이브리드 레이저 용접과 같이 용접 속도가 1m/min을 초과하는 경우에는 이 경향이 현저하다.
여기서, 상기 특허문헌 1에서 검토되고 있는 용접 속도는 0.75m/min이며, 우수한 기계적 성질을 갖는 접합부가 형성되는 것에 더하여, 하이브리드 레이저 용접과 같이 고속으로 용접을 행해도 용접 균열이 생기기 어려운 용가재는 존재하지 않는 것이 실정이다.
이상과 같은 종래 기술에서의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 알루미늄 합금의 고속 접합에 있어서, 강도 및 인성이 우수한 접합부가 형성됨과 함께, 용접 균열이 생기기 어려운 알루미늄 합금 용가재, 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 제조되는 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용한 알루미늄재의 접합 방법을 제공하는 데 있다. 보다 구체적으로는, 용접 속도가 1m/min을 초과하는 고속 접합을 행해도 용접 균열이 생기기 어려운 알루미늄 합금 용가재 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 제조되는 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용한 알루미늄재의 용접 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해, 알루미늄 합금 용가재의 조성 및 당해 조성과 용접 균열 등의 관계에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과, 용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시키는 계면 활성 원소를 적량 함유시키는 것 등이 극히 유효하다는 것을 알아내어, 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명은,
용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시키는 계면 활성 원소를 포함하는 알루미늄을 포함하고,
상기 계면 활성 원소가 Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 어느 1종이며,
상기 계면 활성 원소의 함유량이 0.05 내지 0.50질량％인 것을
특징으로 하는 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 제공한다.
Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 어느 1종을 함유시킴으로써, 용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시킬 수 있어, 용융된 용가재의 습윤성의 향상에 기인하여 유동성이 향상되어, 고속 접합을 행해도 용접 균열을 억제할 수 있다. 여기서, Ca, Sr 및 Ba는, 원소의 주기율표에서의 2족의 4 내지 6주기에 속해 있다.
고속 접합 시의 용접 균열을 억제하기 위해서는 계면 활성 원소의 첨가량이 극히 중요하며, 0.05 내지 0.50질량％의 계면 활성 원소를 함유시킴으로써, 용접 속도가 1m/min을 초과하는 고속 접합에서의 용접 균열을 효율적으로 억제할 수 있다. 이 효과는, 용접 속도 2m/min에서 현저해지고, 4m/min에서 더욱 현저해진다.
본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재에 있어서는, 상기 계면 활성 원소가 Sr인 것이 바람직하다. 계면 활성 원소로서 Sr을 첨가함으로써, Ca를 첨가하는 경우보다 효율적으로 용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시킬 수 있다. 또한, 계면 활성 원소로서 Sr을 첨가함으로써, Ba를 첨가하는 경우보다 효율적으로 공정 Si상이 입상 미세화되어, 용접부의 연성이나 인성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재에 있어서는, 또한, Si를 4 내지 13질량％ 포함하는 것이 바람직하다. Si의 함유량을 4질량％ 이상으로 함으로써, 융점이 충분히 저하되는 것에 더하여, 접합 시에 있어서의 용융 알루미늄의 유동성을 담보할 수 있다. 또한, Si의 함유량을 13질량％ 이하로 함으로써, 파괴의 기점이 되는 정출물의 형성에 기인하는 접합부의 신율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재의 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 하이브리드 레이저 용접용 알루미늄 합금 용가재도 제공한다.
본 발명의 하이브리드 레이저 접합용 알루미늄 합금 용가재는, 레이저 용접과 아크 용접을 조합한 접합 프로세스에 있어서 사용되는 알루미늄 합금 용가재이다. 하이브리드 레이저 접합은, 선행하는 레이저에 의해 발생한 음극점에 아크를 유도하여 용접하는 접합 기술이며, 용접의 안정성 향상, 결함 형성의 억제, 접합 속도의 증가 및 용입 깊이의 증가 등을 실현할 수 있다.
여기서, 하이브리드 레이저 접합에 있어서는 5m/min 이상의 접합 속도가 설정되는 경우가 있지만, 이러한 고속 접합 조건에 있어서도, 본 발명의 하이브리드 레이저 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용함으로써 용접 균열을 극히 효과적으로 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 용접부의 Sr 함유량이 0.03질량％ 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 용접 구조체도 제공한다.
본 발명의 알루미늄 합금제 용접 구조체는, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 알루미늄 합금재를 용접함으로써 용이하게 얻을 수 있다. 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재에는 0.05 내지 0.50질량％의 Sr이 포함되어 있고, 당해 Sr이 접합부에 존재하게 되지만, 접합부의 최종적인 Sr 함유량은 피접합재인 알루미늄 합금재에 의한 희석 등의 영향을 고려할 필요가 있다. 또한, 알루미늄 합금재에 Sr이 포함되는 경우에는, 접합부의 Sr 함유량이 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재의 Sr 함유량보다 많아지는 경우도 존재한다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금제 용접 구조체에 있어서는, 상기 용접부의 미세 조직에 있어서, 상기 용접부의 표면 근방에 형성된 등축립의 평균 입경이 150㎛ 이하인 것이 바람직하다. 용접부를 미세 등축립으로 이루어지는 조직으로 함으로써, 용접부에 양호한 기계적 성질(강도, 연성 및 신뢰성 등)을 부여할 수 있다.
여기서, 용접부와 모재(피접합재)의 경계로부터 용융지의 응고 방향으로 주상정이 형성되고, 당해 주상정으로부터 연속적으로 등축상의 미세 조직이 형성되는 것이 일반적이다. 즉, 최종적으로 응고되는 용접부의 표면 근방에는 등축립이 형성되게 된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 용접을 행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄재의 용접 방법도 제공한다. 본 발명의 알루미늄재의 용접 방법에 있어서는, 하이브리드 레이저 용접을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 알루미늄재의 용접 방법에 있어서는, 용접 속도를 1m/min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 용접 속도를 증가시키면 용접부의 용접 균열을 억제하는 것이 곤란해지지만, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 하이브리드 레이저 접합을 행함으로써, 극히 효율적으로 양호한 용접부를 형성시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 알루미늄 합금의 고속 접합에 있어서, 강도 및 인성이 우수한 접합부가 형성됨과 함께, 용접 균열이 생기기 어려운 알루미늄 합금 용가재, 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 제조되는 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용한 알루미늄재의 용접 방법을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로는, 용접 속도가 1m/min을 초과하는 고속 접합을 행해도 용접 균열이 생기기 어려운 알루미늄 합금 용가재, 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 제조되는 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 당해 알루미늄 합금 용가재를 사용한 알루미늄재의 용접 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 알루미늄 합금제 용접 구조체의 일 양태에서의 용접부 근방의 개략 단면도이다.
도 2는 용접부(4)의 미세 조직의 모식도이다.
도 3은 바레스트레인 시험용 지그의 외관 사진이다.
도 4는 바레스트레인 시험의 모식도이다.
도 5는 실시예에서 얻어진 용접 비드의 외관 사진이다.
도 6은 실시예 2의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 종단면 사진이다.
도 7은 도 6에서의 용접부 정점의 확대 사진이다.
도 8은 실시예 3의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 미세 조직이다.
도 9는 실시예 2의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선을 사용하여 변형이 없는 상태로 얻어진 용접 비드의 종단면 사진이다.
도 10은 도 9에서의 용접부 정점의 확대 사진이다.
도 11은 비교예에서 얻어진 용접 비드의 외관 사진이다.
도 12는 비교예 1의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 미세 조직이다.
도 13은 비교예 1의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 종단면 사진이다.
도 14는 도 13에서의 용접부 정점의 확대 사진이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 알루미늄 합금 용가재, 알루미늄 합금제 용접 구조체 및 알루미늄재의 용접 방법에 대한 대표적인 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고, 중복되는 설명은 생략하는 경우가 있다. 또한, 도면은, 본 발명을 개념적으로 설명하기 위한 것이기 때문에, 표시된 각 구성 요소의 치수나 이들의 비는 실제의 것과는 다른 경우도 있다.
1. 알루미늄 합금 용가재
본 발명의 알루미늄 합금 용가재는, 용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시키는 계면 활성 원소를 포함하는 알루미늄을 포함하고, 당해 계면 활성 원소가 Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 어느 1종이며, 계면 활성 원소의 함유량이 0.05 내지 0.50질량％인 것을 특징으로 하는 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재이다. 또한, 당해 고속 용접용 알루미늄 합금 용가재는, 하이브리드 레이저 용접용 알루미늄 합금 용가재로서 적합하게 사용할 수 있다. 이하, 각 성분에 대하여 상세하게 설명한다.
(1) 필수의 첨가 원소(계면 활성 원소)
Sr: 0.05 내지 0.50질량％
Sr을 0.05 내지 0.50질량％ 함유시킴으로써, 용접 속도가 1m/min을 초과하는 고속 접합에서의 용접 균열을 효율적으로 억제할 수 있다. 또한, 용접 균열을 보다 효율적으로 억제하는 관점에서, Sr의 함유량은 0.15질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, Sr은 고가인 것에 더하여, 다량으로 첨가하면 조대한 화합물을 형성할 가능성이 있다. 게다가, Sr을 다량으로 첨가하면, 고속에서의 용접 시에 공기를 말려 들어가게 하기 쉬워져, 블로홀이 형성되기 쉬워진다. 이러한 관점에서는, Sr의 함유량은 0.30질량％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.20질량％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
Ca: 0.05 내지 0.50질량％
Ca를 함유시킴으로써, 용융 알루미늄의 표면 장력의 저하에 기인하여 습윤성이 향상되어, 고속 접합에서의 용접 균열을 억제할 수 있다. 또한, Ca의 첨가에 의해 공정 Si 조직이 미세화되어, 주로 신율에 기여한다. 한편, 과도하게 함유시키면 정출물이 조대화되어 인성에 악영향을 미친다.
Ba: 0.05 내지 0.50질량％
Ba를 함유시킴으로써, 용융 알루미늄의 표면 장력의 저하에 기인하여 습윤성이 향상되어, 고속 접합에서의 용접 균열을 억제할 수 있다. 또한, Ca와 비교하면 그 효과는 작지만, 과도하게 함유시키면 정출물이 조대화되어 인성에 악영향을 미친다.
여기서, Ca, Sr 및 Ba 중에서 2종류 이상을 동시에 첨가하는 경우에는, 첨가 원소의 합계의 함유량을 0.05 내지 0.50 질량％로 함으로써, 고속 접합 시의 용접 균열을 억제함과 함께, 조대한 화합물이나 블로홀의 형성을 억제할 수 있다.
(2) 임의의 첨가 원소
계면 활성 원소인 Ca, Sr 및 Ba 이외는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 한정되지는 않고, 종래 공지의 다양한 알루미늄 용가재의 조성으로 할 수 있다. 예를 들어, 4000계 용가재, 5000계 용가재 및 6000계 용가재의 조성에, 상술한 계면 활성 원소를 첨가한 조성으로 할 수 있다.
여기서, 융점이나 용융 금속의 유동성을 고려하면, 4000계 용가재의 조성을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 적량의 Si를 함유하는 것이 바람직하다.
Si: 4 내지 13질량％
Si의 함유량을 4질량％ 이상으로 함으로써, 융점이 충분히 저하되는 것에 더하여, 접합 시에 있어서의 용융 알루미늄의 유동성을 담보할 수 있다. 또한, Si의 함유량을 13질량％ 이하로 함으로써, 파괴의 기점이 되는 정출물의 형성에 기인하는 접합부의 신율의 저하를 억제할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 합금제 용가재의 구체적인 형태는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 한정되지는 않고, 종래 공지의 다양한 용가재의 형태로 할 수 있다. 예를 들어, 막대 형상, 연속된 와이어상, 분말상 및 입상 등으로 할 수 있다.
2. 알루미늄 합금제 용접 구조체
본 발명의 알루미늄 합금제 용접 구조체는, 용접부의 Sr 함유량이 0.03질량％ 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 용접 구조체이다. 본 발명의 알루미늄 합금제 용접 구조체의 일 양태에서의 용접부 근방의 개략 단면도를 도 1에 나타낸다.
도 1은 용접선에 대하여 수직인 횡단면을 나타내고 있고, 알루미늄 합금제 구조체(1)는, 알루미늄 합금재(2)끼리 용접부(4)에 의해 접합된 구조로 되어 있다. 용접부(4)의 Sr 함유량이 0.03질량％ 이상으로 되어 있다. 용접부(4)의 Sr 함유량은 0.05질량％ 이상인 것이 바람직하고, 0.10질량％ 이상인 것이 보다 바람직하다. 용접부(4)의 Sr 함유량을 측정하는 방법은 특별히 한정되지는 않고, 종래 공지의 다양한 측정 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 용접 단면적으로부터 구한 희석률에 의해 산출하거나 혹은 SEM-EDS 측정, EPMA 측정 및 발광 분광 분석 등을 사용할 수 있다.
용접부(4)의 Sr 이외의 조성은 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 한정되지는 않고, 종래 공지의 다양한 알루미늄 용가재의 조성으로 할 수 있다. 예를 들어, 4000계 용가재, 5000계 용가재 및 6000계 용가재의 조성에, 0.03질량％ 이상의 Sr을 첨가한 조성으로 할 수 있다.
용접부(4)의 형상 및 크기는, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 한정되지는 않고, 알루미늄 합금재(2)의 형상 및 크기나, 원하는 접합부 특성에 따라 적절히 조정하면 된다. 용접부(4)는 피접합 계면의 전역에 형성되는 것이 바람직하지만, 이음의 기계적 성질에 대한 요구가 높지 않은 경우에는 부분적으로 형성되어 있어도 된다.
도 1에서의 용접부(4)의 미세 조직을 모식적으로 도 2에 나타낸다. 미용융의 알루미늄 합금재(2)와의 경계로부터 응고 방향으로 주상정으로 이루어지는 조직이 형성되고, 응고의 진행에 수반하여 등축상의 결정립으로 이루어지는 조직이 형성된다. 여기서, 용접부(4)의 표면 근방(최종 응고 측)에 형성되는 등축립의 평균 입경이 150㎛ 이하인 것이 바람직하다. 용접부(4)에 미세 등축립으로 이루어지는 조직을 형성시킴으로써, 용접부(4)에 양호한 기계적 성질(강도, 연성 및 신뢰성 등)을 부여할 수 있다.
용접부(4)의 표면 근방에 형성된 등축립의 평균 입경을 구하는 방법은 특별히 한정되지는 않지만, 예를 들어 용접부(4)를 포함하는 단면 사진을 사용한 교점법에 의해 구할 수 있다. 구체적으로는, 단면 사진에 임의의 길이의 직선을 긋고, 결정립과 당해 직선의 교점을 카운트한 후, 직선의 길이를 교점의 수로 나눈 값을 평균 입경으로 할 수 있다. 이 경우, 교점의 수가 100 이상으로 되도록 직선을 긋는 것이 바람직하다.
알루미늄 합금재(2)의 조성, 사이즈 및 형상은, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 한정되지는 않고, 종래 공지의 다양한 조성, 사이즈 및 형상을 갖는 알루미늄 합금재를 사용할 수 있다.
알루미늄 합금제 구조체(1)는, 알루미늄 합금재(2)끼리 용접부(4)에 의해 접합된 구조를 갖고 있으면 되고, 알루미늄 합금 이외의 재질로 이루어지는 영역을 갖고 있어도 된다. 예를 들어, 알루미늄 합금재(2)와 강재, 마그네슘 합금재 및 티탄 합금재 등이 접합되어 있어도 된다.
3. 알루미늄재의 용접 방법(알루미늄 합금제 용접 구조체의 제조 방법)
본 발명의 알루미늄재의 용접 방법에 대하여, 알루미늄 합금제 구조체(1)를 제조하는 경우를 예로서 설명한다. 알루미늄 합금제 구조체(1)는, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 알루미늄 합금재(2)끼리를 용접함으로써, 용이하게 제조할 수 있다. 용접 방법은 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한 특별히 한정되지는 않고, 종래 공지의 용접 방법을 사용할 수 있다.
본 발명의 알루미늄재의 용접 방법은, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 하이브리드 레이저 용접을 행하는 것을 특징으로 하고 있다. 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용함으로써, 용접 속도를 빠르게 한 경우에도, 용접 균열을 억제할 수 있다.
용접에는, 하이브리드 레이저 용접을 사용하는 것이 바람직하다. 하이브리드 레이저 용접을 사용함으로써, 용접의 안정성 향상, 결함 형성의 억제, 접합 속도의 증가 및 용입 깊이의 증가 등을 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하고 있기 때문에, 접합 속도를 증가시켜도 용접 균열을 억제할 수 있어, 하이브리드 레이저 용접의 장점을 충분히 향수할 수 있다.
또한, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하는 것에 더하여, 용접 속도를 11m/min 이상으로 함으로써, 용접부(4)의 조직을 미세화할 수 있다. 또한, 용접 속도를 5m/min 이상으로 함으로써, 용접부(4)의 표면 근방에 형성되는 등축립의 평균 입경을 150㎛ 이하로 할 수 있다.
용접 속도를 5m/min 이상으로 한 경우, 용접부(4)의 용접 균열을 억제하는 것이 곤란해지지만, 본 발명의 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 하이브리드 레이저 접합을 행함으로써, 극히 효율적으로 양호한 용접부(4)를 형성시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 대표적인 실시 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 설계 변경이 가능하고, 이들 설계 변경은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
실시예
≪실시예≫
JIS Z 3604에 규정되어 있는 4043 용가재를 베이스에, Sr을 첨가하여 표 1에 나타내는 조성(질량％)의 직경 1.2mm의 알루미늄 합금제 용접선(용가재)을 얻었다. 또한, 당해 알루미늄 합금제 용접선을 사용하여, 하이브리드 레이저 용접에 의해 JIS-6063 알루미늄 합금의 판재에 대하여 비드온으로 용접을 행하였다. 하이브리드 레이저 용접에는 플로니아스사제의 하이브리드 레이저 용접기를 사용하고, JIS-6063 알루미늄 합금의 판 두께는 3mm로 하였다. 또한, 하이브리드 레이저 용접에는 표 2에 나타내는 용접 조건을 사용하였다.
Figure pct00001
Figure pct00002
여기서, 용접 균열에 대한 알루미늄 합금제 용접선의 특성을 평가하기 위해, 도 3에 나타내는 시험 지그를 사용하여 바레스트레인 시험에 의한 용접을 행하였다. 바레스트레인 시험의 모식도를 도 4에 나타내지만, 피접합재에 외부 응력을 인가한 상태에서 용접을 행하는 것이며, 용접부에 인가되는 인장 응력에 의해 용접 균열이 촉진되게 된다. 바레스트레인 시험에서의 굽힘 반경은 700mm로 하였다.
하이브리드 레이저 용접에 의해 형성된 용접 비드의 외관 사진을 도 5에 나타낸다. 바레스트레인 시험에 의해 용접 비드의 표면에 용접 방향을 따른 용접 균열이 발생되어 있고, 컬러 체크에 의해 당해 용접 균열의 길이를 측정하였다.
측정에 의해 얻어진 용접 균열의 길이를, 용접 길이 100mm당에 대한 균열 길이의 비율(균열률)로서, 표 3에 나타낸다. 알루미늄 합금제 용접선의 Sr양의 증가에 수반하여, 균열률이 저하되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 용접 단면적으로부터 구한 희석률에 의해 용접 비드의 중심부의 Sr양을 산출한, 얻어진 결과를 표 3에 나타낸다. 실시예 2 및 실시예 3의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선을 사용한 경우, 용접부의 Sr 함유량이 0.03질량％ 이상으로 되어 있다는 것을 알 수 있다.
Figure pct00003
실시예 2의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 단면 사진을 도 6에 나타낸다. 또한, 도 6에서의 용접부 정점의 확대 사진을 도 7에 나타낸다. 용접부 정점에 약간 균열이 발생되어 있지만, 바레스트레인 시험에 있어서도 균열의 확대나 전파가 억제되고 있다는 것을 알 수 있다.
실시예 3의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 미세 조직(광학 현미경 사진)을 도 8에 나타낸다. 도 8에 나타내고 있는 것은, 용접 비드 폭의 중심에서의 당해 용접 비드의 길이 방향에 평행한 종단면의 관찰 결과이다. 미용융의 알루미늄 합금판의 표면에 용접부(용접 비드)가 형성되어 있고, 알루미늄 합금판과 용접부의 경계 근방은 주상정으로 이루어지는 조직이 형성되고, 용접부의 표면 근방은 등축립으로 이루어지는 조직이 형성되어 있다는 것을 알 수 있다.
도 8에 나타내는 조직 사진을 사용하여 교점법으로 접합부 표면 근방에서의 등축립의 평균 입경을 산출한바, 139㎛였다. 보다 구체적으로는, 10mm의 선을 2개 긋고(도 8에 나타냄), 결정립과의 교점을 카운트하여 「선의 길이(20mm)/교점의 수」로 산출하였다.
또한, 실시예 2의 조성을 갖는 알루미늄제 용접선을 사용하여, JIS-6063 알루미늄 합금판에 변형을 부여하지 않은 상태에서 용접을 행한바(용접 조건은 표 2와 동일함), 컬러 체크에 의해 용접 비드에 용접 균열은 보이지 않았다. 당해 용접 비드의 단면 사진을 도 9에 나타낸다. 또한, 도 9에서의 용접부 정점의 확대 사진을 도 10에 나타내지만, 균열의 발생은 보이지 않는다.
≪비교예≫
알루미늄 합금제 용접선(용가재)의 조성을 표 1에 나타내는 비교예 1 및 비교예 2로 한 것 이외에는 실시예와 마찬가지로 하여, 바레스트레인 시험에 의한 용접을 행하였다. 얻어진 용접 비드의 외관 사진을 도 11에 나타낸다.
용접 비드에서의 균열률 및 용접 비드 중심부의 Sr양을 표 3에 나타낸다. 실시예에서 얻어진 용접 비드와 비교하여, 비교예에서 얻어진 용접 비드에는 대량의 용접 균열이 발생되어 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 소량의 Sr을 첨가한 경우(비교예 2)는 Sr을 첨가하지 않은 경우(비교예 1)보다 균열률이 커져 있다. 당해 결과는, Sr의 첨가에 의한 용접 균열의 억제는, Sr의 첨가량에 크게 의존함을 의미하고 있다.
비교예 1의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 미세 조직(광학 현미경 사진)을 도 12에 나타낸다. 도 12에 나타내고 있는 것은, 용접 비드 폭의 중심에서의 당해 용접 비드의 길이 방향에 평행한 종단면의 관찰 결과이다. 실시예에서 얻어진 용접 비드와 마찬가지로, 주상정으로 이루어지는 조직과 등축립으로 이루어지는 조직이 관찰되지만, 주상정으로 이루어지는 조직의 비율이 커져 있다.
또한, 도 12에 나타내는 사진을 사용하여, 실시예와 마찬가지로 하여 접합부 표면 근방에서의 등축립의 평균 입경을 산출한바, 174㎛였다. 실시예 3의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접부에서의 등축립의 평균 입경은 139㎛이며, 접합부 표면 근방에서의 등축립은 Sr의 첨가에 의해 미세화되어 있다는 것을 알 수 있다.
비교예 1의 조성을 갖는 알루미늄 합금제 용접선으로 얻어진 용접 비드의 단면 사진을 도 13에 나타낸다. 또한, 도 13에서의 용접부 정점의 확대 사진을 도 14에 나타내지만, 용접부 정점에 깊은 균열이 형성되어 있다. 실시예 2의 조성을 갖는 알루미늄제 용접선을 사용한 경우의 도 9 및 도 10에서는 전혀 균열이 보이지 않는다는 점에서, 본 발명의 알루미늄 합금 용가재를 사용함으로써, 고속 접합에 있어서도 극히 효과적으로 용접 균열을 억제할 수 있다는 것을 알 수 있다.
1: 알루미늄 합금제 구조체
2: 알루미늄 합금재
4: 용접부

Claims (9)

  1. 용융 알루미늄의 표면 장력을 저하시키는 계면 활성 원소를 포함하는 알루미늄을 포함하고,
    상기 계면 활성 원소가 Ca, Sr 및 Ba 중 적어도 어느 1종이며,
    상기 계면 활성 원소의 함유량이 0.05 내지 0.50질량％인 것을
    특징으로 하는 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 계면 활성 원소가 Sr인 것을
    특징으로 하는 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    또한, Si를 4 내지 13질량％ 포함하는 것을
    특징으로 하는 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 조성을 갖는 것을
    특징으로 하는 하이브리드 레이저 용접용 알루미늄 합금 용가재.
  5. 용접부의 Sr 함유량이 0.03질량％ 이상인 것을
    특징으로 하는 알루미늄 합금제 용접 구조체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 용접부의 미세 조직에 있어서, 상기 용접부에 형성된 등축립의 평균 입경이 150㎛ 이하인 것을
    특징으로 하는 알루미늄 합금제 용접 구조체.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 고속 접합용 알루미늄 합금 용가재를 사용하여 용접을 행하는 것을
    특징으로 하는 알루미늄재의 용접 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    하이브리드 레이저 용접을 사용하는 것을
    특징으로 하는 알루미늄재의 용접 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    용접 속도를 1m/min 이상으로 하는 것을
    특징으로 하는 알루미늄재의 용접 방법.
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