KR960014513B1

KR960014513B1 - 알루미늄 부재의 용접 구조체와, 그 용접 구조체의 보호 방법 및 용사 피복 또는 용접용 선재

Info

Publication number: KR960014513B1
Application number: KR1019880002015A
Authority: KR
Inventors: 죤 헨리 홀로이드 니겔; 멕 스 캐만스 게오프레이
Original assignee: 알칸 인터내쇼날 리미티드; 데이스 볼
Priority date: 1987-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1996-10-16
Also published as: AU1206188A; IL85522A; IL85522A0; NO880800L; ATE62619T1; ES2021428B3; JPS63224896A; DE3862407D1; US4943492A; BR8800814A; NO880800D0; KR880010147A; GB8704251D0; EP0282174B1; IN172285B; EP0282174A1; JPH0561035B2; CA1308522C; AU595985B2

Abstract

내용 없음.

Description

알루미늄 부재의 용접 구조체와, 그 용접 구조체의 보호 방법 및 용사 피복 또는 용접용 선재

본 발명은 용접 가능한 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 일례로 알루미늄 어소시에이션 인코포레이티드(Aluminum Association Inc.)에서 7000시리이즈로 등록된 합금인, 아연과 마그네슘을 함유하는 고강도 합금에 관한 것이다. 이들 합금은 용접 성능에 유해한 영향이 있음에도 불구하고 대개 구리를 0.1% 또는 0.2%까지 함유하게 되며, 또한 미소한 양으로 망간, 크롬, 아연, 팃을 함유할 수도 있다. 이 합금들은 자연적으로 또는 인공적으로 시효 경화될 수 있으며, 주로 조성의 변화 및 열처리에 따라 폭넓은 범위의 기계적 특성이 얻어질 수 있다.

이 합금들에 관해서는 케이. 지. 켄트의 1970년 도판 Metallurgical Reviews 제147권, 제135면 내지 제146면에 기재되어 있다.

용접 작업에는 용접할 두 부재의 접합면을 접촉되게 배치시키는 작업과, 상기 접합면의 경계를 따라 용접비이드를 형성시키도록 용융 용가재(鎔加材)를 공급하는 작업이 필요한데, 용접되니 구조체의 강도를 최대화 시키기 위해서는 상기 용접 비이드는 피용접 부재들의 조성 및 특성에 가능한 한 가까운 조성 및 특성은 가져야만 한다. 기존의 용접 선재(wire : 線材)는 대개 5.25%의 마그네슘을 함유하는 알루미늄 합금이고, 이 경우 용접 작업중에 발생되는 확산에 의해 용접 비이드는 대개 피용접 부재들이 함유하는 아연 및 마그네슘 함유 비율과 거의 동등하다. 용접에 앞서 실행되는 상기 부재들의 열처리, 그리고 용접 구조체의 열처리는 종합적으로 요구되는 특성이 발견될 수 있도록 선택되게 된다.

용접 구조체를 현미경 검사해 보면, 피용접 부재와 용접 비이드간의 경계 부분과, 그 경계 부분에 인접한 대역에서는 용접 작업중에 피용접 부재의 모금속이 부분적으로 용융된다는 것을 알 수 있다. 상기 대역은 용융되지 않은 인접한 모재보다 상당히 적은 양의 석출물이 입자 내부에 함유되게 되는, 거의 구상의 재결 정화된 입자 구조를 갖는다. 여기서 일차상들은 근본적으로 입계에 존재하게 된다. 이러한 대역은 부식단면에서의 외관 때문에 백색 대역(white zone)으로서 불리우며, 이 용어는 본 명세서에서도 사용될 것이다(에이취, 쉬미델과 더블유, 그루홀의 1984년 도판 메탈 제38권 제32면 제37면 참조).

이러한 고강도 알루미늄 합금의 용접 구조체의 강도는 상기 백색 대역에서 발생되는 응력-부식 균열(stress-corrosion cracking)에 의해 감소될 수 있는데, 이러한 현상은 잘 알려진 것으로서, 과학 문헌에서도 폭넓게 논의된 바 있다(일례로, 상술한 에이취, 쉬미델의 저서 참조). 상기 현상은 통상 응력-부식 균열로 일컫는데, 가해지는 응력 및 부식 환경은 모두 균열을 진전시키는 요인이 된다. 알루미늄 합금은 아연과 마그네슘은 합한 함량이 약 6%를 초과하게 될 경우 균열이 발생되기 쉬운 것으로 알려져 있는데, 이에 관련하여 백색 대역은 아연과 마그네슘의 합계 함량이 상기한 한계량을 초과하기에 충분할 정도로 많은 양의 아연 함량을 함유하고 있다는 것이 보고된 바 있다. 엠. 에스. 라흐만(1982년도 판 제트. 메탈크데 제73권 제589면 내지 제593면 참조)은 백새 대역에서의 아연과 마그네슘의 함량을 낮추기 위해서 은이 첨가된 용접선재의 사용을 제안한 바 있다.

또 다른 종류의 부식 침입으로는 박리(exfolation) 부식을 들 수 있는데, 이 또한 관학 문헌(일례로 상기한 케이. 지. 켄트의 저서 참조)에 폭넓게 기재되어 있다. 박리 부식은 자연적으로 시효된 모재에서 발생할 수 있고, 부식 환경이 심각한 경우에는 자연적으로 시효되는 용접부의 열영향 대역(백색 대역에서 수mm범위내)에서 발생할 수 있다. 상기의 부식 침입은 주로 입간 부식이나. 용접부에 인접한 열영향 대역에서는 주상 부식일 수 있다. 이러한 부식은 외부 응력을 필요로 하지는 않지만, 다층의 부식 생성물이 형성될 수도 있기 때문에 응력 형태의 침입으로서 간주할 수 있을 것이다.

이러한 문제점들을 해결하기 위한 한 해결책은, 용접 비이드와 그 주위의 피용접 부재를 표면층으로 피복시켜 용접 비이드로의 부식 매체의 접근을 물리적으로 방지하는 것이다. 이러한 해결책은 그 표면의 일체성이 유지되는 경우에 한해서만 만족스러운 결과를 가져오게 된다. 만일 표면층에 결함이 있게될 경우, 균열부에서 전기 화학적인 조건이 형성될 수 있는데, 이때는 표면층이 없는 경우보다도 더욱 급속하게 용접부의 파괴가 발생할 수도 있다.

PCT 출원 제WO 83/02415호에는 용접전에 각 피용접 부재에 그 부재의 금속 보다 전위가 낮은 알루미늄 합금의 피막을 제공하는 것에 의해 다양한 형태의 응력 부식 균열로부터 구조체를 보호하는 방법에 관해 기재되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 있어서는 0.8%의 In을 함유하는 알루미늄 합금을 사용하고 있다. 그러나, 이러한 방식으로 피용접 부재를 미리 피복시키게 되면, 용접 부분의 강도가 심하게 저감하게 된다.

1986년도에 미합중국 금속협회에서 발간한 잡지 제8517-046호에서, 엔. 제이. 에이취. 홀로이드는 표면층을 용접 비이드와 피용접 부재들보다 전위가 낮게 형성시킴으로써 전술한 문제점에 대한 해결책을 제안하였다. 이에 의하면,

(1) 사용중에 발생하는 Al-Zn-Mg 용접부에서의 토어(toe) 균열 및 백색 대역 균열에 관련된 국부적인 환경 조건은 산성이며 모재판 응력 부식 균열의 조건과 유사하게 되어 있고,

(2) 전기 화학적인 대역, 즉 안전 전위 대역이 존재하고, 이 대역내에서 Al-Zn-Mg 용접부들은 토오 균열, 백색 대역 균열, 그리고 박리 등을 포함하는 모든 형태의 부식으로부터 보호받게 되며,

(3) 알루미늄의 용사(溶射) 피복에 의해 Al-Zn-Mg 용접부가 안전 전위 대역내에 유지되게 되어, 사용중의 문제점이 해소되게 된다.

라고 되어 있다. 상기 논문은 In 및/또는 Ga, 및/또는 Sn을 함유하는 표면 피박을 Al/Zn 합금에 사용하는 것에 관해 기재하고 있다. 그러나 그에 대한 비율이 상세하게 언급되어 있지 않고, 인용된 결과는 특히 산성 조건에서는 균일하게 성공을 거두지 못한 것이었다.

본 발명은 표면 피복에 의해 용접부를 만족스럽게 보호하는데 요구되는 다수의 미공개된 특성들을 확인하는 작업의 결과로써 이루어지게 된 것이다. 본 발명은, 알루미늄 합금의 표면층이 최소한 부분적으로 피복되어 있는 용접 비이드에 의해 알루미늄 합금 부재들을 접합시켜 이루어진 용접 구조체에 있어서, 상기 표면층은 0.02 내지 0.4중량%의 In과, 선택적으로 0.05 내지 1.1중량%의 Sn의 고용체 상태로 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체를 제공한다.

피용접 부재들은 일반적으로 중간 정도의 강도를 갖는 알루미늄 합금으로서, 일례로 용접 가능한 알루미늄 어소시에이션 인코포레이티드의 7000 또는 5000 시리이즈 합금이다. 용접 비이드의 정확한 조성은 중요하지 않은 것으로서, 용접 비이드는 5.25%의 마그네슘을 함유하는 알루미늄 합금의 용접 선재를 사용하여 기존의 방식으로 형성시킬 수 있다.

표면층의 두께는 전형적으로 0.1 내지 1.0mm, 특히 용사 피복에 의할 때 0.20 내지 0.375mm, 용접에 의할 때는 5mm 이내일 수 있다. 피막은 양측 용접 비이드에 피용접 부재의 표면위로 100mm 이내, 전형적으로 약 30mm의 거리에 걸쳐 연장되어야만 한다.

표면층은 바람직하게 다음의 조성(중량%)을 가질 수 있을 것이다.

조성 중량%

In 0.04 내지 0.4

Sn 0.05 내지 1.1

Al 잔부

그리고 선택적으로, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Ga 0.2%이하, Mg 6.0% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있음(여기서 알루미늄의 순도는 최소한 시판 알루미늄의 순도임).

표면층은 일례로 아아크 용사법 또는 화염(flame)용사법에 의해 용사 피복되는 것이 바람직하다. 성분의 휘발도에 따라 아아크 용사중에 휘발 손실이 발생된다는 것은 잘 알려져 있다. 실험을 한 결과 전형적인 아아크 용사중에 발생되는 휘발 손실은 다음과 같았다.

성분 손실 중량%

Zn 75 내지 95

In 60 내지 75

Sn 20%까지 취득

Ga 15 내지 25

화염 용사중에는 휘발손실이 상당한 정도로 발생하지 않게 된다. 아아크 용사 또는 화염 용사에 사용되는 용사용 선재 또는 다른 원료(stock)의 조성들은 후술하는 바와 같은 요인들 때문에 적절히 선택할 필요가 있다.

이와는 다르게 일례로 적당한 조성의 용사 선재를 사용하는 캠핑 패스(capping pass)에 의한 아아크 용접과 같은 용접에 의해 표면층을 제공할 수도 있을 것이다. 이러한 기술의 장점은 표면층의 위치를 용사 공정을 포함하는 방식의 경우 보다 정확히 제어할 수 있다는 것이며, 다른 장점으로는 접근하기 곤란한 지역에 피막을 제공하기가 용이하고, 피복에 앞서 용접 표면을 준비할 필요성이 없다는 것을 들 수 있다. 표면층은 용접 비이드 표면의 최소한 일부를 덮어야만 하며, 바람직하게는 피용접 부재들의 인접 표면들과 용접비이드의 가장자리들을 덮여야만 하며, 용접 비이드 전체를 덮을 필요는 없다.

표면층내에 아연은 7중량% 이내, 바람직하게는 0.1 내지 1.5중량%로 존재하게 된다. 아연의 주요한 역할은 상업상의 아아크 또는 화염 용사중에 필요하게되는 냉간 인발후의 용사 선재의 강성(stiffness)에 기여하는 것이다. 그러나, 아연은 그 자체로는 중성, 또는 특히 산성의 환경내에서의 용접 비이드의 부실을 방지하기에 충분한 정도의 전기 음성 전위를 발생시킬 수 없다.

표면층내에 망간은 5.0중량% 이내, 바람직하게는 0.02 내지 0.5중량%로 존재하게 된다. 아연과 마찬가지로 망간도 내간 인발후의 용사 선재의 강성에 기여하는데, 이를 위해서는 함량이 0.1중량% 이내이면 충분하다. 아연에 비해 망간은 아아크 용사 공정중에 크게 휘발되지 않는 장점이 있고, 이에 의해 아아크 용사실내의 분위기를 청정시키는데 기여하게 된다. 망간은 In의 함량이 높은(0.4% 이내) 합금들을 안정화시키는데 도움을 주며, 또한 후술하는 바와 같은 철의 유해한 영향에 대해 반작용을 하여 사용할 기본 금속인 알루미늄의 순도를 보다 낮게할 수 있게 하는데 도움을 준다. 유용하게, 표면층은 아연(0.1 내지 1.5%)과 망간(0.02 내지 0.5%)을 모두 함유할 수 있다.

In은 Sn과 함께, 보다 적은 함량의 Ga에 대해, 표면층이 용접 구조체의 전기 화학적 보호를 위해 필요한 음성 전위를 획득할 수 있게 해주는 활성제 성분으로 작용하는데, 이를 위해 함량이 최소한 0.04%가 되어야만 한다. 인듐 함량의 상한은 예기치 못하게 제한 받게 된다. 0.35중량%의 인듐을 함유하는 고온 압출 용사선재(2mm의 직경)는 습한 공기중에서 심하게 입계 저질화되게 된다. 냉간 압연에 의해 제조되는 선재는 상술한 바와 같은 함량에 따른 문제점을 없애거나 줄일 수 있다. 그러나, 이 선재로 제조된 화염 용사에 의한 피막은 수주내에 공기중에서 분말로 환원되게 되며, 아아크 용사에 의한 피막은 보다 국부적인 형식의 침입을 받게 된다. 이러한 문제점들을 해소시킬 수 있게 하기 위해서는 표면층내의 인듐의 최대 함량을 망간과 마그네슘이 없는 상태에서 0.16중량%로 하는 것이 바람직하며, 또는 0.04 내지 0.10중량%의 범위가 바람직하다. 마그네슘은(망간과 함께) 인듐 함량이 높은 표면층을 부식으로부터 보호하는데 있어 의외의 효과를 나타낸다. 따라서, 마그네슘이 존재하는 경우는 인듐의 함량을 0.4중량%까지 높일 수 있다. 인듐은 표면층을 보다 전기 음성적으로 만드는데 있어 활성제 특성을 가지고 있는 외에도, 용사 선재의 강성에도 기여한다.

표면층의 Sn 함량은 바람직하게 0.05 내지 1.1중량%이며, 특히 0.12 내지 0.50%가 바람직하다. 0.025중량%의 Sn 함량에서, 인듐 함량이 낮은 용사 피막은 산성염 분위기에서 충분한 시간의 안정성을 갖게 되는 전기 화학적 전위를 더 이상 제공할 수 없게 되나. In과 Sn 성분들은 표면층의 알루미늄 합금 메트릭스(matrix)내에 대체로 고용체 상태로 존재하는데, 이것은 100옹스트럼에 이르는 인자들을 분해시킬 수 있는 시험 방법에 의해서는 석출물이 검출되지 않는다는 것을 의미하는 것이다. 만일 Sn(또는 In)이 매우 미세한 석출물로서 또는 조기 석출 클러스터(cluster)로서 존재하는 경우, 본문에서는 이것을 고용체 상태에 있다고 간주하고 있다. 이들 두 성분의 유리한 효과는 이들이 석출물 형태로 존재하는 경우 동일한 정도로 관찰되지 않을 것이 분명하다.

Sn은 고체 알루미늄 내에서는 매우 제한된 용해도를 갖는다. 평형 용해도의 한계는 약 620℃에서 0.12중량%이며, 온도 감소에 따라 급하게 감소한다. Sn 함량이 용해도 한계를 초과하게 되면, Al-Sn 합금이 종래 방식으로 주조되며 서서히 냉각되고 또는 190℃ 또는 그 이상의 온도에서 평형이 이루어지게 될 때 초과 Sn은 석출물로서 나타나게 된다. 그러나, Al-Sn 용액이 충분히 급속하게 냉각되면 Sn은 주위 온도에서 오랜기간 동안 안정하게 되는 알루미늄 메트릭스 내에 과포화 용체를 형성할 수 있다. 아아크 용사법 및 화염용사법은 스플랫(splat) 냉각과 다소 유사한 기술로서, Sn은 과포화 용체로 만들기에 충분한, 약 105 내지 1060K/S의 급속 냉각 속도를 유발시킨다. 이러한 현상은 완전히 다른 상황에도 불구하고 1970년도판 Scripta Metallurgica 제 4 권 525면 내지 528면에 기재된 에이. 키린의 논문에 보고된 바 있다.

Ga는 표면층을 보다 높은 전기 음성 전위를 갖게 유지시키는데 도움을 줄 수 있는 또 다른 활성제 성분으로서 함유된다. 그러나, Ga의 최대 함량은 0.2중량%로 제한되는데, 그 이유는 상기 함량보다 높게 되면 자기 부식(self-corrosion)이 상당히 크게 되기 때문이다.

마그네슘은 0.01 내지 6.0중량%로 존재할 수 있는데, 마그네슘은 상술한 바와 같이 인듐을 함유하는 합금의 산화를 완화시켜 주며, 그리하여 In의 함량이 보다 높은 것이 사용될 수 있게끔 해준다.

표면층의 잔부는 최소한 상업적인 순도(99.2%)를 갖는 알루미늄으로서, 순도가 고순도(99.9%) 또는 순도가 아주 높은(99.98%) 알루미늄을 사용하게 되면 비용은 증가하나 보다 높은 결과를 얻을 수 있다. 알루미늄에서 주불순물은 철로서, 이 철은 다른 경우에 비해 표면층의 전기 음성도를 낮게 하는 바람직하지 못한 특성을 가지고 있다. 본 출원인의 전기화학적 데이터에 의하면 알루미늄의 순도에 의한 효과는 산성염 및 중성염 분위기 모두에서 각각 고순도(철의 함량이 약 0.08%) 및 상업적인 순도(철의 함량 약 0.2%)의 경우 각각 +30 및 +80mV로서 초고순도(철의 함량 약 0.02%)와 비교할 때 유사하다는 것을 알 수 있다. 철이 약 0.04%를 초과하여 함유되게 되면, 전기 화학적인 보호를 위해 요구되는 전위를 제공할 수 있도록 In/Sn의 첨가량을 보다 높게 해야할 뿐만 아니라, 자기 부식율을 증가시키게 된다. 그런, 표면층이 상술한 바와 같이 Mn을 함유하는 경우에는 상긴한 바와 같은 단점을 어느정도 보완시킬 수 있다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 정합시켜 이루어진 용점 구조체를, 아아크 용사법에 의해 용접 비이드에 알루미늄 합금으로된 표면층을 피복시키는 것에 의해 보호하는 방법에 있어서, 하기 조성의 아아크 용사 원료를 사용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체의 보호 방법을 제공한다.

조성 중량%

In 0.06 내지 1.6

Sn 1.1 이하, 바람직하게는 0.03-1.1

Al 잔부

그리고 선택적으로, Zn 20% 이하, Mn 5.0% 이하, Ga 0.26% 이하, Mg 10% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있음(여기서, 알루미늄의 순도는 최소한 시판 알루미늄의 순도임).

또 다른 측면에서, 본 발명은 용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 접합시켜 이루어진 용접 구조체를, 화염 용사법에 의해 용접 비이드에 알루미늄 합금으로된 표면층을 피복시키는 것에 의해 보호하는 방법에 있어서, 하기 조성의 화염 용사 원료를 사용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체의 보호 방법을 제공한다.

조성 중량%

In 0.02 내지 0.4

Sn 1.1 이하, 바람직하게는 0.05-1.1

Al 잔부

그리고 선택적으로, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Ga 0.20% 이하, Mg 6% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있음(여기서, 알루미늄의 순도는 최소한 시판 알루미늄의 순도임).

또 다른 측면에서, 본 발명을 용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 접합시켜 이루어진 용접 구조체를, 용접에 의해 용접 비이드의 최소한 일부에 하기 조성을 갖는 알루미늄 합금으로된 표면층을 피복시키는 것에 의해 보호하는 방법을 제공해 준다.

조성 중량%

In 0.02 내지 0.4

Al 잔부

그리고 선택적으로, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.2% 이하, Mg 6.0% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있음(여기서, 알루미늄의 순도는 최소한 시판 알루미늄의 순도임).

공지의 방식으로 적당한 아아크 용사 조건 또는 화염 용사 조건을 사용하게 되면 상술한 바와 같은 조성의 알루미늄 표면층에 의해 용접 비이드가 피복되는 용접 구조체가 얻어지게될 것이다. 아아크 용사 원료 또는 화염 용사 원료는 전형적으로 1 내지 5mm의 직경을 갖는 선재인데, 이러한 마그네슘을 함유하지 않거나 3% 이내로 함유하게 되는데, 이에 의해 신규한 것이며 본 발명의 또 다른 특징을 이루고 있다.

아아크 용사용 선재는 다음의 조성을 가지고 있다.

조성 중량%

In 0.06 내지 0.64

Sn 1.1 이하, 바람직하게는 0.03-1.1

Al 잔부

그리고 선택적으로, Zn 20% 이하, Mn 5.0% 이하, Ga 0.26% 이하, Mg 3% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있음(여기서, 알루미늄의 순도는 최소한 시판 알루미늄의 순도임).

화염 용사용 선재는 다음의 조성을 가지고 있다.

조성 중량%

In 0.02 내지 0.16

Sn 1.1 이하, 바람직하게는 0.05-1.1

Al 잔부

그리고 선택적으로, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Ga 0.20% 이하, Mg 3% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 포함할 수 있음(여기서, 알루미늄의 순도는 최소한 시판 알루미늄의 순도임).

이하 본 발명의 실시예에 관해 설명한다.

실시예 1

아아크 또는 화염 용사 피복법에 의해 비이드에 표 1의 조성을 갖는 표면층을 공급하였다. 그 용접부를 염화 수소산으로 pH 3까지 산성화시킨, 0.5%의 제2크롬산 염화나트륨과 2%의 염화나트륨을 함유하는 용액중에 또는 3% 염화나트륨과 용액중에 침지시킨 상태에서 낮은 변형율의 시험에 의해 시험하였다. 인장 시험방법 및 요접부와 코팅물의 제조에 관한 상세한 설명은 상술한 바와 같은 ASM 잡지 8517-046호에 기재되어 있다. 자유 부식 전위에서의 그리고 +50microamps/㎠의 과전류 하에서의 시험 조건들에 대한 파쇄 신장율 및 파괴를 초래하는 균열의 위치는 표 2에 기재하였다. 또한, 용접부가 그래도 유지되거나 아니면 아연만을 함유하는 알루미늄 합금 피막에 의해 보호된 경우 용접부의 토오에서 존재하는 경향이 있는 균열에 의한 파쇄에 대한 저신장율을 기록하였다. 인듐, 주석, 갈륨의 첨가에 의해 신장율이 증가하고 인쇄 부위가 용접부의 평면으로부터 멀리 이동하는 경향이 있었다.

용접부 토오 균열은 중성의 염화물 분위기에서 보다는 산성 분위기에서 보다 쉽게 발생하고 진전되었다. 산성 조건에서 그리고 양극의 과전류에 의해 시험을 하는 경우 연성이 저하되는 경향이 있었다. 다수의 피막은 모든 시험 조건하에서 용접부 토오 균열 또는 백색 대역 균열에 반발하는 보호 역할을 하였다. 또한, 폭넓은 범위의 피막은 중성 조건하에서 또는 시험이 자유 부식 전위에서 이루어질 때 보호 역할을 제공하였다.

실시예 2

실시예 1에서 설명한 바와 같이 피복시킨 용접 비이드를 본 실시예에서 준비한 용액에 침지시키고, 자유부식 전위(FCP)에서 100시간 경고시킨 후에 전기 화학적 전위를 측정하였다. 그 뒤에 +50microamps/㎠의 전류를 가하고 전위를 70시간 동안 기록하고, 시험 종료시에 전압을 표 3에 기재하였다. 윈도우에서 -1130 내지 -1200MW 사이의 전위를 발생시킨 피복된 용접부는 또한 저속 인장 시험중에 용접부로부터 멀리 떨어져 파쇄되고 높은 연성을 제공하였다(표 2 참조). 이러한 윈도우의 존재는 상술한 ASM 잡지 8517-046호에서 보고된 바 있다. 결론적으로, 용접부상의 용사 피막은 상기 윈도우내에서 전위를 발생시키고 유지시킬 수 있게 선택된 조성을 가져야만 한다.

이제, 보다 덜 심각한 조건하에서는, 즉 일례로 중성의 염화물 용액중에서는, 용접부 토오 균열 또는 백색대역 규열은 -1100 내지 -1300MV의 폭넓은 전기 화학적 전위에 걸쳐 발생하지 않는 경향이 있다는 것이 밝혀졌다.

실시예 3

표 1의 시료 15를 용사후에 수개월 동안 실온에서 유지시킨 상태로 한 후 박편으로 만들고, 피막은 후방으로 방사되는 전자를 이용하는 SEM에 의해 시험되었다. 이 기술에 의하면 직경이 75옹스트럼 보다 굵은 석출물들을 분해할수 있다. 시험 결과, 주석 또는 인듐의 석출이 발생하는 증거가 전혀 발견되지 않았다.

그뒤에 주석, 마그네슘, 인듐, 또는 아연을 함유하는 석출물에 관한 시료를 시험하기 위해 전파식 증속조직 분석을 이용하였다. 이 기술에 의하면, 100옹스트럼 보다 굵은 입자를 분해시키고 분석할 수 있다. 그러나, 이에 의해서도 용사중에 침입된 산화물에 의해 발생되는 아연 또는 산소 함유의 굵은 입자들 외에는 상기 성분들을 함유하는 어떤 미세한 석출이 발생했다는 증거가 전혀 없었다.

결론적으로, 피막중의 합금 첨가물들을 고용체 상태로 또는 직경이 5옹스트럼 미만인 아주 미세한 석출물로서 존재하였다. 에이. 키린의 상술한 논문에 보고된 스플랫 냉각 시험에 의한 결과에 의해, 주석은 실제로 고용체 상태에 있다는 것을 알 수 있었다.

F=화염 용사에 의한 피막

A=아아크 용사에 의한 피막

*=SEM 및 프로브 워크에 사용된 합금

**=수일내에 분말로 됨

CP=상업적인 순도 HP=고순도 SP=초고순도

( ) 50㎂/㎠

T 용접부 토오에서 파괴

P 모재에서 파괴

( ) 50㎂/㎠ 70시간 후

-100시간 후 자유 부식 전위

실시예 4

실시예 1에서 설명한 조건하에서 화염 용사를 시키는데, 5.25%의 마그네슘, 0.35%의 인듐, 0.2%의 Sn을 함유하는 초고순도의 알루미늄 합금으로된 활성 용접 선재를 사용하였다. 이와 같이 하여 피복시킨 용접 비이드를 pH 3의 산성염 용액중에서 실시예 1에서 설명한 바와 같이 시험하였다. 자유 부식 전위하에서의 파쇄 신장율은 5.6%였으며, 파쇄는 용접부의 토오에서 발생하였다. 전기 화학적인 전위는 -1360mV였으며, 이 전위는 -1260mV까지떨어졌다.

본 실험에 있어서, 용접 비이드는 과보호되었다. 보다 적은 비율의 In을 함유하는 합금을 선택함에 따라, 효과적인 부식 보호를 이룰 수 있게 하고 전기 화학적 전위를 요구되는 -1130 내지 -1200mV의 윈도우내에 유지시키는 것이 가능하였다.

또한, 실험에 의하면 In의 함량이 높은 선재는 Mg를 사용하여 안정화 시킬 수 있는데, 이 경우 Mg가 없을 때는 급속하게 입간 부식을 받게 될 것이다.

실시예 5

실시예 1에서 설명한 바와 같은 용접 비이드상에 0.06% 인듐을 함유하는 초고순도의 알루미늄 합금을 화염 용사시켰다. pH 3에서 실시예 1에서 설명한 바와 같은 저변형율의 시험을 한 결과, 파쇄 신장율은 6% 였으며, 용접부의 토오에서 파쇄가 발생하였다. 자유 부식 전위는 -1150mV였으나, -1000mV로 떨어졌다. 상기 합금에 Sn을 소량 첨가하면 상기의 떨어짐을 방지할 수 있고, 안정되고 효과적인 보호가 이루어졌다.

실시예 6

본 시험에 사용된 성분은 1%의 아연을 함유하는 5083 합금이었으며, 고온 및 저온 변형을 거쳐 제조중에 변경 경화되었다는 것을 의미하는 -H 321 템퍼 상태에 있었다. 시판하는 NG61(Al, 5.25% Mg)의 용접선재를 사용하여 15mm 두께의 판을 용접하였다. 초고순도의 Al-1%의 Zn-0.16%의 In-0.10%의 In-0.10%의 Sn 선재를 사용하는 아아크 용재에 의해 용접 비이드에 Al-0.14%의 Zn-0.06%의 In-0.10%의 Sn의 피막을 제공하였다. 그 뒤에, 피복된 용접부를 150℃에서 3일간 열처리하여, 용사 피막이 없는 경우 열영향 대역에서 용접부 토오 균열 및 박리 부식을 받게 될 수 있는 감수성 상태를 제공하였다.

그 뒤에, 용접부들을 실시예 1에서 설명한 바와 같은 조건하에서, 그러나 3%의 NaCl, 0.3%의 H2O2, 매우 유력한 응력 부식 균열 시험 용액을 사용하여 저변형율의 시험을 하였다. 변형율은 7000 시리이즈 합금에 대한 이미 상술한 실시예에서 사용된 것의 5배였다. 그 결과는 다음과 같았다.

- 건조 환경에서 시험한 아아크 용사 피복 용접부는 4.0%의 파쇄 신장율을 나타내었다.

- 시험 용액중에서 시험한 아아크 용사 피복 용접부는 4.0%의 파쇄 신장율을 나타내었다. 자유 부식 전위는 -1120mV였다.

- 시험 용액중에서 시험한 비피복 용접부는 0.9% 파쇄 신장율을 나타내었다.

- 5083 합금에서의 용접부 파쇠는 건조 조건하에서도 용접부 토오에서 발생하게 된다. 건조 파괴는 용접부 토오로부터 직접 열영향 대역을 통해 진전되었다.

실시예 7

본 실시예는 용접에 의한 표면 피막의 제공을 도포를 나타내는 것이다. T 651 템퍼 상태의 7117 합금 성분을 시판되는 NG 61 합금인 용접 선재의 단일 패스를 사용하여 용접하였다. 캡핑 패스는 Al-1%의 Zn-0.16%의 In-0.1%의 Sn 조성을 갖는 아아크 용사용 선재를 사용하는 아아크 용접을 포함한다. 다음과 두가지의 용접부가 얻어졌다.

a. 표면 피막은 용접 비이드에 한정되어 있었으며, 용접 비이드의 가장자리나, 용접된 부재들의 인접 표면들은 피복되지 않았다.

b. 표면 피막은 용접 비이드 뿐만 아니라, 용접의 부재의 인접 표면들과 가장자리에도 피복되었다.

이 용접부들은 실시예 1에서 설명한 바와 같은 산성염 용액에서 또는 건조 분위기중에서 저변형율의 시험을 하였다. 그 결과, 다음의 결과가 얻어졌다.

용접부 b에 대한 파괴는 용접부의 표면 피막의 가장자리로부터 발생한다. 인듐의 함량은 0.20%까지 증가시키고 마그네슘을 아아크 용사용 선재의 부식을 방지하기에 충분할 정도의 양으로 첨가시키게 되면, 용접부 a와 b의 결과가 개량되었다.

표면층을 형성시키기 위한 용사용 선재를 조성하는 경우, 상술한 바와 같이 다수의 용인을 고려해야만 하는데, 그러한 요인들은 다음과 같다.

a) 용인할 수 없는 산화를 방지시킬 수 있도록 표면층 중의 인듐 함량은 0.16% 미만으로 유지되어야만 한다. 만일 마그네슘 및/또는 망간이 표면층에 함유되어 있는 경우에는, 인듐 함량에 대한 제한이 필요없게 된다.

b) 자기 부식의 위험을 방지시킬 수 있도록 Ga의 함량은 0.20% 미만으로, 그리고 바람직하게는 0.05%미만으로 유지되어야만 한다.

c) Sn(그리고 또한 In)은 고용체 상태로 존재해야만 한다.

d) 적당한 강성의 용상용 선재를 제공하기에 충분한 양의 아연(및/또는 마그네슘 및/또는 망간)이 존재해야만 한다. 아연, 또는 마그네슘, 또는 망간의 첨가 필요성이 없으면 인듐이 적당한 강성을 제공할 수도 있을 것이다.

e) 알루미늄의 순도는 충분히 높여야만 한다. 초고순도 대신에 고순도 또는 상업적인 순도의 알루미늄을 사용하게 되면, 철 함량의 증가로 인해 자유 부식 전위(FCP)가 상기 각 경우에 대해 약 30mV 및 약 80mV까지 증가하게 되고(즉, 표면층의 전기 음성도가 낮아지게 되고), 이를 보상하기 위해서는 In, Sn, Ga, Zn의 함량을 증가시킬 필요가 있다. 또한, 철의 망간과 상호 작용하여 각 조건에 따라 표면 피막의 전위를 증가 또는 감소시키게 된다.

f) 표면층이 아아크 용사에 의해 제공되는 경우는, 용사용 선재의 조성을 위해 상술한 바와 같이 소정의 성분, 특히 Zn, In, Ga, Mg의 휘발 손실을 고려하여야만 한다.

Claims

알루미늄 합금으로된 표면층이 최소한 부분적으로 피복되어 있는 용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 접합시켜 이루어진 용접 구조체로서, 상기 표면층의 조성(중량% 단위)은

In 0.02 내지 0.4

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)

를 구비하며, 그리고 Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.2% 이하, Mg 6.0% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소를 선택적으로 포함하여 이루어지고, In과 Sn이 고용체 상태로 존재하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
제1항에 있어서, 상기 표면층은 하기의 조성(중량% 단위)을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.

Zn 0.1-1.5

In 0.02-0.16

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)
제1항에 있어서, 상기 표면층은 하기의 조성(중량% 단위)을 갖는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.

Mn 0.02-5.0

In 0.02-0.16

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)
제2항에 있어서, 상기 표면층은 0.02 내지 0.5중량%의 Mn을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
제1항에 있어서, 상기 표면층내의 Mg 함량은 0.01 내지 6중량%이고, In 함량은 0.02 내지 0.16중량%인 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
제1항에 있어서, 상기 표면층내의 상기 Sn 함량이 0.05 내지 1.1중량%인 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 상호 접합시킨 용접 구조체를, 아아크 용사법에 의해 상기 용접 비이드에 알루미늄 합금으로된 표면층을 피복시킴으로써, 보호하는 방법에 있어서, 하기 조성(중량% 단위)의 아아크 용사 원료를 사용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체의 보호 방법.

In 0.06 내지 1.6

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)

그리고, Zn 20% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.26% 이하, Mg 10% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소.
용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 상호 접합시킨 용접 구조체를, 화염 용사법에 의해 상기 용접 비이드에 알루미늄 합금으로된 표면층을 피복시킴으로써, 보호하는 방법에 있어서, 하기 조성(중량% 단위)의 화염 용사원료를 사용하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체의 보호 방법.

In 0.02 내지 0.4

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)

그리고, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.20% 이하, Mg 6% 이하로 이루어진 금속군중에서 1종 또는 1종 이상의 원소.
용접 비이드에 의해 두 개의 알루미늄 합금 부재를 상호 접합시킨 용접 구조체를, 용접에 의해 상기 용접 비이드에 하기 조성(중량% 단위)의 알루미늄 합금으로된 표면층을 최소한 부분적으로 피복시킴으로써, 보호하는 것을 특징으로 하는 용접 구조체의 보호 방법.

In 0.02 내지 0.4

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)

그리고, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.2% 이하, Mg 6.0% 이하로 이루어진 금속군중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 원소.
하기 조성(중량% 단위)을 갖는 것을 특징으로 하는 아아크 용사 피복용 선재.

In 0.06 내지 0.64

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)

그리고, Zn 20% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.26% 이하, Mg 3% 이하로 이루어진 금속군중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 원소.
하기 조성(중량% 단위)을 갖는 것을 특징으로 하는 화염 용사 피복용 선재.

In 0.02 내지 0.16

Al 잔부(최소한 99.2%의 순도로됨)

그리고, Zn 7.0% 이하, Mn 5.0% 이하, Sn 1.1% 이하, Ga 0.20% 이하, Mg 3% 이하로 이루어진 금속군중에서 선택된 1종 또는 1종 이상의 원소.
제1항에 있어서, 상기 피용접 부재중의 하나 또는 모두가 7000 시리이즈 합금인 것을 특징으로 하는 용접 구조체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면층의 알루미늄 순도는 99.9% 이상인 것을 특징으로 하는 용접 구조체.