Fronius의 열 유입이 적은 알루미늄과 강의 접합 기술

최신 자동차들은 다양한 재료를 이용한 스마트한 경량 구조를 통해 환경 기술 요건들을 충족하고 있다. 이를 위해서 다양한 재료들을 접합하고 있다. 한 용접 전문업체가 알루미늄과 강의 결합과 관련하여 새로운 기술을 선보였다.

아네테 오르트(Annette Orth): Fronius Deutschland GmbH 홍보 담당

자동차 산업에서 차체를 제작하는 과정에는 다양한 재료를 조합한다. 알루미늄이나 섬유 강화 플라스틱은 차체 중량을 현저히 줄여주고 성능을 높여 연료 소비량을 낮추기 때문이다. 그리고 점점 강화되는 배기가스 규정은 최신식 경량 구조 없이는 준수할 수 없다. 따라서 오늘날의 차량은 가장 작은 디테일한 부분까지 조합한 재료 조합을 특징을 갖는다. 각각의 부품들이 무게가 최소화될 때에 가장 적합하게 기능한다. 이런 특성과 관련하여 다양한 재료들을 공정 상 안전하게 서로 접합하는 기술은 실현해야 되는 도전 과제이다.

접합 온도가 품질을 만든다

자동차 경량 구조에서 가장 빈번하게 사용하는 조합은 알루미늄과 강의 결합이다. 일반적으로 비용을 절감하기 위해 아연 도금된 강판의 플랜지 영역에 알루미늄 부품을 용접하고, 보디 쉘 라인은 스폿 용접으로 부품을 접합한다. 이때 두 재료는 열 팽창, 열 전도, 내부식성 등과 같이 매우 다른 물리적 및 화학적 특성을 지니고 있다는 점에 유의해야 한다. 이러한 차이점은 용접 접합부의 품질과 강도에 부정적인 영향을 끼치고 이어지는 제조 프로세스의 성형성도 제한하기 때문이다.

이에 대한 원인은 강과 알루미늄 용접 시 두 재료가 접촉하고 용융되는 곳에서 형성되는 이른바 금속간 상에 있다. 이 층은 깨지기 쉽고 균열과 공극 형성에 취약하다. 오스트리아 그라츠에 본사를 두고 있는 국제적인 자동차 부품업체 magna Steyr도 바로 이 점의 영향을 많이 받고 있다. Magna Steyr는 알루미늄과 강의 용접 부품의 생산 비용을 낮추기 위해 접합 프로세스 연구에 집중하여 접합 온도가 용접심 품질에 결정적인 영향을 끼친다는 것을 알 수 있었다.

해답은 냉간 용접 프로세스!

Fronius의 CMT 용접 프로세스(좌측)는 용접 열이 접합 지점에 부담을 주지 않기 때문에 알루미늄과 강을 공정 안전하게 효율적으로 접합할 수 있다.

용접 시 열 유입이 원치 않는 금속간 상 두께의 형성을 결정하기 때문이다. 테스트 결과 안정적인 용접 접합부를 얻으려면 이 부분이 10 μm를 초과하지 않는 것이 좋다는 결과가 나왔다. 이를 위해 전문가들이 용접 온도가 알루미늄의 용융 온도는 초과하지만 강에서 아연 층의 기화 온도 아래로 유지되도록 온도 추이를 제어했다. 이는 대부분의 아크 프로세스에서 희망 사항이었고, Magna Steyr는 Fronius가 개발한 „냉간“ 용접 프로세스인 CMT(Cld Metal Transfer)에서 마침내 해답을 얻었다.

CMT 프로세스는 아크 연소 단계를 매우 짧게 유지하고 열 유입이 줄어든다. 또한 용접해야 할 부품으로 유입되는 에너지를 단계 없이 조정할 수 있다.

CMT 프로세스는 다른 MIG/MAG 프로세스에 비해 용접심 영역에 열 유입을 줄여준다. 비법은 단락 효과를 스스로 감지하고 와이어 후퇴를 통해 드롭 분리를 지원하는 디지털 프로세스 제어에 있다. 용접할 때에 와이어가 용접심 방향으로 이동하고 단락이 되는 순간, 와이어가 다시 멀어진다. 이런 과정을 통해 아크 연소 단계는 짧아지고 열 부하는 최소로 유지된다. CMT는 용접해야 할 부품으로 유입되는 에너지를 단계 없이 조정할 수 있어, 스패터 없는 재료 전환과 최적의 용접 결과를 얻을 수 있다. 이로써 CMT는 CO2와 다른 보호 가스로 강 접합부를 용접하기에 적합하며 강과 알루미늄의 접합에도 유리하다. 이 용접 기술은 기본 재료인 강이 용융되지 않고 습윤만 되기 때문에 자동차 산업에서 공정 안전하게 사용할 수 있는 전제 조건이 되었다.

접합부가 요건을 충족한다

Magna Steyr는 Fronius의 CMT 용접 프로세스를 이용하여 용접 와이어를 지속적으로 최적화하고 특성 면에서 다른 금속인 강과 알루미늄을 공정 안전하고 효율적으로 열적 접합할 수 있는 방법을 개발하였다. 정확하게 정의된 용접 매개변수 설정으로 금속간 상을 확실하게 10 μm 아래로 유지할 수 있다. 접합부의 기계적 특성은 자동차 산업에서 제시하는 모든 요건을 충족한다. CMT는 지금까지 적용된 방법들에 비해 양면이 아닌 한 면만 용접하면 된다는 장점도 제공한다. 이는 비용을 낮추고 작업을 수월하게 만들어, 펀치 리벳팅과 같은 추가적이고 비용이 많이 드는 접합 프로세스도 생략할 수 있다. 그로 인해 수익성이 상승한다.