일반적으로 알루미늄 합금의 용접은 기공 및 균열이 쉽게 생성되어 용접부 불량을 일으키는 특성과 높은 빛에 대한 반사율로 인하여 레이저 용접이 어려운 소재 중 하나이다. 하지만 본 연구에서는 빔품질이 매우 우수하며 높은 출력으로 발진할 수 있는 디스크 레이저를 활용하여 산업용 알루미늄 합금인 AA6451 2 mm 판재와 AA6014 1.2 mm 판재의 이종알루미늄합금 레이저 겹치기 용접을 진행하였다. 상부에 AA6451을 두고 그 아래에 AA6014를 겹쳐 지그로 고정 후 레이저를 조사하였다. 두 소재 모두 Mg 과 Si가 포함되어 있어 레이저를 이용한 직접 용접시 기공을 쉽게 생성할 수 있다.

Figure 2는 AA6451이 상부에 위치하는 경우, 레이저 출력 5 kW 조건에서 용접속도 변화에 따른 용접비드 상하부를 관찰한 사진이다. 용접속도가 빨라짐에 따라 상·하부 용접 비드폭이 감소하며 용접속도에 따른 비드형상 변화도는 이면비드쪽이 더 컸다. 특히 용접속도 50 mm/s의 조건에서는 부분관통 용접이 진행되었으며 45 mm/s 에서는 일부 부분관통이 발견된다. 45 mm/s 용접속도 조건에 비하여 40 mm/s의 조건이 조사되는 레이저로부터 공급받는 에너지 량이 증가하기 때문에 부분관통 영역이 증가한다. 모든 조건에서 용접이 진행될수록 아래 소재부의 이면비드 생성량이 증가한다. 이와 같이 용접이 진행될수록 관통영역이 상승하는 것이 확인되는 이유는 알루미늄 소재의 높은 반사도와 열전도도 특성으로 레이저 빔이 조사되는 초기 공정에서는 소재에 전달되는 에너지 즉, 입열량이 비교적 적기 때문이다. 또한, 레이저 조사가 진행됨에 따라 소재에 열이 축적되고 알루미늄 소재의 표면온도가 상승하여 레이저 빔의 흡수율이 상승하기 때문에 공정이 진행됨에 따라 동일 레이저 조사 조건에서도 소재에 전달되는 에너지 량이 증가되면서 이면까지 관통되는 조건이 관찰된다고 사료된다.

Figure 2: 
Weld bead appearance of AA6451-AA6014 laser lap dissimilar welding by change welding speed at 5 kW laser power

Figure 3은 Figure 2에서 관찰된 소재의 단면 중 대표적인 단면부를 나타낸다. 거의 모든 조건에서 기공이 관찰되며 용접속도 30 mm/s와 40 mm/s에서 비교적 기공의 양이 적은 것이 확인 되나 두 소재의 겹침부 위주로 발생된 기공으로 용접강도에 취약한 특성을 가진다. 더불어 관통용접 조건에서 용융금속이 하부로 밀려난 것이 확인되며 이러한 경향은 용접속도가 빠를수록 줄어드는 것이 확인된다. 용접속도 50 mm/s의 조건에서 직경 1 mm가 넘는 기공이 관찰되었다.

Figure 3: 
Cross-sectional images of AA6451-AA6014 laser lap dissimilar welding by change welding speed at 5 kW laser power

앞의 조건과는 달리 시편의 위치를 AA6014 상부로 한 경우 레이저 출력 5 kW의 조건에서 겹치기 용접을 진행한 용접결과를 Figure 4에 나타내었다. 용접속도의 증가에 따라 상·하부 용접비드의 폭이 감소하는 경향을 보인다. 용접속도 45 mm/s이상에서 일부 부분관통 영역이 존재하나 AA6451이 상부에 위치하는 조건과 비교하면 관통용접이 쉽게 일어나는 것이 확인 되었다. 이는 소재 표면처리 및 재료특성에 의한 미세한 레이저 빔 흡수율과 상부 소재에서의 열전도 특성이 소재 두께의 변화에 따른 영향에 의할 수 있다고 판단된다. 또 다른 변수로는 내부 기공생성 및 소재의 용융 메커니즘의 차이로 인하여 용접시 생성되는 키홀의 움직임 및 용접금속 유동변화에 기인할 수 있어 이에 따른 심화 연구를 추후 더 진행하고자 한다.

Figure 4: 
Weld bead appearance of AA6014-AA6451 laser lap dissimilar welding by change welding speed at 5 kW laser power

Figure 5는 Figure 4의 용접비드를 단면으로 잘라 연마 및 에칭처리 하여 용융금속을 관찰한 대표사진을 열거하였다. AA6451상부의 조건(Figure 3)과 비교하여 비교적 저속의 용접속도인 30 mm/s 조건을 관찰해 보면 용접부 전반적으로 다량의 기공이 분포되어 있는 것이 확인된다. 기공이 분포하는 영역을 보면, AA6451상부의 조건에서는 두 소재의 맞닿는 경계부를 중심으로 기공이 형성되나, AA6014 소재가 상부에 위치하는 조건에서는 비드 전반적으로 기공이 분포되어 있으며 관찰된 기공 중 직경 0.5 mm를 넘는 기공이 모든 조건에서 관찰되지 않았다. 또한, 용접속도가 증가할수록 비드 상부에 미세한 기공이 밀집된다. 그러나 용접속도가 증가할수록 기공의 양은 점차 줄어든다. 용융금속이 용접속도가 느릴수록 아래로 처짐 현상이 두드러지게 나타나며 용접 속도가 증가됨에 따라 이면비드 넓이와 아래 처짐 현상이 줄어든다.

Figure 5: 
Cross-sectional images of AA6014-AA6451 laser lap dissimilar welding by change welding speed at 5 kW laser power

AA6014 소재가 상부에 위치하는 조건에서는 비드 전반적으로 기공이 분포되어 있으며 용접속도가 증가할수록 비드 상부에 기공이 밀집된다. 그러나 용접속도가 증가할수록 기공의 양은 점차 줄어드는 것이 확인된다. 용융금속이 용접속도가 느릴수록 아래로 처짐 현상이 두드러지게 나타나며 용접 속도가 증가됨에 따라 이면비드 넓이와 아래처짐 현상이 줄어든다. 레이저 출력 5 kW, 용접속도 40~45 mm/s의 용접조건에서는 생성된 기공이 조밀하여 인장 특성에 유리한 비교적 양호한 용접결과를 얻을 수 있다.

Figure 6은 AA6014상부 AA6451하부의 조건에서 Ar실드가스를 시편 하부 즉, AA6451 표면 측에 5 l/min으로 공급하는 조건에서의 용접부 단면 비드사진을 정리하였다. 레이저 출력은 Ar 실딩에 따른 냉각을 고려하여 0.5 kW 상승시킨 5.5 kW조건에서 용접속도를 40 mm/s~60 mm/s범위에서 변화를 주며 용접을 진행한 결과이다. 전반적으로 Figure 5의 이면측 실드가스를 공급하지 않은 조건과 비교하여 기공의 분포가 감소하였으며 비드 하부측 용융금속의 처짐 현상이 줄어드는 것이 확인 된다. 하지만 용접부의 건전성이 크게 상승되지 않았다.

Figure 6: 
Cross-sectional images of AA6014-AA6451 laser lap dissimilar welding by change welding speed at 5.5 kW laser power with Ar shielding condition

이종 알루미늄 합금 용접성과 비교하기 위하여 AA6014 1.2 mm 동종소재의 레이저 겹치기 용접을 진행하였으며, 그 결과를 Figure 7에 정리하였다. 레이저 출력은 5 kW로 고정하였으며 용접속도를 30~90 mm/s로 변화시키며 용접을 진행하였다. 상부와 하부 비드의 외관을 관찰하면 용접속도가 증가함에 따라 용접 비드의 폭이 좁아지며 90 mm/s의 용접속도에서는 겹치기 용접이 이루어지지 않았다. 70 mm/s 이상의 속도에서 부분관통 용접이 이루어졌다. 단면 사진을 관찰해 보면 용접금속의 형상 및 경향 변화가 용접속도 증가에 따라 급격하게 변화하는 것을 알 수 있다. 특히, 와인컵 형상의 용접부는 비교적 두께가 얇은 AA6014가 상부에 있는 3.2챕터에 설명한 AA6014(1.2 mm/상) - AA6451(2 mm/하) 이종 용접특성과 유사하다.

Figure 7: 
Weld bead appearance and cross-sectional images of AA6014-AA6014 laser lap dissimilar welding by change welding speed at 5 kW laser power

Figure 8은 소재의 위치조건의 변경에 따라 생성된 용접부의 형상특성을 대표적 사례를 예를 들어 비교한 그림이다. AA6014 1.2 mm 소재가 상부에 존재할 경우 상부 소재가 먼저 넓은 면적으로 용융되며 하부의 AA6451이 비교적 적은 면적으로 용융되며 용접되는 형상을 나타낸다.

Figure 8: 
Differences in weld geometry by changing welding conditions of AA6451 and AA6014

Figure 9는 소재 위치에 따른 비드의 변화를 수치화 한 그래프 이다. Figure 9 (a)는 소재의 위치조건의 변경에 따른 비드의 상부와 하부 비드로 상판의 상부 0.5mm 위치하판의 0.5mm 위치를 각기 측정하였다. 비드폭은 용접속도 40 mm/s 이상의 조건에서 AA6014(1.2mm)소재가 상부에 있는 경우 더 넓은 비드를 가지고 있는 것이 확인된다. 이는 상부 알루미늄합금 소재가 비교적 박판인 경우 상부에 열에너지가 비교적 쉽게 축적되어 레이저빔의 흡수율을 쉽게 녹이고 너비방향으로 열이 쉽게 확산되기 때문이다. 상부비드와 하부비드의 측정된 폭의 차이를 Figure 9 (b)에 나타내었으며, AA6014소재가 상판인 경우 비드폭 차가 적으나 상부의 소재 두께가 비교적 얇아 Figure 8에서 보여주는 바와 같이 더욱 선명한 와인컵 형상의 용접부를 가진다.

Figure 9: 
Differences in weld bead by changing welding conditions of AA6451 and AA6014