알루미늄 합금 용접 기공

왜 배우는가: 알루미늄 합금은 용융 상태에서 수소를 많이 녹이고 열전도도가 높아 용접부에 기공이 특히 자주 생긴다. 기공의 원인과 메커니즘을 알아야 설계, 시공, 검사 중 어느 단계에서 대책을 세워야 하는지 답안에 정확히 쓸 수 있다. 원인, 영향 인자, 방지 대책을 묶어 묻는 형태로 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되는 개념이다.

출제 이력: 제138회 4교시 4번, 제122회 2교시 6번, 제114회 4교시 6번, 제113회 1교시 7번, 제108회 1교시 4번, 제102회 1교시 5번, 제95회 1교시 12번, 제89회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

알루미늄 합금 용접 기공은 용융지에 녹아든 수소가 응고 중 기포로 빠져나가지 못하고 금속 안에 남는 결함이다.

기공은 용접 금속 안이나 표면에 생기는 공 모양의 빈 공간이다. 기공은 용접부의 유효 단면적을 줄여 강도와 피로강도를 떨어뜨리고, 표면으로 열린 기공은 외관과 내식성까지 해치므로 알루미늄 용접에서 특히 중요하게 다룬다. 이 절은 수소에 의한 기포 기공을 중심으로 설명한다.

핵심 키워드

• 수소(H₂): 알루미늄 용융금속에 녹아들어 기공을 만드는 주된 가스이다.
• 수소 용해도: 금속이 가스를 녹일 수 있는 한도이며, 온도와 상태에 따라 달라진다.
• 응고 속도: 용융지가 굳는 속도로, 기포가 떠오를 시간을 정한다.
• 산화막: 알루미늄 표면의 얇은 산화피막으로, 수분을 머금어 수소 공급원이 된다.
• 차폐가스: 용융지를 대기로부터 보호하는 가스로, 순도와 유량이 기공에 영향을 준다.
• 기포 부상: 용융지 안의 기포가 부력으로 표면까지 떠올라 대기 중으로 빠져나가는 현상이다.
• 수분·유분: 모재와 용가재 표면에 붙어 수소를 공급하는 오염물이다.

2. 개념 풀이

알루미늄 합금 용접 기공은 용접 금속이 응고할 때 용해되어 있던 가스가 기포로 석출되고, 그 기포가 응고 전에 배출되지 못해 금속 안에 남은 공간이다. 알루미늄 용접에서 기공의 주된 가스 원은 수소이므로, 기공 방지는 용융금속 속 수소량을 낮추고 기포가 응고 전에 빠져나가도록 하는 일로 요약된다.

원리는 용해도 변화에서 출발한다. 알루미늄은 액상에서 수소를 많이 용해하지만 고상에서는 그 용해도가 현저히 낮다. 아크열로 용융지가 만들어지면 표면의 수분, 기름, 산화막과 차폐가스 속 불순물에서 나온 수소가 용융금속에 녹아든다. 응고가 시작되면 용해도가 급격히 떨어져 녹아 있던 수소가 과포화되고, 이 초과분이 기포를 만든다.

기포는 부력으로 용융지 표면을 향해 떠오르는데, 응고 속도가 빨라 기포가 떠오를 시간이 부족하면 기포가 금속 안에 갇혀 기공이 된다. 결국 기공의 개수와 크기는 수소량, 응고 속도, 기포 부상 조건의 상대적 관계로 정해진다. 기포가 처음 만들어지려면 핵 생성 자리가 있어야 하는데, 미세한 산화물이나 개재물이 그 자리 역할을 한다. 그래서 용융금속을 깨끗하게 유지하면 수소량이 같아도 기포 생성이 줄어든다. 응고 전 기포 배출이 되지 않는 조건이 기공을 결정하는 핵심이다.

표면 산화막은 알루미늄이 공기 중에서 자연스럽게 만드는 얇은 층으로, 흡습성이 있어 수분을 머금는다. 흡착된 수분은 아크열에서 분해되어 수소를 내므로, 산화막에 붙은 수분이 많을수록 수소 공급원이 늘어난다. 이 때문에 용접 전 산화막 제거가 기공 대책의 기본이 된다.

기공은 위치에 따라 표면에 열린 표면 기공과 용접 금속 내부에 갇힌 내부 기공으로 나뉜다. 두 경우 모두 응력 집중원이 되지만, 표면 기공은 육안이나 침투탐상으로 찾을 수 있고 내부 기공은 체적검사로 찾는다.

핵심 용어 풀이

• 수소 용해도: 온도와 상태에 따라 금속이 녹일 수 있는 가스의 한도이다. 알루미늄은 액상의 용해도가 고상보다 현저히 커서 응고 때 수소가 방출된다.
• 과포화: 용해된 수소량이 고상의 용해도를 넘어선 상태이다. 이 초과분이 기포로 석출되는 구동력이 된다.
• 핵 생성 자리: 기포가 처음 만들어지는 미세 산화물이나 개재물의 위치이다. 이 자리가 많을수록 기포가 쉽게 생긴다.
• 기포 부상: 기포가 부력으로 용융지 표면까지 올라와 대기 중으로 빠져나가는 과정이다. 응고 전에 끝나야 기공이 남지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

알루미늄 합금은 비중이 작고 비강도와 내식성이 좋아 운송기기, 건축 구조물, 전기 전자 부품 등에 널리 쓰인다. 이 금속을 접합하려면 용접이 필요하지만, 용접 과정에서 생기는 기공은 알루미늄 용접에서 자주 문제가 되는 결함이다. 기공은 수소가 금속에 녹았다가 응고 때 방출되는 현상이므로, 철강 재료보다 발생 조건이 복잡하고 방지가 까다롭다.