용접 제작 산업에서 알루미늄의 사용이 증가하고 다양한 분야에서 강철의 훌륭한 대안으로 인정받으면서, 알루미늄 프로젝트 개발 담당자들은 이 소재에 대한 이해도가 높아지고 있습니다. 알루미늄을 완전히 이해하려면 먼저 알루미늄 식별/호칭 체계, 다양한 알루미늄 합금 및 그 특성에 대해 알아보는 것이 좋습니다.

알루미늄 합금 템퍼링 및 명칭 시스템- 북미에서는 알루미늄 협회(The Aluminum Association Inc.)가 알루미늄 합금의 할당 및 등록을 담당합니다. 현재 알루미늄 협회에는 400종 이상의 단조 알루미늄 및 단조 알루미늄 합금과 200종 이상의 주조 및 잉곳 형태의 알루미늄 합금이 등록되어 있습니다. 등록된 모든 합금의 합금 화학 성분 제한은 알루미늄 협회의티엘 북"단조 알루미늄 및 단조 알루미늄 합금에 대한 국제 합금 명칭 및 화학 조성 한계"라는 제목의핑크북"주조 및 잉곳 형태의 알루미늄 합금에 대한 명칭 및 화학 성분 한계"라는 제목의 이 간행물은 용접 엔지니어가 용접 절차를 개발할 때, 그리고 화학 성분 및 균열 민감도와의 연관성을 고려하는 것이 중요할 때 매우 유용하게 활용될 수 있습니다.

알루미늄 합금은 열 및 기계적 처리에 대한 반응성, 알루미늄 합금에 첨가되는 주요 합금 원소 등 특정 재료의 특성에 따라 여러 그룹으로 분류할 수 있습니다. 알루미늄 합금에 사용되는 번호/식별 시스템을 살펴보면 위의 특성들이 확인됩니다. 단조 알루미늄과 주조 알루미늄은 서로 다른 식별 시스템을 사용합니다. 단조 알루미늄은 4자리 숫자 체계를 사용하고, 주조 알루미늄은 3자리 숫자 체계와 소수점 첫째 자리까지 사용합니다.

단조 합금 명칭 시스템- 먼저 4자리 단조 알루미늄 합금 식별 시스템을 살펴보겠습니다. 첫 번째 숫자(Xxxx)는 알루미늄 합금에 첨가된 주요 합금 원소를 나타내며 종종 알루미늄 합금 시리즈, 즉 1000 시리즈, 2000 시리즈, 3000 시리즈, 최대 8000 시리즈를 설명하는 데 사용됩니다(표 1 참조).

두 번째 단일 숫자(xXxx)가 0과 다르면 특정 합금의 수정을 나타내고 세 번째 및 네 번째 숫자(xx)XX)는 시리즈 내 특정 합금을 식별하기 위해 주어진 임의의 숫자입니다. 예: 합금 5183에서 숫자 5는 마그네슘 합금 시리즈임을 나타내고, 1은 1^st원래 합금 5083을 변형한 것으로, 83은 5xxx 시리즈를 나타냅니다.

이 합금 번호 매기기 시스템의 유일한 예외는 1xxx 시리즈 알루미늄 합금(순수 알루미늄)으로, 이 경우 마지막 2자리 숫자는 99% 이상의 최소 알루미늄 비율을 제공합니다. 즉, 합금 13입니다.(50)(최소 99.50% 알루미늄).

연삭 알루미늄 합금 명칭 시스템

표 1

주조 합금 명칭- 주조 합금 명칭 체계는 3자리 이상 소수점으로 구성된 xxx.x(즉, 356.0)를 기반으로 합니다. 첫 번째 숫자(Xxx.x)는 알루미늄 합금에 첨가된 주요 합금 원소를 나타냅니다(표 2 참조).

주조 알루미늄 합금 명칭 시스템

표 2

두 번째와 세 번째 숫자(xXX.x)는 시리즈 내 특정 합금을 식별하기 위해 부여된 임의의 숫자입니다. 소수점 뒤의 숫자는 합금이 주조(.0)인지 주괴(.1 또는 .2)인지를 나타냅니다. 대문자 접두사는 특정 합금의 변형을 나타냅니다.
예: 합금 – A356.0 대문자 A (Axxx.x)는 합금 356.0의 변형을 나타냅니다. 숫자 3(A)3xx.x)는 실리콘과 구리 및/또는 마그네슘 계열임을 나타냅니다. 56인치(Ax)56.0)은 3xx.x 시리즈의 합금을 식별하고 .0(Axxx.0)는 주괴가 아닌 최종 형상 주조임을 나타냅니다.

알루미늄 템퍼 지정 시스템 -다양한 알루미늄 합금 계열을 살펴보면, 그 특성과 그에 따른 용도에 상당한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 식별 체계를 이해한 후, 가장 먼저 알아두어야 할 점은 위에서 언급한 계열 내에 두 가지 유형의 알루미늄이 있다는 것입니다. 바로 열처리 알루미늄 합금(열을 가하여 강도를 높일 수 있는 합금)과 비열처리 알루미늄 합금입니다. 이러한 구분은 아크 용접이 이 두 가지 유형의 재료에 미치는 영향을 고려할 때 특히 중요합니다.

1xxx, 3xxx, 5xxx 시리즈 단조 알루미늄 합금은 열처리가 불가능하며, 변형 경화만 가능합니다. 2xxx, 6xxx, 7xxx 시리즈 단조 알루미늄 합금은 열처리가 가능하며, 4xxx 시리즈는 열처리 가능 합금과 비열처리 가능 합금으로 구성됩니다. 2xx.x, 3xx.x, 4xx.x, 7xx.x 시리즈 주조 합금은 열처리가 가능합니다. 변형 경화는 일반적으로 주물에 적용되지 않습니다.

열처리 합금은 열처리 공정을 통해 최적의 기계적 성질을 얻습니다. 가장 일반적인 열처리로는 용체화 열처리와 인공 시효가 있습니다. 용체화 열처리는 합금 원소 또는 화합물을 용액에 녹이기 위해 합금을 고온(약 990°F)으로 가열하는 공정입니다. 이후, 일반적으로 물에서 담금질하여 실온에서 과포화 용액을 생성합니다. 용체화 열처리 후에는 일반적으로 시효가 진행됩니다. 시효는 과포화 용액에서 일부 원소 또는 화합물을 석출시켜 원하는 성질을 얻는 공정입니다.

비열처리 합금은 변형 경화를 통해 최적의 기계적 성질을 얻습니다. 변형 경화는 냉간 가공을 통해 강도를 증가시키는 방법입니다. T6, 6063-T4, 5052-H32, 5083-H112.

기본적인 성격 표현

표 3

기본적인 템퍼링 명칭 외에도 두 가지 하위 구분 범주가 있습니다. 하나는 "H" 템퍼(변형 경화)를 다루고, 다른 하나는 "T" 템퍼(열처리)를 다룹니다.

H Temper의 하위 구분 – 변형 경화

H 다음의 첫 번째 숫자는 기본 연산을 나타냅니다.
H1– 변형 경화만 가능합니다.
H2– 변형 경화 및 부분 풀림 처리.
H3– 변형 경화 및 안정화.
H4– 경화 처리 및 래커칠 또는 도색.

H 뒤의 두 번째 숫자는 변형 경화 정도를 나타냅니다.
HX2– 쿼터 하드 HX4– 하프 하드 HX6– 3/4 하드
HX8– 풀 하드 HX9– 엑스트라 하드

T Temper의 하위 구분 – 열처리

T1- 압출 등의 고온 성형 공정을 거쳐 냉각 후 자연적으로 숙성된 형태입니다.
T2- 고온 성형 공정을 거쳐 냉각한 후 냉간 가공하고 자연 시효 처리한 소재입니다.
T3- 용액 열처리, 냉간 가공 및 자연 시효 처리.
T4- 용액 열처리 및 자연 숙성.
T5- 고온 성형 공정을 거쳐 냉각한 후 인공적으로 숙성시켰습니다.
T6- 용액 열처리 및 인공시효 처리.
T7- 용액 열처리 및 안정화(과숙성)
T8- 용액 열처리, 냉간 가공 및 인공 시효 처리.
T9- 용액 열처리, 인공 시효 처리 및 냉간 가공.
티10- 고온 성형 공정을 거쳐 냉각한 후 냉간 가공하고 인공 시효 처리함.

숫자가 추가되면 스트레스 해소가 이루어진다는 것을 나타냅니다.
예:
TX51또는 TXX51– 스트레칭을 통해 스트레스를 해소합니다.
TX52또는 TXX52– 압박을 통해 스트레스가 해소됩니다.

알루미늄 합금과 그 특성- 7가지 시리즈의 단조 알루미늄 합금을 살펴보면, 그 차이점을 알 수 있고, 그 용도와 특성을 이해할 수 있습니다.

1xxx 시리즈 합금– (비열처리 – 인장강도 10~27ksi) 이 시리즈는 최소 99.0%의 알루미늄 함량을 요구하기 때문에 순수 알루미늄 시리즈라고도 합니다. 용접이 가능합니다. 그러나 용융 범위가 좁기 때문에 적절한 용접 절차를 위해서는 몇 가지 고려 사항이 필요합니다. 제작 시, 이러한 합금은 특수 화학 탱크 및 배관과 같은 우수한 내식성이나 버스 바(bus bar)와 같은 우수한 전기 전도성을 위해 주로 선택됩니다. 이러한 합금은 기계적 특성이 상대적으로 낮아 일반적인 구조용으로는 거의 고려되지 않습니다. 이러한 기본 합금은 용도 및 성능 요구 사항에 따라 적합한 용가재 또는 4xxx 용가재와 함께 용접되는 경우가 많습니다.

2xxx 시리즈 합금– (열처리 가능 – 최대 인장 강도 27~62ksi) 알루미늄/구리 합금(구리 첨가량 0.7~6.8%)으로, 항공우주 및 항공기 분야에 널리 사용되는 고강도, 고성능 합금입니다. 광범위한 온도 범위에서 뛰어난 강도를 자랑합니다. 일부 합금은 고온 균열 및 응력 부식 균열 발생 가능성이 높아 아크 용접 공정으로는 용접이 불가능한 것으로 간주되지만, 적절한 용접 절차를 통해 아크 용접이 가능한 합금도 있습니다. 이러한 기본 소재는 성능에 맞춰 설계된 고강도 2xxx 계열 필러 합금으로 용접하는 경우가 많지만, 적용 분야 및 서비스 요구 사항에 따라 실리콘 또는 실리콘과 구리를 함유한 4xxx 계열 필러로 용접하는 경우도 있습니다.

3xxx 시리즈 합금– (비열처리 – 최대 인장 강도 16~41ksi) 이 합금은 알루미늄/망간 합금(망간 첨가량 0.05~1.8%)으로, 중간 강도, 우수한 내식성, 우수한 성형성을 가지며 고온에서 사용하기에 적합합니다. 이 합금의 초기 용도 중 하나는 냄비와 프라이팬이었으며, 오늘날에는 자동차 및 발전소의 열교환기에 사용되는 주요 부품입니다. 그러나 중간 강도로 인해 구조용으로는 고려하기 어려운 경우가 많습니다. 이러한 기본 합금은 특정 화학 성분, 특정 용도 및 서비스 요구 사항에 따라 1xxx, 4xxx 및 5xxx 계열 필러 합금과 용접됩니다.

4xxx 시리즈 합금– (열처리 가능 및 비열처리 가능 – 최대 인장 강도 25~55ksi) 이들은 알루미늄/실리콘 합금(실리콘 첨가량 0.6~21.5%)이며 열처리 가능 및 비열처리 가능 합금을 모두 포함하는 유일한 시리즈입니다. 실리콘을 알루미늄에 첨가하면 융점이 낮아지고 용융 시 유동성이 향상됩니다. 이러한 특성은 용융 용접과 브레이징 모두에 사용되는 필러 재료에 바람직합니다. 결과적으로 이 합금 시리즈는 주로 필러 재료로 발견됩니다. 실리콘은 알루미늄과 별도로 열처리할 수 없습니다. 그러나 이러한 실리콘 합금 중 다수는 마그네슘이나 구리를 첨가하도록 설계되어 용액 열처리에 유리하게 반응할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 열처리 가능 필러 합금은 용접된 구성 요소를 용접 후 열처리할 때만 사용됩니다.

5xxx 시리즈 합금– (비열처리 – 최대 인장 강도 18~51ksi) 이들은 알루미늄/마그네슘 합금(마그네슘 첨가량 0.2~6.2%)이며 비열처리 합금 중 가장 높은 강도를 가지고 있습니다.또한 이 합금 계열은 쉽게 용접할 수 있으며 이러한 이유로 조선, 운송, 압력 용기, 교량 및 건물과 같은 다양한 응용 분야에 사용됩니다.마그네슘 기반 합금은 기본 재료의 마그네슘 함량과 용접 구성 요소의 적용 및 서비스 조건을 고려하여 선택된 필러 합금과 함께 용접되는 경우가 많습니다.3.0% 이상의 마그네슘을 함유한 이 계열의 합금은 민감화 가능성과 그에 따른 응력 부식 균열에 대한 민감성 때문에 150도 F 이상의 고온 서비스에는 권장되지 않습니다.약 2.5% 미만의 마그네슘을 함유한 기본 합금은 종종 5xxx 또는 4xxx 계열 필러 합금과 성공적으로 용접됩니다. 5052 모재는 일반적으로 4xxx 계열 필러 합금과 용접 가능한 최대 마그네슘 함량의 모재로 알려져 있습니다. 공정 용융 및 이로 인한 용접 후 기계적 특성 저하와 관련된 문제로 인해, 마그네슘 함량이 높은 이 합금 계열의 소재를 4xxx 계열 필러와 함께 용접하는 것은 권장되지 않습니다. 마그네슘 함량이 높은 모재는 일반적으로 모재 합금 조성과 일치하는 5xxx 필러 합금과만 용접합니다.

6XXX 시리즈 합금– (열처리 가능 – 최대 인장 강도 18~58ksi) 이들은 알루미늄/마그네슘-실리콘 합금(마그네슘과 실리콘 첨가량 약 1.0%)이며 용접 제작 산업 전반에 널리 사용되고, 주로 압출 형태로 사용되며, 많은 구조 부품에 통합됩니다. 알루미늄에 마그네슘과 실리콘을 첨가하면 마그네슘-실리사이드 화합물이 생성되어 이 재료가 강도를 향상시키기 위해 용액 열처리될 수 있습니다. 이러한 합금은 자연적으로 응고 균열에 민감하며, 이러한 이유로 자가 아크 용접(필러 재료 없이)해서는 안 됩니다. 아크 용접 공정 중에 적절한 양의 필러 재료를 첨가하는 것은 기본 재료의 희석을 제공하여 고온 균열 문제를 방지하기 위해 필수적입니다. 이들은 적용 및 서비스 요구 사항에 따라 4xxx 및 5xxx 필러 재료로 용접됩니다.

7XXX 시리즈 합금– (열처리 가능 – 최대 인장 강도 32~88ksi) 이 합금들은 알루미늄/아연 합금(아연 첨가량 0.8~12.0%)으로, 최고 강도의 알루미늄 합금에 속합니다. 이 합금은 항공기, 항공우주, 스포츠 장비와 같은 고성능 응용 분야에 자주 사용됩니다. 2xxx 시리즈 합금과 마찬가지로, 이 시리즈는 아크 용접에 적합하지 않은 합금과 아크 용접에 종종 성공적으로 사용되는 다른 합금을 포함합니다. 7005와 같이 이 시리즈에서 일반적으로 용접되는 합금은 주로 5xxx 시리즈 용가재 합금과 용접됩니다.

요약- 오늘날의 알루미늄 합금은 다양한 템퍼와 함께 광범위하고 다재다능한 제조 재료로 구성됩니다. 최적의 제품 설계와 성공적인 용접 절차 개발을 위해서는 사용 가능한 여러 합금의 차이점과 다양한 성능 및 용접성 특성을 이해하는 것이 중요합니다. 이러한 다양한 합금에 대한 아크 용접 절차를 개발할 때는 용접되는 특정 합금을 고려해야 합니다. 알루미늄 아크 용접은 어려운 것이 아니라 "단지 다를 뿐"이라는 말이 흔히 있습니다. 저는 이러한 차이점을 이해하는 데 중요한 부분은 다양한 합금, 그 특성, 그리고 식별 체계를 숙지하는 것이라고 생각합니다.