현장 용접 Supervisor로 근무해 보면 Aluminium 및 Aluminium 합금 용접은 상당히 어렵다는 것을 알 수 있다. 특히 알루미늄 용접에서 여러가지 결함이 발생하는데, 그 부분은 알루미늄(Aluminium) 용접 결함 3가지: 기공, 균열, 융합불량 원인과 대책 (현장 기준) 편을 참조해 주기 바란다. 그 구체적인 이유와 실무적인 해결책은 어떠한 것들이 있는지에 대하여 정리하고자 한다.
1. 알루미늄(Aluminium)의 기본 금속적 특성
용접이 어려운 이유와 해결책을 논하기 전에 우선 알루미늄이라는 소재의 물리적 성질을 정확히 파악하는 것이 중요하다.
- 원자번호: 13
- 원자량: 26.982
- 결정구조: FCC (면심입방격자 – 가공성이 좋은 이유)
- 녹는점(Melting Point): 약 660℃ (순수 알루미늄 기준)
- 비중: 2.7 (철의 약 1/3 수준으로 가벼움)
- 열전도도: 약 237 W/m·K (철보다 약 3배 이상 높음)
2. Aluminium 및 Al Alloy 용접을 어렵게 만드는 이유
첫째, 극도로 높은 열전도도와 열팽창률: 알루미늄(Aluminium)의 열전도도는 철에 비해 3배 이상 높으며, 합금 종류에 따라서는 그 이상의 열 확산 속도를 보인다. 이는 입열된 에너지가 용접부에 집중되지 못하고 주변으로 빠르게 소산됨을 의미한다. 높은 열전도도로 인하여 단시간내 용융온도를 높이는데 한계가 있고, 국부가열이 곤란하며 이에 따른 높은 온도의 열원이 필요하다. 또한, 열팽창률이 강의 2배 이상이기 때문에 용접 시 강력한 수축과 팽창이 반복되며 심한 변형과 치수 불량을 초래한다. 높은 열전도도로 인하여 단시간내 용융온도를 높이는데 어려움이 발생한다.
둘째, 강력한 산화피막(Al₂O₃)의 방해와 기공 발생의 원인: 알루미늄 표면의 산화피막은 녹는점이 2,000℃ 이상으로 모재(660℃)보다 훨씬 높을 뿐만 아니라, 물리적·화학적으로 치명적인 결함을 유발한다.
- 산화물 혼입: 산화 알루미늄(Aluminium)의 비중은 약 3.97로 순수 알루미늄의 비중(2.7)보다 크다. 이 때문에 녹지 않은 피막 파편이 용융 금속 표면으로 떠오르지 못하고 내부로 가라앉아 산화물 혼입(Oxide Inclusion) 결함을 만든다.
- 기공(Porosity) 형성: 특히 산화막은 수분을 흡수하는 성질이 있어 결정수(Water of Crystallization)를 포함하고 있다. 용접 시 아크의 고열에 의해 이 결정수가 분해되면서 다량의 수소(H₂)를 방출하게 되는데, 이는 용접 금속 내부에 미세하거나 거대한 기공을 형성하여 기밀성을 떨어뜨리고 구조적 결함을 야기한다.
셋째, 높은 응고 수축률과 균열 민감성: 알루미늄은 액체에서 고체로 응고될 때의 수축률이 매우 크다. 이 급격한 부피 변화는 용접부에 인장 응력을 집중시켜 응고 균열(Hot Cracking)을 유발하며, 특히 응고 온도 범위가 넓은 특정 알루미늄 합금에서 이 현상은 더욱 두드러진다.
넷째, 과다시효(Over-aging)에 의한 강도 저하: 열처리를 통해 강도를 확보한 합금(예: 6000계열 등)은 용접 시 발생하는 열영향부(HAZ)에서 조직이 과다하게 성장하거나 변형되는 과다시효 현상이 발생한다. 이는 용접 후 해당 부위의 인장 강도가 모재 대비 급격히 떨어지는 결과로 이어진다.
GTAW(TIG) Welding
3. 알루미늄 합금의 분류와 용접성
알루미늄은 순수하면 너무 무르기 때문에 다른 원소를 섞어 쓰는데, 앞 숫자를 보면 특징이 보인다.
| 계열 | 주요 합금 원소 | 특징 및 용도 |
| 1000 | 순수 알루미늄 (99%↑) | 전기 전도성 우수, 강도는 낮음 |
| 2000 | 구리(Cu) | ‘두랄루민’이라 불림, 강도는 높지만 내식성이 약함 (항공기 동체) |
| 3000 | 망간(Mn) | 성형성 우수, 음료수 캔이나 주방용품 |
| 5000 | 마그네슘(Mg) | 극저온 특성 및 용접성 우수 (LNG 선박용 핵심 재료) |
| 6000 | 마그네슘+실리콘 | 압출 성형 용이, 건축자재나 자전거 프레임 |
| 7000 | 아연(Zn) | 알루미늄 합금 중 최고 강도, 전투기 및 미사일 |
알루미늄 합금중에서는 5000 계열과 6000 계열이 용접성이 양호한 편이고, 2000 계열과 7000 계열은 강도는 높지만 용접성은 떨어진다.
4. Aluminium 용접결함을 최소화하는 실무적 해결책
첫째, 철저한 청결 관리와 산화피막 제거가 우선이다. 용접 전 스테인리스 브러시나 전용 유기 용제를 사용하여 표면의 기름기와 산화막을 완벽히 제거해야 한다. 한 번 닦아낸 부위라도 시간이 지나면 다시 피막이 형성되므로, 청소 후 즉시 용접에 들어가는 것이 원칙이다.
둘째, 청정작용(Cleaning Action)의 적극적인 활용이다. 전기적인 특성을 이용해 산화피막을 깨뜨려야 한다. TIG 용접 시 교류(AC)를 사용하거나 직류 역극성(DCEP)을 활용하면, (+)이온이 모재 표면을 타격하며 산화막을 물리적으로 박리시키는 ‘청정작용’이 일어난다. 이를 통해 깨끗한 용융지를 확보할 수 있다.
셋째, 입열량 조절과 예열 전략이다. 높은 열전도도를 극복하기 위해 초기에는 충분한 전류로 입열량을 높여 용융지를 빠르게 형성해야 한다. 하지만 과도한 열 축적은 변형과 강도 저하를 부르므로, 적절한 예열과 층간 온도 제어를 통해 냉각 속도를 관리해야 한다.
넷째, 적절한 용가재 선택과 크레이터 처리다. 모재의 합금 성분에 맞는 최적의 용가재를 선택하여 응고 균열 민감도를 낮춰야 한다. 또한, 용접이 끝나는 지점에서 발생하는 크레이터 균열을 방지하기 위해 크레이터 채우기 기능을 반드시 사용한다.
5. 결론
알루미늄 및 그 합금 용접은 소재의 물리적 특성을 정확히 이해하는 것에서 시작된다. 철저한 사전 청소, 전기적 특성을 활용한 피막 제거, 그리고 정밀한 열 제어가 동반된다면 알루미늄 특유의 매끄럽고 견고한 용접부를 얻을 수 있을 것이다.
현장 기술사의 Insight: 알루미늄 용접의 적은 ‘눈에 보이지 않는 습기’다 => 강재는 녹이 슬면 눈에 보이지만, 알루미늄은 산화막이 투명해서 깨끗해 보인다. 하지만 그 미세한 습기와 먼지가 용접부 내부에서 거대한 기공으로 변한다. 기술사는 현장에서 ‘브러싱’을 했느냐보다, ‘브러싱 후 얼마나 빨리 용접을 시작했느냐’를 관리해야 한다. 알루미늄은 기다려주지 않는 예민한 소재임을 잊지 말자.
- 참조자료: 네이버 지식백과_알루미늄
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