본 연구에서는 기화 호일 액추에이터 용접(VFAW) 기술을 사용하여 NiTi SMA와 Al-Mg 합금의 접합을 최초로 시도하였습니다. 다양한 방전 전압과 이격 거리 조건에서 실험을 수행하여 공정 매개변수가 계면 형태, 기계적 특성, 기능적 특성에 미치는 영향을 분석하였습니다. 이를 통한 기화 호일 액추에이터 용접의 요소 인자별 특징과 파라미터에 대해 알아보겠습니다.
NiTi/Al-Mg 기화 호일 액추에이터 용접 필요성
NiTi 형상기억합금(SMA)은 우수한 기능성 재료로, 독특한 형상기억 효과와 초탄성을 가지고 있습니다. 이러한 특성으로 인해 NiTi SMA는 위성 안테나와 생체모방 로봇 손과 같은 항공우주 및 로봇 분야의 액추에이터로 사용되고 있습니다. 그러나 NiTi SMA 제품의 단순한 구조와 높은 가격이 그 응용을 제한하고 있습니다. 이러한 한계는 NiTi SMA를 다른 부품에 용접하여 복잡한 구성요소를 만듦으로써 해결할 수 있습니다. Al-Mg 합금은 낮은 밀도, 우수한 내식성, 높은 강도를 가지고 있어 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. Al-Mg 합금을 NiTi SMA에 용접하면 경량 복합 구성요소를 만들 수 있어 NiTi SMA의 응용 가능성을 향상시킬 수 있습니다. 특히 항공우주 분야에서 그 잠재력이 큽니다.
기화 호일 액추에이터 용접 실험 방법
재료 및 장비
실험에 사용된 Al-Mg 합금 판재의 크기는 50 mm × 60 mm × 0.8 mm였으며, NiTi 판재의 크기는 50 mm × 60 mm × 1 mm였습니다. NiTi 판재는 진공 유도 용해, 다중 압연 및 어닐링 공정을 거쳐 제작되었습니다. 최종적으로 NiTi 판재는 500°C에서 진공 열처리 후 로냉되었습니다.VFAW 장비는 최대 충전 전압 9 kV, 총 커패시턴스 492 μF, 단락 전류 시간 10 μs의 커패시터를 전원으로 사용하였습니다. 방전 전압은 3 kV에서 5 kV까지 0.5 kV 간격으로 설정하였고, 이격 거리는 0.5 mm에서 2.5 mm까지 0.5 mm 간격으로 조절하였습니다.
분석 방법
용접된 시편의 계면 구조를 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 관찰하였습니다. 집속이온빔(FIB) 기술을 이용하여 TEM 시편을 제작하였고, 에너지 분산 분광법(EDS)으로 원소 분포를 분석하였습니다.NiTi 기지 금속과 NiTi/Al-Mg 접합부의 상변태 특성은 시차주사열량계(DSC)를 사용하여 측정하였습니다. DSC 테스트는 -60°C에서 130°C까지의 온도 범위에서 10°C/min의 가열/냉각 속도로 수행되었습니다.나노인덴테이션 테스트를 통해 계면 주변의 경도 분포를 측정하였고, 인장 전단 시험을 통해 접합부의 성능을 평가하였습니다.
기화 호일 액추에이터 용접 장단점
기화호일용접(VFAW)을 이용한 이종금속접합법의 주요 특징과 장단점은 다음과 같습니다:
특징
- 고속 충돌을 이용한 고체 상태 접합 방식
- 매우 짧은 시간(10μs 이내)에 접합이 이루어짐
- 열영향부가 거의 없음
- 다양한 이종금속 조합의 접합이 가능
장점
- 열에 의한 변형이 적어 정밀한 접합이 가능
- 금속간 화합물 생성이 억제되어 접합부 특성이 우수
- 접합 계면에서 원자 단위의 결합이 이루어져 접합강도가 높음
- 열전도도 차이가 큰 금속 간 접합에 유리
단점
- 장비가 고가이고 복잡하여 초기 투자비용이 높음
- 대형 부품이나 복잡한 형상의 접합에는 제한적
- 접합 가능한 소재 조합과 두께에 제한이 있음
- 공정 제어가 어려워 숙련된 기술이 필요
VFAW는 기존 용접법으로 접합이 어려운 이종금속 조합에 효과적인 접합법이지만, 장비 및 공정의 특수성으로 인해 적용 분야가 제한적입니다. 그러나 고품질의 이종금속 접합이 요구되는 특수 분야에서는 매우 유용한 기술로 평가받고 있습니다.
결과 및 고찰
계면 형태 및 미세구조
방전 전압과 이격 거리가 증가함에 따라 계면 형태는 평평한 형태에서 소량의 용융층, 파동 형태, 연속적인 용융층으로 변화하였습니다. 계면 근처에서는 Al-Mg 합금 측에 동적 재결정에 의해 생성된 등축 나노결정 구조가 관찰되었고, NiTi 합금 측에는 전단 변형에 의해 생성된 계면 방향으로 평행한 가늘고 작은 결정립이 관찰되었습니다. 또한 급속한 가열과 냉각으로 인해 계면에 비정질 구조가 형성되었습니다.
기화 호일 액추에이터 용접 기계적 특성
NiTi/Al-Mg 접합부의 계면 근처에서 양쪽 모두 경도가 크게 향상되었지만, Al-Mg 합금 측의 경화 범위가 더 작았습니다. 이는 금속 간의 열물리적 특성 차이와 온도장 분포의 차이로 인한 것으로 판단됩니다.인장 전단 시험 결과, 방전 전압과 이격 거리가 증가함에 따라 접합부의 성능이 먼저 증가하다가 감소하는 경향을 보였습니다. VFAW로 제작된 NiTi/Al-Mg 접합부는 높은 강도의 용접 특성을 나타냈습니다.
상변태 특성
DSC 테스트 결과, VFAW 공정이 NiTi 판재의 상변태에 미치는 영향이 적었으며, 용접된 NiTi 합금은 여전히 원래의 형상기억 기능을 유지하고 있음을 확인하였습니다. 그러나 NiTi/Al-Mg 접합부의 상변태 엔탈피 값은 NiTi 기지 금속에 비해 현저히 낮았습니다. 이는 주로 NiTi 판재에 압력으로 인한 격자 결함이 발생하여 상변태를 방해했기 때문입니다.
결론
본 연구에서는 NiTi SMA와 Al-Mg 합금의 VFAW 접합을 최초로 성공적으로 수행하였습니다. 주요 결론은 다음과 같습니다:
- 계면 특성과 기계적 특성은 충격 매개변수와 밀접한 관련이 있습니다. 방전 전압과 이격 거리가 증가함에 따라 계면 형태가 변화하고 접합부 성능이 먼저 증가하다가 감소하는 경향을 보였습니다.
- NiTi/Al-Mg 접합부의 계면 근처에서 결정립 크기가 작아졌으며, Al-Mg 합금 측에는 동적 재결정에 의한 등축 나노결정 구조가, NiTi 합금 측에는 전단 변형에 의한 가늘고 작은 결정립이 형성되었습니다. 또한 계면에 비정질 구조가 생성되었습니다.
- 접합부 계면 근처에서 양쪽 모두 경도가 크게 향상되었지만, Al-Mg 합금 측의 경화 범위가 더 작았습니다. 이는 금속 간의 열물리적 특성 차이와 온도장 분포의 차이로 인한 것입니다.
- DSC 테스트 결과, VFAW 공정이 NiTi 판재의 상변태에 미치는 영향이 적었으며, 용접된 NiTi 합금은 여전히 원래의 형상기억 기능을 유지하고 있음을 확인하였습니다.
이러한 결과들은 VFAW 기술을 사용한 NiTi/Al-Mg 접합의 특성과 메커니즘에 대한 이해를 깊게 하며, NiTi 형상기억합금의 응용 범위를 확장하는 데 도움이 될 것으로 기대됩니다.
이번 글을 통하여 기화 호일 액추에이터 용접의 특징과 장단점에 대해 알아보았습니다. 더 자세한 글 정보가 필요하신 분은 아래 글을 함께 참고해보세요.
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