MIG 용접(metal inert gas welding)은 불활성 가스(Ar, He 등)를 사용하여 용융 지를 차폐하고, 소모 전극으로 작용하는 용접 와이어를 토치의 노즐로부터 공 급하면서 아크로 와이어를 용착시키는 용접법이다. 마그네슘 합금의 용접은 1924년부터 시작되었으며, 1960년대에는 MIG로 두께 4.5 mm의 마그네슘 합금 을 용접하였다. 마그네슘 합금의 MIG 용접에서 가장 큰 특징은 용접시 전극을 플러스로 하는 역극성(DCEP) 전원을 사용하는 것이다. 이것은 표면에 마그네슘 산화막의 존재 때문으로 정극성(DCEN)으로는 용접이 어렵고, 역극성으로 용접 을 수행하면 청정작용으로 인해 마그네슘 산화막을 자연스럽게 제거할 수 있게 때문이다. 더불어 MIG 용접은 이미 많은 재료로부터 검증된 공법이므로, 용접 조건만 적절히 제어하면 마그네슘 합금의 용접에 바로 적용이 가능하다는 이점 이 있다. 반면에 마그네슘의 낮은 비점(1,100℃)으로 인하여 용융된 마그네슘 합금이 아크열에 의해 증발해 버리면서 많은 스패터를 형성할 수 있다는 단점 이 있으며, 이 문제를 해결하기 위해선 아크 단락 사이클(short-circuiting arc)을 사용하거나 펄스 전원을 사용하여야 한다. 또한 다른 공정보다 상대적으로 낮 은 용접속도를 가지기 때문에 생산성에도 문제가 있으며 용접 후 심한 변형을 수반한다. 이와 같은 단점으로 인해 마그네슘 합금 용접에 MIG 공정은 실제로 많이 적용되는 편은 아니다(63,72).
한편 TIG 용접(tungsten inert gas welding)은 불활성 가스 분위기에서 비소모 성 텅스텐 전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 방법으로 현장에서는
MIG 용접 보다 더 많이 사용되고 있으며, 아크 열원을 이용한 마그네슘 합금 연구는 TIG 용접이 대부분을 차지하고 있다(73-79). 마그네슘 합금의 TIG 용접도 MIG와 마찬가지로 정극성으로는 용접이 곤란하며, 역극성이나 교류(AC)전원을 사용하여 마그네슘 산화피막을 제거하여야만 용접이 가능하다. 더불어 교류전 원은 박판과 후판 모두에서 양호한 용접성과 우수한 클리닝 효과를 나타내며, 역극성은 용입이 얕기 때문에 박판 용접에 적당하다(63).
TIG 용접시에 장점은 클리닝 작용으로 인한 표면 산화물의 제거와 입열량
조절이 MIG 보다 용이하다는 것, 그리고 적은 입열량으로 우수한 품질의 용접 부를 제작할 수 있다는 것이다. 또한 TIG의 비소모성 전극은 경제적인 측면에 서도 MIG 보다 유리하다. 반면 용접속도가 느리고 전극의 마모가 심한 단점이 있다. 특히 마그네슘 합금의 아크 용접에서 가장 큰 기술적 문제는 넓은 부분 용융역(partially melted zone, PMZ)이 형성되는 것이다. 공정 합금계(α+β상)를 가지는 합금이 단일 α상 영역까지 가열되고 β상이 공정온도에 도달하기 전에 완전히 분해되지 않는다면 국부 용융이 일어날 수 있으며, 이것은 재료의 고온 기계적 특성에 악영향을 미친다. 또한 국부적인 용융에 의해 재응고시 액화균 열을 야기할 수 있다(73-74,77).
Fig. 2.1은 TIG로 용접한 AZ91D 합금의 전형적인 광학현미경 사진이다. 부분 용융역은 용융계면에 직접적으로 접하고 있으며, 넓은 의미로는 열영향부내에 부분용융역을 포함시킬 수도 있을 것이다. 또한 부분용융역의 확대사진인 Fig.
2.2를 보면, 용융상태인 α+β 공정상과 용융되지 않는 β상이 같이 존재하고 있 는 것을 알 수 있다. 특히 부분용융역과 열영향부는 용접부와 비교하여 볼 때 조대한 입계구조를 가지며 β상인 Mg17Al12는 취성이 크고 연신율이 거의 없는 금속간화합물이기 때문에, 매우 낮은 응력조건하에서도 용접부가 파단되기 쉽 다. 따라서 건전한 용접부를 제작하여도 용접부 근처의 열악한 강도 때문에 구 조재로써의 사용은 부적합한 점이 있다. 이 문제를 극복하기 위해서는 응고시 급랭을 실시하여 열영향부를 최소화해야 한다(74,77).
Fig. 2.1 Optical macrostructure of TIG welded Mg-AZ91D
Weld
1mm
PMZ
Weld HAZ
1mm
PMZ
HAZ HAZ
1mm
HAZ
1mm 1mm
Fig. 2.2 SEM photographs of a typical TIG weld (a) base metal, (b) weld metal,
(c, d) partially melted zone, (e) HAZ, (f) resolidified region
(a) (b)
(e) (f)
continuous β-phase at GB β-Mg17(Al,Zn)12
α-Mg
discontinuos
β-phase β-Mg17(Al,Zn)12
(c) (d)
10㎛ 100㎛
10㎛ 10㎛
10㎛
20㎛