환경 보호, 에너지 보존 및 배출 감소, 탄소 피킹, 탄소 중립 등 점점 더 두드러지는 압력으로 인해 경량화는 자동차 제조에서 피할 수 없는 추세가 될 것입니다. 경량화라는 개념은 모터스포츠에서 유래되었으며, 그 장점은 안전 성능을 유지한다는 전제하에 경량화를 통해 핸들링과 가속력이 향상된다는 것입니다. 자동차의 경량화 실현은 주로 구조 설계, 신소재 적용을 통해 이루어집니다. 신소재는 주로 알루미늄, 마그네슘 등 비철금속입니다.
자동차 제조에서는 알루미늄 합금, 알루미늄-강 복합 구조 등의 소재가 핵심 부품에서 전통적인 철강 소재를 대체한 반면, 새로운 유형의 구조 재료인 마그네슘 합금은 자동차 제조에서 상대적으로 작은 비중을 차지합니다. 현재 유럽과 미국의 자동차 한 대당 5.8~23.6kg의 마그네슘 합금 부품이 사용되고 있으며, 우리나라 자동차 한 대의 소비량은 10kg 미만입니다. 그 이유는 마그네슘 합금의 어려운 용접이 마그네슘 합금 자동차 부품의 대규모 적용을 제한하는 핵심 기술 문제이기 때문입니다.
다음과 같은 이유로 마그네슘 합금의 용접 품질을 용융 용접으로 달성하는 것은 매우 어렵습니다.
1. 마그네슘은 산화성이 강하여 용접시 산화피막(MgO)이 형성되기 쉽고, 용접부에 개재물이 생기기 쉬워 용접성이 저하됩니다. 고온에서 마그네슘은 공기 중의 질소와 쉽게 화학적으로 반응하여 질화마그네슘을 형성하여 접합 성능을 약화시킵니다.
2. 마그네슘의 끓는점은 높지 않아 아크의 높은 온도에서 쉽게 증발합니다.
3. 마그네슘 합금 용접시 열전도율이 높기 때문에 고출력 열원과 고속 용접이 사용되므로 용접부 및 용접 부근에서 금속의 과열 및 입자 성장이 발생하기 쉽습니다.
4. 마그네슘 합금의 열팽창 계수는 알루미늄의 약 1~2배로 큽니다. 용접 과정에서 큰 용접 변형이 발생하기 쉽고 큰 잔류 응력이 발생합니다.
5. 마그네슘의 표면 장력은 알루미늄보다 작기 때문에 용접 중에 용접 금속이 붕괴되기 쉽고 이는 용접 형성 품질에 영향을 미칩니다.
6. 알루미늄 합금 용접과 유사하게 마그네슘 합금 용접 시에도 수소구멍이 쉽게 생성됩니다. 마그네슘의 수소 용해도는 온도가 감소함에 따라 감소하며, 마그네슘의 밀도는 알루미늄보다 작아서 가스가 쉽게 빠져나가지 않으며 용접이 응고되는 동안 기공이 형성됩니다.
7. 마그네슘 합금은 다른 금속과 저융점 공융구조를 형성하기 쉽고, 용접 접합부에 결정균열이 생기기 쉽습니다. 접합부의 온도가 너무 높으면 접합 구조의 저융점 화합물이 결정립계에서 녹아 공동을 형성하거나 소위 '오버버닝' 현상인 결정립계 산화를 생성합니다.
