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Oct 01, 2023

나노입자는 "용접할 수 없는" 알루미늄에 엄청난 변화를 가져옵니다

비록 많은 부분이 눈에 보이지는 않지만 용접은 사회의 중요한 부분입니다. 우리가 운전하는 자동차, 우리가 사용하는 건물, 우리가 사용하는 가전제품, 그리고 자동차의 뼈대를 하나로 묶어주는 접착제입니다.

비록 많은 부분이 눈에 보이지는 않지만 용접은 사회의 중요한 부분입니다. 우리가 운전하는 자동차, 우리가 사용하는 건물, 우리가 사용하는 가전제품, 우리가 앞으로 나아갈 수 있도록 하는 중장비의 뼈대를 하나로 묶는 접착제입니다. 매년, 운송 및 우주 탐사의 미래를 향한 여정을 간소화하기 위해 더 강하고 가벼운 소재에 대한 끊임없는 검색이 계속되고 있습니다.

이러한 미래형 재료 중 일부는 수십 년 동안 사용되어 왔지만 이를 용접하는 데 필요한 기술은 뒤처져 있습니다. UCLA 사무엘리 공과대학 연구진은 최근 1940년대에 개발된 알루미늄 합금 7075의 용접성을 밝혀내는 열쇠를 발견했습니다. 티타늄 카바이드 나노입자를 혼합물에 추가함으로써 조각 자체보다 더 강한 결합을 만들 수 있었습니다.

가장 간단한 용어로 용접은 '패스너를 사용하지 않고 금속과 플라스틱을 접합하는 것'으로 정의됩니다. 가장 일반적인 유형은 모재 금속을 불꽃이나 전극과 함께 녹이는 융합 용접으로 알려져 있습니다. 비융합 용접에는 납땜과 브레이징이 포함됩니다. 이러한 방법에서는 세 번째 금속을 필러로 사용하여 조각을 결합하는 데 도움을 줍니다.

용접의 역사는 중세 시대로 거슬러 올라가며 최초의 용접공은 대장장이였습니다. 그을음으로 뒤덮인 이 용감한 사람들은 불, 망치, 그리고 깊은 인내의 우물만을 사용하여 쇠 조각을 자르고 연결했습니다. 산업 혁명은 그 시대의 기계 대부분이 용융 금속을 주조하여 만들어졌기 때문에 용접 수요를 몇 배나 증가시켰습니다. 이로 인해 깨진 비트를 가열하고 주위에 주형을 볼트로 고정하고 용융 금속을 붓는 새로운 주조 용접 공정을 기반으로 하는 전체 하위 산업이 탄생했습니다.

20세기에 전기가 들어오자 조명 기구에 사용되는 탄소 아크 막대는 아크 용접이라는 아이디어를 촉발시켰습니다. 아크 용접은 전원 공급 장치(아크 용접기)와 용접할 금속 사이에 회로를 생성하여 작동합니다. 접지 리드는 작업물에 고정되고 양극 리드는 12-14인치 전극을 고정하는 스프링 장착 클램프로 연결됩니다. 이 막대는 가열되면 가스로 변하는 플럭스 재료로 코팅된 모재 일치 용가재로 구성됩니다. 이 가스는 비드가 형성되는 동안 공기 중의 불순물로부터 가공물과 용가재를 보호합니다. 단점은 이를 제거해야 하는 굳은 오물 슬래그가 생성된다는 것입니다.

산소-아세틸렌 가스 용접은 아크 용접 직후에 이루어졌으며 WWI는 이 두 가지 방법을 모두 발전시켰습니다. 항공기 산업이 성장하기 시작하면서 가볍고 내구성이 뛰어난 금속에 대한 수요와 이를 용접하는 인력이 급증했습니다. GTAW(가스 텅스텐 아크 용접), Heli-Arc 또는 TIG(텅스텐 불활성 가스)로 알려진 새로운 용접 스타일이 인기를 얻기 시작했습니다. 마스터하기는 어렵지만 TIG 용접은 더 미세한 제어를 제공하고 탁월한 결과를 제공합니다.

일반적으로 용접되는 많은 금속은 여러 가지 금속의 합금입니다. 이는 순수 금속이 자동차나 건물의 뼈대에 사용하기에는 너무 부드럽고 가치가 높기 때문입니다. 유일한 문제는 일부 합금의 구성 금속이 잘 녹지 않는다는 것입니다. 가열되면 다양한 금속이 고르지 않게 흐르고 용접 조인트를 따라 균열이 발생합니다. 이 아킬레스건은 용접 용도에 쓸모가 없는 강하고 평판이 좋은 여러 합금을 만듭니다.

AA7075는 이러한 합금 중 하나입니다. 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리를 혼합한 이 수십 년 된 혼합물은 매우 강하면서도 가볍습니다. 특히 연료 효율성과 배터리 보존이 중요시되는 다양한 응용 분야에 이상적입니다. 유일한 문제는 AA7075가 용접 시 균열에 매우 취약하다는 것입니다. AA7075는 리벳으로 결합된 비행기 동체에 널리 사용되지만 일반적으로 어떤 방법으로도 용접할 수 없는 것으로 간주됩니다.

대학원생 Maximilian Sokoluk과 Xiaochun Li 교수가 이끄는 UCLA 연구팀은 합금에 새로운 생명을 불어넣었습니다. 그들은 균열 없이 AA7075의 두 조각을 함께 TIG 용접하는 방법을 찾았습니다.