서론: 출력 크기, 소재 또는 비용이 한계에 부딪힐 때 접합 공정은 마지막 엔지니어링 해법이다
적층제조 프로젝트 검토에서 거의 매주 등장하는 요구가 있다. 부품 외형이 장비 성형 챔버의 유효 크기를 초과하거나, 특정 영역에 한 대의 출력 장비로는 경제적으로 확보하기 어려운 소재 성능이 필요하거나, 전체를 출력하는 장비 가동 비용이 고객이 받아들이기 어려울 만큼 높아진 경우다. 이 세 가지 상황의 공통점은 더 이상 출력 파라미터 최적화만으로 해결할 수 없으며, 제조 공정의 조합으로 돌아가 답을 찾아야 한다는 점이다. 용접, 브레이징, 확산 접합은 적층제조가 단일체 성형에서 조합 제조로 나아갈 때 반복적으로 사용되지만 가장 쉽게 과소평가되는 공정군이다.
실제 엔지니어링 사례를 보자. 한 유체 분배 매니폴드의 외형 치수는 780 mm × 420 mm로, 주류 레이저 분말床 용융 장비의 400 mm급 성형 영역을 초과했다. 또한 그중 두 개의 플랜지 인터페이스만 고강도가 필요했고, 나머지 본체는 내압성과 내식성만 요구되었다. 전체를 출력하려면 대형 장비를 사용해야 하고 거의 1,000시간에 가까운 장비 시간을 부담해야 했지만, 분할 출력 후 용접으로 조립하면 비용을 기존의 3분의 1 이하로 낮출 수 있었다. 이런 의사결정의 핵심은 용접이 가능한가가 아니라, 조인트가 이후 압력시험, 탐상 검사, 운용 평가를 통과할 수 있는가에 있다.
1. 3D 프린팅 부품에 기존 용접 공정을 그대로 적용할 수 없는 이유
출력물을 일반 단조품이나 주조품처럼 취급해 용접하는 것은 현장에서 가장 흔한 오류다. 적층제조 모재는 기존 소재와 구별되는 세 가지 특징을 가진다. 내부에 일정 비율의 기공과 미융합 결함이 존재하고, 조직이 뚜렷한 이방성과 층간 특성을 보이며, 성형 후 비교적 높은 잔류 열응력이 남아 있다는 점이다. 이러한 특징은 용접 열사이클에서 확대된다.
기공 문제는 가장 직접적이다. 레이저 분말床 용융 부품은 열간등방압 처리 전 상대밀도가 보통 99.5%에서 99.9% 범위에 있으며, 남아 있는 미세 기공은 아크 또는 레이저 용접의 용융풀 고온에서 팽창하고 모여 융합선 주변에 기공 사슬을 형성한다. 실무에서는 용접 영역 주변 10 mm 범위의 모재에 대해 먼저 열간등방압 치밀화를 거치거나, 공정 평가 단계에서 산업용 CT로 해당 영역의 기공률이 0.2% 미만임을 확인하도록 요구하는 경우가 많다. 이 단계를 생략하면 조인트의 방사선 검사 1회 합격률이 90% 이상에서 60% 미만으로 떨어지는 경우가 흔하다.
이방성은 조인트의 변형 거동에 영향을 준다. 출력 방향, 즉 Z 방향과 그 수직 방향 사이에는 열팽창계수와 항복강도 차이가 있으며, 용접 중 불균일 가열로 인해 비대칭 수축이 발생해 플랜지 면에 공차를 초과하는 각변형이 생길 수 있다. 경험적으로는 용접 비드를 대칭 배치하고, 분할 백스텝 용접을 적용하며, 지그에 역변형량을 미리 부여한다.
2. 공정군 구분: 용융용접, 브레이징, 고상 접합의 적용 범위
이 세 가지 공정을 하나의 의사결정 표에 놓고 판단할 때 기준은 주로 조인트 강도 요구, 모재의 야금학적 상용성, 허용 가능한 열입력이다.
용융용접(TIG, MIG, 레이저 용접, 전자빔 용접)은 모재와 용가재가 함께 녹아 공통 결정립을 형성하는 방식으로, 조인트 강도가 모재에 근접할 수 있어 하중 지지 구조물과 압력용기류 부품에 적합하다. 대가는 열영향부가 크고 변형이 뚜렷하며, 모재의 용접성에 대한 요구가 높다는 점이다. 316L 스테인리스강 출력물의 경우 ER316L 용접와이어를 사용한 TIG 용접에서 열입력을 패스당 0.8~1.2 kJ/mm로 제어하고 층간 온도를 150 ℃ 이하로 유지하면, 조인트 인장강도는 보통 모재의 90% 이상에 도달할 수 있다.
브레이징은 모재보다 융점이 낮은 용가금속이 모세관 작용으로 간극을 채우는 방식이며, 모재 자체는 녹지 않아 열영향이 매우 작다. 정밀 부품, 박벽 부품, 이종 소재 조합에 적합하다. 은계 브레이징재(예: BAg 계열)의 브레이징 온도는 600~800 ℃이며, 진공 브레이징이나 보호 분위기 브레이징을 사용하면 산화를 피할 수 있다. 한계는 조인트 강도가 브레이징재 자체 강도와 간극 제어에 좌우된다는 점이다. 브레이징 간극이 0.05~0.15 mm 범위일 때 강도가 가장 높고, 간극이 지나치게 크면 강도가 급격히 낮아진다. 이 때문에 브레이징 조인트 설계에서는 맞춤 공차를 명확히 표기해야 한다.
확산 접합과 고상 접합(확산용접, 마찰교반용접)은 두 공정의 중간에 있다. 확산 접합은 진공 또는 불활성 분위기에서 압력을 가하고 융점의 0.5~0.7배 온도에서 유지해 원자 확산으로 브레이징재 없는 조인트를 형성한다. 열영향부가 거의 발생하지 않아 티타늄 합금과 내열합금 출력물 조합에 우선 고려되는 방식이며, 대표 조건은 900~950 ℃, 압력 5~10 MPa, 유지 시간 60~120분이다.
3. 동종 금속 접합의 공정 실행 요점
가장 흔한 티타늄 합금 Ti6Al4V 출력물을 예로 들면, 용접 전 세 가지 준비가 반드시 필요하다. 첫째는 표면 세정이다. 출력물 표면에 붙은 반용융 입자와 산화층을 용접부에서 기계 연마 또는 화학 밀링으로 제거해 금속 광택을 드러내야 하며, 연마 범위는 개선부 가장자리보다 15 mm 이상 넓어야 한다. 둘째는 개선 설계다. 판 두께가 6 mm를 초과하면 V형 또는 X형 개선을 권장하며, 루트 페이스는 1~2 mm로 두어 루트 용입을 보장한다. 셋째는 분위기 보호다. 티타늄 합금은 400 ℃ 이상에서 산소, 질소, 수소를 강하게 흡수하므로, 용접부와 열영향부는 순도 99.999% 이상의 아르곤으로 양면 보호해야 하며, 트레일링 실드를 사용해 고온부가 400 ℃ 이하로 냉각될 때까지 보호해야 한다. 용접부 색상이 은백색 또는 연한 노란색이면 합격이며, 파란색이나 회색이 나타나면 산화 초과로 판정하고 반드시 절단 후 재용접해야 한다.
알루미늄 합금 출력물의 난점은 수소 기공이다. AlSi10Mg 출력물은 자체적으로 실리콘 함량이 높고, 용접 시 용융풀이 수소를 흡수하려는 경향이 크다. 따라서 용접 전에 모재를 120~150 ℃로 예열해 제습하고, 열균열 민감성을 낮추기 위해 ER4043 용접와이어를 선택하며, 보호가스의 노점을 -40 ℃ 이하로 엄격히 관리해야 한다.
4. 이종 소재 전이 조인트: 강-알루미늄부터 구리-스테인리스강까지
출력물과 기존 소재 부품을 접합하는 것은 적층제조가 엔지니어링 적용에 들어선 뒤 가장 빠르게 증가하는 요구다. 핵심 모순은 야금학적 비상용성이다. 강과 알루미늄을 직접 용융용접하면 취성 금속간화합물층이 생성되며, 두께가 10 μm를 넘으면 조인트는 거의 소성을 갖지 못한다.
엔지니어링에서 주류 해법은 전이 조인트를 사용하는 것이다. 먼저 강 측에 알루미늄과 상용성이 있는 금속, 예를 들어 순알루미늄 또는 알루미늄-실리콘 합금을 육성용접하거나 폭발 압접으로 복합화한 뒤, 그 전이층 위에서 알루미늄 측의 브레이징 또는 용융용접을 수행한다. 이렇게 하면 취성 화합물이 용접부 내부가 아니라 복합 계면에 제한된다. 구리-스테인리스강 조합의 경우 일반적으로 니켈계 용가금속을 사용하거나 구리 측에 니켈층을 미리 도금해, 구리가 강의 결정립계로 침투해 발생하는 균열을 억제한다.
또 다른 더 안정적인 접근은 용융용접을 피하는 것이다. 이종 소재 사이에 기계적 체결과 브레이징 밀봉을 결합한 복합 조인트를 설계해, 기계 구조가 하중을 부담하고 브레이징층은 밀봉만 담당하게 한다. 이 설계는 야금학적 위험과 하중 지지 기능을 분리하며, 압력용기의 관 접합부에 널리 적용된다. 대신 구조가 다소 무거워지고 조립 공정이 늘어난다는 대가가 있다.
5. 조인트 품질 검증과 합격 기준
용접 및 브레이징 조인트는 외관만으로 출하 승인할 수 없다. 완전한 검증은 네 가지 층위를 포함해야 한다. 외관 및 치수(용접부 덧살 높이, 각변형, 브레이징부 충전율), 비파괴검사(용융용접 조인트는 방사선 또는 초음파 검사, 브레이징 조인트는 초음파 및 기밀시험 중심, 출력물 용접 영역은 기공 집적 확인을 위해 산업용 CT 검사를 추가 권장), 기계적 검증(동일 배치의 공정평가 시험편에서 인장, 굽힘, 충격 시험 수행), 그리고 사용 조건 검증(사용 압력의 1.5배로 수압시험을 실시하고 30분 이상 압력을 유지)이다.
공정 평가는 양산 전에 완료하고 문서화된 용접공정시방서로 만들어야 한다. 전류와 전압, 열입력, 층간 온도, 보호가스 유량, 용접 후 열처리 곡선을 모두 고정해야 한다. 이 단계가 없으면 매번 용접은 불확실한 실험이 되며, 재작업 비용이 적층제조가 절감한 시간상의 이점을 빠르게 잠식하게 된다.
6. 적층제조를 고려한 조인트 설계 제안
공정 단계에서 보완하려 하기보다 설계 단계에서 접합을 고려하는 것이 낫다. 구체적인 제안은 세 가지다. 첫째, 용접부 위치를 저응력 영역에 배치하고 단면이 급변하는 곳과 피로에 민감한 위치를 피한다. 둘째, 출력물에 용접 위치 결정 턱과 브레이징재 홈을 직접 성형해 조립 정렬 시간을 줄이고 간극 일관성을 보장한다. 셋째, 용접 후 응력 제거 어닐링이 필요한지 명확히 표시한다. 티타늄 합금은 보통 600~700 ℃에서 1~2시간 유지하고, 알루미늄 합금은 대체로 250~300 ℃의 저온 어닐링을 적용한다. 조건을 잘못 기재하면 치수 초과나 성능 저하로 바로 이어질 수 있다.
결론
용접, 브레이징, 확산 접합은 적층제조의 대체재가 아니라, 적층제조를 단일 장비의 크기 제한에서 벗어나게 하는 엔지니어링 수단이다. 어떤 공정을 선택할지는 조인트 강도 요구, 모재의 야금학적 상용성, 허용 가능한 열입력에 달려 있다. 안정적으로 합격품을 만들 수 있는지는 모재의 치밀화 상태, 표면 세정 품질, 분위기 보호, 공정 평가의 완성도에 좌우된다. 이러한 선행 조건을 확실히 갖춰야 조합 제조가 적층제조의 형상 자유도를 확보하면서도 구조 신뢰성의 하한선을 지킬 수 있다.