1. 서 론
전기자동차 시장이 급성장함에 따라 배터리의 경량화 및 고효율화가 중요한 과제로 떠오르고 있다1,2). 배터리 시스템은 셀, 모듈, 패키지로 구성되며3-5), 이 중 모듈과 패키지 부품은 차량의 총중량 감소와 에너지 효율 향상을 위해 경량 소재인 알루미늄 합금과 고전도성 소재인 무산소동의 조합이 자주 사용된다6). 1000계열 알루미늄 합금은 고순도와 뛰어난 열 및 전기 전도성을 바탕으로 전기 전자 장비, 배터리 연결부, 열 교환기 등에서 널리 사용된다. 무산소동(oxygen-free copper, OFC)은 불순물이 적고 전기 전도도가 매우 뛰어나, 전기 및 전자기기에서 신호 전송의 효율성을 요구하는 적용처에 적합하다. 이러한 1000계열 알루미늄 합금과 무산소동의 전기적 특성으로 인해 두 소재의 조합은 전기차 배터리 모듈 연결부, 고성능 전기 장비, 에너지 저장 시스템에 적용되고 있다7,8). 그러나, 이들 소재 간의 물리적, 화학적 특성 차이로 인해 효과적인 접합 기술을 구현하는 데 있어 여러 난제들이 존재한다.
초음파 용접 기술은 국부적인 마찰열을 이용한 접합 방법으로, 접합부 외부로 열이 확산되지 않아 주변 소재의 열적 손상을 최소화하면서 효율적으로 두 소재를 접합할 수 있는 방법으로 이종소재 접합에 유리한 접합공정인데, 이는 이종 금속 접합에서 불가피하게 형성되는 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)의 두께와 분포를 제한하여 강도를 유지하거나 최적화할 수 있기 때문이다. 알루미늄과 구리의 이종소재 접합에서도 금속 간 화합물의 형성을 제어하는 것이 안정적인 접합 강도를 확보할 수 있는 방법이다9).
최근 연구에서는 초음파 용접에서 용접공정 변수(예: 진동 주파수, 접합 시간, 압력)와 IMC의 성장 간의 상관관계를 분석하고, 전기적 및 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 또한 초음파 용접 공정변수 중 혼과 앤빌의 형상, 가압력, 이로 인해 생기는 압흔이 접합강도에 미치는 영향에 대한 연구도 진행되고 있다10-15). Kang10)은 초음파 용접 공정 변수가 알루미늄/무산소 구리 이종 접합부의 압흔 형성에 미치는 영향을 조사하였으며 이를 통해 이론적 최대 파괴 강도를 제안하였다. 이 연구에서 압흔 깊이가 널 높이로 인해 특정 값으로 수렴됨을 관찰하였으며 무산소 구리 표면의 압흔 깊이는 용접 시간에 비례하여 증가하며, 이로 인해 파괴 강도도 증가하는 경향이 있다고 보고하였다. Shakil11)은 3003 알루미늄 합금과 304 스테인리스 스틸의 이종소재 초음파 용접을 통해 용접에너지 증가에 따른 압입 깊이와 마찰부의 재료의 flow에 대해서 연구하였다. 초음파 용접에서 용접에너지는 소재를 접합시키기 위해 필요한 총 에너지로 초음파 용접 공정변수인 진폭, 가압력 및 용접시간에 의해서 결정된다. Lee12)는 혼의 패턴 형상이 배터리 탭 초음파 용접특성에 미치는 영향을 FEM 시뮬레이션을 통해 연구하였다. 이 외에도 초음파 용접에서 접합부의 금속간 화합물 두께와 압흔 깊이의 상관관계에 대해서 규명하는 연구도 진행되고 있다.
본 연구에서는 A1050 알루미늄 합금과 C1100 구리 합금의 이종소재 초음파 용접에서 전단인장강도에 미치는 압흔 깊이의 영향을 조사하였다. 이를 위해 다양한 초음파 용접 조건에서 용접에너지, 인장 전단 강도를 측정하였으며, 용접부 단면의 관찰을 통해 압흔 깊이를 측정하고 접합 품질에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.
2. 실험 방법
본 실험에 사용한 모재는 두께 1.0 mm인 A1050P-H24 알루미늄 합금과 두께 1.0 mm인 C1100P-1/2H 구리 합금이다. 모재의 자세한 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다.
Table 1
Chemical compositions (wt.%) of base material used in this study
| Chemical compositions (wt.%) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A1050P-H24 | C1100P-1/2H | ||||||
| Si | Fe | Cu | Mg | Mn | Al | Cu | P |
| 0.25 max | 0.40 max | 0.05 max | 0.05 max | 0.05 max | Bal. | > 99.9 | < 0.01 |
본 연구에서 적용한 초음파 용접공정 변수로는 가압력, 용접시간 및 진폭 등의 주요 변수가 있다. 가압력의 경우는 사전실험 및 본 실험에서 3, 4 및 5 bar의 3가지 수준으로 설정하였다. 용접시간의 경우는 0.8 및 0.95 s 2가지 시간 조건에서 실험을 수행하여 사전 용접성 평가를 수행하였으며, 이후 적정 조건 도출 후 추가로 용접시간을 0.1 s 에서 0.5 s 까지 0.1 s 간격으로 5수준을 적용해서 실험을 수행하였다. 진폭은 100% (50 ㎛)로 고정했고, 압흔 깊이를 결정할 수 있는 혼과 앤빌 사이의 간극은 모든 실험조건에서 하판을 기준으로 했을 때 혼이 하판 표면에 닿을 수 있는 1.0 mm로 고정하여 실험을 수행하였다. 일반적으로 초음파 용접장비의 경우 진폭을 해당 장비에서 낼 수 있는 실질적인 혼의 진폭을 %로 표시한다. 본 연구에 사용된 장비의 경우 100%일 경우 진폭 50 ㎛를 나타낸다. Table 2는 본 연구에서 사용한 용접변수를 보여주고 있다.
Table 2
Ultrasonic welding variables used in this study
| Variable | Parameter |
|---|---|
| Welding time (s) | 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.8, 0.95 |
| Clamping pressure (bar) | 3, 4, 5 |
| Amplitude (%(㎛)) | 100 (50) |
| Distance between horn and anvil (mm) | 1.0 |
| Joint type | Overlap |
초음파 용접을 위한 용접 시편의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 상판 및 하판의 사이즈는 각각 30 mm× 100 mm이며 상하판 겹침부의 길이는 30 mm로 한 후 초음파 용접을 수행하였다.
본 연구에서는 주파수가 20 kHz 인 Kormax system의 KM-20 Super 금속용 초음파 용접기를 사용하였다. 초음파 용접 장비와 컨트롤러, 사용한 혼과 앤빌의 정보는 Fig. 2에 나타내었으며, 혼과 앤빌의 면적은 각각 9×9 mm2, 20×16 mm2 이다. 초음파 용접은 각 조건에서 5번 수행하였다.
초음파 용접을 수행한 후 SHIMADZU사의 AG-300kNX Plus 인장시험기를 사용하여 인장전단강도를 평가하였다. 초음파 용접부의 용접강도 규격에 대한 표준이 따로 존재하지 않아 본 연구에서는 KS B 0850:2018-점 용접부의 검사 방법에 따라 용접부의 허용강도 기준은 618 N으로 선정하였다. 압흔 깊이는 초음파 용접 후 용접부 중앙부를 단면 가공하여 광학현미경 촬영을 통하여 측정하였다.
3. 실험 결과
3.1 용접조건 확정을 위한 초음파 용접실험
알루미늄-구리 이종소재 초음파 용접 조건 선정을 위해 알루미늄 합금과 스틸의 이종소재 초음파 용접시 적용했던 가압력과 용접시간을 바탕으로 용접조건 선정을 위한 실험을 수행하였다. Fig. 3은 가압력 및 용접시간에 따른 용접에너지, 인장전단강도, 용접부 외관 및 파단부 형상을 보여주고 있다. 용접부 외관을 관찰하는 이유는 용접부의 균일성과 치밀도를 통해 내부 접합 상태를 간접적으로 판단할 수 있으며, 또한 강도에 영향을 미치는 용접 후 표면 결함 여부를 확인하기 위해서이다.
Fig. 3
Experimental results of (a) welding energy, weld appearance and (b) tensile shear strength, fracture shape with applied clamping pressure and welding time
Fig. 3에서 보듯이 동일 용접시간 0.95 s에서 가압력에 따른 용접에너지의 차이는 크게 보이지 않는다. 하지만 인장전단강도의 경우 용접에너지가 유사한 값을 나타냄에도 불구하고 가압력에 따라 약간의 편차는 존재했다. Fig. 3에 나타난 용접부를 보면 하판이 드러나 육안으로 쉽게 확인할 수 있었다. 외관을 중심으로 판단할 때 현재 적용된 용접조건은 용접시간 및 가압력이 과하게 설정된 것으로 판단하였다. 따라서 용접 가압력과 용접시간을 낮춰 가압력 2 bar일 때 용접시간을 0.5 s 이하로 설정하여 초음파 용접을 수행하였다.
Fig. 4는 가압력 2 bar, 진폭 100%(50 ㎛) 조건에서 용접시간별 초음파 용접부 외관 및 에너지를 보여주고 있다. Fig. 5는 Fig. 4의 결과에서 용접시간 변화에 따른 측정된 용접에너지를 그래프로 보여주고 있다. Fig. 4에서 보듯이 용접시간이 증가함에 따른 용접부 외관을 살펴보면 혼에 의한 압흔 자국이 뚜렷해 지면서 용접에너지가 증가했으며, 용접시간이 증가함에 따라 혼의 압흔이 하판에 닿아 하판이 드러나는 것을 확인할 수 있다. 용접시간 0.2 s의 경우 용접에너지가 약 260 J 정도이며 0.35 s 및 0.50 s인 경우에는 각각 460 J, 640 J 정도였다.
Fig. 6, 7에서 보듯이 용접시간 0.2 s 일때 최대 인장전단강도를 나타내고 있으나 그 편차가 상당히 큰 것을 알 수 있다. 이는 파단부 형상에서도 나타나듯이 용접부의 강도가 모재의 강도보다 높아 용접부는 남아있고 HAZ (Heat Affected Zone)에서 균열 및 파단이 발생하는 pull-out 파단도 나타나긴 하지만 대부분의 경우 용접 강도가 모재의 경우보다 낮아 용접 접합면(계면)을 따라 발생하는 계면파단의 형태로 파단이 일어났기 때문에 이러한 편차가 발생하게 된다. 용접시간이 0.35 s 및 0.5 s로 증가하게 되면 인장전단강도는 점차 감소하였으나 모든 경우에 pull-out 파단이 발생하였다.
용접에너지와 인장전단강도와의 상관관계를 살펴보면 Fig. 5와 7에서 보듯이 용접시간이 증가함에 따라 용접에너지는 증가하지만 인장전단강도의 경우에는 용접시간이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여주고 있다. 일반적으로 초음파 용접의 경우 용접에너지가 증가하게 되면 용접부 접합력이 향상되어 용접부 강도가 증가하게 된다. 하지만 위의 실험결과의 경우 용접접시간이 0.35 s 이상인 경우 과용접으로 인해 용접부 강도가 줄어든 것이다. 이러한 결과를 토대로 최적 용접조건 도출을 위해 용접시간 0.1 s 부터 0.5 s 까지의 용접부 특성을 평가하였다.
3.2 최적 초음파 용접조건 도출
Fig. 8
Experimental results of welding energy and ultrasonic weld appearance with welding time between 0.1 s and 0.5 s
앞의 실험결과와 마찬가지로 용접에너지의 경우는 용접시간이 증가함에 따라 약 100 J 에서 410 J 까지 증가하였으며 실험반복에 따른 큰 편차는 존재하지 않았다. Fig. 10과 11은 용접시간 0.1 s에서 0.3 s일 때의 용접부 인장전단시험 결과를 보여주고 있다. 그림에서 보는 바와 같이 용접시간 0.1 s의 경우에는 계면파단이 일어나서 용접 강도 확보가 어려웠다.
Fig. 10
Experimental results of tensile shear strength and fracture shape with welding time change between 0.1 s and 0.5 s
Fig. 11은 용접시간 변화에 따른 인장전단강도 결과를 보여주고 있다. 용접시간이 0.1 s일 경우에는 안정된 인장전단강도를 확보하지 못하고 있으나 용접시간이 0.2 s로 증가하게 되면 최대 인장전단강도인 1413 N을 확보할 수 있었으며, 평균 1180 N의 안정된 인장전단강도를 보이나 편차가 심한 편이다. 이 편차는 pull-out 파단이냐 계면파단이냐에 따라 나타나는 편차이다. 그 후 용접시간이 증가하게 되면 인장전단강도는 조금씩 감소하는 경향을 보인다. 그리고 용접시간 0.2 s일 때부터 pull-out 파단이 발생하기 시작했는데 그 이유는 압흔에 의해서 상판 모재인 알루미늄의 두께가 감소되면서 두께가 얇아진 부분에서 파단이 일어나기 때문이다. 용접시간 0.3 s인 경우에는 평균 약 1130 N 의 인장전단강도를 확보할 수 있었으며 실험 반복에 따른 편차는 매우 작았다. 또한 용접시간 0.2 s 일 때는 부분적으로 pull-out 파단이 발생했으나 용접시간 0.3 s의 경우에는 모든 실험에서 pull-out 파단이 발생하였다. 용접시간이 0.4 s 이상으로 증가하게 되면 모든 파단 형상은 pull-out 파단이 발생하며 인장전단강도의 경우 각각 평균 1093 N, 935 N으로 점차 감소하게 된다.
위의 실험결과를 종합해 보면 다음과 같다. 우선 용접에너지의 경우에는 용접시간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보인다. 두번째, 용접에너지가 증가하면 대체적으로 용접부 강도는 증가하지만 용접시간이 과하면 용접에너지는 증가하지만 용접강도는 감소하게 된다. 세번째, 용접강도 확보를 위해서는 일정량 이상의 에너지가 필요하다. 본 연구에서는 허용강도를 확보하기 위해서는 250 J 이상의 에너지가 필요했다.
3.3 용접부 강도와 압흔 깊이와의 상관관계
Fig. 12는 초음파 용접 후 압흔 깊이를 측정하기 위한 용접시간별 용접시편 단면을 보여주고 있다. Fig. 12에서 보듯이 용접시간이 0.3 s까지 증가함에 따라 압흔 깊이가 깊어지는 것을 알 수 있으며 그 이후에는 과한 압흔으로 인해 혼에 의해 눌린 모재가 파단되어 있는 모습을 확인할 수 있다. Fig. 13은 용접시간 변화에 따른 측정된 압흔 깊이를 보여주고 있다.
Fig. 13에서 보는 바와 같이 용접시간이 0.1 s인 경우 압흔 깊이는 평균 0.35 mm정도이다. 이후 용접시간이 증가함에 따라 0.3 s까지는 0.73 mm 정도로 증가하는 추세를 보이며 그 후 0.4 s일 경우는 평균 0.75 mm 압흔 깊이를 나타나며 용접시간 0.3 s 대비 큰 변화를 보이지 않는다. 그 후 용접시간이 0.5 s로 증가하게 되면 압흔 깊이는 평균 0.68 mm 로 약간 감소하는 경향을 보이는데 이는 혼의 가압에 의해서 눌린 알루미늄 합금이 혼 사이의 골로 채워지며 전반적으로 압흔 깊이를 잴 수 있는 기준 높이가 변해서 나타나는 결과로 보여진다. 이 결과를 토대로 본다면 압흔 깊이는 용접시간이 증가함에 따라 증가하다가 용접시간 0.3 s 이후에는 큰 변화 없이 유지된다고 볼 수 있다.
Fig. 14는 인장전단강도, 압흔 깊이 및 시편 두께의 상관관계를 나타내고 있다. Fig. 14에서 보듯이 압흔 두께와 인장전단강도는 비례관계를 보이며 상판의 두께와는 반비례 관계를 보이지만, 최대 인장전단강도를 나타내는 용접시간에서의 압흔 깊이와 상판 두께가 최대, 최소값을 보이는 구간은 아니다. 또한 용접시간 0.2 s 일때 상판의 두께는 평균 0.48 mm이며, 이 이후에 pull-out 파단이 발생하는 것으로 보아 모재의 두께가 약 0.5 mm (원래 모재 두께의 1/2 수준) 보다 얇아지게 되면 pull-out 파단이 발생하게 되는 것으로 판단된다. 압흔 깊이는 초음파 용접 중 가압력과 진푹에 의해 용접부 표면에 남는 변형 깊이를 의미하며, 이는 접합 영역의 크기와 강도에 직접적 영향을 미치게 된다. 압흔 깊이가 적정 수준에서 증가하게 되면 접합 면적이 커지며, 이로 인해 금속 간의 원자 확산이 촉진되어 높은 인장전단강도를 얻을 수 있다(용접시간 0.1~ 0.2 s). 하지만 압흔 깊이가 과도하게 클 경우(용접시간 0.3~0.5 s)에는 재료의 국부적 손상이 발생하게 되어 접합강도가 오히려 감소하게 된다. 혼의 압흔에 의해 용접시간 0.2 s 일 때의 상판 두께보다 용접시간 0.3 s ~ 0.5 s 일 때의 상판 두께가 1/2 수준으로 얇아져서 pull-out 파단이 발생함에도 불구하고 이 때의 인장 전단 강도가 더 낮게 나타난다. 또한 압흔 깊이는 초음파 용접 에너지가 재료에 효율적으로 전달되었는지를 간접적으로 나타내는 지표로 적절한 에너지 전달은 접합강도를 높이는데 기여한다.
4. 결 론
본 연구에서는 1000계열 알루미늄 합금과 무산소동의 이종소재 초음파 용접특성에 미치는 압흔깊이의 영향을 조사하였다. 다양한 용접조건 변화에 따른 초음파 용접을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) 용접시간이 증가함에 따라 혼에 의한 압흔 자국이 깊어지면서 용접에너지가 증가했다. 용접시간 0.2 s, 0.35 s 및 0.5 s의 경우 용접에너지가 각각 260 J, 460 J, 640 J 였다. 2) 본 연구에서는 허용강도를 확보하기 위해서는 250 J 이상의 에너지가 필요했다. 용접에너지는 용접시간이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며, 용접에너지가 약 260 J (용접시간 0.2 s)일 때 평균 인장전단강도 1180 N을 확보하였다. 용접시간이 0.5 s까지 증가하면 용접에너지는 640 J 까지 증가하지만 용접강도는 평균 935 N 까지 감소하게 된다.
3) 압흔 깊이가 특정 범위(0.52~0.73 mm)에서 증가하게 되면 접합 면적이 커지며, 이로 인해 금속 간의 원자 확산이 촉진되어 높은 인장전단강도를 얻을 수 있지만, 압흔 깊이가 과도하게 커지면(0.73 mm 이상) 재료의 국부적 손상이 발생하게 되어 접합강도가 오히려 감소하게 된다.
4) 초음파 용접 후 혼의 압흔에 의해 용접부의 모재 두께가 원래 모재 두께의 1/2 이하로 감소하는 경우 pull-out 파단이 발생하였다.
초음파 용접부의 인장전단강도와 압흔 깊이는 공정 조건에 따라 최적의 균형이 필요하다. 적절한 용접 조건에서 혼에 의한 압흔 깊이는 초음파 용접 후 접합부의 모재 두께 및 접합 면적을 결정하게 되고 인장전단강도의 중요한 지표로 작용하며, 이를 최적화하면 접합 품질을 크게 개선할 수 있다.
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