듀얼 빔 레이저를 이용한 Al-Cu 이종 재료의 3겹 겹침 용접성에 관한 기초 연구

Abstract

현대 사회의 큰 문제점 중 하나인 기후변화를 막기 위해 전 세계적으로 온실가스의 배출을 줄이고자 노력하고 있다. 특히 자동차 산업에서는 내연 기관에서 전기차로의 전환을 준비하고 있다. 전기차의 핵심 부품인 배터리에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 배터리 모듈은 수 많은 셀을 연결하여 요구하는 전압과 용량을 충족시킨다. 배터리 셀의 양 극은 각각 구리와 알루미늄으로 구성되어 이종 재료의 접합이 필요하다. 이를 접합하는 방법으로 레이저 용접이 적용되었다. 알루미늄과 구리는 소재의 특성 상 레이저 빔을 흡수하는 비율이 낮고, 용융 상태에서의 거동이 불안정하여 용접에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 빔 직경이 작은 고밀도의 에너지를 갖는 레이저 빔뿐만 아니라 스패터 및 용융 풀의 안정성을 위해 듀얼 빔 레이저 모드를 적용하여 실험하였다. 본 연구에서는 구리와 알루미늄의 이종 재료 용접시 스패터 생성 및 금속간 화합물의 성장을 억제를 통한 기계적 전기적 특성을 개선하기 위한 연구가 진행되었다. 먼저, 듀얼 빔모드에서 코어빔과 링빔의 비율을 80%로 선정하고, 용접 속도와 출력 조건을 변경하며 입열량의 차이에 따른 실험을 진행하였다. 실험 결과를 바탕으로 직선 용접과 워블링 용접을 비교하였다. 이를 통해 전단 인장시험을 실시하여 모재 두께 보다 좁은 비드 폭을 얻은 직선 1회 용접을 통해 얻어진 좁은 비드폭의 용접에서는 계면 파단이 발생하는 것을 확인하였다. 비드폭을 개선한 워블링 용접 조건에서는 모재 파단을 유도할 수 있었으며, 높은 인장강도 값을 얻기 위해서는 용입깊이보다 비드폭의 영향이 큰 것을 확인하였다. 또한 경도 값은 일정 용접 속도 이상에서 유사한 분포를 보였고, 용접 속도가 매우 빠름에도 불구하고 높은 경도 값을 보이는 구간이 존재하였으며, 금속간화합물의 생성을 확인하였다. 따라서 용접 속도가 빠름에도 금속간화합물의 생성을 억제하는 데 한계가 있었다. 워블링 용접으로 레이저 빔이 중첩되는 경우 조직의 경도값이 상승하는 것을 확인하였다. 용융 금속의 단면을 SEM을 통해 관찰하고 EDS분석을 통해 성분을 확인하였다. 수지상 및 공정 구조의 형태로 존재하는 미세 조직의 성분을 분석하고 경도 측정을 통해 금속간화합물의 존재를 확인하였다. 금속간화합물의 분포는 일정하지 않았으나 주로 이종 재료의 경계면과 용융 금속의 최하단에 위치하였다. 재료의 겹침 구성이 증가함에 따라 용융 용접 시 요구되는 에너지가 상승하여 금속간화합물의 생성을 억제하는 데 어려움이 있었다. 본 연구를 통해 직선 및 워블링 용접에서 모재 파단을 유도하는 용접 조건을 얻었으나, 금속간화합물의 생성을 확인하였다. 따라서 금속간화합물의 생성을 억제하는 데 한계가 있었으나, 기계적 특성을 개선하는 데 워블링 용접이 효과적임을 확인하였다 이상의 연구 결과는 이종 재료의 3겹 겹침 레이저 용접의 기초 연구로 향후 배터리 모듈 접합 기술의 중요한 자료로써 활용될 수 있을 것으로 기대된다.