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Al/Cu 레이저 용접에서 입열 및 간격에 따른 용접부 기계/금속학적 특성 연구

A Study on Mechanical/Metallurgical Characteristic of Welded Joints According to Heat Input and Gap in Al/Cu Laser Welding

Article information

J Weld Join. 2024;42(1):62-68
Publication date (electronic) : 2024 February 28
doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2024.42.1.6
이찬양*orcid_icon, 오민철*,orcid_icon
* 고등기술연구원 지능기계시스템센터
* AI & Mechanical System Center, Institute for Advanced Engineering, Yongin, 17180, Korea
†Corresponding author: mc0715hj@iae.re.kr
Received 2023 October 12; Revised 2023 November 22; Accepted 2023 December 27.

Abstract

The electrical connectivity and tensile strength between battery components are crucial factors for enhancing battery performance in electric vehicles. In this study, the welding characteristics of aluminum-copper welded joints manufactured using the multi-core laser welding process were studied according to the output power of core/ring laser. Moreover, the tensile strength change behavior according to various welding processes, such as single/two-line welding, and welding gap distance were measured. The results revealed that increasing the output power of the ring beam led to an increase in the tensile strength. However, excessive laser power would increase convection between aluminum and copper during welding and cause defects owing to the difference in the solidification temperature between the two materials. In addition, the mechanical properties were improved by increasing the distance between the two lines of straight laser welding. As the spacing increased, the fraction of the equiaxed microstructure increased, and grain growth was suppressed to improve mechanical properties.

1. 서 론

저탄소화 기술력 확보 및 탄소 중립 실현을 위해 화석연료를 사용하지 않는 전기차 시장이 확대되고 있다. 전기차의 주요 구성품 중 하나인 배터리는 배터리 관리 시스템, 파워 일렉트릭, 모듈 및 팩 하우징 등으로 이루어져 있으며, 각 연결부 부품들 간의 전기적 연결을 위해 버스바(busbar)가 사용된다. 버스바는 모듈과 모듈, 셀과 셀 사이의 전기적 연결을 위해 필요한 핵심부품이며 일반적으로 100 %IACS로 높은 전기 전도도를 가진 C1100, C1020P 등의 순수 구리가 사용된다.

하지만 전기차를 비롯해 신재생에너지로의 산업 전환 추세에 따라 전기전도도가 높은 구리 및 합금의 수요가 증가하고 있으며, 이로 인하여 원자재 가격이 상승하는 문제점이 있다. 또한 전기자동차의 에너지 효율을 향상시키기 위하여 경량 소재인 알루미늄을 적용한 이종 소재 개발이 요구되고 있으며, 현재 알루미늄/구리 이종 금속의 하이브리드 소재를 포함하는 다양한 금속 접합 공정이 연구되고 있다1-3).

이들 이종소재의 접합에는 초음파용접, 전기저항용접, 단일 모드 레이저 용접 등이 이용되고 있다. 현재까지 고주파 에너지를 이용하는 초음파 용접이 상온에서 용착이 가능하고 용접 공정이 간단하여 많이 선호되고 있지만, 용접 소재의 두께에 제한이 있으며, 팁 마모로 인한 소모품 교체 등의 이유로 생산성이 저하되는 문제점이 있다. 그리고 압력을 가하여 접합하는 기술인 전기저항용접이 용접부의 건전성 및 용접 변형이 작아 사용되고 있었으나 이종 금속의 접합이 어렵고 설비가 복잡하여 가격이 비싼 문제점이 있다. 이러한 복합적인 이유로 인해 현재는 연결부 부품 간 레이저 용접을 적용하는 추세이다4,5).

하지만, 알루미늄/구리 이종금속 레이저 용접은 용접 후 열팽창계수의 차이로 인해 냉각 시 수축에 의한 응력집중이 일어나 균열이 발생하기 쉬우며, 불안정한 키홀 거동으로 인하여 기공이 발생할 수 있는 문제점이 있다6). 또한 레이저 용접 시 구리와 알루미늄의 높은 반사율로 인해 매우 적은 에너지가 소재에 흡수되어 용접 비드의 상부 표면이 균일하지 못한 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 Bergmann7)은 레이저를 중첩하여 용접을 진행하였다. 레이저의 중첩으로 제조된 용접부에서는 더 깊은 침투와 균열에 대한 향상된 용접 품질을 확인할 수 있었고, 두 레이저 빔의 조합으로 인해 유리한 응고 조건을 촉진하여 열 균열이 효과적으로 감소되거나 방지하는 것을 확인하였다. 또한 Jabar8) 는 이중 빔을 조사하는 방식인 Adjustable Mode Beam (AMB)을 사용하였고 코어 및 링 빔을 적용할 경우 용접 시 외곽의 링 빔이 모재를 예열시켜 레이저 파장의 흡수율을 높여주고 그 후 코어 빔이 키홀을 형성하게 되는 것을 확인하였다. 이렇게 형성된 키홀은 링 빔의 예/후열 효과로 온도구배가 낮아 기존의 단일 빔 적용과 비교하였을 때 스패터, 균열 및 품질 측면에서 효과가 있음을 입증하였다. 하지만 알루미늄-구리 이종 소재 멀티 코어 레이저의 공정 제어와 관련하여, 기존의 초음파용접, 전기저항용접, 단일-레이저 용접과 동일하게 용접부의 미세조직 제어를 통한 기계적 물성 확보 연구가 필요하다. 이에 본 논문에서는 멀티 코어 레이저 용접을 통해 코어와 링 빔을 제어하여 레이저 파장의 흡수율을 높여 스패터 및 균열 발생을 최소화하였고 현재 알루미늄/구리 이종소재 버스바 용접 시 사용되고 있는 두 줄 직선 용접을 멀티 코어 레이저로 진행하였으며, 두 줄 직선 용접이 용접부의 미세조직 및 기계적 물성에 미치는 영향을 연구하였다.

2. 실험 방법

2.1 실험장비 및 실험조건

실험은 IPG 사에 공랭식 YLS-SM-AMB (Single mode-Adjustable Mode Beam) 장비인 YLS-1000/ 1000을 사용하여 Fig. 1과 같이 코어와 링 빔을 조사하는 방식인 멀티 코어 레이저 용접을 진행하였고 레이저 스펙은 다음 Table 1과 같다. 용접속도는 300 mm/s로 고정하고 Table 2와 같이 코어 빔과 링 빔의 레이저 출력을 변수로 하여 실험하였고, 용입 거동 및 용접부 시편의 기계적 특성을 비교하는 선행 시험을 진행하였다. 그 후, 기계적 특성 및 용접부가 가장 양호하게 나오는 레이저 출력을 기준으로 두 줄 직선 용접을 하였으며, 용접 간격을 0.2 mm씩 증가하여 총 8개의 서로 다른 용접 간격을 갖는 용접 시편의 기계적 특성 및 미세조직을 비교하는 시험을 진행하였다.

Fig. 1

Schematic drawing of AMB laser welding process

Specification of AMB laser.

Laser welding conditions

2.2 시험편 제작

본 연구에서는 버스바와 탭 사이의 접합을 위해 자동차 배터리에 주로 사용되고 있는 알루미늄 1050을 상판으로 C1020P 소재를 하판으로 하였으며, 20 mm를 겹쳐 레이저 용접을 수행하였다. 두 소재의 두께는 모두 0.4 mm로 하였으며, 레이저 용접 길이는 Fig. 2에 표현된 것처럼 35 mm로 고정하여 별도의 보호가스 없이 용접을 수행하였다.

Fig. 2

Al/Cu dissimilar materials welding test specimen

Fig. 3

Interface bead width according to laser power of multicore

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 Al/Cu 박판 멀티코어 레이저 용접부 형성

Table 2에 제시된 조건으로 용접된 알루미늄/구리 이종소재의 접합부 단면 사진을 Fig. 4에 제시하였다. 단면 분석 결과 코어 빔의 출력이 증가함에 따라 용입이 증가하였으며, 800 W 이상에서는 링 빔 출력 조건과 상관없이 모두 완전용입 된 것을 확인하였다. 또한 코어 빔의 출력이 동일 할 때 링 빔의 출력 증가에 따라 비드 폭이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 링 빔 0 W, 500 W일 때 보다 1000 W일 때에 계면 비드 폭이 커지는 것을 확인 할 수 있는데 링 빔의 출력에 따른 비드 폭의 변화 분석 결과 500 W 이하의 출력에서 용접할 시 비드 폭이 좁은 것을 확인 할 수 있다. 링 빔의 직경은 228 um로 기존 레이저 용접 빔에 비하여 매우 조대하며, 동일 출력에서 에너지 밀도가 낮기 때문에, 저출력에서 용접을 할 시 에너지 밀도 부족으로 용접성이 저하되어 비드 폭 확보하지 못한 것으로 판단된다.

Fig. 4

Cross section of multi laser welded Al/Cu specimen depends on core/ring beam output power

반면, 높은 출력에서는 비교적 높은 에너지 밀도로 인하여 알루미늄이 용융되어 계면부의 비드가 링 코어 스팟 사이즈와 비슷한 폭이 형성된 것으로 판단된다.

3.2 멀티코어 레이저 용접부 강도 평가

알루미늄 구리 판재의 겹치기 용접부에서 레이저 파워 세기에 따라 접합강도 및 파단거동을 알아보았다. 전반적으로 코어 빔 및 링 빔 세기의 증가에 따라 접합강도가 증가하는 것을 볼 수 있으나, Fig. 5와 같이 코어 빔 출력이 높아질 경우 점차적으로 강도가 증가하나 출력이 800 W에서 1000 W로 높아질 경우 강도가 감소하는 것을 확인하였다. 링 빔의 출력이 높아질 경우 상대적으로 알루미늄 부분의 넓은 영역을 용융시켜 비드 폭의 증가로 인해 접합강도를 높이며 Fig. 6과 같이 계면 파단에서 알루미늄 모재에서 파단이 일어나는 것을 확인하였다. 반면, 코어 빔의 출력이 높아질 경우 기계적 물성이 감소하는 것을 확인 할 수 있는데, 코어 빔의 경우 레이저 조사로 인해 비드 폭을 증가시키는 것이 아닌 알루미늄/구리의 결합 면적이 레이저 파워의 증가와 함께 점진적으로 증가하게 되며 형성된 IMC의 함량 증가로 이어지게 된다. 또한 높은 취성을 가진 Al2Cu 영역과 Al-Cu 공융 영역의 두께도 레이저 파워 증가와 함께 증가하므로 기계적 성질에 악영향을 준 것으로 판단된다10).

Fig. 5

Tensile strength according to core/ring beam distribution

Fig. 6

Al-Cu weld section at core beam laser power 600 W (a) ring 0 W (b) ring 1,000 W

또한 Fig. 7과 같이 알루미늄/구리 비드 계면에서부터 난류 형태의 용융풀 대류가 일어난 것을 확인 할 수 있으며, 코어 빔의 출력을 증가시켰을 때 온도와 용융 풀의 표면적이 증가하고, 마랑고니 효과(Marangoni effect)로 인한 알루미늄 모재가 구리와 더 많은 부분 용융되어 혼합된 모습을 하고 있다11). 혼합된 알루미늄/구리의 경우 Al 녹는점(660℃)과 Cu의 녹는점(1,085℃) 차이로 인해 구리가 먼저 응고되며 발열 반응을 유발하게 된다. 이로 인하여 응고 계면 주변부로 냉각 속도가 저하되게 되고, 응고 계면 주변으로 조대 주상정 조직을 형성시킨다. 반면 Cu 유입이 없는 용접부에서는 빠른 냉각으로 인하여 미세 등축정이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 조대한 주상정은 내부 갈라짐, 응고수축에 의한 중심 기공, 응고 말기의 미 응고 용강의 유동에서 기인하는 중심 편석 등의 내부 결함을 발생시켜 기계적 성질을 저하하게 된다.

Fig. 7

Microstructure analysis according to core beam distribution at ring beam laser power 1,000W. core beam laser power at (a) 600 W, and (b) 1,000 W

3.3 용접 간격에 따른 기계적 특성 및 미세조직 분석

선행실험에서 용접성이 우수한 core/ring beam 600- 1,000 W를 기준으로 기계적 강도를 증가시키기 위해 두 줄 직선 용접을 하였으며, 두 줄 직선 용접의 간격은 Fig. 8과 같이 0.2 mm를 기준으로 0.2 mm씩 증가시키며 용접을 진행하였다. 실험 결과 비드 사이 간격을 두고 두 줄 직선 용접을 진행하였을 때 파단은 Fig. 6 (b)와 같이 모두 상판의 알루미늄 모재에서 파단이 발생하였으며 한 줄 직선 용접을 하였을 때 최대 파단 강도가 82 MPa인 것에 비해 Fig. 9와 같이 두 줄 직선 용접의 파단 강도는 비드 간 거리가 넓을수록 더 크게 나타났고 0.2 mm 간격일 때 91 MPa을 최소값을 시작으로 점차 증가하여 1.6 mm 간격에서 최대 123 MPa로 측정되었고 1.0 mm 간격부터 파단강도가 점차 수렴하는 것을 확인하였다. 두 줄 직선 용접은 한 줄 직선 용접에 비해 비드 폭이 넓어 응력집중계수가 낮아 파단강도가 증가한 것으로 보인다.

Fig. 8

Multi laser lap welding condition with variable bead to bead distance

Fig. 9

Tensile shear stress according to distance of the between welded pass

용접 공정 조건 및 영역에 따른 경화 거동을 분석하기 위하여, Mitutoyo 사의 Micro vickers hardenss를 이용하여 경도를 분석하였다. 시험 하중은 50 gf로 5초 동안 하중을 부여 하였으며, Fig. 10과 같이 용접부를 기준으로 0.2 mm 간격으로 용접부 및 모재부의 경도를 측정하여 Core/Ring beam 600/1,000 W 한줄 직선용접에서의 경도와 비교분석을 진행하였다. 이때, 두 번째 용접부에서 첫 번째 용접부의 방향을 음으로 두 번째 용접부에서 모재부의 거리를 양의 방향으로 표기하였다. Fig. 11과 같이 Fusion line의 경우 용접부와 모재부에 비해 낮은 경도 값을 가졌으며, 용접 간격이 좁은 경우 두 번째 용접으로 인한 Fusion line의 경도가 첫 번째 Fusion line의 경도에 비해 낮은 것을 확인 할 수 있었으나, 용접 간격이 0.6 mm 이상 벌어지게 된 경우 첫 번째와 두 번째 Fusion line의 경도차가 없음을 확인하였다.

Fig. 10

Microstructure at weld gap 0.4 mm

Fig. 11

Vickers hardness values according to distance

용접 조건에 따른 기계적 물성 변화 원인을 확인하기 위하여 각 Fusion line의 미세조직을 비교하여 상의 형태 및 조직을 비교해 보았다. Fig. 12와 같이 용접 간격이 0.4 mm 이하 일 때 용접부가 겹침으로 인해 입열량이 증가하여 조대 기공 및 미세 기공이 생긴 것으로 판단되며 용접간격 1.6 mm에서는 두 용접간의 영향이 적어 건전한 용접부 형상을 얻은 것으로 판단된다. 추가적으로, Fig. 12에 표시된 첫 번째 용접의 Fusion line과 두 번째 용접의 Fusion line의 미세조직 분석 결과, 용접 간격 0.2 mm 및 1.6 mm의 첫 번째 용접 Fusion line의 경우 Fig. 13과 같이 주상정과 등축정 수지상으로 이루어진 것을 확인 하였으며, 조직의 형태에 차이가 크지 않은 것을 확인하였다. 두 번째 용접 Fusion line의 경우 Fig. 14와 같이 용접 간격 0.2 mm, 0.4 mm 일 때 용접열에 의한 영향을 받아 응고시간이 길어지고 냉각속도가 작아짐으로써 수지상정 영역이 확대되고 등축정 영역이 사라진 것을 확인하였다. 반면 용접 간격 0.6 mm 이상에서는 두 용접간의 영향이 적고 응고시간이 짧아 첫 번째 용접 Fusion line과 비슷한 상의 형태를 보였다.

Fig. 12

Microstructure according to weld gap spacing

Fig. 13

Microstructure analysis of first welding fusion line

Fig. 14

Microstructure analysis of second welding fusion line

또한 두 번째 용접으로 인한 Fusion line은 첫 번째 용접열에 의해 어닐링 효과를 받게 되어 재결정 및 결정립 성장이 일어나게 되고 따라서 가공경화 효과가 줄어들어 간격이 좁을수록 강도가 저하되며 경도의 차이가 생긴 것으로 판단된다12).

4. 결 론

본 연구에서는 겹치기 구조에서의 멀티코어 방식으로 한 줄 직선 용접을 하여 레이저 공정변수를 도출하고, 강도 저하의 원인에 대해 분석하였다. 이후 비드 중첩을 통해 강도 향상과 관련된 연구를 진행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.

  • 1) Al/Cu 이종금속의 레이저 용접에서 입열량은 접합강도에 큰 영향을 미치며, 본 연구에서는 core/ring beam 600 W-1,000 W에서 표면 및 강도면에서 우수한 용접이 된 것을 확인하였다.

  • 2) 용융된 Al/Cu에서 응고열로 인한 Cu 응고계면에 조대한 주상정구조가 형성되어 파단강도 감소에 영향을 미친 것으로 확인하였다.

  • 3) 두 줄 직선 용접은 한 줄 직선 용접에 비해 비드 폭이 넓어 응력집중계수가 낮아 파단강도가 증가한 것으로 판단된다.

  • 4) 추가적으로 용접 간격이 좁을수록 두 번째 용접Fusion line부 다량의 수지상정 증가로 인해 강도가 저하됨을 확인하였다.

후 기

본 연구는 2023년도 중소벤처기업부의 기술개발사업(00270517)과 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구(20016465)결과로 수행되었습니다.

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Article information Continued

Fig. 1

Schematic drawing of AMB laser welding process

Table 1

Specification of AMB laser.

Model YLS-1000/1000-SM-AMB
Type Core Ring
Laser power 1,000W 1,000W
Fiber cable size 14um 100um
Actual spot size 32um 228um
Laser delay time 150us
Laser wavelength 1,070nm

Table 2

Laser welding conditions

Laser power Laser speed (mm/sec)
Core beam (W) Ring beam (W)
1000 0 300
800
600
400
1000 500
800
600
400
1,000 1000
800
600
400

Fig. 2

Al/Cu dissimilar materials welding test specimen

Fig. 3

Interface bead width according to laser power of multicore

Fig. 4

Cross section of multi laser welded Al/Cu specimen depends on core/ring beam output power

Fig. 5

Tensile strength according to core/ring beam distribution

Fig. 6

Al-Cu weld section at core beam laser power 600 W (a) ring 0 W (b) ring 1,000 W

Fig. 7

Microstructure analysis according to core beam distribution at ring beam laser power 1,000W. core beam laser power at (a) 600 W, and (b) 1,000 W

Fig. 8

Multi laser lap welding condition with variable bead to bead distance

Fig. 9

Tensile shear stress according to distance of the between welded pass

Fig. 10

Microstructure at weld gap 0.4 mm

Fig. 11

Vickers hardness values according to distance

Fig. 12

Microstructure according to weld gap spacing

Fig. 13

Microstructure analysis of first welding fusion line

Fig. 14

Microstructure analysis of second welding fusion line