FIGURE 1. (a) Aluminum and cooper plate, (b) tool dimensions, and (c) welding processing

이 기술 요약은 Aris Widyo Nugroho 외 저자가 Semesta Teknika (2023)에 발표한 논문 “The Effect of Rotational Tool Speed on Dissimilar Joint Aluminum-Copper Plate Friction Stir Welded Joint”를 바탕으로 STI C&D 기술 전문가가 분석 및 요약한 내용입니다.

키워드

  • Primary Keyword: 마찰 교반 용접 (Friction Stir Welding)
  • Secondary Keywords: 이종 접합, 알루미늄-구리 접합, 회전 속도, 기계적 특성, 미세조직, 용접 결함

Executive Summary

  • The Challenge: 알루미늄과 구리 같은 이종 금속을 접합할 때 기존 용접 방식은 기공이나 고온 균열과 같은 결함을 유발하여 접합 품질을 저하시키는 문제를 안고 있습니다.
  • The Method: 마찰 교반 용접(FSW)을 사용하여 A5005 알루미늄과 C10100 구리 판재를 접합했으며, 이때 공구 회전 속도를 540, 910, 1500, 2280 RPM으로 변화시키며 기계적 특성과 미세조직에 미치는 영향을 평가했습니다.
  • The Key Breakthrough: 공구 회전 속도가 낮을수록(540 RPM) 접합부의 기계적 특성이 가장 우수했으며, 이는 미세한 구리 입자가 균일하게 분산되고 결함 발생이 억제되었기 때문입니다. 반면, 회전 속도가 증가할수록 과도한 열 발생으로 인해 결함이 증가하고 인장 강도는 감소했습니다.
  • The Bottom Line: 알루미늄-구리 이종 소재의 마찰 교반 용접에서 공구 회전 속도는 열 입력과 결함 형성을 제어하는 핵심 변수이며, 최적의 접합 품질을 확보하기 위해서는 낮은 회전 속도 설정이 결정적입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

자동차, 에너지, 전자 산업에서 알루미늄과 구리의 조합은 높은 전기 전도성, 내식성, 경량성 덕분에 필수적입니다. 하지만 이 두 이종 금속을 안정적으로 접합하는 것은 기술적 난제입니다. 기존의 액상 용접 방식은 용융 과정에서 기공이나 고온 균열과 같은 결함을 형성하기 쉬워 접합부의 신뢰성을 떨어뜨립니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 고상 용접 방식인 마찰 교반 용접(FSW)이 효과적인 대안으로 주목받고 있습니다. FSW는 재료를 녹이지 않고 고체 상태에서 접합하므로 야금학적 결함 발생을 최소화할 수 있습니다. 그러나 FSW 공정 역시 공구의 회전 속도나 용접 속도 같은 공정 변수에 따라 접합 품질이 크게 좌우됩니다. 특히 열 입력량은 접합부의 미세조직과 기계적 강도에 직접적인 영향을 미칩니다. 이전 연구들에서는 용접 속도 변화에 따른 인장 강도 저하 문제가 꾸준히 제기되었으며, 이는 부적절한 열 입력으로 인한 결함 형성 때문이었습니다. 따라서 본 연구는 이종 금속 접합의 품질을 결정하는 핵심 변수인 공구 회전 속도가 알루미늄-구리 접합부의 특성에 미치는 영향을 규명하고자 했습니다.

FIGURE 1. (a) Aluminum and cooper plate, (b) tool dimensions, and (c) welding processing
FIGURE 1. (a) Aluminum and cooper plate, (b) tool dimensions, and (c) welding processing

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 알루미늄-구리 이종 접합에서 공구 회전 속도의 영향을 체계적으로 분석하기 위해 다음과 같은 방법론을 사용했습니다.

  • 사용 재료: 150mm x 150mm x 3mm 크기의 A5005 알루미늄 판재와 C10100 구리 판재를 사용했습니다.
  • 용접 공구: st90 고탄소강으로 제작된 FSW 공구를 사용했으며, 숄더 직경은 18mm, 핀 직경은 4mm입니다.
  • 핵심 변수: 공구 회전 속도를 540, 910, 1500, 2280 RPM의 네 가지 조건으로 설정하여 실험을 진행했습니다.
  • 고정 변수: 용접 속도는 50mm/min, 공구 압입 깊이는 3mm로 모든 실험에서 동일하게 유지하여 회전 속도만의 영향을 명확히 파악하고자 했습니다.
  • 분석 방법: 접합된 시편에 대해 ASTM E8 표준에 따른 인장 시험, 마이크로 비커스 경도 시험, 그리고 광학 현미경을 이용한 매크로 및 미세조직 분석을 수행하여 기계적, 물리적 특성을 종합적으로 평가했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 회전 속도가 접합 결함 및 인장 강도에 미치는 직접적인 영향

연구 결과, 공구 회전 속도는 접합부의 결함 형성과 직결되며, 이는 최종 인장 강도를 결정하는 핵심 요인임이 밝혀졌습니다.

  • 결함 형성: 910 RPM 및 2280 RPM과 같은 높은 회전 속도에서는 과도한 열 발생으로 인해 알루미늄이 표면으로 밀려나는 플래시(Flash) 및 터널(Tunnel) 결함이 뚜렷하게 관찰되었습니다. 매크로 조직 분석(Figure 2) 결과, 540 RPM과 910 RPM에서는 불충분한 열 입력으로 인한 기공(void) 결함이, 2280 RPM에서는 과도한 열 입력으로 인한 대형 공동(cavity) 결함이 교반 영역(stir zone) 내에서 발생했습니다.
  • 인장 강도 변화: 인장 강도는 회전 속도가 증가함에 따라 감소하는 명확한 반비례 관계를 보였습니다. Figure 5.b에 따르면, 가장 낮은 속도인 540 RPM에서 58.21 MPa의 최대 인장 강도를 기록한 반면, 가장 높은 속도인 2280 RPM에서는 결함 증가로 인해 28.05 MPa까지 강도가 급격히 하락했습니다.

Finding 2: 낮은 회전 속도에서 미세조직 및 경도 최적화

회전 속도는 접합부의 미세조직과 경도 값에도 결정적인 영향을 미쳤습니다.

  • 미세조직 변화: 높은 회전 속도(2280 RPM)는 더 많은 열을 발생시켜 열영향부(HAZ)의 결정립을 성장시켰습니다 (Figure 3.c). 반면, 교반 영역에서는 낮은 회전 속도(540 RPM) 조건에서 더 작고 미세한 구리 입자들이 알루미늄 기지 내에 균일하게 분산되는 이상적인 미세조직이 관찰되었습니다 (Figure 3.d).
  • 경도 분포: Figure 4의 경도 측정 결과, 가장 높은 경도 값(67 VHN)은 가장 낮은 회전 속도인 540 RPM의 교반 영역에서 나타났습니다. 이는 미세한 구리 입자의 균일한 분산 덕분입니다. 반면, 2280 RPM 조건에서는 열영향부의 결정립 성장으로 인해 재료가 연화되어 경도가 가장 낮게 측정되었습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 3mm 두께의 알루미늄-구리 접합 시, 공구 회전 속도가 열 입력을 제어하는 핵심 변수임을 명확히 보여줍니다. 약 540 RPM의 낮은 회전 속도(용접 속도 50 mm/min 기준)를 적용하면 기공 및 공동과 같은 결함을 최소화하고 접합 강도를 극대화하는 데 기여할 수 있습니다.
  • For Quality Control Teams: Figure 4(경도 분포)와 Figure 5(응력-변형률 선도)의 데이터는 높은 회전 속도, 낮은 열영향부 경도, 그리고 낮은 인장 강도 간의 명확한 상관관계를 제시합니다. 이는 열영향부와 교반 영역의 특성에 초점을 맞춘 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다. 특히 모든 시편에서 관찰된 취성 파괴(Figure 6)는 금속간 화합물(IMC)의 존재를 시사하므로, 품질 평가 시 이를 중요하게 고려해야 합니다.
  • For Design Engineers: 연구 결과는 알루미늄-구리 계면에 형성되는 취성 금속간 화합물(IMC) 층이, 특히 고온(높은 회전 속도) 조건에서 두껍게 성장할 수 있음을 시사합니다. 따라서 접합부 설계 시 이러한 고유의 취성을 반드시 고려해야 하며, 파단이 주로 교반 영역에서 발생한다는 점 또한 중요한 설계 고려 사항입니다.

Paper Details

The Effect of Rotational Tool Speed on Dissimilar Joint Aluminum-Copper Plate Friction Stir Welded Joint

1. Overview:

  • Title: The Effect of Rotational Tool Speed on Dissimilar Joint Aluminum-Copper Plate Friction Stir Welded Joint
  • Author: Aris Widyo Nugroho, Khukuh Aulia Rahman, Muhammad Budi Nur Rahman
  • Year of publication: 2023
  • Journal/academic society of publication: Semesta Teknika, Vol. 26, No. 2
  • Keywords: Friction stir welding; dissimilar joint; rotational tool speed; stir zone.

2. Abstract:

이 연구는 알루미늄-구리 마찰 교반 용접 접합부의 기계적 특성과 미세조직에 대한 공구 회전 속도의 영향을 조사합니다. 더 높은 회전 속도는 열 발생 증가로 인해 결정립 크기를 증가시키는 것으로 나타났습니다. 교반 영역의 더 높은 경도 값은 더 작은 구리 입자의 균일한 분산에서 비롯됩니다. 연구 결과, 540 rpm에서 교반 영역의 최대 경도 값인 67 VHN을 얻었습니다. 그러나 더 높은 속도는 기공, 균열, 금속간 화합물(IMC)과 같은 결함을 초래하며, 이는 고온에서 IMC 형성으로 연결됩니다. 550 rpm에서의 최적 용접 조건은 결정립 미세화, 경도 향상, 결함 완화의 균형을 이루어 용접 공정 변수에 대한 이해에 기여합니다.

3. Introduction:

이종 재료 접합 기술의 발전은 알루미늄과 구리 재료 접합의 맥락에서 기술적, 경제적 이점에 의해 주도되어 왔습니다. 알루미늄과 구리는 뛰어난 전기 전도성, 내식성, 저밀도 특성으로 인해 운송 및 에너지 분야에서 널리 활용됩니다. 이를 위해서는 Al/Cu 부품 제작을 위한 신뢰할 수 있는 접합 방법이 필요합니다. 액상 용접 기술은 기공 및 고온 균열과 같은 압축 결함을 형성할 수 있어 이종 재료 용접 시 효율성이 떨어집니다. 이러한 시나리오에서는 고상 용접 기술이 더 효과적입니다. 이는 고체 상태에서 이종 재료를 융합하여 고온에서 일반적으로 발생하는 야금 반응을 완화하는 능력 때문입니다. 마찰 교반 용접(FSW)은 다양한 재료를 접합하는 데 효과적으로 활용되어 온 고상 용접 기술입니다. FSW 공정의 접합 결과는 회전 속도와 용접 속도라는 두 가지 주요 요소에 의해 크게 영향을 받습니다. 회전 속도 증가는 용접 속도 감소와 함께 열 입력을 증가시킵니다. 이전 연구에 따르면 구리와 알루미늄 접합 과정에서 용접 속도 변화는 부적절한 접합을 초래할 수 있으며, 이는 열 입력 감소로 인한 최종 접합부의 인장 강도 저하 때문일 수 있습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

알루미늄과 구리는 산업적으로 중요한 재료이지만, 두 금속의 물리적 특성 차이로 인해 기존 용접 방식으로는 고품질 접합이 어렵습니다. 고상 용접 방식인 마찰 교반 용접(FSW)이 대안으로 제시되었으나, 공정 변수에 따라 접합 품질이 크게 달라지는 문제가 있습니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 FSW의 용접 속도나 회전 속도 변화가 접합부의 인장 강도에 미치는 영향을 다루었으나, 종종 상반된 결과를 보였습니다. 공통적으로 지적된 문제는 과도하거나 부족한 열 입력으로 인해 균열, 터널 결함 등이 발생하여 인장 강도가 저하된다는 점이었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 상대적으로 낮은 용접 속도(50 mm/min)와 3mm 판재 두께 조건에서, 공구 회전 속도 변화가 알루미늄-구리 FSW 접합부의 품질(기계적 특성 및 미세조직)에 미치는 영향을 체계적으로 조사하는 것입니다.

Core study:

공구 회전 속도를 540, 910, 1500, 2280 RPM으로 변화시키면서 알루미늄-구리 판재를 FSW로 접합했습니다. 이후 접합된 시편의 표면 결함, 단면 매크로 조직, 미세조직, 경도 분포, 인장 강도를 분석하여 회전 속도와 접합 품질 간의 상관관계를 규명했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 공구 회전 속도를 독립 변수로 설정하고, 이에 따른 알루미늄-구리 FSW 접합부의 기계적 특성(인장 강도, 경도) 및 미세조직 변화를 종속 변수로 측정하는 실험적 연구 설계를 따랐습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

용접된 시편으로부터 데이터를 수집하기 위해 인장 시험기, 마이크로 비커스 경도 시험기, 광학 현미경을 사용했습니다. 수집된 데이터는 각 회전 속도 조건별로 비교 분석되었으며, 그래프와 이미지를 통해 시각화되었습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 3mm 두께의 A5005 알루미늄과 C10100 구리 판재의 맞대기 이음(butt joint) 마찰 교반 용접에 한정됩니다. 주요 연구 주제는 공구 회전 속도 변화가 접합부의 결함 형성, 미세조직, 경도 및 인장 강도에 미치는 영향입니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 높은 회전 속도는 과도한 열 입력을 유발하여 플래시, 터널, 공동(cavity)과 같은 용접 결함을 증가시켰습니다.
  • 인장 강도는 회전 속도와 반비례 관계를 보였으며, 540 RPM에서 58.21 MPa로 가장 높았고 2280 RPM에서 28.05 MPa로 가장 낮았습니다.
  • 최고 경도 값(67 VHN)은 540 RPM의 교반 영역에서 측정되었으며, 이는 미세한 구리 입자의 균일한 분산에 기인합니다.
  • 높은 회전 속도는 열영향부(HAZ)의 결정립을 성장시켜 해당 영역의 경도를 감소시켰습니다.
  • 모든 시편은 금속간 화합물(IMC) 형성으로 인해 소성 변형 없이 취성 파괴 양상을 보였습니다.
Figure 2. The macrograph cross section of the dissimilar aluminum-copper friction stir welded joint with a variations in rotational speed (A) 540 rpm, (B) 910 rpm, (C) 1500 rpm, and (D) 2280 rpm.
Figure 2. The macrograph cross section of the dissimilar aluminum-copper friction stir welded joint with a variations in rotational speed (A) 540 rpm, (B) 910 rpm, (C) 1500 rpm, and (D) 2280 rpm.

Figure List:

  • FIGURE 1. (a) Aluminum and cooper plate, (b) tool dimensions, and (c) welding processing
  • Figure 2. The results of the dissimilar aluminum- copper friction stir welded joint with a variation in rotational speed (a) 540 rpm, (b) 910 rpm, (c) 1500 rpm, and (d) 2280 rpm.
  • Figure 2. The macrograph cross section of the dissimilar aluminum-copper friction stir welded joint with a variations in rotational speed (A) 540 rpm, (B) 910 rpm, (C) 1500 rpm, and (D) 2280 rpm.
  • Figure 3. The micrograph of some regions of the dissimilar aluminum-copper friction stir welded joint at rotational speed of 540 rpm, and 2280 rpm, (a) base metal aluminum, HAZ of aluminum at (b)540 rpm (c) 2280 rpm, (d) stir zone at 540 rpm (e) base metal of cooper. HAZ of cooper at (f) 540 rpm, (g) 2280 rpm cooper, (h) stir zone at 2280 rpm.
  • Figure 4. Microhardness of dissimilar aluminum-copper friction stir welded joint at the various rotational speed
  • Figure 5. (a) Stress-strain diagram of the tensile test of the dissimilar welded joint at various rotaional speed, (b) Strength and strain of the dissimilar welded joints
  • Figure 6. Fracture features of tensile specimens’ friction stir welded at (a) 550 rpm, (b) 2280 rpm

7. Conclusion:

알루미늄-구리의 마찰 교반 용접(FSW) 실험 결과, 회전 속도 증가는 마찰열 증가로 인해 더 큰 결정립을 생성하는 것으로 결론지을 수 있습니다. 낮은 회전 속도에서는 더 작은 구리 입자가 알루미늄 기지에 균일하게 분산되어 교반 영역에서 더 높은 경도 값을 나타냈습니다. 540 RPM의 회전 속도는 교반 영역에서 67 VHN의 최대 경도 값을 보였습니다. 2280 RPM의 회전 속도는 균열 및 금속간 화합물(IMC)을 포함한 다양한 결함을 나타내는 용접 접합부를 형성합니다. 이러한 결함은 고온에서 IMC 형성으로 인해 발생하며, 계면 파괴의 원인이 될 수 있습니다. 결함 없는 접합은 540 RPM 속도에서 달성되었으며, 회전 용접 속도 증가는 접합 강도 감소로 이어졌습니다.

8. References:

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 모든 실험에서 용접 속도를 50 mm/min으로 일정하게 유지한 이유는 무엇인가요?

A1: 본 연구의 목적은 ‘다양한 회전 속도’가 접합 품질에 미치는 영향을 명확히 규명하는 것이었습니다. 논문에서 인용한 이전 연구들에서 알 수 있듯이, 용접 속도 또한 열 입력과 결함 형성에 큰 영향을 미치는 변수입니다. 따라서 용접 속도를 50 mm/min의 낮은 값으로 고정함으로써, 다른 변수의 영향을 배제하고 오직 회전 속도 변화에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화를 정밀하게 분석할 수 있었습니다.

Q2: Figure 4를 보면, 특히 2280 RPM에서 열영향부(HAZ)의 경도가 가장 낮게 나타납니다. 야금학적 원인은 무엇이며, 이는 접합부 성능에 어떤 의미를 갖나요?

A2: 논문에 따르면 이는 2280 RPM의 높은 회전 속도로 인해 발생한 과도한 열이 열영향부의 결정립을 성장시켰기 때문입니다. Figure 3.c의 미세조직 사진에서 볼 수 있듯이, 열영향부의 결정립은 모재보다 훨씬 큽니다. 이러한 결정립 성장은 재료의 연화(softening)를 유발하여 경도 저하로 이어집니다. 이 ‘연화 구역’은 기계적 취약점이 되어, 교반 영역 자체의 경도가 높더라도 전체 접합부가 응력을 받을 때 파괴의 시작점이 될 수 있습니다.

Q3: 논문의 초록과 결론에서는 550 RPM이 최적 조건이라고 언급하지만, 실제 실험은 540 RPM에서 수행되었습니다. 이는 오기이며, ‘최적’의 기준은 무엇인가요?

A3: 논문 내 일부 수치에 불일치가 있는 것으로 보입니다. 실험은 540, 910, 1500, 2280 RPM에서 수행되었으며, 데이터에 따르면 540 RPM 조건에서 가장 높은 인장 강도(58.21 MPa)와 최고 경도(67 VHN)를 기록했고, 다른 고속 조건에 비해 심각한 결함도 적었습니다. 따라서 여기서 ‘최적’이란 결정립 미세화, 경도, 강도 및 결함 억제 측면에서 가장 균형 잡힌 결과를 보인 조건을 의미하며, 이는 실험된 속도 중 가장 낮은 540 RPM에 해당합니다. 결론부의 550 RPM 언급은 540 RPM을 지칭하는 과정에서 발생한 사소한 오기로 판단됩니다.

Q4: 모든 시편에서 취성 파괴가 관찰되었습니다. 이는 FSW가 연성이 있는 알루미늄-구리 접합부를 만드는 데 적합하지 않다는 의미인가요?

A4: 논문은 취성 파괴의 원인으로 알루미늄-구리 계면에 형성된 금속간 화합물(IMC) 층을 지목합니다. IMC는 본질적으로 단단하고 부서지기 쉬운 특성을 가집니다. 실험된 모든 조건에서 취성 파괴가 나타났지만, 540 RPM과 같은 낮은 회전 속도에서 더 강한 접합부가 만들어졌다는 점이 중요합니다. 이는 FSW 공정에서 IMC 생성을 완전히 피할 수는 없더라도, 열 입력을 정밀하게 제어하여 IMC 층의 성장을 억제하고 그 해로운 영향을 최소화함으로써 전체적인 접합 강도를 향상시킬 수 있음을 시사합니다.

Q5: 초록에는 550 RPM에서 최적이라고 언급하고, 결론의 다른 부분에서는 550 RPM에서 43.66 MPa의 최대 강도를 얻었다고 합니다. 하지만 Figure 5.b에서는 540 RPM에서 58.21 MPa의 최대 강도를 보여주는데, 이 차이를 어떻게 해석해야 하나요?

A5: 논문의 결과 섹션에 제시된 데이터(Figure 5.b: 540 RPM에서 58.21 MPa)와 초록 및 결론 부분에 서술된 수치(550 RPM, 43.66 MPa) 간에 명백한 불일치가 존재합니다. 연구 본문의 상세 그래프와 데이터를 기준으로 판단할 때, 가장 신뢰할 수 있는 결과는 540 RPM의 회전 속도에서 58.21 MPa의 최대 인장 강도를 얻었다는 것입니다. 초록과 최종 결론 단락에는 수치적 오류가 포함된 것으로 보입니다. 따라서 실제 공정에 적용할 때는 Figure 5에 제시된 상세 데이터를 신뢰하는 것이 타당합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 알루미늄-구리 이종 접합에서 마찰 교반 용접의 성공이 공구 회전 속도라는 핵심 변수를 얼마나 정밀하게 제어하는지에 달려 있음을 명확히 보여주었습니다. 회전 속도가 증가할수록 열 입력이 과도해져 결함이 증가하고 기계적 강도가 저하되는 반면, 낮은 회전 속도(540 RPM)는 결함을 억제하고 미세조직을 최적화하여 가장 우수한 접합 품질을 구현했습니다. 이는 열 입력 제어가 이종 접합 품질의 성패를 가르는 핵심임을 의미합니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 본 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

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  • This content is a summary and analysis based on the paper “The Effect of Rotational Tool Speed on Dissimilar Joint Aluminum-Copper Plate Friction Stir Welded Joint” by “Aris Widyo Nugroho, et al.”.
  • Source: https://doi.org/10.18196/st.v26i2.20477

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