5754 알루미늄 합금과 C11000 구리 간의 이종 마찰 교반 용접 특성 분석

CHARACTERISATION OF DISSIMILAR FRICTION STIR WELDS BETWEEN 5754 ALUMINIUM ALLOY AND C11000 COPPER

본 연구는 전기 전도성과 열 전도성이 상이한 5754 알루미늄 합금과 C11000 구리 판재를 이종 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)으로 접합할 때 발생하는 미세구조적 변화와 기계적, 전기적 특성을 체계적으로 분석한 논문입니다. 특히 금속간 화합물의 형성을 최소화하고 접합부의 무결성을 확보하기 위한 최적의 공정 변수 범위를 제시함으로써 전기 산업 분야의 버스바(Bus-bar) 제조 등 산업적 응용 가능성을 탐구하였습니다.

Paper Metadata

• Industry: 전기 및 제조 산업 (Electrical and Manufacturing)
• Material: 5754 알루미늄 합금, C11000 순동 (5754 AA, C11000 Cu)
• Process: 이종 마찰 교반 용접 (Dissimilar Friction Stir Welding)

Keywords

• 마찰 교반 용접 (FSW)
• 이종 금속 접합 (Dissimilar Metal Joining)
• 금속간 화합물 (Intermetallic Compounds)
• 미세구조 분석 (Microstructural Evaluation)
• 인장 강도 (Tensile Strength)
• 전기 저항률 (Electrical Resistivity)
• 공정 최적화 (Process Optimisation)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 3.175 mm 두께의 5754 알루미늄 합금과 C11000 구리 판재를 맞대기 이음(Butt joint) 방식으로 접합하기 위해 I-STIR PDS FSW 플랫폼을 사용하였습니다. 실험 설계는 회전 속도(600, 950, 1200 rpm)와 이송 속도(50, 150, 300 mm/min)를 독립 변수로 설정하고, 세 가지 다른 숄더 직경(15, 18, 25 mm)을 가진 H13 공구강 공구를 사용하여 총 27회의 최종 용접 매트릭스를 구성하였습니다. 구리를 전진측(Advancing Side)에 배치하고 공구 핀을 알루미늄 쪽으로 2.5 mm 오프셋하여 삽입하는 공정 구성을 통해 금속학적 결합과 재료 혼합 효율을 극대화하는 방법론을 적용하였습니다.

Key Findings

실험 결과, 18 mm 숄더 직경 공구를 사용했을 때 가장 우수한 용접 품질이 나타났으며, 950 rpm의 회전 속도와 50 mm/min의 이송 속도에서 최대 208 MPa의 평균 인장 강도를 달성하였습니다. 이는 구리 모재 대비 약 86%의 접합 효율에 해당합니다. 미세구조 분석을 통해 접합부 계면에서 Al2Cu 및 Al4Cu9와 같은 나노 스케일의 금속간 화합물 층이 형성됨을 확인하였으며, 입열량이 낮을수록 이러한 화합물의 형성이 억제되는 경향을 보였습니다. 통계 분석 결과, 수직 하향력(Fz)이 인장 강도에 유의미한 영향을 미치며, 전기 저항률은 입열량과 강한 상관관계를 가짐이 정량적으로 입증되었습니다.

Industrial Applications

본 연구에서 도출된 이종 마찰 교반 용접 기술은 전기 변전소의 트랜스포머 연결부나 발전소의 제너레이터 연결에 사용되는 버스바(Bus-bar) 제조 공정에 직접 적용 가능합니다. 기존의 기계적 체결 방식이나 용융 용접에 비해 접합부의 전기 저항을 낮추고 에너지 효율을 높일 수 있으며, 경량화와 고성능이 요구되는 항공우주, 해양 및 운송 산업의 이종 금속 구조물 제작에도 활용될 수 있습니다.

Theoretical Background

마찰 교반 용접(FSW)의 메커니즘

마찰 교반 용접은 1991년 TWI에서 발명한 고상 접합 기술로, 비소모성 회전 공구를 피용접재 사이의 접합선에 삽입하여 이동시키는 방식입니다. 공구의 회전과 이동에 의해 발생하는 마찰열과 소성 변형열은 재료를 연화시키고 공구 주위에 소성 유동 영역을 형성합니다. 숄더는 소성된 재료가 외부로 유출되는 것을 방지하고 수직 압력을 가해 재료를 압착하며, 핀은 재료를 교반하여 고상 상태에서 원자 확산 및 기계적 혼합을 유도합니다. 이 과정은 재료의 융점 이하에서 이루어지므로 용융 용접에서 발생하는 기공, 응고 균열 및 합금 원소 손실 등의 결함을 방지할 수 있는 장점이 있습니다.

알루미늄-구리 이종 금속 시스템의 야금학

알루미늄(Al)과 구리(Cu)는 화학적 친화력이 매우 높지만 상호 고형분 용해도가 낮아 접합 계면에서 단단하고 취약한 금속간 화합물(Intermetallic Compounds, IMC)을 형성하기 쉽습니다. 주요 형성 상으로는 θ(Al2Cu), η2(AlCu), ζ2(Al3Cu4), δ(Al2Cu3), γ2(Al4Cu9) 등이 있으며, 이들은 높은 경도와 전기 저항성을 가집니다. 특히 120°C 이상의 온도에서 IMC 성장이 가속화되며, 이 층의 두께가 2 μm를 초과할 경우 접합부의 기계적 강도와 전기적 특성이 급격히 저하됩니다. 따라서 FSW 공정에서는 입열량을 정밀하게 제어하여 IMC 형성을 나노 스케일로 억제하는 것이 접합부 무결성 확보의 핵심입니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 5754 알루미늄 합금과 C11000 순동 판재(600 x 120 x 3.175 mm)가 사용되었습니다. 용접 공구는 H13 공구강을 가공하여 52 HRC로 열처리하였으며, 핀 직경 5 mm, 핀 길이 2.6 mm의 나사산 형태와 오목한 숄더 프로파일을 적용하였습니다. 용접은 위치 제어(Position Control) 모드에서 수행되었으며, 공구 경사각은 2°, 진입 속도는 5 mm/min, 유지 시간(Dwell time)은 2초로 고정하였습니다. 접합부의 특성 평가를 위해 광학 현미경(OM), 주사 전자 현미경(SEM), 에너지 분산형 분광기(EDS), X선 회절 분석(XRD), 비커스 미세 경도 시험 및 인장 시험을 실시하였습니다.

Visual Data Summary

용접부 매크로 분석 결과, 낮은 이송 속도(50 mm/min)에서 재료의 소성 유동이 활발하여 알루미늄과 구리가 층상 구조로 잘 혼합된 양상을 보였습니다. 반면, 높은 이송 속도(300 mm/min)에서는 입열량 부족으로 인해 구리 내부에 알루미늄이 충분히 채워지지 않은 공동(Opening)이나 웜홀(Wormhole) 결함이 관찰되었습니다. 15 mm 숄더 공구는 재료를 충분히 구속하지 못해 600 rpm 조건에서 웜홀이 발생한 반면, 18 mm 숄더 공구는 대부분의 조건에서 결함 없는 건전한 용접부를 형성하였습니다. 교반 영역(Stir Zone)의 폭은 숄더 직경이 커질수록 증가하는 경향을 보였으며, 이는 입열량 증가와 직접적으로 연관됩니다.

Variable Correlation Analysis

공정 변수 간의 상관관계 분석에 따르면, 회전 속도가 증가하거나 이송 속도가 감소할수록 입열량(Q)이 증가하며 이는 전기 저항률의 상승으로 이어집니다. 인장 강도(UTS)는 이송 속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였는데, 이는 고속 용접 시 발생하는 불충분한 금속학적 결합과 결함 발생에 기인합니다. 통계적 회귀 분석을 통해 도출된 UTS 예측 모델은 수평력(Fx)과 수직력(Fz)이 용접 품질에 결정적인 기여를 함을 보여주었습니다. 특히 950 rpm 조건은 모든 숄더 직경에서 비교적 안정적인 강도와 연신율을 나타내어 이종 Al-Cu 접합을 위한 최적의 회전 속도 구간임을 확인하였습니다.

Paper Details

CHARACTERISATION OF DISSIMILAR FRICTION STIR WELDS BETWEEN 5754 ALUMINIUM ALLOY AND C11000 COPPER

1. Overview

• Title: 5754 알루미늄 합금과 C11000 구리 간의 이종 마찰 교반 용접 특성 분석
• Author: Akinlabi, Esther Titilayo
• Year: 2010
• Journal: Doctor Technologiae Thesis, Nelson Mandela Metropolitan University

2. Abstract

마찰 교반 용접(FSW)은 1991년 TWI에서 발명하고 특허를 받은 고상 용접 공정으로, 철 및 비철 재료의 접합에 사용됩니다. 알루미늄 및 그 합금의 FSW는 상용화되었으며, 최근에는 이종 재료 접합에 관심이 집중되고 있습니다. 그러나 공정을 상용화하기 위해서는 특성 분석과 공정 윈도우 수립을 위한 연구가 필요합니다. 본 연구는 용접부의 재료 특성 분석을 통해 5754 알루미늄 합금과 C11000 구리의 FSW를 위한 공정 윈도우를 수립합니다. 또한, 알루미늄과 구리의 FSW에 관한 예비 연구에서 용접 품질에 해로운 금속간 화합물의 존재가 밝혀졌습니다. 본 연구는 용접부 내 금속간 화합물 형성을 제한하거나 방지할 수 있는 공정 변수를 설정하는 것을 목표로 합니다. 결과 용접부의 접합 무결성은 입력 공정 변수와 상관관계가 분석될 것입니다. 예비 조사를 바탕으로, 회전 속도(600~1200 rpm), 이송 속도(50~300 mm/min), 세 가지 숄더 직경 공구(15, 18, 25 mm)를 변화시켜 총 27개의 용접 매트릭스를 제작하여 입열량을 비교하고 최적의 결과를 도출하였습니다. 용접부는 미세구조 평가, 인장 시험, 미세 경도 프로파일링, X선 회절 분석, 전기 저항률 및 통계 분석을 통해 특성이 분석되었습니다.

3. Methodology

3.1. 재료 준비: 3.175 mm 두께의 5754 AA 및 C11000 Cu 판재를 세척하고 산화층을 제거하여 준비함.
3.2. 공구 설계: H13 공구강을 사용하여 15, 18, 25 mm 숄더 직경과 5 mm 핀 직경을 가진 공구를 제작하고 52 HRC로 열처리함.
3.3. 용접 공정: I-STIR PDS 플랫폼에서 위치 제어 모드를 사용하여 구리를 전진측에, 알루미늄을 후퇴측에 배치하고 핀을 알루미늄 쪽으로 2.5 mm 오프셋하여 접합함.
3.4. 특성 평가: 용접부 횡단면을 절단하여 폴리싱 및 에칭 후 OM, SEM/EDS, XRD를 통해 미세구조와 상을 분석하고, ASTM 표준에 따라 인장 시험 및 경도 시험을 수행함.
3.5. 전기 저항 측정: 4단자법(Four-Point Probe)을 사용하여 접합 계면의 전기 저항을 측정하고 저항률을 계산함.

4. Key Results

18 mm 숄더 공구를 사용한 950 rpm, 50 mm/min 조건에서 가장 높은 인장 강도(208 MPa)와 우수한 표면 외관이 확보되었습니다. 미세구조 분석 결과, 교반 영역은 알루미늄과 구리의 복잡한 혼합층으로 구성되었으며, 계면에서 Al2Cu와 Al4Cu9 상이 XRD를 통해 식별되었습니다. 미세 경도는 접합 계면의 IMC 형성 부위에서 최대 350 HV까지 상승하여 모재 대비 현저히 높은 값을 보였습니다. 전기 저항률은 0.087 ~ 0.1 μΩ 범위로 측정되었으며, 입열량이 증가함에 따라 저항률이 소폭 상승하는 경향을 보였습니다. 통계적으로 수직 하향력(Fz)은 인장 강도와 양의 상관관계를 가지며, 숄더 직경이 커질수록 교반 영역의 폭이 넓어짐이 확인되었습니다. 최종적으로 950 rpm의 중간 회전 속도와 50-150 mm/min의 이송 속도 범위가 최적의 공정 윈도우로 제안되었습니다.

5. Mathematical Models

용접 공정 중 입열량(Heat Input)은 다음 식을 통해 계산되었습니다: $$Q = \eta \frac{2\pi\omega T}{f}$$ 여기서 $Q$는 입열량(J/mm), $\eta$는 효율 계수(Al 및 Cu의 경우 0.9), $\omega$는 회전 속도(rev/min), $T$는 토크(Nm), $f$는 이송 속도(mm/min)입니다. 또한 결정립 크기와 강도의 관계는 Hall-Petch 식을 따릅니다: $$\sigma_0 = \sigma_i + kd^{-1/2}$$ 여기서 $\sigma_0$는 항복 응력, $d$는 결정립 직경입니다.

Figure List

1. Figure 2.1: 마찰 교반 용접 공정의 개략도
2. Figure 3.15: 모재(5754 AA 및 C11000 Cu)의 미세구조
3. Figure 4.2: 숄더 직경별 용접부 매크로 외관 (15, 18, 25 mm)
4. Figure 4.4: 전형적인 용접부 미세구조 영역(HAZ, TMAZ, SZ)
5. Figure 4.12: 금속간 화합물 존재에 따른 인장 파단면 분석
6. Figure 4.18: 950 rpm 조건에서의 숄더 직경별 미세 경도 프로파일
7. Figure 4.23: 입열량에 따른 전기 저항률 변화 그래프

References

1. Thomas, W. M., et al. (1991). Friction Stir Butt Welding. International Patent Application.
2. Nandan, R., et al. (2008). Recent advances in friction stir welding. Progress in Material Science.
3. Savolainen, K., et al. (2004). Friction stir weldability of copper alloys. 5th International FSW Symposium.
4. Liu, P., et al. (2008). Microstructure and XRD analysis of FSW joints for copper/aluminium dissimilar materials. Materials Letters.

Technical Q&A

Q: 공구 숄더 직경이 이종 Al-Cu 용접부의 품질에 미치는 영향은 무엇입니까?

숄더 직경은 입열량과 재료의 구속력에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 연구에서 15 mm 숄더는 재료를 충분히 가열하고 가두기에 너무 좁아 웜홀 결함을 유발한 반면, 25 mm 숄더는 과도한 입열로 인해 접합 효율을 저하시켰습니다. 18 mm 숄더가 적절한 입열과 소성 유동을 유도하여 가장 우수한 기계적 특성을 나타냈습니다.

Q: 접합 계면에서 형성된 주요 금속간 화합물은 무엇이며 어떤 특성을 가집니까?

XRD 및 EDS 분석 결과, Al2Cu와 Al4Cu9 상이 주요 금속간 화합물로 확인되었습니다. 이러한 상들은 매우 단단하고 취약한 성질을 가지며, 경도 측정 시 모재보다 훨씬 높은 350 HV 수준의 피크를 형성합니다. 이들은 인장 시험 시 균열의 기점으로 작용하여 접합부의 연성을 저하시키는 원인이 됩니다.

Q: 용접 공정 중 공구의 오프셋(Offset) 배치가 중요한 이유는 무엇입니까?

알루미늄과 구리는 융점과 열전도율이 크게 다르기 때문에 공구 핀을 융점이 낮은 알루미늄 쪽으로 2.5 mm 오프셋하여 배치하는 것이 유리합니다. 이를 통해 구리의 과도한 용융을 방지하면서도 알루미늄의 충분한 소성 변형을 유도하여 두 재료 간의 기계적 혼합과 금속학적 결합을 효과적으로 달성할 수 있습니다.

Q: 전기 저항률 측정 결과와 입열량 사이에는 어떤 상관관계가 있습니까?

전기 저항률은 입열량이 증가함에 따라 상승하는 경향을 보입니다. 이는 높은 입열 조건에서 금속간 화합물(IMC)의 형성이 촉진되기 때문입니다. IMC는 모재보다 높은 비저항을 가지므로, 입열량을 정밀하게 제어하여 IMC 층의 두께를 최소화하는 것이 낮은 전기 저항을 유지하는 핵심 공정 전략입니다.

Q: 통계 분석을 통해 확인된 용접 품질의 주요 결정 요인은 무엇입니까?

다중 회귀 분석 결과, 수직 하향력(Fz)이 인장 강도(UTS)에 가장 유의미한 영향을 미치는 변수로 나타났습니다. 적절한 수직력은 재료의 압착과 단조 효과를 유발하여 내부 결함을 줄이고 접합부의 밀도를 높입니다. 또한 회전 속도와 이송 속도의 상호작용이 입열량과 최종 미세구조 형성에 결정적인 역할을 함이 입증되었습니다.

Conclusion

본 연구는 5754 알루미늄 합금과 C11000 구리의 이종 마찰 교반 용접을 위한 최적의 공정 조건을 성공적으로 규명하였습니다. 실험 결과, 18 mm 숄더 직경 공구를 사용하여 950 rpm의 회전 속도와 50~150 mm/min의 이송 속도 범위에서 용접할 때, 금속간 화합물의 형성을 효과적으로 제어하면서도 우수한 기계적 강도와 낮은 전기 저항을 동시에 확보할 수 있음을 확인하였습니다. 특히 수직 하향력 제어와 공구 오프셋 배치가 이종 접합부의 무결성 확보에 필수적인 요소임을 정량적으로 제시하였습니다.

이러한 결과는 향후 전기 및 전자 산업에서 구리와 알루미늄의 하이브리드 구조물 제조를 위한 중요한 기술적 토대를 제공합니다. 향후 연구에서는 다양한 공구 형상에 따른 접합부 특성 변화와 부식 저항성에 대한 추가적인 검토가 필요하며, 실제 산업 현장에서의 상용화를 위한 공정 안정성 확보 연구가 지속되어야 할 것입니다.

Source Information

Citation: Akinlabi, Esther Titilayo (2010). CHARACTERISATION OF DISSIMILAR FRICTION STIR WELDS BETWEEN 5754 ALUMINIUM ALLOY AND C11000 COPPER. Nelson Mandela Metropolitan University.

DOI/Link: Not described in the paper

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