AA5052-H112 합금과 구리의 IL-FSSW 용접 기술 연구: 실험적 연구

Investigation of Using the IL-FSSW Technique to Weld AA5052-H112 Alloy with Copper: Experimental Study

본 보고서는 알루미늄 합금과 순수 구리라는 이종 금속 접합 시 발생하는 기존 마찰 교반 점 용접(FSSW)의 고유 결함인 키홀(Keyhole) 문제를 해결하기 위해 중간층(Intermediate Layer)을 도입한 IL-FSSW 기술의 효용성을 기술적으로 분석한다. 고체 상태 용접 공정의 최적화를 통해 기계적 강도를 개선하고 산업적 적용 가능성을 검토하는 데 중점을 둔다.

Paper Metadata

  • Industry: 기계 및 전기 부품 제조 (Mechanical and Electrical Industries)
  • Material: AA5052-H112 알루미늄 합금, 순수 구리 (Pure Copper)
  • Process: 중간층 마찰 교반 점 용접 (Intermediate Layer Friction Stir Spot Welding, IL-FSSW)

Keywords

  • 알루미늄 합금 (Aluminum Alloys)
  • 순수 구리 (Pure Copper)
  • 마찰 교반 점 용접 (Friction Stir Spot Welding)
  • 키홀 문제 (Keyhole Problem)
  • IL-FSSW
  • 이종 금속 접합 (Dissimilar Joining)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 2mm 두께의 AA5052-H112 알루미늄 합금과 순수 구리 판재 사이에 동일 재질의 중간층(IL)을 삽입하는 개량된 마찰 교반 점 용접(IL-FSSW) 시스템을 구축하였다. 실험 장치는 개조된 수직 밀링 머신과 직경 12mm의 고속도강(HSS) 재질 핀리스(Pinless) 툴로 구성되었으며, 이는 기존 FSSW의 핀이 남기는 키홀 결함을 원천적으로 억제하도록 설계되었다. 실험 설계는 타구치(Taguchi) L9 직교 배열법을 적용하여 회전 속도, 이송 속도, 유지 시간, 예열 시간을 독립 변수로 설정하고 각 변수가 접합 강도에 미치는 영향을 정밀하게 측정할 수 있는 프레임워크를 수립하였다.

Key Findings

실험 결과, 회전 속도 1400 rpm, 이송 속도 20 mm/min, 유지 시간 20초, 예열 시간 20초 조건에서 최대 전단 파단 하중 5008 N을 달성하였다. 이는 미국 용접 협회(AWS)에서 규정한 최소 요구 강도인 4.58 kN을 상회하는 수치이며, 기존 FSSW 공정 대비 우수한 기계적 성능을 입증한다. 미세 조직 분석을 통해 용접부의 교반 구역(Stir Zone)에서 결정립 미세화와 수지상 결정(Dendritic grains) 형성을 확인하였으며, 중간층이 알루미늄 모재 내부에서 금속간 화합물로 완전히 변환되어 견고한 결합 계면을 형성함을 정량적으로 확인하였다.

Industrial Applications

IL-FSSW 기술은 냉동 공조 시스템의 열교환기 및 전기 산업의 버스바(Busbar)와 같이 알루미늄과 구리의 이종 금속 접합이 필수적인 분야에 적용 가능하다. 고체 상태 용접 특성상 용융 용접에서 발생하는 취성 금속간 화합물 형성 문제를 최소화할 수 있으며, 핀리스 툴 사용으로 후처리 공정이 불필요한 평평한 용접 표면을 제공한다. 이는 부품의 경량화와 전기적 신뢰성을 동시에 확보해야 하는 정밀 기계 및 전기 부품 제조 공정에서 공정 효율성을 높이는 기술적 대안이 된다.

Theoretical Background

마찰 교반 점 용접(FSSW)의 원리와 한계

마찰 교반 점 용접(FSSW)은 회전하는 툴의 마찰열과 압력을 이용하여 재료를 소성 변형시켜 접합하는 고체 상태 용접 기술이다. 이 공정은 일반적으로 툴의 진입, 유지, 후퇴의 세 단계로 구성되며, 재료를 녹이지 않고 접합하기 때문에 열 영향부가 좁고 기계적 성질이 우수하다는 장점이 있다. 그러나 용접 완료 후 툴의 핀이 빠져나간 자리에 깊은 구멍인 키홀(Keyhole)이 남게 되는데, 이는 응력 집중원으로 작용하여 접합부의 전단 강도를 저하시키고 부식의 원인이 되는 기술적 한계를 지닌다.

IL-FSSW의 메커니즘 및 키홀 제어

IL-FSSW(Intermediate Layer Friction Stir Spot Welding)는 기존 FSSW의 키홀 문제를 해결하기 위해 고안된 공정으로, 두 판재 사이에 중간층(IL)을 삽입하는 것이 핵심이다. 중간층은 상부 판재의 표면을 위로 밀어 올려 돌출부를 형성하며, 핀이 없는 평평한 툴(Pinless Tool)이 이 돌출부와 먼저 접촉하여 마찰열을 발생시킨다. 재료가 소성 유동 상태에 도달하면 돌출된 부분이 내부로 채워지면서 접합이 이루어지며, 결과적으로 키홀의 깊이를 획기적으로 줄이고 평평한 용접 표면을 형성하여 구조적 안정성을 높인다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 2mm 두께의 AA5052-H112 알루미늄 합금과 순수 구리 판재가 사용되었으며, 중간층은 8x8x2 mm 크기의 다각형 조각으로 준비되었다. 용접 장비로는 특수 제작된 고정 장치가 장착된 수직 밀링 머신을 사용하였고, 툴은 직경 12mm의 고속도강(HSS) 재질 핀리스 타입을 채택하였다. 주요 제어 파라미터는 회전 속도(1120, 1400, 1800 rpm), 이송 속도(15, 20, 25 mm/min), 유지 시간(10, 15, 20초)으로 설정하여 실험을 수행하였다.

Visual Data Summary

용접부의 거시적 관찰 결과, IL-FSSW 공정을 통해 형성된 접합부는 기존 방식에 비해 매우 얕은 키홀과 매끄러운 표면 광택을 나타냈다. 단면 미세 조직 사진에서는 교반 구역(SZ)과 열-기계적 영향부(TMAZ), 열 영향부(HAZ)가 뚜렷하게 구분되었으며, 특히 계면 부근에서 미세한 결정립 재결정 현상이 관찰되었다. 구리 판재가 상부에 위치한 경우 열 확산이 원활하여 금속 간 혼합이 더욱 균일하게 일어났음을 시각적으로 확인하였다.

Variable Correlation Analysis

실험 변수 분석 결과, 회전 속도와 유지 시간은 접합 강도에 가장 지대한 영향을 미치는 상관관계를 보였다. 회전 속도가 1400 rpm까지 증가할 때는 마찰열 증가로 인해 소성 유동이 활발해져 강도가 상승했으나, 1800 rpm 이상의 고속에서는 과도한 열 발생으로 인해 오히려 강도가 소폭 하락하는 경향을 나타냈다. 예열 시간은 구리의 높은 열전도율을 극복하고 초기 접합 계면의 온도를 상승시켜 알루미늄과의 원활한 원자 확산을 돕는 필수적인 변수임이 입증되었다.

Paper Details

Investigation of Using the IL-FSSW Technique to Weld AA5052-H112 Alloy with Copper: Experimental Study

1. Overview

  • Title: Investigation of Using the IL-FSSW Technique to Weld AA5052-H112 Alloy with Copper: Experimental Study
  • Author: Kareem Abbas Falih, Isam Jabbar Ibrahim, Sabah Khammass Hussein, Salah Mezlini
  • Year: 2023
  • Journal: Journal of Techniques

2. Abstract

본 연구에서는 알루미늄 합금과 순수 구리를 접합하기 위해 개발된 용접 기술인 IL-FSSW를 사용하였다. 2mm 두께의 AA5052-H112 알루미늄 합금과 순수 구리, 그리고 동일한 모재 재질의 2mm 두께 중간층이 본 연구에 사용되었다. 이 공정에서 점 용접을 달성하는 메커니즘은 중간층(IL)을 도입하고 핀리스 툴을 사용하여 키홀 문제를 해결하며 평평한 용접 표면을 얻는다는 점에서 기존 FSSW 공정과 다르며, 이를 통해 공학적 응용에 적합하도록 접합부의 전단 인장 강도를 높였다. 또한, 본 연구는 고체 상태 용접을 사용하여 기존 용융 용접 방식의 문제를 제거하고 용접 후 추가 작업이나 후처리의 필요성을 줄였다. 연구 결과는 전단 인장 강도 시험과 광학 현미경을 이용한 미세 조직 분석을 통해 평가되었다. 결과적으로 얕은 키홀과 양호한 접합 외관을 확인하였다. 전단 인장 시험의 파단 하중 값은 회전 속도 1400 rpm, 이송 속도 20 mm/min, 유지 시간 20초, 예열 20초에서 5008 N을 기록하였으며, 이는 미국 용접 협회의 요구 강도 값보다 높았다. 시편 단면의 미세 조직 이미지는 용접 구역과 모재 사이의 결정립 크기 변화를 보여주었다.

3. Methodology

3.1. 재료 준비: AA5052-H112 알루미늄 합금과 순수 구리 판재를 규격에 맞게 절단하고, 8x8x2 mm 크기의 다각형 중간층(IL) 조각을 제작함.
3.2. 시편 배치 및 고정: 두 판재 사이에 중간층을 배치하고 특수 고정 장치를 사용하여 상부 판재 표면에 돌출부가 형성되도록 시편을 정렬함.
3.3. 공정 파라미터 설정: 타구치 L9 직교 배열법에 따라 회전 속도, 이송 속도, 유지 시간, 예열 시간을 설정하고 12mm 직경의 핀리스 툴을 장착함.
3.4. 용접 수행: 설정된 회전 속도로 툴을 하강시켜 돌출부와 마찰을 유도하고, 예열 및 유지 과정을 통해 소성 유동 접합을 완료함.
3.5. 성능 평가: 용접된 시편을 대상으로 전단 인장 시험을 실시하여 파단 하중을 측정하고, 광학 현미경을 통해 단면 미세 조직을 분석함.

4. Key Results

IL-FSSW 공정은 기존 FSSW 대비 키홀 깊이를 획기적으로 줄여 평평한 용접 표면을 형성하였다. 실험군 중 그룹 A-3(구리가 상단, 알루미늄 중간층 사용)에서 가장 높은 전단 강도를 보였으며, 최대 파단 하중은 5008 N으로 측정되었다. 이는 AWS 기준인 4.58 kN을 상회하는 결과이다. 미세 조직 분석 결과, 교반 구역에서 급격한 냉각에 의한 수지상 결정 형성이 관찰되었으며, 중간층은 알루미늄 모재 내부에서 금속간 화합물로 완전히 변환되어 강력한 기계적 결합을 형성했음을 확인하였다.

5. Mathematical Models

$$mLSFF = \frac{(-6.36 \times 10^{-7} \times S^2 + 6.58 \times 10^{-4} \times S + 1.674) \times S \times 4 \times t^{1.5}}{1000}$$ (여기서 S는 모재의 인장 응력, t는 판재의 두께를 의미함)

Figure List

  1. IL-FSSW 공정의 단계별 개략도 (시편 배치부터 툴 후퇴까지)
  2. 고정 장치를 이용한 실제 용접 절차의 모식도
  3. 중간층을 포함한 판재의 배열 및 치수 상세
  4. 인장 시험용 시편의 기하학적 형상 및 상세 치수
  5. 용접 및 전단 시험 완료 후 시편의 표면 상태
  6. 최대 전단 강도를 기록한 시편의 용접부 표면 확대 사진
  7. 용접부 단면의 거시적 조직 관찰 사진
  8. 용접 구역별 미세 조직 이미지 분포 (SZ, TMAZ, HAZ, BM)
  9. 다양한 용접 공정 조건에 따른 파단 하중 비교 그래프

References

  1. W. Zhang, Y. Shen, et al. (2018). Microstructure characterization and mechanical behavior of dissimilar friction stir welded Al/Cu couple.
  2. C. Zhang and A. A. Shirzadi (2018). Measurement of residual stresses in dissimilar friction stir-welded aluminum and Copperplates.
  3. W. Miller et al. (2000). Recent development in aluminum alloys for the automotive industry.

Technical Q&A

Q: IL-FSSW 공정이 기존 FSSW와 비교하여 갖는 핵심적인 기술적 차별점은 무엇입니까?

가장 큰 차별점은 중간층(IL)의 도입과 핀리스(Pinless) 툴의 사용입니다. 기존 FSSW는 툴의 핀이 재료를 직접 관통하여 깊은 키홀을 남기지만, IL-FSSW는 중간층에 의해 형성된 돌출부를 핀리스 툴로 압착하여 접합합니다. 이를 통해 키홀 깊이를 최소화하고 용접부 표면을 평평하게 유지함으로써 응력 집중을 방지하고 전단 강도를 높일 수 있습니다.

Q: 실험에서 구리 판재를 상단에 배치했을 때 접합 강도가 높게 나타난 이유는 무엇입니까?

구리는 알루미늄보다 융점이 높고 열전도율이 매우 우수합니다. 구리를 상단에 배치하고 툴과 직접 마찰시키면, 구리의 높은 열 확산 능력이 접합 계면의 온도를 보다 균일하게 제어하는 데 도움을 줍니다. 또한 적절한 예열 과정을 통해 구리의 소성 유동을 촉진함으로써 알루미늄과의 원자 확산 및 기계적 혼합이 더 효과적으로 이루어지기 때문입니다.

Q: 미세 조직 분석에서 관찰된 수지상 결정(Dendritic grains)은 접합 품질에 어떤 의미를 가집니까?

수지상 결정의 형성은 용접 과정 중 발생한 고온의 마찰열 이후 급격한 냉각이 이루어졌음을 나타냅니다. 이는 교반 구역(Stir Zone)에서 재료의 재결정화가 활발히 일어났음을 의미하며, 계면에서 금속 간의 강력한 결합이 형성되었음을 시사하는 지표입니다. 특히 구리의 높은 열 방산 능력이 이러한 미세 조직 형성에 기여하여 접합부의 강도를 높이는 역할을 합니다.

Q: 중간층(IL) 재질이 최종 용접부의 특성에 미치는 영향은 무엇입니까?

본 연구에서 중간층은 용접 과정 중 발생하는 강력한 교반 작용과 압력에 의해 알루미늄 시트 내부에서 금속간 화합물 구조로 완전히 변환됩니다. 이 변환된 층은 알루미늄과 구리 사이의 물리적 결합력을 강화하는 매개체 역할을 하며, 계면에서의 박리 저항성을 높여 전체적인 전단 하중 지지 능력을 향상시키는 핵심적인 역할을 수행합니다.

Q: 타구치 공법을 통해 도출된 최적의 공정 파라미터 조합은 무엇입니까?

본 실험 결과에 따르면, 회전 속도 1400 rpm, 이송 속도 20 mm/min, 유지 시간 20초, 예열 시간 20초의 조합에서 가장 우수한 결과가 도출되었습니다. 이 조건에서 측정된 5008 N의 파단 하중은 AWS 기준인 4.58 kN을 약 9% 상회하는 수치로, 이종 금속 접합부의 신뢰성을 확보할 수 있는 최적의 공정 범위임을 확인하였습니다.

Conclusion

본 연구는 IL-FSSW 기술이 AA5052-H112 알루미늄 합금과 순수 구리의 이종 금속 접합 시 발생하는 키홀 결함을 효과적으로 제어할 수 있음을 입증하였다. 중간층 도입을 통해 용접부 표면의 평탄도를 확보하고 응력 집중을 완화함으로써, 기존 FSSW 공정의 한계를 극복하고 AWS 규격을 만족하는 높은 전단 강도를 달성하였다. 특히 핀리스 툴의 사용은 공정 후 추가적인 표면 처리를 생략할 수 있게 하여 산업적 효율성을 크게 높였다.

결론적으로 IL-FSSW는 냉동 및 전기 산업에서 요구되는 고품질 이종 금속 접합을 위한 신뢰성 있는 고체 상태 용접 솔루션을 제공한다. 향후 다양한 두께 조합 및 이종 재료 쌍에 대한 추가 연구가 진행된다면, 경량화와 고성능이 동시에 요구되는 첨단 제조 분야에서 본 기술의 활용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대된다.

Source Information

Citation: Kareem Abbas Falih, Isam Jabbar Ibrahim, Sabah Khammass Hussein, Salah Mezlini (2023). Investigation of Using the IL-FSSW Technique to Weld AA5052-H112 Alloy with Copper: Experimental Study. Journal of Techniques.

DOI/Link: https://doi.org/10.51173/jt.v5i4.1950

Technical Resources

본 자료는 정보 제공 목적으로만 작성되었습니다. 무단 상업적 이용을 금합니다.
Copyright © 2025 STI C&D. All rights reserved.