Detection of the real joint interface between ultrasonically welded aluminium strands (Al-strands) and copper terminals (Cu-terminals) connections using non-destructive testing methods

현대 자동차의 급격한 전기화 속에서, 전기 시스템은 배터리로부터 모터와 그 사이의 모든 제어 장치로 전력을 전달하는 신경계 역할을 합니다. 차량이 더 빠른 충전을 가능하게 하는 400볼트 시스템에서 더 강력한 800볼트 아키텍처로 전환됨에 따라, 이러한 전기적 연결부에 대한 요구도 엄청나게 커졌습니다. 열과 전류를 처리하기 위해 엔지니어들은 종종 서로 다른 두 가지 금속, 즉 가볍고 저렴한 알루미늄과 전도성은 뛰어나지만 더 비싼 구리를 결합해야 합니다. 이 이종 금속들을 결합하는 것은 이들이 응력과 열에 따라 다르게 반응하기 때문에 까다로운 작업입니다. 업계 표준은 초음파 용접인데, 이는 고주파 진동을 사용하여 금속을 녹이지 않고 융합될 때까지 서로 압착하는 공정입니다. 그러나 용접이 매우 빠르게 일어나고 재료 내부에서 진행되기 때문에, 결합이 정말 견고한지 아니면 숨겨진 틈이 남아 있는지 확인하기가 어렵습니다. 만약 연결 부위가 실패하면 자동차가 전력을 잃거나 과열될 수 있으므로, 부품을 파괴하지 않고도 이러한 접합부를 검사할 방법이 필수적입니다.

독일 RWTH 아헨 공과대학교의 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 알루미늄과 구리 연결부 내부의 실제 결합 면적을 확인하기 위해 다양한 비파괴 검사법을 테스트하며 연구를 진행했습니다. 그들은 전기차 배선에서 흔히 볼 수 있는 구조인, 알루미늄 와이어 다발이 구리 터미널에 용접된 특정 유형의 접합부에 집중했습니다. 연구진은 접합부의 강도가 알루미늄이 구리와 실제로 얼마나 많이 융합되었는지에 달려 있다는 것을 알고 있었지만, 부품을 파괴하지 않고 이 보이지 않는 계면을 측정할 방법이 필요했습니다. 이를 위해 그들은 두 그룹의 테스트 샘플을 만들었습니다. 한 그룹은 완벽한 설정으로 용접하여 강력하고 신뢰할 수 있는 접합부를 만든 것이고, 다른 그룹은 불량한 설정으로 용접하여 약하고 결함이 있는 접합부를 만든 것입니다. 그런 다음 그들은 열화상 촬영부터 음파를 이용한 방식에 이르기까지 다양한 검사 기술을 샘플에 적용하여, 어떤 방법이 양호한 결합과 불량한 결합을 명확하게 구별할 수 있는지 확인했습니다.

첫 번째로 시도한 방법들은 열에 의존하는 방식이었습니다. 잘 결합된 영역은 결합이 제대로 되지 않은 영역과 다르게 열을 전달할 것이며, 표면에 눈에 보이는 온도 패턴을 만들어낼 것이라는 아이디어였습니다. 연구진은 샘 샘플을 가열하기 위해 레이저와 할로겐 램프를 사용했고, 적외선 카메라를 통해 열이 어떻게 퍼지는지 관찰했습니다. 그러나 그들은 이 특정 재료들에 대해 이 접근 방식이 완전히 실패했다는 것을 발견했습니다. 구리는 열 전도성이 매우 뛰어나기 때문에, 한 지점에 도입된 온기가 터미널 전체로 너무 빠르게 퍼져 국부적인 차이를 모두 상쇄해 버렸기 때문입니다. 카메라는 결함을 찾아내는 데 필요한 뚜렷한 패턴 대신 균일한 빛만을 포착했습니다. 열이 금속을 통해 너무 빨리 이동했기 때문에 와이어와 터미널 사이의 숨겨진 틈을 드러내지 못한 것입니다.

다음으로 연구팀은 의료 영상 촬영에서 쓰이는 것과 유사한 고주파 진동인 초음파를 이용한 소리에 주목했습니다. 그들은 두 가지 변형을 테스트했는데, 하나는 레이저를 사용하여 음파를 생성하는 방식이었고, 다른 하나는 전통적인 프로브와 물 결합(water coupling)을 사용하는 방식이었습니다. 레이저 방식은 이론적으로는 유망해 보였으나 실질적인 벽에 부딪혔습니다. 용접 과정은 기계가 잡아주는 구리 터미널 뒷면에 작은 질감의 자국들을 남깁니다. 이 자국들이 레이저로 생성된 음파를 교란하여 이미지를 해석하기 어려울 정도로 노이즈를 발생시켰습니다. 연구진은 선명한 이미지를 얻기 위해 부품의 이러한 자국들을 기계적으로 갈아내야 한다는 사실을 발견했는데, 이는 부품이 생산되는 즉시 검사를 마쳐야 하는 실제 공장 라인에서는 불가능한 단계입니다.

마침내 효과를 본 방법은 스캐닝 음향 현미경(scanning acoustic microscopy)이었는데, 이는 집중된 프로브를 사용하여 접합부로 음파를 보내 에코(echo)를 듣는 기술입니다. 이 접근 방식은 이 작업에 가장 효과적인 도구임이 입증되었습니다. 연구진이 튼 heavy하게 잘 만들어진 접합부를 스캔했을 때, 이미지는 알루미늄 와이어가 구리 터미널과 성공적으로 융합된 크고 연속적인 영역을 보여주었습니다. 반면, 약하고 결함이 있는 접합부를 스캔했을 때는 매우 다른 모습이 나타났습니다. 결합이 된 부분은 작고 흩어진 섬처럼 나타났으며, 금속들이 단순히 맞닿아 있을 뿐 융합되지 않은 큰 틈들이 존재했습니다. 이미지는 불량 용접이 강력한 연결에 필요한 광범적인 접촉을 갖추지 못했음을 명확히 보여주었습니다.

이러한 시각적 발견이 실제로 의미가 있는지 확인하기 위해, 연구진은 스캔에서 보이는 결합 면적과 물리적 강도를 비교했습니다. 그들은 샘플을 잡아당겨 얼마나 많은 힘이 가해졌을 때 부서지는지를 측정하는 기계로 실험했습니다. 결과는 명확하고 일관적이었습니다. 음향 스캔에서 크고 연속적인 결합 영역을 보여준 샘플들은 4,250에서 5,000 뉴턴에 달하는 훨씬 높은 힘을 견뎌냈습니다. 작은 조각 형태의 결합 영역을 가진 샘플들은 900에서 1,600 뉴턴 사이의 훨씬 낮은 힘에서 파손되었습니다. 이는 스캔을 통해 본 보이지 않는 결합의 크기가 접합부의 강도를 직접적으로 예측한다는 점을 확인시켜 주었습니다. 또한 연구진은 3D X-선 영상의 일종인 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 살펴보았는데, 이는 와이어가 얼마나 빽빽하게 채워져 있는지는 보여줄 수 있었지만, 그것들이 화학적으로 융합된 것인지 아니면 단순히 눌려 있는 것인지는 확정적으로 증명할 수 없었습니다. 음향 방식은 금속학적 결합을 구체적으로 식별할 수 있었기에 여전히 우수했습니다.

연구는 많은 첨단 검사 방법이 존재하지만, 스캐닝 음향 현미경이 부품을 손상시키지 않고 이러한 초음파 용접의 진정한 품질을 볼 수 있는 가장 신뢰할 수 있는 방법이라고 결론짓습니다. 이 기술은 보이지 않는 내부 구조와 측정 가능한 접합 강도 사이의 간극을 성공적으로 메워줍니다. 현재 장비가 너무 느리고 복잡하여 빠르게 움직이는 조립 라인의 모든 부품을 검사하기에는 무리가 있지만, 이 연구 결과는 엔지니어들에게 강력한 도구를 제공합니다. 이제 그들은 이 방법을 사용하여 용접기를 미세 조정하고, 새로운 설계를 검증하며, 전기차의 핵심적인 연결 부위가 안전하고 견고함을 보장할 수 있습니다. 결합이 어떻게 형성되는지, 그리고 그것을 어떻게 볼 수 있는지를 이해함으로써, 제조업체들은 모든 전기차가 그 기술만큼이나 신뢰할 수 있는 배선 시스템을 갖춘 미래로 한 걸음 더 다가갈 수 있습니다.