Evaluation of Fracture Behavior of Al/Cu Friction-Welded Joints for Development of Dissimilar-Metal Joining with High Reliability and Interfacial Separability

기술 요약: 고신뢰성 및 계면 분리성을 갖춘 이종 금속 접합 개발을 위한 Al/Cu 마찰 용접 접합부의 파단 거동 평가

문제 정의
하이브리드 및 전기 자동차로의 전환이 가속화됨에 따라, 구조 및 전기 부품을 위해 경량 알루미늄(Al) 합금과 고전도성 구리(Cu)를 결합하는 다중 소재 설계의 채택이 증가하고 있습니다. 그러나 순환 경제 측면에서 중요한 과제는 이러한 이종 금속 조립체의 재활용입니다. 유사 소재 접합부는 별도의 분리 과정 없이 재활 cycles가 가능한 경우가 많지만, 이종 접합부는 일반적으로 모재를 손상시킬 수 있는 복잡한 분리 공정을 필요로 합니다. 발포제, 가스 결함 또는 수소 저장 합금 등을 사용하는 기존의 분리성 도입 방식은 접합 전 또는 해체 중에 추가적인 공정을 요구하므로 실질적인 한계가 있습니다. 또한, 접합 강도와 분리성은 일반적으로 상충 관계(trade-off)에 있습니다. 본 연구는 사용 중에는 높은 신뢰성을 보장하면서, 재활용 시 모재를 손상시키지 않고 제어된 계면 분리성을 구현할 수 있는 접합 설계 방법론의 필요성을 다룹니다.

연구 방법
본 연구에서는 상용 순수 알루미늄(A1050)과 상용 순수 구리(C1020) 사이의 마찰 용접 접합부의 파단 거동 및 인장 변형 특성을 조사하였습니다.

• 실험 설정: 원통형 시편($\phi$10 $\times$ 30 mm)을 수직 마찰 용접기를 사용하여 접합하였습니다. 주요 변수는 **마찰 단축량(friction shortening)**으로, 이를 1.0 mm, 2.0 mm, 3.0 mm로 변화시킨 후 압축(upset) 공정을 수행하였습니다.
• 특성 분석:
  • 미세조직 분석: 전계 방사형 주사 전자 현미경(FE-SEM)을 사용하여 계면 미세조직 및 금속간 화합물(IMC) 층을 관찰하였습니다.
  • 열 분석: Cu 측에 매립된 열전대를 사용하여 온도-거리 곡선을 외삽함으로써 계면 온도를 추정하였습니다.
  • 기계적 시험: 상온에서 인장 시험을 수행하였습니다. 경도 측정(micro-V Vickers)은 계면 근처의 경도 분포를 매핑하기 위해 수행되었습니다.
  • 변형 분석: 디지털 이미지 상관법(DIC)을 활용하여 극한 인장 강도(UTS)까지의 인장 하중 중 변형 진화를 시각화하였습니다.
  • 파단 분석: 파단 후 표면을 SEM 및 EPMA로 검사하여 파단 모드(계면 파단 vs. 모재 파단) 및 재료 전이를 확인하였습니다.
• 시뮬레이션: 2D 축대칭 모델을 사용하는 탄소성 유한 요소법(FEM) 시뮬레이션(ANSYS 2024 R2)을 수행하였습니다. 모델에는 실험적으로 도출된 경도 분포를 반영하여 연화된 Al 영역과 경화된 Cu 영역을 시뮬레이션하였습니다. 가공 경화 거동에는 Swift 법칙이 사용되었습니다.

주요 결과

1. 파단 모드 전이: 파단 형태는 마찰 단축량에 따라 크게 달라졌습니다.
   • 1.0 mm 단축: 접합부가 UTS에 도달하기 전에 계면에서 파단되었으며, 유의미한 네킹(necking)은 관찰되지 않았습니다.
   • 2.0 mm 단축: 접합부가 UTS까지 충분한 강도를 유지하였습니다. 이후 불균일 변형 단계에서 A1050 측에 뚜렷한 네킹이 발생하였고, 이어서 계면 파단이 일어났습니다. 파단면은 Cu 측으로의 상당한 Al 전이를 보여주었으나, Al 측으로의 Cu 부착은 관찰되지 않았습니다.
   • 3.0 mm 단축: 접합부가 UTS 도달 후 A1050 측에서 현저한 네킹을 보였으며, 계면 분리가 아닌 모재 파단으로 이어졌습니다.
2. 미세조직 및 경도: 높은 마찰 단축량(3.0 mm)은 더 높은 계면 온도(1.0 mm의 430 °C 대비 470 °C)와 더 두꺼운 IMC 층(~1 $\mu$m 대비 ~2 $\mu$m)을 생성하였습니다. 경도 측정 결과, 계면 근처의 A1050 측에서 연화된 영역이 나타났으며, 이는 열 입력 증가에 따라 마찰 단축량이 커질수록 더욱 뚜렷해졌습니다.
3. 변형 거동: DIC 분석을 통해 소성 변형이 계면 근처의 연화된 A1050 영역에서 우선적으로 진행됨을 확인하였습니다. 2.0 mm 및 3.0 mm 접합부의 경우, 변형이 진행됨에 따라 변형 집중이 계면으로부터 약 5 mm 떨어진 모재 영역으로 이동하였습니다.
4. FEM 통찰: 시뮬레이션 결과, 계면 파단은 계면 가장자리에서의 응력 성분 균형에 의해 결정됨을 나타냈습니다.
   • 수직 응력(Normal Stress): 초기에 증가하다가 UTS 도달 후 네킹으로 인해 감소하였습니다.
   • 전단 응력(Shear Stress): 변형과 함께 단조롭게 증가하며 UTS 이후에도 계속 상승하였습니다.
   • 본 연구는 2.0 mm 접합부의 계면 파단이 불균일 변형 단계 중 감소하는 수직 응력과 증가하는 전단 응력의 결합된 효과에 의해 유도된다고 제안합니다. 3.0 mm 접합부의 경우, 심한 연화가 수직 응력 성분을 억제하여 계면 파단을 방지하고 모재 파단을 촉진하였습니다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 분리성을 위해 보조 재료나 후처리 공정에 의존하지 않는 새로운 이종 금속 접합 설계 접근법을 입증한다고 주장합니다. 국부적 응력 상태의 조작을 통해 플라스틱 변형 거동을 능동적으로 접합 설계에 포함시킴으로써 파단 모드를 제어할 수 있습니다.

구체적으로, 본 논문은 최적의 마찰 단축량(본 연구의 경우 2.0 mm)으로 설계된 접합부가 조기 파단 없이 UTS에 도달하는 고신뢰성을 달성하는 동시에, 재활용을 위한 제어된 계면 분리성을 구현할 수 있다고 상정합니다. 이 메커니즘은 인장 변형 중 발생하는 국부적 응력 균형에 기초합니다. 일단 UTS에 도달하고 네킹이 시작되면, 계면 가장자리에서의 특정 수직 응력 감소와 전단 응력 증가의 균형이 계면 파단을 유발합니다. 이를 통해 모재를 손상시키지 않고 재료를 분리할 수 있으며, 이는 고성능, 재활용 가능한 다중 소재 시스템을 위한 경로를 제공합니다.