Study on Electrically Assisted Pressure Solid State Joining Between Aluminum Alloys

통전압접을 활용한 알루미늄 소재 간 고상접합에 관한 연구

Abstract

Electrically assisted pressure joining (EAPJ) utilizes electric current-induced kinetic enhancement to achieve solid state diffusion bonding within a short time. In this study, aluminum alloy specimens, which are known as a hard-to-weld metal, were successfully solid-state joined through EAPJ. The bonding process was performed in two ways: continuous direct current (CDC), which applies relatively low current density, and pulsed direct current (PDC), which applies high current density. It was observed that the bonding strength was higher in PDC than in CDC. The microstructure of the joint was characterized using 3D X-ray microscopy (XRM) and electron backscatter diffraction (EBSD).

1. 서론

일반적인 금속의 접합 방식은 용접 (Fusion welding)과 고상접합 (Solid state joining)으로 나눌 수 있다. 용접은 금속의 융점 이상의 온도로 가열시켜 액체 상태에서 접합하는 방법으로, 일반적으로 아크나 레이저 등의 강한 열원이 필요하다. 이러한 용접은 매우 짧은 시간 안에 이루어질 수 있어서 금속을 접합할 때 가장 널리 쓰이는 방식이다. 그러나 용접으로 접합하기 어려운 난용접 (hard-to-weld) 금속들도 존재한다.

난용접 금속은 용접 시 고온 균열이 발생하거나, 접합면에 산화층이 형성되어 접합 강도를 떨어트리거나, 특정 원소가 편석되어 접합부의 물성이 저하되는 등의 문제가 있다 [1-3]. 특히 알루미늄은 잘 알려진 난용접 금속으로, 온도에 따른 수소 용해도 차이가 크다고 알려져 있다. 일반적으로 사용되는 아크 용접의 경우, 아크 직하에서의 수소 용해도와 융점에서의 수소 용해도 차이가 철의 약 4 배 정도로 상당히 크기 때문에, 액상에 과용해된 수소는 용접부 응고 시 기공이나 고온 균열을 형성하여 결국 용접부를 취약하게 만드는 주 원인이 된다 [4-7].

따라서, 이러한 난용접 금속의 접합은 많은 경우에 용접보다는 마찰교반접합이나 확산접합등의 고상 접합방법을 활용하여 이루어진다. 마찰교반접합은 고속으로 회전하는 공구를 접합재에 삽입하여 재료의 큰 소성유동에 의해 접합을 이루는 방식으로, 접합재의 형상에 대한 제한이 있고 공구흔이 남는다는 단점이 있다 [8]. 확산접합은 금속 재료를 밀착시켜 접합면 사이에서 발생하는 원자의 확산을 이용하는 방법으로, 견고한 접합부 형성이 가능하나 접합시간이 상대적으로 오래 걸린다는 단점이 있다 [9,10].

최근 금속 재료에 일정 밀도 이상의 전류가 인가되었을 때 원자확산이 가속화되는 전류유기 키네틱 향상 (Electric current-induced kinetic enhancement) 효과는 많은 연구에서 보고되고 있다 [11-17]. 이를 활용하여 짧은 시간에 고밀도 전류를 인가하여 고상확산 접합을 유도하는 통전압접 (Electrically assisted pressure joining, EAPJ) 방법이 개발되었고, 이미 난용접 금속인 티타늄 동종접합 [18], 고엔트로피합금 동종접합 [19]등이 이 통전압접 방식을 통해 성공적으로 이루어졌다고 보고된 바 있다. 본 연구에서는 또 다른 난용접 금속으로 알려진 알루미늄 합금을 통전 접합방식으로 고상접합하고, 전류 인가 방식에 따라 접합 강도 및 미세구조를 비교∙분석하고자 한다.

2. 재료 및 실험방법

본 연구에 쓰인 알루미늄 합금은 AA6061 로, 접합 전 상태는 T6 열처리된 상용합금이다. 해당 합금의 조성을 Table 1 에 기재하였고, 접합 시험에 사용된 시편의 형상과 치수를 Fig. 1(a)에 나타내었다. 이 시편의 형상은 접합 강도 평가를 용이하게 하기 위해 고안되었다.

Fig. 1 (a) Specimen shape and dimensions for electrically assisted pressure joining. (b) EBSD ED map and (c) KAM map of initial microstructure.

Table 1 Composition of AA6061 (weight %)

통전압접 및 접합강도평가 시험의 모식도를 Fig. 2에 나타내었다. 통전압접은 재료만능시험기(Universal testing machine, INSTRON 5582, INSTRON, USA) 의 압축 모드를 활용하여 이루어졌으며, 접합에 필요한 전류는 직류전원공급장치 (VADAL SP-400MTP, HYOSUNG, South Korea)를 통해 공급되었다. 접합 도중의 온도 이력은 시편 표면에 흑체 스프레이를 도포한 후, 적외선열화상카메라 (FLIR T430sc, FLIR, Sweden)로 측정되었다. 시편끼리 접촉하는 계면에서는 계면 저항으로 인해 줄 발열이 더욱 크게 일어나는데, 가장 높은 온도가 측정되는 접합면의 온도 이력을 기록하였다. 접합된 시편의 접합 강도는 맞춤 제작된 지그를 장착한 재료만능시험기 INSTRON 5584, INSTRON, USA)의 인장모드에서 측정되었다.

Fig. 2 Schematic diagram of (a) electrically assisted pressure joining and (b) measurement of joining strength.

초기 시편과 접합 이후 시편들의 물성을 비교하기 위해 접합면을 가로질러 경도가 측정되었다. 경도 측정은 비커스 경도 측정 방식으로 수행되었고, 0.3kg의 힘으로 압입 후 10초간 유지하였다.

미세구조 분석은 전계방출 주사전자현미경 (Field emission scanning electron microscrope (FE-SEM), SU70, Hitachi, Japan) 에서 전자후방산란회절 (Electron backscatter diffraction (EBSD), EDAX/TSL, Hikari, USA) 장비를 활용하여 이루어졌다. 미세구조 분석 시편은 사포 연마 후 최종적으로 콜로이달 용액 (0.02㎛)을 사용하여 기계적 연마되었다. 또한, 3차원 X선 단층촬영 이미징 (3D X-ray microscopy (XRM), Xradia 620 Versa, Carl Zeiss, USA) 장비를 활용하여 접합부를 시각화하였다.

3. 결과 및 고찰

본 연구에 쓰인 AA6061 시편은 압출로 제작되었기 때문에, Fig. 1(b)에 나타난 초기 조직의 IPF(Inverse pole figure) ED (Extrusion direction) map 을 보면, 압출 (ED) 방향으로 결정립들이 길게 늘어서 있고 (100) 과 (111) 방위 집합조직이 주로 발달하였음을 확인할 수 있다. Fig. 1(c)에서 초기 조직의 KAM(Kernel average misorientation) 을 확인한 결과, 아직 풀림 (annealing)이 완벽히 일어나지 않은 압출 조직으로 보인다.

본 연구에서는 통전접합 시 전류 인가 방식을 CDC (Continuous direct current)와 PDC (Pulsed direct current) 두 가지로 설정하고, 이 두 방식의 온도 이력이 유사하도록 PDC 의 인가 시간 및 전류 밀도를 설정하였다. 이 두가지 방식은 접합 시간, 접합 시변형 속도 및 변형량은 모두 같지만, 전류 밀도와 인가 형태가 다르도록 고안되었다. 두 방식 모두 접합 전 200MPa 의 압축 응력 하에서 시작하여 13mm/min 의 속도로 가압하며 30 초간 전류를 인가하여 접합하였으나, 상대적으로 전류 밀도가 낮은 CDC 의 경우 74.8A/㎟의 전류 밀도의 전류를 인가하여 승온시킨 후 37.4A/㎟ 로 전류 밀도를 감소시켜 약 510℃로 유지하였다. 반면 상대적으로 전류 밀도가 높은 PDC 의 경우 첫 펄스는 118 A/㎟을 2 초간 인가한 후, 이후 213 A/㎟ 의 펄스를 0.2 초간 인가하였다. 총 10 번의 펄스 전류를 인가하였고, 매 펄스간 간격 (휴지 시간)은 2.8 초였다. 온도 및 압력 이력을 Fig. 3 에 도시하였다.

Fig. 3 Temperature and pressure history during electrically assisted pressure joining: (a) CDC and (b) PDC.

다음으로, 이 두가지 방식으로 접합된 시편의 접합 강도를 측정하였다. Fig. 4(a) 에 나타내었듯이, CDC와 PDC 두 가지 방식으로 접합한 시편 모두 탄성변형 영역을 지나 소성변형 영역에서 파단이 일어났음을 확인할 수 있었다. 동일 조건으로 접합 강도를 3회 이상 측정하여 평균값을 구한 결과, CDC 의 접합 강도는 33.7±1.8 MPa 였고, PDC의 접합 강도는 이 보다 높은 75.6±21.3 MPa 였다.

Fig. 4 (a) Displacement-stress curve and (b) average joining strength of CDC and PDC

CDC 의 경우가 PDC 보다 접합 강도가 낮게 측정되었는데, 이 원인을 분석하기 위해 XRM 을 활용하여 접합부를 단층촬영 하였고, ED 방향 투영 이미지 및 RD (Radial direction) 방향 투영 이미지를 Fig. 5 에 도시하였다. Fig. 5 의 일부분에서 어두운 영역이 관찰되었는데 (붉은색으로 표시됨), 이는 X 선이 빈 공간을 통과하며 신호 강도가 낮아져 보이는 것으로, CDC 의 경우 접합이 완전히 이루어지지 않은 부분이 존재하고, 이로 인해 접합 강도가 낮게 측정되었다고 판단된다.

Fig. 5 (a) ED and (b) RD projection image obtained by XRM.

다음으로 접합부에서 접합면을 기준으로 ED 방향을 따라 경도를 측정하였다 (Fig. 6). CDC 와 PDC 모두 접합면으로부터의 거리와 관계없이 경도는 비슷한 값을 보였고, 초기 시편 (114.6±5.2 Hv)에 비하여 상당히 연화되었음을 (<80Hv) 확인할 수 있었다. 또한, PDC 의 경우, CDC 보다 경도 저하가 크게 일어났다. 이를 설명하기 위해, EBSD 를 활용하여 CDC 및 PDC 접합부의 미세구조를 분석하였다.

Fig. 6 Hardness profile of CDC and PDC across the joint line.

우선 먼저 Fig. 7 (a)와 (b)를 보이듯이, 뚜렷한 집합 조직의 변화가 관찰된다. (100)과 (111)방위가 주로 발달했던 초기 압출 조직에서, 접합 이후에는 특정 방위가 거의 발달하지 않은 무질서한 (random) 집합조직으로 변화하였다. 이는 접합부에서 재결정이 일어난 결과이며, ED 방향으로 길게 늘어서 있던 결정립 모양이 ED 방향으로 약간 압축된 등축정(polygonal) 형상에 가깝게 변화하였다. 이는 재결정과 ED 방향으로의 압축변형이 동시에 영향을 미친결과라고 사료된다.

Fig. 7 IPF ED map of (a) CDC and (b) PDC. KAM map of (c) CDC and (d) PDC.

Fig. 7 (a)에서 CDC 접합부의 경우 경계면이 일부에서 관찰되는데, Fig. 5 에서 분석했듯이 접합이 완벽히 이루어지지 않았기 때문으로 생각된다. PDC 접합부에서는 경계면이 잘 구분되지 않는 것으로 보아, PDC 방식이 CDC 보다 더욱 견고한 접합을 이루었다고 할 수 있다. 더하여, CDC 와 PDC 방식의 KAMmap (Fig. 7 (c), (d))을 보면, 두 경우 모두 초기 조직보다 KAM 이 감소했는데, PDC 방식에서 상대적으로 더 많이 감소하였음을 확인할 수 있다. 이것은 접합 시의 평균 온도는 저전류밀도를 인가한 CDC 방식이 다소 높음에도 불구하고, 상대적으로 고전류밀도를 인가한 PDC 방식에서 미세구조의 풀림이 더욱 활발하게 일어났음을 의미한다. 이는 전류유기 키네틱향상에 의한 결과로 판단할 수 있다.

전류유기 키네틱향상 현상이란, 금속 재료에 고밀도 전류를 인가하였을 때, 풀림, 재결정, 석출 등이 상당히 빠르게 진행되는 현상으로 정의된다 [20-23].이는 전류 인가 시 결함 부근의 전하 불균형이 생겨원자 결합력이 약화되기 때문에 일어난다고 밝혀졌다 [24]. 이러한 전류유기 키네틱 향상은 활성화 에너지 감소량이나 유효온도 (Effective temperature) 상승량이 전류밀도의 제곱근에 비례한다는 최근 연구결과 [25]에서 알 수 있듯이, 전류 밀도와 양의 상관관계를 가진다. 결국, PDC 의 경우 CDC 방식에 비해평균 온도는 낮지만 전류 밀도가 크기 때문에 전류 유기 키네틱향상 효과가 주요하게 작용하여 접합면에서 구성 원자의 확산이 더욱 활발하게 일어나 접합 강도가 더 높고 미세구조의 풀림도 더 많이 일어난 것으로 사료된다.

4. 결론

본 연구에서는 난용접 소재인 알루미늄 합금 AA6061 을 통전압접 방식으로 30 초만에 고상접합에 성공하였다. 통전압접 시 인가한 전류의 형태에 따라 상대적으로 낮은 전류밀도의 일정한 전류를 인가하는 CDC 와, 상대적으로 높은 전류밀도의 펄스 전류를 인가하는 PDC, 두 가지 방식으로 나누어 접합강도 및 미세구조를 비교하였다. 이 두 방식의 온도이력이 유사하도록 전류밀도와 인가시간이 설계되었다. CDC의 경우, PDC보다 접합강도가 낮으며 일부의 영역에서 접합이 잘 이루어 지지 않은 것을 RM단층촬영과 EBSD 분석을 통해 확인하였다. 반면, 접합 강도가 높은 PDC 의 경우에는 접합 계면이 거의 구분되지 않았고, KAM 도 CDC 보다 더욱 낮아진 것을 확인하였다. 위와 같은 결과는 상대적으로 높은 전류 밀도를 인가하는 PDC 방식에서 전류유기 키네틱향상이 더 활발히 일어났기 때문.으로 판단된다.

후기

이 논문은 포스코청암재단의 포스코사이언스펠로십의 지원을 받아 수행하였으며, 또한 정부의 재원으로 한국산업기술진흥원의 지원(P0002019) 및 한국연구재단의 지원 (2020R1A5A6017701, 2021R1A2C3005096)으로 이루어짐.