비철 경량 구조 소재 알루미늄 합금에 대한 통전고상 점접합 적용 가능성에 관한 연구

Abstract

전세계적으로 지구온난화를 방지하기 위한 탄소 중립에 발맞추기 위해서 연비 및 배기가스 배출 규제 등을 시행하고 있으며, 시간이 지날수록 해당 규제는 강화되고 있는 추세다. 이러한 규제는 특히 모빌리티 산업에서 가장 큰 비중을 차지하고 있는 자동차 산업에 영향을 끼치고 있다. 그렇기 때문에 차량 연비를 증가시키기 위해서 차체 경량화 기술에 대한 관심이 빠르게 대두되고 있으며 소재 경량화가 주요 경량화 방식으로 고려되고 있다. 이를 통해서 환경 규제 기준를 만족시킬 수 있으며, 차량 성능 향상도 도모할 수 있다. 자동차 산업계에서는 소재 경량화를 위해서 기존 차체 구조 소재로 사용되고 있는 철강 외에도 비철 금속 소재인 알루미늄 합금을 적극적으로 고려하고 있다. 이러한 이유로 비철 금속 구조 소재의 접합 기술 개발에 대한 관심이 증대되고 있는 상황이다. 기존 차체 구조 접합에 활용되는 저항 점용접 (resistance spot welding) 기술은 알루미늄 합금 접합에도 사용되지만 용융을 통한 접합 방식으로 인해서 열영향부 (heat affected zone)의 기계적 강도 하락 등, 접합용 소재 활용에 한계를 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위해 알루미늄 합금 소재에 대한 통전고상 점접합 (electrically assisted solid-state spot joining, EASSJ) 기술의 적용 가능성에 대해 연구를 수행하였다. 통전고상 점접합은 단계적 전류인가 및 압축하중을 동시에 적용하여 소성변형에 의한 접합 계면 내 원자 간 확산현상을 통한 접합기술이며, 이는 용융점보다 낮은 온도에서 접합 대상 소재 접합이 수행된다. 통전고상 점접합 기술의 적용 가능성을 위해 메인 전류와 추가 전류로 각 단계를 구분하여 접합 조건을 설정하였으며, 접합부의 고상접합부 형성 여부를 판단하기 위해 nugget pull-out 파단 모드를 판단 기준으로 설정하였고 접합부의 기계적 특성 평가를 위해서 전단 인장시험 및 미세구조 분석을 수행하였다. 이를 통해서 저항 점용접에서 얻을 수 있는 접합 지름 (5.65 mm) 기준 대비 접합부의 전단 인장강도 (kN)는 약 43 % 증가하였다. 해당 연구 결과를 기반으로 알루미늄 합금 소재의 통전고상 점접합 기술이 기존 차체 소재 접합에 활용되고 있는 저항 점용접에서 발생하는 문제점을 극복할 수 있고 향상된 기계적 강도를 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.