듀얼 빔의 출력비가 Al-Cu 겹치기 레이저 용접부의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향 = Effect of Dual-beam Laser Power Ratio on the Properties of Aluminum?Copper Lap Joint Weld

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 알루미늄-구리 이종 소재 용접부에 듀얼 빔의 출력비가 미치는 영향에 대해 확인하였다. 코어 빔의 출력을 700 W으로 고정하고, 링 빔의 출력을 조절하여 출력비에 따른 용접부의 미세조직과 기계적 특성의 변화를 평가하였다. 링 빔의 출력이 증가함에 따라 접합부의 너비와 알루미늄과 구리의 혼합이 증가하였다. 따라서 링 빔의 출력이 증가함에 따라 알루미늄 용융부 내 θ 상의 분율이 증가하고, 구리 용융부와 열영향부 계면에 형성되는 η, γ 상의 금속간화합물 층의 두께가 점차 증가하였다. 이 금속간화합물 층을 따라 인장과 피로 시험시 초기 균열이 전파되어 파단에 큰 영향을 미쳤다. 링 빔의 출력이 500 W 이하인 구리 모재로 부분 용입된 조건에서는 구리 용융부에서 η, γ 상을 따라 파단되었다. 링 빔의 출력이 700 W 이상인 구리 모재로 완전 용입된 조건에서는 인장 시험시 알루미늄 용융부에서 형성된 θ 상을 따라 파단되었고 피로 시험시 연질의 구리 고용체로 균열이 전진되어 구리 열영향부에서 파단되었다. 링 빔의 출력이 300 W 일 때 알루미늄 용융부 내 θ 상이, 구리 용융부 내 η, γ 상의 분율이 작고 연질의 고용상의 분율을 높게 확보할 수 있어 우수한 기계적 특성을 나타내었다. 듀얼 빔을 이용하여 용접 시 기계적 특성이 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 이번 연구를 통해 배터리 리드탭 용접의 최적화 방안을 제시하였고, 추후 버스바 용접 공정에도 적용 가능할 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, the effect of the power ratio of a dual-beam laser on the weld characteristics of aluminum–copper dissimilar joints was investigated. The core-beam power was fixed at 700 W, while the ring-beam power was varied to evaluate changes in the microstructure and mechanical properties of the welded joints as a function of the power ratio. With increasing ring-beam power, the weld width and the degree of mixing between aluminum and copper increased. Consequently, the volume fraction of the θ phase in the aluminum fusion zone increased, while the thickness of the η and γ intermetallic compound (IMC) layers formed at the interface between the copper fusion zone and the heat-affected zone gradually increased. These IMC layers served as preferential paths for crack initiation and propagation during both tensile and fatigue tests, significantly influencing fracture behavior.
Under partial penetration conditions into the copper base metal at ring beam powers of 500 W or lower, fracture occurred along the η and γ phases within the copper fusion zone. In contrast, under full penetration conditions into the copper base metal at ring-beam powers of 700 W or higher, fracture during tensile testing occurred along the θ phase formed in the aluminum fusion zone, whereas during fatigue testing, cracks propagated through the soft copper solid solution and final fracture occurred in the copper heat-affected zone. At a ring-beam power of 300 W, the fractions of the θ phase in the aluminum fusion zone and the η and γ phases in the copper fusion zone were minimized, while a higher fraction of a ductile solid-solution phase was retained, resulting in superior mechanical properties. Overall, the use of a dual-beam laser welding process led to an improvement in mechanical performance. The findings of this study provide an optimized welding strategy for battery lead-tab applications and are expected to be applicable to busbar welding processes in future studies.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 - 1 -
• 2. 이론적 배경 - 3 -
• 2.1 용접 - 3 -
• 2.1.1 용접 정의. - 3 -
• 2.1.2 용접 종류. - 4 -
• 2.1.3 전기자동차 배터리 팩에 사용되는 용접 방식 . - 5 -
• 2.2 알루미늄-구리 이종소재 레이저 용접의 문제점. - 8 -
• 2.2.1 높은 레이저 반사율 - 8 -
• 2.2.2 서로 다른 물리적 특성.- 10 -
• 2.2.3 용융풀 거동에 따른 문제점- 13 -
• 2.3 이종소재 접합에서의 듀얼 빔 레이저.- 15 -
• 2.3.1 듀얼 빔 레이저 .- 15 -
• 2.3.2 이종소재 접합으로의 적용 - 16 -
• 3. 실험 방법.- 17 -
• 3.1 시편 제작 - 17 -
• 3.2 미세조직 분석.- 20 -
• 3.3 전기적 특성 분석- 22 -
• 3.4 기계적 특성 분석- 23 -
• 4. 결과 및 고찰- 24 -
• 4.1 용접 외관 분석.- 24 -
• 4.2 미세조직 분석 .- 26 -
• 4.2.1 용접부 분석- 26 -
• 4.2.2 OM 분석.- 28 -
• 4.2.3 XRD 분석- 32 -
• 4.2.4 SEM 분석- 34 -
• 4.2.5 EPMA 와 EDS 분석- 38 -
• 4.3 전기적 특성 분석.- 42 -
• 4.4 기계적 특성 분석.- 44 -
• 4.4.1 경도 특성.- 44 -
• 4.4.2 인장 특성.- 48 -
• 4.4.3 피로 특성.- 55 -
• 5. 결론 - 61 -
• 참고문헌- 63 -
• Abstract.- 67 -