01 서문 신에너지 자동차와 고온 초전도 기술의 급속한 발전으로 인해 경량화, 고전도성, 고신뢰성 연결 기술이 제조 분야의 주요 이슈로 대두되고 있습니다. 알루미늄과 구리는 우수한 전기 전도성, 낮은 밀도, 우수한 내식성으로 인해 전원 배터리, 전기 구동 시스템, 부스바 연결 및 초전도 장치에 널리 사용됩니다. 그러나 알루미늄-알루미늄, 구리-구리 및 알루미늄-구리 접합은 과도한 열 입력, 금속간 화합물 형성, 접합 연화 및 기존 융합 용접 공정 중 용접 변형과 같은 문제에 종종 직면하여 엔지니어링 적용을 심각하게 제한합니다. 일반적인 고체 접합 기술인 초음파 용접은 -고주파 기계적 진동과 계면 마찰을 통해 재료의 야금학적 접합을 달성하여 낮은 열 입력, 짧은 용접 시간, 제어 가능한 계면 반응과 같은 이점을 제공합니다. 최근에는 전기자동차와 초전도공학 분야에서 큰 주목을 받아왔습니다. 특히 배터리 탭 연결, 알루미늄-구리 이종 금속 용접 및 고전도성 버스바 제조에서 초음파 용접은 기존 용접 방법보다 뛰어난 종합적인 성능을 보여줍니다. 이러한 배경에서 본 논문은 전기 자동차 및 초전도 응용 분야에서 알루미늄 및 구리 초음파 용접 기술의 연구 진행 상황을 체계적으로 검토하고 용접 메커니즘, 공정 진화 및 현재 엔지니어링 응용을 요약하여 후속 공정 최적화 및 기술 개발을 위한 이론적 참고 자료를 제공합니다.
02 초음파용접의 특징
초음파 용접은 주로 쐐기-압력 시스템과 측면{1}}구동 시스템이라는 두 가지 일반적인 구성을 사용합니다(그림 1). 둘 다 진동 메커니즘은 유사하지만 구조 형태, 진폭 수준, 클램핑력 및 적용 가능한 재료가 다릅니다. 쐐기- 압력 시스템은 진폭이 낮고 조임력이 높은 것이 특징이며 용접 팁의 세로 진동과 가로 진동의 조합을 통해 초음파 에너지를 공작물에 직접 전달하므로 두껍거나 단단한 재료에 적합합니다. 측면- 구동 시스템은 높은 진폭, 낮은 조임력 및 정밀하게 측정 가능한 매개변수의 장점을 제공하여 미세한 와이어, 호일 및 얇은 시트를 연결하는 데 더 적합하므로 리튬-이온 배터리 및 초전도 테이프와 같은 분야에서 널리 사용됩니다. 이를 바탕으로 초음파 용접 매개 변수는 공정 매개 변수와 재료 매개 변수로 나눌 수 있으며 용접 에너지, 시간, 조임력 및 진동 진폭이 용접 품질을 결정하는 핵심 요소입니다. 용접 중에는 체결력 부족으로 인한 미끄러짐이나 과도한 힘으로 인한 재료의 과도한 얇아짐을 방지하기 위해 충분한 접촉을 보장하면서 체결력과 진동 진폭을 합리적으로 일치시키는 것이 필요합니다.
그림 1은 (a) 웨지 스프링 시스템과 (b) 가로 구동 시스템[1] 2을 포함하여 가로 진동 모드를 사용하는 초음파 용접 시스템을 보여줍니다.
2 초음파 용접의 전기, 열 및 기계적 요구 사항 일반적인 고체 접합 공정인 금속 초음파 용접은 전기, 열 및 재료 호환성 측면에서 이점을 제공하며 특히 열 및 전기 전도성이 높은 재료를 접합하는 데 적합합니다. 연구에 따르면 저항 점용접과 비교하여 초음파 용접은 알루미늄 합금 접합 준비 시 에너지 소비를 줄이면서 매우 낮은 전기 및 열 접촉 저항을 달성하고 용접 시간을 과도 수준으로만 유지하여 뛰어난 에너지 효율성과 열 관리 성능을 입증하는 것으로 나타났습니다. 저온-온도 자석 및 초전도 응용 분야(예: REBCO CC 테이프)에서 접합 성능은 열 전도성, 열팽창 계수 매칭 및 기계적 안정성에 크게 좌우됩니다. 초음파 용접은 용가재를 사용하지 않기 때문에 열팽창 불일치로 인한 잔류 변형, 균열 또는 인터페이스 박리를 효과적으로 방지하여 담금질 위험을 줄이고 서비스 수명을 연장합니다. 동시에 초음파 용접 공정으로 생산된 접합부는 열 안정성이 뛰어나 전류 전달 공정 중에 구조적 무결성을 유지하는 데 유리합니다.- 재료 및 야금학적 관점에서 고체 상태 공정인 초음파 용접은 서로 다른 금속의 안정적인 접합을 달성할 수 있고, 표면 상태에 대한 요구 사항이 낮고, 적응성이 높으며, 융점 차이가 큰 재료를 접합할 수 있으며 부식 위험을 줄일 수 있습니다. 이 공정으로 생산된 접합부는 변형이 최소화되고 용접 품질이 높아 두꺼운 판, 얇은 판 및 초박형 포일에 적합하며 리튬{12}}이온 배터리 및 초전도 테이프와 같은 정밀 접합 분야에서 우수한 지속 가능성과 엔지니어링 적용 가능성을 보여줍니다.
3.1 용접 최적화의 과제 알루미늄, 구리 및 이종 재료의 초음파 용접 응용 분야에서 고품질의{1}}일관적인 접합을 달성하는 것은 여전히 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 대부분의 알루미늄 합금(예: 5xxx 및 6xxx 시리즈)은 우수한 초음파 용접성이 있는 것으로 입증되었지만 일부 합금은 여전히 용접 팁 접착, 심한 변형 및 좁은 프로세스 창과 같은 문제를 겪고 있어 매개변수 최적화가 재료 특성에 크게 의존하게 됩니다. 용접 품질은 프로세스 매개변수에 매우 민감합니다. 그 중 용접 에너지, 시간, 진동 진폭 및 클램핑 압력이 지배적인 요소이며 이들의 상호 작용은 프로세스 복잡성을 더욱 증가시킵니다. 기존의 전체-요인 실험 설계는 많은 양의 데이터를 얻을 수 있지만 비용이 많이 들고 통계적으로 비효율적입니다. 대조적으로, 분산 분석(ANOVA)은 더 적은 수의 실험으로 주요 매개변수와 그 상호작용을 효과적으로 식별하여 용접 강도를 극대화하고 일관성을 제어하기 위한 신뢰할 수 있는 기반을 제공하는 것으로 입증되었습니다. 그러나 산업 현장에서 통계적 방법을 적용하는 것은 데이터 해석의 어려움으로 인해 여전히 제한적입니다.
기계적인 관점에서 볼 때, 초음파 용접 중에 생성된 동적 계면 응력은 산화막을 분쇄하고 금속 결합을 촉진할 수 있습니다. 불충분하거나 과도한 열 입력은 쉽게 과소-용접 또는 과도한{2}}용접으로 이어져 계면 균열이나 성능 저하를 초래할 수 있습니다. 연구에 따르면 용접 시간과 진동 진폭 간의 합리적인 일치는 최적의 용접 코어 구조를 형성할 수 있으며 진폭 곡선 제어와 같은 고급 전략은 단계적으로 에너지 입력을 조정하여 서로 다른 Al{4}}Cu 접합의 용접 강도와 안정성을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 또한 다층 구조의 박판 위치, 용접 팁과 모루의 표면 질감, 초기 간격과 같은 구조적 매개변수도 용접 품질에 상당한 영향을 미치며, 특히 매개변수 불일치로 인해 저항이 증가하거나 기능층이 손상될 수 있는 초전도 테이프와 같은 매우 민감한 응용 분야에서 더욱 그렇습니다. 전반적으로, 초음파 용접 최적화의 핵심 과제는 강력하게 결합된 다중 매개변수 조건에서 재료 적응성, 접합 성능 및 공정 안정성의 시너지적 개선을 달성하는 것입니다. 이를 위해서는 최소한의 실험 비용으로 기계적 이해와 통계적 최적화 방법을 결합한 체계적인 설계가 필요합니다.
3.2 재료 및 금속공학의 과제 알루미늄, 구리 및 이종 재료의 초음파 용접 공정에서 접합 성능에 대한 재료 및 금속학적 요인의 영향은 특히 복잡합니다. 부식 거동은 접합부의 서비스 신뢰성을 제한하는 주요 문제 중 하나입니다. 대기 부식, 프레팅 부식 및 갈바닉 부식은 모두 금속-대-금속 접촉 인터페이스를 저하시켜 저항을 증가시키고 배터리 및 REBCO CC 조인트의 장기 안정성을-줄입니다. 다양한 재료의 산화 거동은 다양합니다. 알루미늄 표면의 산화물 층은 빠르게 형성되고 상대적으로 얇은 반면, 구리 산화물 층은 전도성 및 절연 특성을 모두 보유하는 더 복잡한 구조를 가지므로 이종 재료 인터페이스의 야금학적 제어를 어렵게 만듭니다. Al-Cu 초음파 용접에서 계면 확산층은 일반적으로 나노결정, 비정질 상 및 고밀도 전위로 구성됩니다. 이 구조는 초음파 진동에 의해 유발된 심각한 소성 변형 및 원자 상호확산에서 비롯되며, 이는 기계적 맞물림 및 금속 결합에 유리하지만 부서지기 쉬운 금속간 화합물(IMC)의 형성을 촉진할 수도 있습니다. Al과 Cu의 화학적 친화력이 높기 때문에 온도나 전단 변형이 임계 조건을 초과하면 Al2Cu와 같은 IMC가 쉽게 형성되어 접합부의 기계적 특성이 저하되고 저항이 증가하며, 특히 IMC 층 두께가 약 2μm를 초과하는 경우 그 악영향이 더욱 커집니다.
그림 2에서 볼 수 있듯이 용접 시간과 에너지가 증가함에 따라 용접 헤드와 모루의 압입 효과가 증가하고 용접 영역에 표면 압입과 단면적 박화 특성이 나타나 용접 공정 중 플라스틱 흐름과 재료 재배열을 반영합니다. 용접 시간이 증가함에 따라 경계면의 파상도가 증가하며 이는 균열 전파 경로를 단축할 뿐만 아니라 파괴 모드를 변경하여 점차적으로 계면 파괴에서 인발{3}}또는 혼합 파괴로 변형되어 접합의 파괴 하중에 영향을 미칩니다. 이종 재료 용접의 경우 재료 경도의 차이로 인해 이러한 변형 비대칭이 증폭됩니다. 재료가 부드러울수록 동적 재결정화 및 결정립 미세화가 더 쉽게 발생하여 용접 영역의 경도 분포가 고르지 않게 됩니다.
3.3 전기 기계 커플링 과제 전기 자동차 배터리 팩 및 초전도 REBCO CC 테이프와 같은 응용 분야에서 초음파 용접 조인트는 기계적 연결 요구 사항을 충족해야 할 뿐만 아니라 낮고 안정적인 전기 접촉 저항을 보유하여 줄 열 축적, 전기적 불균형 및 그에 따른 과충전, 과{1}방전 및 심지어 열폭주와 같은 안전 문제를 방지해야 합니다. 연구에 따르면 접합 구조와 재료 구성이 저항과 열적 거동에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 다층 Cu-Al 접합에서 용접 헤드 측의 부드러운 재료는 변형 및 얇아지기 쉬우므로 접합의 전기적 성능이 저하됩니다. 대조적으로, 모루 측면에 더 두껍거나 더 단단한 Cu 층을 배치하면 계면 결함을 줄이고 접합 저항을 줄일 수 있습니다. 전류 펄스 부하 실험에서는 더 높은 계면 저항으로 인해 Al-Cu 접합이 Cu-Cu 접합과 비교하여 동일한 전류 조건에서 더 큰 온도 상승을 경험한다는 사실이 추가로 나타났습니다. 이는 접합 신뢰성에 대한 전기{4}}열-구조적 결합의 제한 효과를 강조합니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 기존 브레이징 조인트와 비교하여 초음파 용접 조인트는 구리 층 사이에 직접적인 고체-연결을 형성하여 재료 층 수와 전류 경로의 인터페이스를 줄여 전체 접촉 저항을 낮춥니다. 그러나 인터페이스는 일반적으로 결합된(P1) 영역과 결합되지 않은(P2) 영역으로 구성되며 전기적 성능은 효과적인 결합 영역에 매우 민감합니다. 강한 자기장 및 극저온 환경에서 접합부의 안정성을 더욱 향상시키기 위해 브레이징{12}}초음파 복합 용접 방법이 제안되었습니다. 이 방법은 납땜이 접합되지 않은 영역에 침투할 수 있도록 하여 전기 접촉 연속성을 향상시키고 접합 저항을 줄이며 기계적 안정성과 굽힘 저항을 향상시킵니다. 전반적으로 그림에 표시된 결과는 조인트 인터페이스 구조, 유효 전도성 영역 및 전기기계적 결합 동작 사이의 밀접한 상관관계를 직관적으로 보여줍니다. 초음파 용접 조인트 구성과 하이브리드 프로세스의 합리적인 설계는 매우 안정적인 전기 연결을 달성하는 데 중요합니다.
04 결론 전반적으로 초음파 용접은 알루미늄과 구리 접합에 있어 상당한 기술적 이점을 보여주므로 매우 높은 전기 전도성과 구조적 무결성이 요구되는 전기 자동차 및 초전도 응용 분야에 특히 적합합니다. 기존 연구에서는 인터페이스 결합 메커니즘을 체계적으로 공개했으며 프로세스 매개변수 최적화 및 엔지니어링 응용 분야에서 중요한 진전을 이루었습니다. 그러나 복잡한 다층 구조,-이종 재료의 장기 서비스 신뢰성, 용접 공정의 수치 모델링에 대한 연구는 상대적으로 제한적입니다. 향후 연구에서는 다중{5}}규모 메커니즘 분석, 프로세스 창의 개선된 제어, 초음파 용접과 다른 고급 접합 기술의 시너지 적용에 더욱 초점을 맞춰 고급 제조에서 이 기술의 심층 개발 및 엔지니어링 적용을 촉진해야 합니다.-
