2.1 재료

본 연구에서는 6XXX계 알루미늄 합금 판재 (A6014P-T4F) 두께 1.1 mm, Interstitial-Free (IF) 강 두께 0.65mm 소재를 사용하였다. A6014P-T4F/IF steel 2겹 조합용으로는 headless type의 엘리먼트 2종류를 사용하였는데, 언더컷 (undercut) 유무 및 엘리먼트 높이 (length) 치수를 제외하고 다른 부위의 형상과 치수는 동일하다. 언더컷이 없는 높이 1.8 mm 엘리먼트는 개발 REW 압입 공정에 사용하였고, 언더컷이 있는 높이 2.3 mm 엘리먼트는 기존 REW 압입 공정에 사용하였다. A6014P-T4F/A6014P-T4F/IF steel 3겹 조합용으로는 언더컷이 있는 높이 2.9 mm headless 엘리먼트를 기존 REW와 개발 REW 압입 공정에 동일하게 사용하였다 (그림 2) . 엘리먼트 재질은 보론강(20MnB4)이며 단조공정으로 제작하였다. 실험에 사용한 소재에 대한 화학 성분과 기계적 성질은 표 1에 나타난 바와 같다.

2.2 압입 공정

REW 압입 공정에 사용한 장비는 펀치 (Punch)와 다이(Die)로 구성되어 있으며 엘리먼트는 펀치에 고정된다 (그림 3(a)). 기존 REW 압입 공정은 펀치와 엠보싱링(embossing ring)이 있는 압입 다이를 사용하였다. 압입 다이의 엠보싱링은 알루미늄 펀칭 단계에서 전단력을 높여버 (burr) 발생을 줄이고, 알루미늄을 가압하여 엘리먼트 언더컷 내부로 유입시키는 역할을 한다. 그림 3(b)의 단면 사진을 보면 인터락이 형성된 것을 확인할 수 있고 이로인해 압흔 (indentation)이 생성된 것을 확인할 수 있다 (그림 3(c)).

개발 REW 압입 공정은 언더컷이 없는 엘리먼트와 엠보싱 대신 락커가 있는 다이를 사용하여 압입하였다 (그림 4 (a)). 그림 4 (b)에서 보여주듯이, 5개의 락커를 통해 펀칭부터 인터락킹 단계까지 엘리먼트를 소성 변형하여 알루미늄과 인터락을 형성하였다. 락커에 의한 인터락 형성 여부는 압입된 알루미늄 바닥면(그림 4 (c))의 압흔을 통해서도 확인할 수 있다. 그림 5 (a)는 알루미늄 이겹판에 적용한 개발 REW 압입 공정을 보여주고있다. 알루미늄 이겹판에는 언더컷이 있는 엘리먼트와 락커 타입 다이를 사용하였고, 그 결과 상/하부 알루미늄은 각각 언더컷과 락커에 의해 체결된다(그림 5 (b)) .마찬가지로 락커에 의한 인터락 형성 여부는 압입된 알루미늄 바닥면(그림 5 (c))의 압흔을 통해 확인할 수 있다. 상부 알루미늄 판재에 형성된 인터락은 기존 REW 압입 공정에 의해 형성된 인터락보다 큰데, 이는 락커에 의해 엘리먼트가 소성변형 되었기 때문이다.

2.3 Push-out 평가

그림 6과 같이, 알루미늄과 엘리먼트 체결력은 8 mm 핀으로 엘리먼트를 압입 반대 방향으로 밀어낼 때 발생하는 push-out force를 측정하여 평가하였다. 체결력은 알루미늄과 엘리먼트의 인터락 여부 또는 길이에 영향을 받는다. 측정되는 값 중 최대값을 활용하였으며 5번의 반복 시험을 수행하였다.

2.4 REW 용접성 평가

REW용 저항 점 용접은 제어주파수 1000 Hz의 정치식점 용접기를 사용하였고 Cu-Cr합금, 선단경 6 Ø 전극을 사용하였다. 점용접 시험은 전류를 0.5 kA 간격으로 증가시키며 스패터가 발생할 때까지 진행하였다.

REW 공정 중에 용접 팁이 엘리먼트 중심에서 벗어나는 불량이 발생할 수 있다. 이러한 전극 오정렬 상태를 모사하기 위해, 전극과 엘리먼트 중심 위치를 옮겨가며 시편을 제작하였다 (그림 7 (a)) .전극 오정렬 상태를 offset으로 지칭하였고 벗어난 크기에 따라 offset B와 C로 구분하였다. Offset B는 엘리먼트 직경내로 용접이 된 것을 뜻하고, offset C는 엘리먼트를 벗어난 타점을 의미한다.

점용접부 강도 평가를 위하여 전단인장시편 (Lap Shear Specimen, LSS)과 십자인장시편 (Cross Tension Specimen, CTS)을 그림 7 (b)과 같이 제작하였고, 만능 재료 시험기(ZWICK Z100)를 이용하여 최대하중 (Peak load)을 측정하였다.

2.5 경도 평가

경도 관찰을 위해 시편의 단면을 절단하여 연마한 후, 마이크로 비커스 경도계를 사용하여 미세 경도를 측정하였다. 하중 0.1 kgf로 10초간 압입하여 생긴 압흔의 면적을 측정하였으며, 엘리먼트와 용접부 경도 차이를 관찰하였다.

2.6 수밀 평가

그림 8 (a)와 같이 전극 오정렬 상태에서 용접이 되면, 엘리먼트와 알루미늄 체결이 일부 손상되어 틈이 발생할 우려가 있다. 차량이 과도하게 물에 노출되면 틈으로 수분이 침투하여 부식이 발생하거나 차체 내부로 물이 들어올 수 있다. 위와 같은 상황을 모사할 수 있도록 수밀 평가를 수행하였다. 수밀 평가 장비는 장비 내부로 유입되는 공기를 통해 유체의 가압력을 조절할 수 있으며, 가압 유지 시간을 설정할 수 있도록 자체 제작된 장비를 사용하였다. 그림 8 (c)는 수밀 평가 장비와 구성을 보여주고 있는데, 수밀을 위한 고무 패킹이 있는 챔버가 시편 상부로 밀착된 후 챔버에 물이 채워져 평가가 진행된다. 수밀이 깨지면 그림 8 (b)와 같이 수분 침투가 발생하게 된다. 평가는 KS C IEC 60529 (2025)에 따라 20 kPa, 30 min 조건 하에 진행하였으며, 이는 수심 2 m, IPX7와 유사한 평가 조건이다.

2.7 미세조직 분석

미세조직 관찰을 위해 #100~#2000의 연마지와 1μm, 3 μm 연마천으로 표면을 경면 연마하였으며, 5 wt. % Nital 용액으로 에칭하였다. 에칭된 단면의 체결 상태와 용착경을 광학현미경으로 관찰하였고, 주사전자현미경(ThermoFisher Quattro ESEM)과 부착된 Energy Dispersive Spectroscopy (EDS)를 사용하여 미세조직 및 접합 계면의 화학성분을 분석하였다.

3.1 압입 특성

기존과 개발 REW 사양의 엘리먼트 체결성을 비교하기 위하여 엘리먼트가 압입된 알루미늄 판재 단판과 이겹판 시편에 대해 푸쉬 아웃 평가를 수행하였다. 그림 9 (a)는 알루미늄 판재 단판의 체결력 평가 결과와 단면 사진을 보여주고 있다. 기존 REW (Conventional REW) 단면에서는 알루미늄과 엘리먼트 간 인터락 미형성으로 체결이 잘 되지 않은 것으로 나타났다. 하지만, 개발 REW (Developed REW) 단면을 보면 알루미늄과 엘리먼트 사이에 167 μm의 인터락이 형성되어 강건히 체결된 것을 알 수 있다. 개발 REW 공정의 체결력은 702 kgf로 기존 REW 공정의 체결력 494 kgf보다 42 % 개선되었다. 그림 9 (b)는 알루미늄 판재 이겹판의 단면 사진과 체결력을 보여주고 있다. 기존 REW 상부 알루미늄은 엘리먼트와 46 μm의 인터락이 형성되었으며, 하부 알루미늄은 인터락이 형성되지 않았다. 이로 인해 하부 알루미늄이 고정되지 못하여 이탈될 우려가 있어 보인다. 하지만, 개발 REW 단면에서는 상부 알루미늄은 엘리먼트와 229 μm의 인터락이 형성되었고, 하부 알루미늄도 변형되어 엘리먼트에 고정되어 있다. 알루미늄 판재 이겹판 체결력 평가 결과, 개발 REW 공정의 체결력은 1135 kgf로 기존 REW 체결력 742 kgf 보다 53 % 향상되었음을 확인할 수 있었다.

3.2 REW 용접성 평가

개발 REW 압입 공정에 적용된 알루미늄 판재와 IF강의 REW 용접을 시행하였다. 적정 가용 용접 조건을 선정하기 위해 가압력을 250 kgf로 고정하였고, 전류를 5.5 kA에서 7.5 kA까지 0.5 kA 단위로 증가시키며 용접성 평가를 수행하였다. 그림 10 (a)에서 보여주듯이, 알루미늄 판재 단판/IF강의 2겹 조합에서는 전류 5.5 kA의 용착경은 3.5 mm이고 전류 7.5 kA의 용착경은 4.0 mm로 0.5mm 증가하였으며, 각각의 최대 하중은 190 kgf에서 209 kgf로 소폭 증가하였다. 전단 인장 시편의 파단 모드는 IF강에 접합된 엘리먼트와 알루미늄 단판이 체결된 부분에서 균열이 시작되어 알루미늄 판재가 이탈되어 끝나는 것으로 보인다(그림 10 (b)). 이와 같은 파단 모드는 알루미늄과 엘리먼트의 체결력보다 엘리먼트와 IF강의 접합력이 우수하기 때문으로 판단된다. 알루미늄 판재 이겹판/IF강 3겹 조합에서는 용접 전류 5.5 kA의 용착경 크기 2.8 mm에서 전류가 6.0 kA, 6.5 kA, 7.0 kA로 높아질수록 각각 3.5 mm, 3.6 mm, 3.8 mm로 증가하였다. 7.5 kA는 용착경이 4.7 mm였지만 스패터가 발생하였다. 용접 전류 5.5 kA의 최대 하중은 288 kgf이고 전류 7.5 kA의 최대 하중은 326 kgf로 대략 40 kgf 높아졌다(그림 11(a)). 전단 인장 시편의 파단 모드는 IF강을 물고 뜯어지는 버튼 파단이 발생하였다(그림 11 (b)). 알루미늄 판재 이겹판/IF 강 조합의 용착경 크기와 최대 하중은 용접 전류와 비례하여 커졌다.

개발 REW 공정과 기존 REW 공정의 접합강도를 최적 용접 전류 조건인 7.0 kA로 용접하여 비교 평가하였다. 그림 12 (a)에 나타낸 알루미늄 판재 단판/IF강 2겹 조합의 강도 평가 결과를 보면, 개발 REW의 전단인장시편과 십자인장시편의 최대 하중은 각각 198 kgf, 119 kgf로 기존 REW의 최대 하중 165 kgf, 97 kgf 보다 높다. 알루미늄 판재 단판/IF강 2겹 조합의 파단은 엘리먼트와 알루미늄 단판 체결부에서 균열이 시작되어 알루미늄 판재가 이탈되어 끝나는데, 개발 REW 공정은 기존 REW 공정보다 체결부 인터락이 개선되어 최대 하중이 향상된 것으로 보인다. 그림 12 (b)는 알루미늄 판재 이겹판/IF강 3겹 조합의 강도 평가 결과를 나타낸다. 개발 REW의 전단인장 시편과 십자인장시편의 최대 하중은 각각 315 kgf, 249 kgf로 기존 REW의 최대하중 311 kgf, 229 kgf와 동등 수준이다. 이는 알루미늄 판재 이겹판/IF강 3겹 조합은 엘리먼트와 알루미늄 판재 이겹판 체결 상태와는 무관하게 IF강에서 버튼 파단이 발생하기 때문으로 분석된다.

전극 오정렬 상태를 모사하기 위해 전극 위치에 따라 center, offset B, offset C로 설정하여 알루미늄 판재 단판 / IF강 2겹 접합 시편을 제작하였다. 그림 13은 전극 위치에 따른 전단인장시편의 최대 하중, 용착경 크기, 단면 사진을 보여주고 있다. 기존 REW 공정의 경우, 전극 위치가 center에서 offset B와 offset C로 이동할수록 용착경의 크기가 4.73 mm에서 4.37 mm와 2.83 mm 작게 형성됐다. 하지만, center, offset B, offset C 접합 시편의 최대 하중은 각각 165 kgf, 228 kgf, 253 kgf로 높아지는 경향을 보였다 (그림 13 (a)). 개발 REW 공정 조합에서도 전극 위치가 center에서 offset B와 offset C로 이동할수록 용착경의 크기가 4.27 mm에서 3.75 mm와 2.64 mm 작게 형성됐다. Center, offset B, offset C 접합 시편의 최대 하중은 각각 198 kgf, 226 kgf, 208 kgf였으며, offset B 전극 위치에서 최대 하중이 center 보다 높았다 (그림 13 (b)). Offset C 전극 위치에서 최대 하중은 center 보다 소폭 증가했지만, offset B보다 소폭 감소했다. Jun 등의 알루미늄 판재 단판/초고장력강 REW 접합 연구 결과에 따르면, 전극 및 리벳 위치 오정렬에 따라 제한된 접촉면적으로 용융이 진행되면서 충분한 너깃경이 생성되지 않고 기계적 강도 확보가 어렵다고 보고되고 있다[²⁹]. 본 연구에서는 너깃경 감소에도 불구하고 최대 하중이 증가하는 현상이 관찰되었다. 이는 기존의 저항열에 의한 변형된 엘리먼트 형상이나 얇은 Fe-Al 금속간 화합물 생성과 더불어 offset 용접 특유의 메커니즘으로 고찰된다[³⁰]. 그림 13 (c)에 제시된 바와 같이, offset B 용접 시 저항열이 엘리먼트 편측으로 집중되면서 엘리먼트가 연화되어 알루미늄 판재를 고정하는 protruding hook 형상으로 변형된다. 그림 10 (b)에서 알 수 있듯이, 알루미늄 판재 단판/ IF강 2겹 접합 시편의 파단 모드는 인터락 부위에서 균열이 시작되어 알루미늄 판재가 이탈된다. 그러나, offset 용접되어 protruding hook이 생성되면 결합력이 증가하여 알루미늄 판재 이탈과 IF강 을 물고 뜯어지는 버튼 파단이 동시에 발생한다 (그림 13 (c)). Protruding hook 형상으로 변형된 엘리먼트가 최대하중에 영향을 준 것으로 판단된다[³¹].

그림 14 (a)는 기존 REW 공정의 전극 위치에 따른 용접 시 측정된 평균 저항을 보여주고 있다. Center에서 측정된 평균 저항은 248 μΩ이지만 offset B와 offset C의 평균 저항은 183 μΩ, 163 μΩ으로 낮게 측정되었다. 엘리먼트 중심에서 멀어질수록 비저항이 낮은 알루미늄으로 전류가 흐르기 때문에 용접 시 측정되는 평균 저항이 점차 낮아졌다. 개발 REW의 전극 위치 별 평균 저항은 그림 14 (b)와 같다. 개발 REW도 기존 REW와 유사한 경향이 나타났다. Center에서 측정된 평균 저항은 201 μΩ이지만 offset B와 offset C의 평균 저항은 163 μΩ, 149 μΩ으로 낮게 측정되었다. 개발 REW 평균 저항은 전극 위치와 관계없이 기본 REW의 평균 저항 보다 낮았다. 전극 위치가 center인 경우, 기존 REW의 평균 저항은 248 μΩ이고 개발 REW의 평균 저항은 201 μΩ으로 대략 50 μΩ 낮게 측정됐다. 기존 REW 공정에 사용한 엘리먼트의 두께는 2.3 mm이지만 개발 REW 압입에 사용한 엘리먼트의 두께는 1.8 mm로 보다 얇아 비저항이 낮아졌기 때문이다. 그림 15는 개발 REW 공정의 center, offset B, offset C 접합 시편 표면과 단면 SEM 사진 및 EDS 분석 결과를 보여주고 있다. 그림 15 (a)는 시편 표면과 단면을 보여주고 있는데, center의 단면을 보면 저항 열에 의한 엘리먼트 변형이 없고 알루미늄 판재 단판과 IF강 사이 갭이 큰 것을 알 수 있다. Offset B 단면의 경우 엘리먼트가 저항 열에 의해 변형되어 갭이 줄어들고 알루미늄 판재 단판과 밀착되어 있다. Offset C 단면에서 알 수 있듯이, 알루미늄 판재 단판과 IF강 은 갭이 제거되어 접합되어 있다. 그림 15 (b)는 offset B 시편의 EDS 분석 결과이다. Offset B 시편의 알루미늄과 엘리먼트 계면에서는 2 μm 두께의 Al-rich Fe-Al 금속간 화합물층이 형성되었으며, 이 금속간 화합물은 Si (1.76 at. %), Mn (0.33 at. %), Mg (0.32 at. %)를 고용하고 있었다. Offset C 접합 시편의 알루미늄 판재와 IF강 계면에 Al-rich Fe-Al 금속간 화합물이 존재하는 것을 확인하였으며, 이 금속간 화합물은 Si (2.24 at. %), Mn (0.02 at. %), Zn (0.34 at. %)를 고용하고 있었다 (그림 15 (c))[³²]. Offset B와 offset C에서 발견된 Al-rich Fe-Al 금속간 화합물의 화학량론에 의해 각각 FeAl3, Fe₂Al5로 확인된다[³²]. 계면에서 관찰된 이러한 금속간 화합물층의 형성은 최대하중에 영향을 미친 것으로 판단된다[³⁰].

3.3 미세조직 및 경도

그림 16은 REW 용접 시편의 부위별 미세조직을 나타낸 것이다. 그림 16 (a)는 알루미늄과 엘리먼트의 체결부 미세조직 사진이다. 이를 보면 단조 시 압력 방향으로 길게 늘어선 결정립들이 Forging grain flow를 형성하고 있는 것을 알 수 있다. 이는 공정 중 가해지는 압력으로 인해 금속 조직 및 개재물이 특정한 방향성을 가지기 때문에 생성된다[³³]. 그림 16 (b)는 REW 시편의 용접부 SEM 이미지를 나타낸 것으로 저항열에 의해 완전히 용융되었다 급속 응고되는 용접부 (Fusion Zone, FZ), 열영향을 받은 엘리먼트와 IF강 그리고 열영향을 받지 않는 엘리먼트와 IF강으로 구분된다. 열영향을 받지 않은 엘리먼트(20MnB4)의 미세조직은 Ferrite와 구상화 열처리로 인해 생성된 Spheroidal carbide로 구성되어 있다 (그림 16 (c)). 용융부 (FZ)는 그림 16 (d)와 같이 Martensite 조직을 확인할 수 있었다. 엘리먼트 모재가 점용접 시 용융되어 Liquid상이 되고 냉각 중에 Austenite를 거쳐 최종적으로 Martensite 조직으로 변태하였다. Fig 16 (e)에서 보여주듯이, 열영향을 받은 엘리먼트에서는 FZ보다 미세한 Martensite 조직이 관찰되었는데, 이는 A_c3 온도 이상에서 고상 열처리되어 Austenite를 거쳐 Martensite로 변태되기 때문이다.

그림 16 (f)와 (g)는 열영향을 받은 IF강과 열영향을 받지 않은 IF강을 보여주고 있다. 열영향을 받은 IF강과 열영향을 받지 않는 IF강은 Ferrite 미세조직을 가진다. 열영향을 받은 IF강의 Ferrite 결정립 크기가 열영향을 받지 않은 IF강의 결정립 크기보다 컸다. 이는 용접 중 발생하는 열에 의해 재결정이 일어났기 때문이다.

용융부, 열영향을 받은 엘리먼트와 그렇지 않은 엘리먼트 그리고 알루미늄의 경도 그래프는 그림 17 (a)와 같고, 용융부에서 엘리먼트로 갈수록 경도가 점차 낮아졌다. 용융부와 열영향을 받은 엘리먼트의 경도는 각각 509 HV, 522 HV로 미세조직이 Martensite로 구성되어 있어 유사한 경향을 보인다. 엘리먼트의 경도는 264 HV였고 알루미늄은 91 HV로 측정되었다. 열영향을 받은 IF강과 열영향을 받지 않은 IF강의 경도 분포는 그림 17 (b)에 나타내었다. 열영향을 받은 IF강의 경도는 119 HV이고 열영향을 받지 않은 IF강의 경도는 95 HV로 소폭 낮게 측정되었다. Chakraborty 등의 연구 결과에 따르면, 열영향을 받은 결정립에는 Ti, Nb의 탄화물, 질화물과 같은 석출물이 형성되고, 높은 전위 밀도 영향에 의해 경도가 높다고 보고되어 있다[³⁴].

3.4 수밀 평가

Offset 알루미늄 판재 단판/ IF강 2겹과 알루미늄 판재 이겹판/ IF강 3겹 조합에 대해 수밀 평가를 진행하였다. 수밀 평가 결과는 Table 2에 나타내었다. 기존 REW 공정을 적용한 알루미늄 판재 단판에서는 옵셋 위치와 관계없이 계면 사이로 수분이 침투하여 수밀이 깨진 것으로 나타났다 (그림 18). 반면 개발 REW 공정을 적용한 시편에서는 수밀 상태가 양호하였다. 그림 9에 나타낸 기존 REW와 개발 REW 단면 사진에서 알 수 있듯이, 기존 REW 공정은 알루미늄 단판과 엘리먼트 사이 벌어진 갭으로 수분이 침투하게 된다. 반면에, 개발 REW 공정은 알루미늄 단판과 엘리먼트의 밀착이 우수하여 수밀 성능이 개선된 것으로 판단된다.