KR102299768B1 - 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법 - Google Patents

금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102299768B1
KR102299768B1 KR1020170116056A KR20170116056A KR102299768B1 KR 102299768 B1 KR102299768 B1 KR 102299768B1 KR 1020170116056 A KR1020170116056 A KR 1020170116056A KR 20170116056 A KR20170116056 A KR 20170116056A KR 102299768 B1 KR102299768 B1 KR 102299768B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
laser welding
intermetallic compound
dissimilar metals
copper
aluminum
Prior art date
Application number
KR1020170116056A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190029030A (ko
Inventor
이진수
박성철
신부건
추소영
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Priority to KR1020170116056A priority Critical patent/KR102299768B1/ko
Priority to CN201880027605.6A priority patent/CN110573293B/zh
Priority to JP2019556793A priority patent/JP6923169B2/ja
Priority to PCT/KR2018/010578 priority patent/WO2019050372A1/ko
Publication of KR20190029030A publication Critical patent/KR20190029030A/ko
Priority to US16/709,054 priority patent/US11383324B2/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102299768B1 publication Critical patent/KR102299768B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding
    • B23K26/244—Overlap seam welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/323—Bonding taking account of the properties of the material involved involving parts made of dissimilar metallic material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/20058—Measuring diffraction of electrons, e.g. low energy electron diffraction [LEED] method or reflection high energy electron diffraction [RHEED] method
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/36—Electric or electronic devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/12—Copper or alloys thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/18—Dissimilar materials
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/203—Measuring back scattering

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

레이저 용접부에 발생하는 금속간 화합물 결합 구조의 정량적 분석을 이용하여 이종 금속의 레이저 용접을 최적화 할 수 있는 방법이 개시된다. 상기 방법은 이종 금속의 레이저 용접부에 생성되는 금속간 화합물의 함량을 측정하여 이종 금속 각각의 용융 면적 비율을 산출하고 이를 소정 값으로 제어함으로써 용접 조건을 최적화하는 단계를 포함한다.

Description

금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법{METHOD FOR LASER WELDING OF DIFFERENT METALS WITH OPTIMIZATION OF WELDING CONDITION BY USING INTERMETALLIC COMPOUND ANALYSIS}
본 발명은 금속간 화합물 분석을 이용하여 레이저 용접 조건을 최적화할 수 있는 이종 금속의 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
알루미늄(Al) 부재 및 구리(Cu) 부재는 모두 전기 전도성 및 열 전도성이 우수하다는 점에서, 전자 전기 부품이나 방열 부품 등에 폭넓게 사용되고 있다. 이와 같이, 구리 부재는 전기 전도성 및 열 전도성이 특히 우수하고, 기계적 강도가 높으며, 변형 저항 또한 크다는 특성을 가지고 있다. 알루미늄 부재는 구리에 비해 전기 전도성이나 열 전도성이 다소 낮지만, 무게가 가볍고 변형 저항이 작다는 특성을 가지고 있다. 이 때문에, 상기 전자 전기 부품이나 방열 부품 등에 있어서는, 요구되는 성능에 따라 구리 부재 및 알루미늄 부재가 선택되어 사용되고 있다. 한편, 전지를 제작함에 있어 양/음극을 구성할 때에는, 셀과 셀을 전기적으로 연결시키도록 양/음극의 접합이 요구되며, 일반적으로 알루미늄 및 구리 부재 등을 이용한 이종 접합 방법이 널리 사용된다. 또한, 최근에는 상기 전자 전기 부품이나 방열 부품 등을 소형화 및 경량화하는 관점에 있어서도, 구리 부재와 알루미늄 부재를 접합시킨 접합체가 요구되고 있다.
하지만, 알루미늄 및 구리는 이종 금속의 레이저 용접 시 용융 온도 차이에 의해 여러 상(Phase)의 금속간 화합물이 생성된다. 도 1은 구리 버스바(Cu Busbar) 및 알루미늄 리드(Al Lead)의 레이저 용접 단면도를 광학현미경으로 관찰한 이미지이다. 알루미늄 부재와 구리 부재를 직접 용접하게 되면, 도 1에 도시된 바와 같이, 용접부(접합 계면)에 금속간 화합물이 다량으로 랜덤하게 생성되는 것을 알 수 있다. 생성되는 양(quantity)이나 상(phase)의 종류는, 용접 방법이나 조건에 따라 상이해질 수 있으며, 이와 같이 생성된 금속간 화합물은 기존 모재(기본 금속; Base metal)에 비하여, 전기 저항 및 경도(Hardness)가 높은 물성을 가지고 있어, 쉽게 부러지는(brittle) 등 용접부의 기계적 특성에 악영향을 미치거나, 전지 셀(Cell) 간 전기적 연결을 함에 있어서, 저항의 증가로 인해 전지 특성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서, 금속간 화합물의 접합 신뢰성을 충분히 확보할 수 있는 기술이 절실히 요구된다.
레이저 용접부에 발생하는 금속간 화합물(intermetallic compound, IMC)의 분포 및 정량화 방법을 도출하여 용접 품질에 대한 신뢰성 확보가 필요하다.
이에, 본 발명은 이종 금속간 용접 시, 레이저 용접부 신뢰성 확보를 위하여, 금속간 화합물의 분포 및 정량 분석을 통해 레이저 용접의 최적 조건을 확인할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 이종 금속을 레이저 용접하는 방법에 있어서, 이종 금속의 레이저 용접부에 생성되는 금속간 화합물의 함량을 측정하여 이종 금속 각각의 용융 면적 비율을 산출하고 이를 소정 값으로 제어함으로써 용접 조건을 최적화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 용융 면적 비율은 하기 식으로 정의되며, 이를 10% 이하로 제어하는 것일 수 있다.
용융 면적 비율 = (용융면적이 작은 금속의 용융 면적/용융 면적이 큰 금속의 용융 면적)x 100.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 용접부의 인장 강도를 측정하여 약용접 여부를 1차적으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속간 화합물의 함량 분석은
(1) 금속간 화합물을 XRD(X-ray diffraction)로 측정하여 상(Phase)의 생성 유무 및 종류를 확인하는 단계; (2) 금속간 화합물을 EBSD(Electron backscatter diffraction)로 측정하여 키쿠치 대역(Kikuchi bands)을 얻고, 이를 전체 이미지에 대해 매핑(mapping)하는 단계; 및 (3) 상기 종류가 확인된 상(Phase) 및 키쿠치 대역이 나타내는 정보를 매칭시켜, 금속간 화합물의 분포 및 측정 면적에 대한 상(Phase)의 분율을 확인하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속간 화합물은 이종금속의 레이저 용접 시 용융 온도 차이에 의해 여러 상(Phase)을 나타낼 수 있다.
그리고 상기 금속간 화합물은 알루미늄(Al)-구리(Cu) 화합물 및 알루미늄(Al)-니켈(Ni) 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것으로서, 바람직하게는 Al2Cu, AlCu, Al3Cu4, Al2Cu3, Al4Cu9, Al3Cu2, AlCu3 및 Al9Cu11.5 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
본 발명은 레이저 용접부에 발생하는 금속간 화합물의 상(Phase)에 따른 분포 및 정량분석을 통해 레이저 용접의 최적 조건을 제공할 수 있으며, 이로 인해, 이종금속 용접 설계 디자인 및 용접 방법에 대한 피드백(Feed-back)이 가능하며, 금속간 화합물 최소화를 통해, 용접부의 기계적, 전기적 신뢰성 확보가 가능하다.
도 1은 구리 버스바(Cu Busbar) 및 알루미늄 리드(Al Lead)의 레이저 용접 단면도를 광학현미경으로 관찰한 이미지이다.
도 2는 용접부의 인장강도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 2의 그래프에서 정상용접과 과용접의 금속간 화합물(IMC) 함량 및 EBSD 이미지를 나타낸다.
도 4는 IMC 함량과 금속 용융 면적 비율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 금속 용융면적 측정 방법 및 용융 면적 비율을 보여주는 EBSD 이미지이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이므로, 비록 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
본 발명은 이종 금속을 레이저 용접하는 방법에 있어서, 이종 금속의 레이저 용접부에 생성되는 금속간 화합물의 함량을 측정하여 이종 금속 각각의 용융 면적 비율을 산출하고 이를 소정 값으로 제어함으로써 용접 조건을 최적화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
금속간 화합물은 이종금속의 레이저 용접 시 용융 온도 및 냉각 속도 차이에 의하여 여러 상(Phase)을 나타내는 것을 의미한다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 금속간 화합물은 알루미늄(Al)-구리(Cu) 화합물 및 알루미늄(Al)-니켈(Ni) 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것으로서, 바람직하게는 Al2Cu, AlCu, Al3Cu4, Al2Cu3, Al4Cu9, Al3Cu2, AlCu3 및 Al9Cu11.5 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 용융 면적 비율은 하기 식으로 정의된다. 용융 면적 비율 = 용융면적이 작은 금속의 용융 면적/용융 면적이 큰 금속의 용융 면적)x 100.
용융 면적 비율은 10% 이하, 또는 8% 이하, 또는 6% 이하로 제어할 수 있다. 또한 용융 면적 비율은 용융 면적 비율은 0% 초과인 경우 두 모재가 용융되어 용접이 이루어졌음을 의미한다.
또한, 바람직한 실시예에 따르면, 상기 용접부의 인장 강도를 측정하여 약용접 여부를 1차적으로 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 약용접의 기준은 금속의 종류나 용도에 따라 다를 수 있으므로 적절한 기준을 필요에 따라 설정할 수 있다.
종래에는 이종 금속간 용접이 제대로 되었는지 확인하기 위하여 용접부의 인장강도를 측정하는 방법이 사용되었다. 하지만, 도 2에서 보는 바와 같이, 용접이 약하게 된 약용접의 경우에는 인장강도로 판별이 가능하지만, 용접이 과하게 된 과용접의 경우에는 정상용접과의 구별이 곤란하다. 과용접은 금속간 화합물(IMC)의 함량이 높고, 이 경우 장기 신뢰성에 악영향을 준다. 금속산 화합물(IMC)은 갈바닉 부식 및 수분에 취약하여 지속적으로 그런 분위기에 노출될 경우, 면적이 넓어지고, 크랙 및 Hole이 발생하게 되어 용접 신뢰성이 떨어지게 된다.
이에 본 발명에서는 정상용접과 과용접의 부위에 대해 금속간 화합물 함량 분석을 실시한 결과 도 3에 도시된 바와 같이 용접부 내 금속간 화합물의 함량 차가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
이때, 상기 금속간 화합물의 함량 분석은 EBDS(Electron backscatter diffraction)와 XRD(X-ray diffraction)를 사용함으로써, 금속간 화합물의 분포 및 정량측정을 가능하도록 하는 방법으로서, 본 출원인의 대한민국 특허출원 제2015-0162633호에 상세한 내용이 개시되어 있으며, 인용에 의해 상기 문헌의 전체 개시 내용이 본원에 통합된다.
즉, 금속간 화합물의 분석 방법은 (1) 금속간 화합물을 XRD(X-ray diffraction)로 측정하여 상(Phase)의 생성 유무 및 종류를 확인하는 단계, (2) 금속간 화합물을 EBSD(Electron backscatter diffraction)로 측정하여 키쿠치 대역(Kikuchi bands)을 얻고, 이를 전체 이미지에 대해 매핑(mapping)하는 단계 및 (3) 상기 종류가 확인된 상(Phase) 및 키쿠치 대역이 나타내는 정보를 매칭시켜, 금속간 화합물의 분포 및 측정 면적에 대한 상(Phase)의 분율을 확인하는 단계를 포함한다.
먼저, 상기 (1)단계에 대해 설명하면, 본 단계는 (1) 금속간 화합물을 XRD(X-ray diffraction) 측정하여 상(Phase)의 생성 유무 및 종류를 확인하는 단계로서,
X-선 회절분석법(XRD; X-ray diffractometry)은 물질의 결정 구조를 연구하기 위한 공지된 기술이다. XRD에서, 샘플은 모노크로마틱 X-선 빔에 의해 조사되고, 회절 피크의 위치 및 강도가 측정된다. 특정 스캐터링각 및 스캐터링된 강도는 연구중인 샘플의 래티스 평면과 이 평면을 점유하는 원자에 의존한다. 주어진 파장(λ)과 래티스 평면 간격(d)에 대해, 회절피크는 X-선이 브래그 조건 nλ = 2dsinθ, 여기서 n은 산란차수, 을 만족하는 각도(θ)로 래티스 평면에 입사하는 경우에 관측될 것이다. 브래그 조건을 만족하는 각도(θ)는 브래그 각으로서 공지되어 있다. 응력, 고체 용매 또는 기타 결과에 기인한 래티스 평면에서의 왜곡은 XRD 스펙트럼에서 관측가능한 변화로 된다. XRD는 반도체 웨이퍼상에서 산출된 크리스탈층의 특성을 측정하기 위해 사용되어 왔다.
상기 (a)단계에서는 상기 금속간 화합물의 XRD 측정 시, 2차원 검출기(2-dimensional detector)를 이용한 마이크로 회절(micro-diffraction) 측정 방법을 수행하여 결정면의 회절 피크를 얻을 수 있는 것으로서, 예를 들어, 구리 및 알루미늄으로 이루어진 금속간 화합물을 XRD 측정하였을 경우, 총 4 가지의 상, 즉, Al2Cu, Al4Cu9, Al 및 Cu가 측정될 수 있으며, 이로부터 상(Phase)의 생성 유무 및 종류를 확인할 수 있다.
계속해서, (2) 상기 금속간 화합물을 EBSD(Electron backscatter diffraction)로 측정하여 키쿠치 대역(Kikuchi bands)을 얻고, 이를 전체 이미지에 대해 매핑(mapping)하는 단계를 수행한다.
상기 EBSD는 SEM 또는 FIB를 기반으로 하는 물질(Material)의 결정학적인 구조(Crystallographic structure) 분석 장비, 즉, 상기 EBSD 장비는 EDS 장비와 함께, SEM 또는 FIB 장비(Base)에 부가적(Accessory)으로 설치되는 것으로서, EBSD는 상기 SEM 또는 FIB에 EDS를 함께 장착 시, 결정방위(Crystal Orientation) 및 화학 조성(Chemical Composition)의 동시 매핑(Mapping)이 가능하다. 보다 구체적으로 EBSD의 원리를 설명하면, SEM 또는 FIB의 가속전자가 결정시편 내에서 회절(Diffraction)되어 형광면(Phosphor screen)에 결정 배향에 따른 키쿠치 대역(Kikuchi bands 또는 Electron Back Scattered Pattern)을 형성하는데, 이를 이용하여 시료의 결정학적 특성(결정방위(Crystal orientation) 및 결정 입도(Grain size) 등) 분석에 사용한다.
키쿠치(Kikuchi) 패턴은, 입사된 전자 빔이 비탄성 충돌로 매우 작은 에너지를 잃은 후 다시 회절을 일으킬 때 나타나는 현상인데, 이 패턴을 이용하여 결정 방위 분석이 진행된다. X-선 회절법과 같이, 한 번에 시편 내 결정립의 전체적인 방위 분포를 측정할 수는 없지만, 매핑(Mapping) 기능을 이용하면 SEM 관찰 영역에서의 모든 결정립의 방위 분포를 알 수 있으므로 매우 유용하다. 측정된 패턴은 재료 결정 구조 관련 데이터베이스(Database)를 이용하여 가장 유사한 값으로 결정된다. 또한, EDS와 함께 장착 시 결정방위(Crystal Orientation)와 화학조성(Chemical Composition)을 동시에 매핑(Mapping) 할 수 있다. 한편, 결정 방향 및 결정 구조에 의한 상(Phase) 구분이 어려울 경우, EDS 측정 정보를 이용하면 구분이 용이해진다. 또한, SEM 이미지는 샘플의 형상을 확인하기 위한 것이며, EBSD의 매핑(Mapping) 정보가 SEM 이미지의 위에 나타나게 된다. 한편, 상기 전체 이미지에 대해 매핑(mapping)한다는 것은, 픽셀(Pixel) 단위로 나타난 각각의 키쿠치 패턴을 결정구조 데이터베이스와 매칭시켜, SEM 이미지 상에 나타내는 것을 의미한다.
다음으로, (3) 상기 종류가 확인된 상(Phase) 및 키쿠치 대역이 나타내는 정보를 매칭시켜, 금속간 화합물의 분포 및 측정 면적에 대한 상(Phase)의 분율을 확인하는 단계로서,
측정 위치에서 유사한 키쿠치 패턴의 결정구조 데이터베이스(Database)가 존재할 시, 정확한 결정구조의 선별을 위하여, XRD 결과값을 매칭시켜 분석 신뢰도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 IMC 함량과 금속 용융면적 비율의 관계를 나타내는 그래프이고, 도 5는 금속 용융면적 측정 방법 및 면적 비율을 보여주는 EBSD 이미지이다.
도 4 그래프의 y축은 금속간 화합물의 함량(%)을 나타내며, x축은 용접된 이종 금속 각각의 용융면적을 비율(Ratio)로 나타낸 것이다. 도 4는 구리와 알루미늄을 용접한 경우로서, 용융 면적 비율(Ratio)은 [Cu 용융부 면적/Al 용융부 면적]x100 으로 구한 값이다. 도 5는 EBSD 이미지로부터 구리 용융부와 알루미늄 용융부의 면적을 측정하는 방법과 다양한 Ratio의 EBSD 이미지를 보여준다.
도 4의 결과에 따르면, 면적비율(Ratio)가 10% 이상인 경우 과용접이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 바람직한 면적비율(Ratio)는 10% 미만, 또는 8% 미만, 또는 약 6% 미만, 또는 5.57% 이하이다.
이하 본 발명을 실시예에 기초하여 더욱 상세하게 설명하지만, 하기에 개시되는 본 발명의 실시 형태는 어디까지 예시로써, 본 발명의 범위는 이들의 실시 형태에 한정되지 않는다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 표시되었고, 더욱이 특허 청구범위 기록과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경을 함유하고 있다.
실시예
1. 알루미늄 및 구리를 레이저 용접한 금속간 화합물을 준비하였다. 이때 사용한 레이저 용접장치는 IPG사 2kw Fiber Laser 이며, 라인 에너지(= 출력/속도)를 7.5, 10, 12.5 J/mm로 변화시켜, 약용접, 정상용접, 과용접의 시편을 각각 준비하였다.
2. 3가지 시편에 대하여 인장강도를 Universal Tensile Strength Tester(J1-106)를 사용하여 10mm/min 조건으로 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
3. XRD 장비를 하기의 조건으로 하여 상기 금속간 화합물을 측정한 후, 상(Phase)의 생성 유무 및 종류를 확인하였다. (XRD 장비 및 실험 조건: 적절한 샘플 홀더(sample holder)를 이용하여 시편을 양면 테이프 등으로 고정시켜 설치(mounting)한 후, Bruker AXS D8 Discover XRD(전압: 50 kV, 전류: 1000 μA, Cu Kα radiation 파장: 1.54 Å)의 레이저 빔(laser beam)이 측정 부위에 조사되도록, x, y 및 z-drive를 적절히 이동시키고, 이어서, Coupled theta(쎄타)-2theta 측정 모드를 이용, theta 12.5도 detector(VANTEC-500(2-D detector) 25도로 설정하여 25도 간격으로 프레임(frame)당 1,200 초씩 3 프레임을 측정하는 과정 수행).
4. EBSD 장비를 하기의 조건으로 하여, 상기 금속간 화합물을 측정하여, 키쿠치 대역을 얻었다 (측정 조건: 30kev, 측정 면적: 약 1,000,000 ㎛2(측정 면적은 SEM 배율에 맞추어 조절 가능), 측정 픽셀 사이즈: 0.2~1.5 ㎛(조절 가능)).
5. 상기 XRD 측정 및 EBSD 측정으로 얻은 결과를 매칭시켜 분석하였으며, 이 분석 결과가 도 3에 나타나 있다. '%'는 전체 이미지에서 해당 상(Phase)이 나타내는 픽셀(Pixel)의 개수를 기준으로 한 백분율을 의미한다. 도 3은 정상용접 및 과용접 시편에 대하여 상 매핑(Phase mapping)을 바탕으로, 측정 면적에 있어서의 백분율을 나타낸 것이다. 도 3에서 예를 들어 AlCu(2/1)의 경우 원자비가 Al2Cu1인 것을 나타낸다. 또한 AlCu(1/3_β)와 AlCu(1/3_γ)는 각각 유사한 원자비 이지만 Phase가 다르게 형성된 경우를 나타내며, zero Solution 은 FIB 장비의 빔 사이즈 내에 Phase가 존재하지 않거나, 두 개 이상 존재하는 경우를 나타낸다.
6. 구리와 알루미늄의 용융부 면적이 변화되도록 라인에너지를 10J/mm (5%), 11.5J/mm (10%), 12.5J/mm(20%)로 변화시켜 시편을 제작한 후 EBSD 이미지를 촬영하였다. Cu/Al 용융부 면적에 따른 EBSD 이미지는 도 5와 같다.
상기 결과에 따르면 이종 금속의 레이저 용접시 용융부 면적 비율을 소정 수준 이하로 제어함으로써 금속간 화합물 생성을 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 그 결과 이종금속 용접 설계 디자인 및 용접 방법에 대한 피드백(Feed-back)이 가능하며, 금속간 화합물 최소화를 통해, 용접부의 기계적, 전기적 신뢰성 확보가 가능하다.

Claims (7)

  1. 알루미늄과 구리를 포함하는 이종 금속을 레이저 용접하는 방법에 있어서,
    이종 금속의 레이저 용접부에 하기 식에 의해 정의되는 용융 면적 비율을 0%초과 6% 이하로 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 레이저 용접의 레이저 출력은 7.5 J/mm 내지 10 J/mm 인 것을 특징으로 하는 이종 금속의 레이저 용접 방법:
    용융 면적 비율 = (알루미늄과 구리 중에서 용융면적이 더 작은 금속의 용융 면적/알루미늄과 구리 중에서 용융 면적이 더 큰 금속의 용융 면적) x 100.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 용접부의 인장 강도를 측정하여 약용접 여부를 1차적으로 판단하는 단계를 더 포함하는 이종 금속의 레이저 용접 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    이종 금속의 레이저 용접부에 생성되는 금속간 화합물의 함량 측정 분석은
    (1) 금속간 화합물을 XRD(X-ray diffraction)로 측정하여 상(Phase)의 생성 유무 및 종류를 확인하는 단계;
    (2) 금속간 화합물을 EBSD(Electron backscatter diffraction)로 측정하여 키쿠치 대역(Kikuchi bands)을 얻고, 이를 전체 이미지에 대해 매핑(mapping)하는 단계; 및
    (3) 상기 종류가 확인된 상(Phase) 및 키쿠치 대역이 나타내는 정보를 매칭시켜, 금속간 화합물의 분포 및 측정 면적에 대한 상(Phase)의 분율을 확인하는 단계를 포함하는 것인 이종 금속의 레이저 용접 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 이종 금속의 레이저 용접 시 용융 온도 차이에 의해 여러 상(Phase)을 나타내는 것인 이종 금속의 레이저 용접 방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 알루미늄(Al)-구리(Cu) 화합물인 이종 금속의 레이저 용접 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 금속간 화합물은 Al2Cu, AlCu, Al3Cu4, Al2Cu3, Al4Cu9, Al3Cu2, AlCu3 및 Al9Cu11.5 로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 이종 금속의 레이저 용접 방법.
  7. 삭제
KR1020170116056A 2017-09-11 2017-09-11 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법 KR102299768B1 (ko)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170116056A KR102299768B1 (ko) 2017-09-11 2017-09-11 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법
CN201880027605.6A CN110573293B (zh) 2017-09-11 2018-09-11 通过金属间化合物分析优化焊接条件的不同种类的金属之间的激光焊接方法
JP2019556793A JP6923169B2 (ja) 2017-09-11 2018-09-11 金属間化合物の分析を通じて溶接条件を最適化する異種金属間のレーザ溶接方法
PCT/KR2018/010578 WO2019050372A1 (ko) 2017-09-11 2018-09-11 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법
US16/709,054 US11383324B2 (en) 2017-09-11 2019-12-10 Laser welding method between different kinds of metals for optimizing welding conditions through intermetallic compound analysis

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170116056A KR102299768B1 (ko) 2017-09-11 2017-09-11 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190029030A KR20190029030A (ko) 2019-03-20
KR102299768B1 true KR102299768B1 (ko) 2021-09-07

Family

ID=65635091

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170116056A KR102299768B1 (ko) 2017-09-11 2017-09-11 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11383324B2 (ko)
JP (1) JP6923169B2 (ko)
KR (1) KR102299768B1 (ko)
CN (1) CN110573293B (ko)
WO (1) WO2019050372A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3736561B1 (en) * 2019-05-08 2021-05-05 Bruker Nano GmbH Method for improving an ebsd/tkd map
TWI810923B (zh) * 2022-05-05 2023-08-01 中國鋼鐵股份有限公司 鍍鋅鋼材構件之銲接性質的評估方法與鍍鋅鋼材連接件之形成方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006130541A (ja) * 2004-11-08 2006-05-25 Nichirin Co Ltd 鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材の異種金属溶接接合体
JP2011005499A (ja) * 2009-06-23 2011-01-13 Kobe Steel Ltd アルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4072804B2 (ja) 1999-12-20 2008-04-09 株式会社神戸製鋼所 電池ケース用アルミニウム合金板
JP4599914B2 (ja) 2004-07-08 2010-12-15 パナソニック株式会社 鉛蓄電池の製造方法
JP2006035285A (ja) * 2004-07-29 2006-02-09 Nissan Motor Co Ltd 高エネルギビームによる異種材料の重ね接合方法及び重ね接合部材
JP2009061500A (ja) * 2007-08-10 2009-03-26 Nissan Motor Co Ltd 異種金属接合部材及び異種金属接合方法
JP5215986B2 (ja) 2009-12-16 2013-06-19 株式会社神戸製鋼所 異材接合継手および異材接合方法
WO2012125515A1 (en) * 2011-03-11 2012-09-20 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Methods, devices, systems for joining materials and resulting articles
BR112015001407A2 (pt) 2012-07-26 2017-07-04 Nisshin Steel Co Ltd aço conformado soldado a laser
KR101554361B1 (ko) 2013-07-09 2015-09-18 주식회사 엘지화학 이종 금속 용접 방법, 이에 의해 제조된 이종 금속 버스 바 및 이를 포함하는 이차전지
CN103495804B (zh) * 2013-09-25 2016-05-18 哈尔滨恒普激光应用技术有限公司 一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法
CN103753005A (zh) 2013-10-16 2014-04-30 吉林大学 一种高强钢-铝合金异种金属连接方法
JP5982652B2 (ja) * 2014-04-15 2016-08-31 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 異材金属接合体
US9516762B2 (en) 2014-08-04 2016-12-06 Ok International Inc. Soldering iron with automatic soldering connection validation
US20170173719A1 (en) 2014-08-04 2017-06-22 Ok International, Inc. Variable temperature controlled soldering iron
US10688578B2 (en) 2014-08-04 2020-06-23 OK International, Inc Variable temperature controlled soldering iron
CN104679995B (zh) * 2015-02-04 2017-08-01 大连理工大学 一种激光异质焊接接头力学性能预测方法
CN105033459B (zh) * 2015-08-11 2017-05-10 江苏科技大学 一种钢铌激光焊接接头金属间化合物的控制方法
US11428251B2 (en) 2015-09-15 2022-08-30 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Weld structure of metal member and welding process
JP2017080791A (ja) 2015-10-30 2017-05-18 株式会社日立製作所 鉄系金属／アルミニウム系金属の溶接接合体およびその製造方法
KR20170058702A (ko) * 2015-11-19 2017-05-29 주식회사 엘지화학 금속간화합물 분석방법
KR101683044B1 (ko) * 2015-11-24 2016-12-12 한국생산기술연구원 용융지 면적을 균일화하는 자동용접장치
JP6681543B2 (ja) * 2016-07-21 2020-04-15 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 溶接金属部材とその溶接金属部材を有する電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006130541A (ja) * 2004-11-08 2006-05-25 Nichirin Co Ltd 鉄系合金部材とアルミニウム系合金部材の異種金属溶接接合体
JP2011005499A (ja) * 2009-06-23 2011-01-13 Kobe Steel Ltd アルミニウム部材と銅部材との突き合わせレーザ溶接方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP6923169B2 (ja) 2021-08-18
US20200108462A1 (en) 2020-04-09
CN110573293A (zh) 2019-12-13
WO2019050372A1 (ko) 2019-03-14
US11383324B2 (en) 2022-07-12
CN110573293B (zh) 2021-12-07
JP2020517460A (ja) 2020-06-18
KR20190029030A (ko) 2019-03-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101896310B (zh) 钎焊接头
Dixit et al. Status and prospect of in situ and operando characterization of solid-state batteries
Dietrich et al. Formation of intermetallic phases in diffusion-welded joints of aluminium and magnesium alloys
Somidin et al. Characterising the polymorphic phase transformation at a localised point on a Cu6Sn5 grain
KR102299768B1 (ko) 금속간 화합물 분석을 통하여 용접 조건 최적화하는 이종 금속간 레이저 용접 방법
KR20160012878A (ko) 땜납 볼 및 전자 부재
Schmalen et al. Composition and phases in laser welded Al-Cu joints by synchrotron x-ray microdiffraction
KR20170058702A (ko) 금속간화합물 분석방법
Drozdov et al. Detailed investigation of ultrasonic Al–Cu wire-bonds: II. Microstructural evolution during annealing
Shen et al. Spatiotemporal mapping of microscopic strains and defects to reveal Li-dendrite-induced failure in all-solid-state batteries
Yang et al. Atomic locations of minor dopants and their roles in the stabilization of η-C u 6 S n 5
Chen et al. In situ measurement of electromigration-induced transient stress in Pb-free Sn–Cu solder joints by synchrotron radiation based x-ray polychromatic microdiffraction
Gomes Perini et al. Developments on a SEM-based X-ray tomography system: Stabilization scheme and performance evaluation
Michael et al. Focused ion beam preparation of low melting point metals: Lessons learned from indium
Elmer et al. Synchrotron radiation microtomography for large area 3D imaging of multilevel microelectronic packages
Nakano et al. Improvement of Detection Limits for Particle Contamination by Confocal Configuration in X-Ray Fluorescence Microscope
Willing et al. Synthesis and structural analysis of intermetallic compounds in electrical connections
Fraczkiewicz et al. 3D high resolution imaging for microelectronics: A multi-technique survey on copper pillars
Cundy et al. Microanalysis of Al+ 4 wt.% Cu by combined electron microscopy and energy analysis
Nogita et al. Synchrotron micro-XRF measurements of trace element distributions in BGA type solders and solder joints
Bertucci et al. Defect detection inside superconducting 1.3 GHz cavities by means of x-ray fluorescence spectroscopy
Darbandi Crystal plasticity finite element analysis of deformation behaviour in SAC305 solder joint
CN102455306A (zh) 对半导体器件结构的焊垫进行俄歇分析的方法
Marković et al. Thermal, structural and electrical properties of some bi-cu-ni alloys
Lee Electron backscatter diffraction study for advanced semiconductor interconnect materials analysis

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant