실험장비 및 조건

(1) 실험장비

본 연구에서 이종재 알루미늄 합금 Al5052-H32와 CFRP의 마찰교반점용접을

‘WINXEN의 Friction Stir Welding System’장비를 통해 수행했다. X, Y, Z축 방 향으로 0.5 ~ 10 mm/sec 속도로 테이블 및 축의 이동이 가능하며, Z축은 300 ~ 3000 rpm 회전속도 및 최대 가압 하중은 3000 kgf 가할 수 있다. 본 연구의 실험 장비시스템 사진 및 장비 사양은 Table. 1.3과 같다.

마찰교반점용접 시 재료 및 결합 메커니즘에 따라, 툴 형상과 핀 유무, 재질 등 을 고려해야 한다. 본 연구 소재인 Al5052-H32와 CFRP(PA66)처럼 금속과 플라스틱 복합재간의 결합 메커니즘은 금속소재의 입열을 통해 CFRP측 버블을 팽창시키고, 팽창된 버블 압력으로 CFRP 수지와 Al의 산화막이 결합하고 Interlocking 효과로 강도확보가 가능하다고 알려져 있다. 본 연구는 이러한 메커니즘을 구현하고, 결 함의 원인이 되는 계면측 버블과 균열을 억제하여 용접부의 강도 및 품질을 확보 하고자 하였다.

따라서 본 연구는 균일한 입열과 가압력 부여를 위한 핀이 없는 형상의 툴을 Fig. 2.2과 같이 선정하였으며, Interlcoking 결합을 증대시키기 위해 Fig. 2.3과 같이 거칠기를 Al 시험편에 부여하였다.

Fig. 2.2 Friction stir welding machine & tool

Table. 1.3 Specifications of friction stir welding system

Items Range

Type Gantry Type

Welding Speed

X-axis 0.5 ~ 10 mm/sec Y-axis 0.5 ~ 10 mm/sec Z-axis 0.5 ~ 10 mm/sec R-axis 1 ~ 20 rpm Rotation 300 ~ 3000 rpm LOAD Capacity Max. 3000 kgf

Fig. 2.3 Surface roughness measuring point

(2) 실험조건

마찰교반점용접(FSJ)는 툴의 삽입깊이, 삽입유지시간, 회전속도 등이 주요 공정 변수이다. 이종재 Al5052-H32와 CFRP-PA66간 마찰교반점용접 적용시 공정변수별로 용접부에 미치는 영향을 분석하기 위해서 툴의 삽입깊이, 삽입유지시간, 회전속도 변화에 따른 실험 Table. 1.4와 같이 실시하였다.

툴의 삽입깊이에 따른 용접부 영향을 분석 후 삽입유지시간을 변화시켜 실험을 실시하였으며, 마지막으로 회전속도 별로 결과를 비교하였다. 각 단계별로 용접부 외관과 계면 및 단면의 특성을 고찰 후, 인장 전단시험을 통해 강도 값과 파단면 을 관찰하였다. 또한 입열량에 따른 용접부의 기계적 특성을 고찰하기 위해 입열 량을 측정하여 위의 결과들과 비교·분석하였다.

실험 전 시편에 Wet grinding 방법을 사용하여 표면거칠기를 부여 하였다. 이는 계면의 CFRP 면적을 증가시켜 Interlocking 효과를 증가하고자 하였으며, 측정기 를 이용해 평균 거칠기를 Ra = 5.0 ㎛로 측정 후 실험을 진행하였다.

Table. 1.4 Welding conditions of friction spot joining

표면 거칠기 Ra = 5.0 ㎛

공정 조건 삽입깊이

(mm)

삽입유지시간 (s)

회전속도 (rpm) 삽입깊이에

따른 조건

0.2

15 500

0.3 0.4 삽입유지시간에

따른 조건 0.3

10

500 15

20 회전속도에

따른 조건 0.3 10

400 500 600