툴의 삽입깊이에 따른 영향

툴의 삽입깊이 최적 조건 도출을 위해서 회전속도는 500 rpm, 삽입유지시간은 15 s로 고정 후 삽입깊이를 0.2, 0.3, 0.4 mm로 0.1 mm씩 증가하여 실험을 진행하 였다. 실시 전 모든 시험편에 에머리페이퍼를 사용하여 표면 거칠기(Ra=5.0 ㎛) 부여하였다. 실험 후 각 조건별 용접부의 측면, 표면 등을 관찰하였으며, 인장 전 단강도 시험을 실시했다. 또한 파단된 시험편 및 단면 관찰을 통해 계면 특성을 고찰하였다. 특히 삽입깊이 증가로 인한 가압력 증가가 계면에 미치는 영향을 분 석하여, 계면의 버블과 균열 형태에 따른 인장 전단강도 관계를 규명하고자 하였 다.

(1) 용접부 외관 특성

관찰 결과, 툴 삽입깊이(0.2, 0.3, 0.4 mm)가 증가할수록, CFRP측수지가 툴의 마찰열에 의해 용융되었으며. 공정 중 적용되는 가압력에 의해 용융된 수지가 용 접부 측면으로 밀려난 것을 Table. 1.5에 나타내었다. 또한 상부의 삽입깊이가 0.4 mm일 때, Al 소재가 파손되고 과도한 입열량에 의해 CFRP 수지가 변형됨을 확 인하였다. 이외에 삽입깊이 0.2, 0.3 mm조건의 경우 삽입깊이가 증가할수록 비드

의 표면이 소폭 매끄러워지지만 큰 차이는 발견할 수 없었다.

이는 툴의 교반으로 형성되는 입열로 인해 CFRP의 버블이 팽창하고, 툴의 삽입 으로 인한 가압력 증가에 의해 Al계면과 CFRP가 결합된 것으로 사료된다. 하지만 툴 삽입깊이 0.4 mm는 과도한 가압력 인해 Al 상판이 파손되고, CFRP 수지가 과도 한 입열량에 의해 변형되어 품질확보가 어려운 조건임을 확인하였다.

Table. 1.5 Bead profiles of Al-CFRP joints with plunge depth

Plunge depth Bead appearance Cross appearance

0.2 mm

top

bottom

0.3 mm

top

bottom

0.4 mm

top

bottom

(2) 용접부 단면 특성

외관 관찰한 결과, 툴 삽입깊이(0.2, 0.3, 0.4 mm)가 증가할수록 입열량 및 가 압력 증가하여 CFRP수지의 확산이 증가하고, 과도한 삽입깊이인 0.4 mm 조건에서 는 과도한 가압력에 의해 Al 상판이 파손되었다. 따라서, 삽입깊이가 깊어질수록 증가하는 입열량과 가압력이 계면에 미치는 영향을 세밀히 고찰하고자 삽입깊이별 로 단면을 분석하였다.

OM 단면관찰 결과(Table. 1.6), 삽입깊이 0.2 mm 조건에서는 용접부 대부분이 결합되지 않았다. 또한 계면에서도 미세 균열이 확인되어 품질 확보가 어려운 조 건으로 판단된다. 이는 낮은 입열량으로 인해 CFRP 확산이 부족하여 대부분 용접 부가 결합되지 않았고, 또한 결합부에서도 툴 가압력 부족으로 팽창하는 버블과 균열을 충분히 억제하지 못한 것으로 사료된다.

삽입깊이 0.3 mm 조건의 OM 단면 결과는 Table. 1.7에 나타내었으며, 관찰 결과 툴이 삽입된 교반부과 모재부까지 대부분 Interlocking을 통해 결합되었다. 툴 교 반부 중앙인 (A), 툴 끝단부 (B), 툴이 교반되지 않은 (C)까지 툴의 삽입깊이 0.2 mm 조건보다 증가한 입열량 및 가압력에 의해 용접부 대부분을 Interlocking 결합 한 것으로 판단된다. 또한 모든 용접부에서 균일하게 버블이 팽창하여 파단에 영 향을 줄 수 있는 계면의 직접적인 균열이나 틈이 관찰되지 않았다.

삽입깊이 0.4 mm 단면 관찰 결과(Table. 1.8), 추가 삽입깊이로 인한 과도한 가 압력이 상판 Al측을 파손에 영향을 준 것으로 사료된다. 용융된 CFRP 수지가 Hook 형태로 체결되어 삽입깊이 0.3mm 조건보다 높은 평균 인장 전단강도 2.8 kN이 측 정되었지만, 소재 파손으로 인해 품질확보가 어려운 조건임을 확인하였다.

Table. 1.6 Cross section of Al-CFRP joints with plunge depth : 0.2 mm Interface

Image Nugget Zone Tool Edge Base Metal

Cross Section

Joining Interface

Bubble

Table. 1.7 Cross section of Al-CFRP joints with plunge depth : 0.3 mm Interface

Image Nugget Zone Tool Edge Base Metal

Cross Section

Joining Interface

Bubble

Table. 1.8 Cross section of Al-CFRP joints with plunge depth : 0.4 mm Interface

Image Nugget Zone Tool Edge Base Metal

Cross Section

Joining Interface

Bubble e0.00

품질확보가 가능한 조건(0.2, 0.3 mm)에서 삽입깊이가 깊어질수록, 증가하는 가 압력이 계면에 미치는 영향을 세밀히 분석하기 위해, FE 전자현미경으로 용접부의 중앙 계면을 촬영하여, Table. 1.9에 나타내었다.

관찰결과, 삽입깊이 0.2 mm 조건에서는 툴 교반으로 인한 마찰열에 의해 약 31

㎛ 크기의 버블이 관찰되었다. 그러나 삽입깊이 0.3 mm조건에서는 0.2 mm 조건보 다 가압력이 증하하여 버블의 최대 크기가 약 9㎛ 이내로 억제되었다. 또한 0.2 mm 조건에서는 툴 가압력 부족으로 인해 약 10㎛ 크기의 미세균열이 형성되었지 만, 0.3 mm조건에서는 약 5㎛ 이내로 현저히 억제된 것을 확인하였다.

따라서 툴 삽입깊이가 깊어질수록 가압력이 증가하여, 계면에 팽창하는 버블과 미세균열을 억제함을 확인하였다.

Table. 1.9 SEM image of Al-CFRP joints with plunge depth Plunge Depth

Image 0.2 mm 0.3 mm

Bubble

Crack

(3) 용접부 온도 및 인장 전단강도

최적조건 도출하기 위해 삽입깊이별로(0.2 , 0.3, 0.4 mm) 인장 전단강도 시험 을 실시한 결과는 Fig. 2.4에 나타내었으며, 입열량에 따른 용접부 특성을 고찰하 기 위해 측정한 용접부 온도 측정 결과는 Fig 2.5에 표시하였다.

시험결과, 삽입깊이가 증가할수록 용접부의 평균 인장 전단강도가 증가하였다.

삽입깊이 0.2 mm 조건에서는 평균 인장 전단강도가 약 1.4 kN이며, 삽입깊이 0.3 mm과 0.4 mm 인장 전단강도가 약 2.6 kN과 2.8 kN로 증가하였다. 또한 Al 측 파단 면에 응고된 CFRP 수지량을 관찰하여, 삽입깊이가 증가할수록 용접부의 접합 면적 이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 삽입깊이 0.2 mm 조건은 응고된 CFRP가 교반 부과 중심의 일부분에서만 관찰되었지만, 툴의 삽입깊이가 0.3 mm으로 증가시 응 고된 CFRP 면적이 크게 증가하였다. 따라서 삽입깊이가 깊어할수록 툴 가압력 증 가에 의해 용접부의 온도와 CFRP 확산이 증가하며, 접합면적이 증가를 통해 인장 전단강도 증가에 영향을 미친 것으로 사료된다.

이러한 온도에 따른 용접부 특성을 고찰하기 위해 삽입깊이별로 온도 측정한 결 과, 삽입깊이가 증가할수록 용접부의 최대온도가 상승하여 CFRP 확산 및 접합면적 증가에 미치는 영향을 확인 할 수 있었다. 삽입깊이 0.2 mm의 최대 온도는 약19 0℃ 측정되었으며, 삽입깊이 0.3 mm은 약 210℃, 0.4 mm에서는 약 247℃로 삽입깊 이가 깊어질수록 최대 온도가 증가하였다. 또한 삽입깊이가 0.2 mm에서 0.3 mm으 로 증가하는 경우 최대 온도 차가 약 20℃ 였지만, 0.3 mm 에서 0.4 mm로 증가 할 때의 최대온도 차는 약 37℃로 측정되었다. 이를 통해 삽입깊이 0.4 mm 조건은 타 조건대비, 과도한 가압력으로 때문에 온도가 급격히 증가하여 Al 소재 파단에 영 향을 준 것으로 사료된다.

따라서 용접부 최대 온도가 190℃에서 209℃로 증가할수록, CFRP 확산과 접합면 적이 증가하여, 인장 전단강도가 약 1.4 kN에서 약 2.6 kN으로 증가하는 데 미치 는 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig. 2.4 Comparison of tensile shear strength (a) and fractured surface with different plunge depth (b), (c) and (d)

Fig. 2.5 Thermal history of Al side in joints with plunge depth