용접잔류응력 및 변형 특성

Fig 3.15 Residual stress distribution toward longitudinal direction

시험편의 종방향 잔류응력 분포를 확인한 결과 알루미늄 시험편과 CFRP의 접합 시단부에서 잔류응력이 크게 감소하는 경향을 보였으며 CFRP측 접합면에서는 잔류 응력이 크게 증가하는 것을 확인하였다. 이는 알루미늄과 CFRP의 기본 물성치의 차이에 의한 현상으로 예상된다.

Fig 3.16 Residual stress distribution of Aluminum plate

상부 시험편인 알루미늄의 잔류응력을 분석한 결과 206㎫임을 확인 하였다. 실 험 과정에서 매번 높은 입열로 인해 알루미늄 시험편에 큰 변형이 발생하였고 이 를 조절하는 것이 접합부의 강도 증가에 직접적인 원인이 될 것이라고 판단하였었 다. 따라서, 이러한 높은 해석 결과가 나온 이유로는 접합 과정에서 과도한 열의 발생하였고 이로 인해 알루미늄 시험편이 소성 변형을 일으켜 그로 인해 내부의 잔류 응력 값이 크게 관찰되었다고 판단된다.

4장 결론

본 연구에서는 차체 경량화에 적용되는 가장 대표적인 알루미늄 합금 5052 소재 와 첨단 소재인 CFRP를 사용할 때, 마찰교반법합을 실시하는 과정에서 툴의 핀 유 무가 접합부에 미치는 영향에 대해서 실험을 수행하였다. 툴의 회전속도, 삽입깊 이, 이송속도, Al합금 표면의 거칠기에 따라 조건별로 기계적인 특성과 금속학적 인 특성을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) Frustum type의 핀을 가진 툴을 사용하여 이종 Al합금/CFRP의 마찰교반접합 을 시도하였을 때, 핀 진행부 주위로 Tunneling defect가 관찰되었다. 이는 불충분한 입열과 소성유동으로 인해 발생하는 것으로 접합부 강도에 치명적 이며, 마찰열을 이용한 열전도 접합의 특성상 CFRP 소재가 Al합금과 교반이 이루어지지 않아 형성됨을 알 수 있었다.

2) Pinless type의 툴을 사용하여 Al/Al합금 동종 마찰교반접합을 시도하여 얻 어낸 최적조건을 Al합금/CFRP 이종 마찰교반접합을 시도하였으나, CFRP의 열 전도율이 Al합금과 비교하여 낮기 때문에 동종 접합과 비교하여 상부 Al판재 의 열변형이 크게 발생하였다. 변형으로 인한 소재의 파단을 줄이기 위해 입 열을 낮추기 위한 새로운 조건을 도출하였으며, 이송속도가 0.6 mm/sec까지 상승시켰을 때 Al합금 판재의 파단을 없앨 수 있었다.

3) 접합부 계면을 관찰하기 위해 시편을 cutting하는 중 접합면에서 파단이 발 생하였고 접합 조건 툴 회전속도 400 rpm, 이송속도 1.0 mm/sec, 삽입깊이 0.2 mm 조건의 접합시편의 단면을 확보하였으며, 단면 관찰결과 부분적인 접 합이 이루어졌음을 확인할 수 있었으나, 다소 많은 면적에서 미접합부가 관 찰되어 뛰어난 접합이 이루어지지 않았음을 알 수 있었다.

4) Al합금 표면 거칠기에 따른 접합성의 평가 및 관찰을 위해 Sand blast와 그 라인드 블러싱, Wet grinding 방법 세가지를 시도하여 가장 적합하다고 판단 된 Wet grinding방법을 사용하여 Al합금 표면에 평균 3.0 Ra의 거칠기를 부 여하여, 앞서 도출된 최적조건 툴 회전속도 400 rpm, 이송속도 1.0 mm/sec, 삽입깊이 0.2 mm으로 실험을 실시하여 전단인장강도 시험을 수행하였다. 그 결과 강도시험을 위한 고정작업에서 파단이 발생한 거칠기 0 Ra시편과 달리, 거칠기 3.0 Ra 시편의 경우 최대전단인장강도는 2 kN, 7.6MPa로 나타났으며 접합면에서 파단이 발생하였다. SEM-EDS를 이용한 Area 분석을 통해 파면의 Al합금과 C의 화학적 성분 분포를 확인한 결과 각각 36.18%와 63.82%로 나타 났다. 이를 통해 접합면을 따라 파단이 일어났지만 부분적으로는 Al합금과 CFRP 모재에서 파단이 발생한 것을 확인하였다.

5) 접합부의 미세조직 특성을 평가하기 위해 Al5052와 CFRP의 접합부 계면을 SEM-EDS를 이용하여 성분 분석을 진행하였다. CFRP, Al합금 모재와 접합계면 두곳을 포함 총 4점을 측정하였으며, 그 결과 접합 계면의 Al과 Mg, C의 분 포를 확인하였다. 성분 분석을 통해 접합 계면에서의 Al합금과 CFRP간의 결 합이 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

6) 수치해석을 통해 CFRP 깊이 방향으로의 열 영향부를 확인한 결과, CFRP 상

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