접착제를 채용한 마찰교반점접합 접합부 특성 평가 ·52

Table. 3.10 Surface of Al/CFRP joints with dwell time 삽입유지시간

(sec) 접합부 표면 접합부 측면

15

20

25

Table. 3.11 Surface of Al/CFRP joints with plunge depth 삽입깊이

(mm) 접합부 표면 접합부 측면

0.2

0.3

0.4

나. 인장-전단강도 및 파단면 특성

본 연구에서 마찰교반점접합 단독과 다르게 접착제를 채용한 마찰교반점접합에 서는 회전속도(400 rpm), 삽입깊이(0.2, 0.3, 0.4mm), 삽입유지시간(15, 20, 25s) 을 변화하여 전단시험 및 파단면을 분석하였다. 또한, 각 공정에 따른 인장-전단강도는 Table. 3.12에 나타내었다.

Table. 3.12 Tensile shear strength of various condition with adhesive 접착제 유

회전속도 (rpm)

삽입깊이 (mm)

삽입유지시간(sec)

15 20 25

400

0.2 6.1 6.0 6.4

0.3 6.1 6.12 6.2

0.4 5.6 5.9 5.9

(1) 삽입유지시간에 따른 인장-전단강도 및 파단면 특성 평가

접착제를 채용한 마찰교반점접합의 삽입유지시간에 따른 Al/CFRP 인장-전단강도 및 파단면 특성평가를 보면, 인장-전단강도는 삽입깊이 0.2mm의 조건을 제외하고 는 삽입유지시간이 증가할수록 인장-전단강도가 증가함을 확인할 수 있었다. 삽입 유지시간에 따른 각 최대 인장-전단강도는 15sec일 때 6.1kN이며 20, 25sec 일 때 는 각각 6.12kN, 6.4kN으로 점차 상승됨을 확인하였으며 25sec 조건에서 가장 높 은 인장-전단강도를 확인할 수 있었다.

Fig. 3.8 Tensile shear strength of adopted adhesive with dwell time

Table. 3.13 Fracture interface after tensile shear test with dwell time 삽입유지시간(sec)

15 20 25

Al5052 CFRP Al5052 CFRP Al5052 CFRP

Table. 3.13에 나타났듯이 삽입유지시간이 증가할수록 Al표면에 남아있는 CFRP 수지와 접착제의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 삽입유지시간이 증가할수 록 상대적으로 긴 시간동안 CFRP의 수지와 접착제가 유동할 수 있는 시간과 열이 높아져 인장-전단강도가 증가한 것으로 사료된다.

(2) 삽입깊이에 따른 인장-전단강도 및 파단면 특성 평가

삽입깊이에 따른 인장-전단강도 및 파단면 분석결과, Table. 3.14, Fig. 3.9 을 비교해보면 삽입깊이가 증가할수록 과도한 유동이 발생한 것을 알 수 있었으며 과 도한 유동이 발생할수록 인장-전단강도가 저하되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 파단면은 점차적으로 Al표면에 남아있는 CFRP의 수지와 접착제가 감소하는 비례적 인 현상을 확인하였다. 이는 높아진 입열량과 가압으로 인하여 앵커효과를 일으키 지 못하고 가압하지 않은 접합계면사이로 넘쳐서 인장-전단강도에 영향을 미친 것 으로 사료된다.

Fig. 3.9 Tensile shear strength of adopted adhesive with plunge depth

Table. 3.14 Fracture interface after tensile shear test with plunge depth 삽입깊이(mm)

0.2 0.3 0.4

Al5052 CFRP Al5052 CFRP Al5052 CFRP

다. 금속학적 특성 평가

마찰교반점접합 단독, 접착제를 채용한 마찰교반점접합에서 접합부가 아닌 접합 부 주위에서 잔존하는 CFRP 수지와 접착제가 접합강도에 미친다고 사료했다. 이러 한 현상을 규명하기 위해 접착제를 채용한 마찰교반점접합 파단면 두 조건을 선정 하여 SEM-EDS를 이용하여 성분 분석을 진행하였다.

Al/CFRP의 접합에서는 분자간의 화학적 결합인 van der waals 결합으로 인해 접 합력이 증가한다고 알려져 있다. Al/CFRP간에 생기는 화합물로는 Al2O3, MgO, Al(OH)3 가 대표적으로 발생한다. 이 중 Al2O3,Al(OH)3 는 FSJ 공정과정 중 환원되 어 결국 MgO만이 Al/CFRP간의 접합강도에 영향을 미친다.[18-20]

본 연구에서는 이러한 분자간의 화학적 결합에 의한 van der waals결합을 규명 하기 위해 회전속도 400rpm, 삽입깊이 0.4mm, 삽입유지시간 15s 파단면과 회전속 도 400rpm, 삽입깊이 0.2mm, 삽입유지시간 25s 파단면을 성분 분석하여 MgO 생성 량과 접합강도를 비교, 평가하였다.

Fig. 3.10의 (a)와 (b)를 확인해본 결과, MgO의 생성량이 0.22에서 0.49로 상승 하였다. Fig. 3.11 의 경우에도 (a)와(b)를 비교하면 MgO 생성량이 0.77에서 2.92 로 크게 상승된 것을 확인할 수 있었다. 실질적으로 접합강도와 비교하여도 Fig.

3.11보다 Fig. 3.11에서 MgO 생성량이 큰 Fig. 3.11의 인장-전단강도가 크게 증가 함을 확인할 수 있었다.

본 연구에서 SEM-EDS 분석을 통하여 접합강도는 접합부가 아닌 접합부주위에서 영향을 미친다는 것과 MgO의 생성량이 Al/CFRP간의 접합력에 큰 영향을 미친다는

(a) (b)

Fig. 3.10 Locations of EDS point analysis and scanning electron image and chemical compositions of fracture specimen

Table. 3.15 Chemical compositions of elements in EDS analysis of (a)

Element Weight% Atomic% Compd% Formula

C K 25.80 32.00 94.53 CO2

Mg K 0.13 0.08 0.22 MgO

Al K 2.77 1.53 5.22 Al2O3

Zn L 0.02 0.00 0.03 ZnO

O 71.28 66.38

Totals 100 100

Table. 3.16 Chemical compositions of elements in EDS analysis of (b)

Element Weight% Atomic% Compd% Formula

C K 22.05 28.46 80.77 CO2

Mg K 0.29 0.19 0.49 MgO

Al K 9.92 5.70 18.74 Al2O3

O 67.74 65.65

Totals 100 100

(a) (b)

Fig. 3.11 Locations of EDS point analysis and scanning electron image and chemical compositions of fracture specimen

Table. 3.17 Chemical compositions of elements in EDS analysis of (a)

Element Weight% Atomic% Compd% Formula

C K 18.99 25.35 69.57 CO2

Mg K 0.46 0.30 0.77 MgO

Al K 15.70 9.33 29.67 Al2O3

O 64.85 65.01

Totals 100 100

Table. 3.18 Chemical compositions of elements in EDS analysis of (b)

Element Weight% Atomic% Compd% Formula

C K 22.32 28.72 81.77 CO2

Mg K 1.76 1.12 2.92 MgO

Al K 8.11 4.64 15.32 Al2O3

O 67.82 65.52

Totals 100 100

3.1.3 접착제 유무에 따른 마찰교반점접합 특성 비교 평가

Fig. 3.12과 Table. 3.19는 각 공정별 최적조건에서의 인장-전단강도와 파단면을 나타내었다. 마찰교반점용접시 3.28kN에서 접착제를 채용한 마찰교반점접합을 할 때 6.42kN로 약 2배 이상 상승됨을 확인하였다. 또한, epoxy adhesive 단독에서는 6.09kN에서 6.42kN으로 소폭 상승됨을 확인하였다.

파단면의 형상을 확인해 보면 3가지 공정모두 접착계면파단, 접착내부파단이 혼 합적으로 나타나는 혼합파괴(Mixed failure)가 나타났으며, 혼합파괴의 면적이 증 가할수록 인장-전단강도가 증가함을 확인하였다. 또한, epoxy adhesive 단독 대비 상승된 인장-전단강도를 확보하였으나 더 나은 접착제를 채용한 마찰교반점접합의 적합성평가를 위해선 인장-전단강도 외의 기계적 특성평가가 필요하다고 사료된다.

Fig. 3.12 Tensile strength test according to different process

Table. 3.19 Fracture interface after tensile-shear test according to different process

FSJ 접착제 채용 FSJ epoxy adhesive

3.2 표면조도에 따른 마찰교반점접합 특성

접착제를 채용한 마찰교반점접합(400rpm, 0.2mm, 25sec) 조건을 선정하여 표면 조도에 따른 Al/CFRP 접합부 특성평가를 실시하였다. Fig.3.14는 광학현미경 (Optical microscope)을 이용하여 각 표면조도의 유무에 따른 현상을 나타내었다.

일반적으로 CFRP에 버블이 생성되어 알루미늄표면 조도부분에 앵커링효과 (Anchoring effect)를 확인하였다.[13]

또한, 표면조도에 따른 인장-전단강도를 확인해 보면, 각 5.58kN, 5.65kN, 6.42kN이 측정되었다. 이는 Fig. 3.14에서의 (b)와 (c)를 비교해 보면 (b)에서는 크게 Interlocking되는 부분을 제외하고 비교적 매끈한 표면이 형성되었으며, (c)는 주위 표면 또한 작은 Interlocking되는 부분을 확인할 수 있었다. CFRP에 버블이 생성 되어 버블이 용융된 수지를 Al표면의 밀어 Interlocking 효과가 Al/CFRP간의 접합 향상에 영향을 미치는 것으로 알 수 있었다.

Fig. 3.13 Tensile shear strength depending on the existence of surface roughness

(a) Without roughness

(b) Surface roughness 3㎛

(c) Surface roughness 5㎛

Fig. 3.14 Cross section of Al/CFRP joint depending on the existence of

제 4 장 결 론

본 연구에서는 차량경량화를 위한 경량소재인 Al/CFRP을 채용하여 마찰교반점접 합을 실시하였다. 기본적으로 Al/CFRP간의 접합력 향상을 위해 5 표면조도를 부여하고 Al/CFRP간의 접합력을 파악하기 위해 마찰교반점접합, 접착제를 채용한 마찰교반점접합 세 가지 공법과 공정조건(회전속도, 삽입깊이, 삽입유지시간)을 고 려하여 기계적, 금속학적 특성을 비교/평가하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었 다.

1) 마찰교반점접합 단독 시, 400rpm 이상에서 CFRP 용융된 수지가 알루미늄을 덮 는 현상이 발생하였고 500rpm 이상에서는 CFRP의 수지가 갈변이 되었다. 적절 한 유동과 갈변되지 않은 수지가 강도에 영향을 미치는 것을 알 수 있었으며, 최대 인장-전단강도는 3.3kN(400rpm, 25s, 0.3mm)을 확보하였다.

2) 접착제를 채용한 마찰교반점접합 시, 접합부가 아닌 접합부 주위의 잔존하는 CFRP수지와 접착제에 의해 접합강도가 상승됨을 확인하였다. 또한, 금속학적 특성을 통해 Interlocking 효과와 MgO에 의한 분자결합이 접합강도에 영향이 있는 것을 확인하였으며, 접착제 단독 최대 인장-전단강도인 6.1kN보다 높은 6.42kN(400rpm, 25s, 0.2mm)에서 확보하였다.

3) Al/CFRP 접합부의 열전도 수치해석을 실시하여 온도분포 특성을 고찰한 결과 CFRP는 Forming temperature(280 ~ 300℃)가 가장 적절하며, 공정시간을 짧게 가져가는 것이 건전한 접합부를 얻을 수 있었다.

4) 표면조도에 따른 Al/CFRP간의 접합력을 고찰한 결과, 조도를 부여하면 확실한 Interlocking 효과를 얻을 수 있으나 5㎛이상에서부터 Interlocking 효과가 증대되어 인장-전단강도에 미치는 영향을 확인하였다.

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