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툴의 삽입유지시간에 따른 영향

3.1 공정변수에 따른 용접부 특성

3.1.2 툴의 삽입유지시간에 따른 영향

Table. 2.1 Bead profiles of Al-CFRP joints with dwell time

Dwell time Bead apperance Cross appearance

10 s

top

bottom

15 s

top

bottom

20 s

top

bottom

(2) 용접부 단면 특성

마크로 촬영 결과, 삽입유지시간(10, 15, 20 s)이 증가할수록 Al-CFRP 계면의 결합부가 감소하는 경향을 Table 2.2에 나타내었다. 삽입유지시간이 증가할수록, 툴이 삽입된 교반부 (A),(B) 뿐만 아니라 툴 끝단부에서도 과도한 입열량에 의해 버블과 균열이 형성되는 것을 확인하였다. 특히 삽입유지시간 20 s조건에서는 외 관 관찰처럼 과도한 입열량에 의해 용접계면의 CFRP가 변형된 것으로 사료된다.

외관 관찰과 동일하게 툴 삽입유지시간이 증가할수록 입열량 또한 증가하여 계 면의 CFRP를 변형시키고 결합부를 파손시킨 것으로 사료된다.

Table. 2.2 Cross section of Al-CFRP joints with dwell time (A)

Dwell time Cross Section

10 s

15 s

20 s

또한, 삽입유지시간(10 , 15, 20 s)이 증가함에 따라 계면에 미치는 영향을 세 밀히 분석하기 위해 용접부의 툴 교반부, 툴 끝단부, 모재부등을 중심으로 마이크 로 및 SEM 단면을 촬영하여 Table. 2.3 에 나타내었다. 삽입유지시간이 10 s 인 조건에서는 용접부 대부분 계면에서 Interlocking 결합을 확인했다. 이후 15 s과 20 s 조건에서 삽입유지시간이 지날수록 용접부의 모든 계면에서 미세균열 형성되 고 그 틈의 크기가 증가하였다. 이는 삽입유지시간이 증가할수록, 증가하는 입열 량에 의해 결합된 CFRP 수지가 변형되어 미세균열과 틈이 형성되는 것으로 사료된 다.

Table. 2.3 Cross Section of Al-CFRP joints with dwell time (B)

Dwell time

Joining Interface

A: Nugget Zone B: Tool Edge C: Base metal

10 s

15 s

20 s

(3) 용접부 온도 및 인장 전단강도

툴의 삽입유지시간 조건별(10, 15, 20 s)로 인장 전단강도 시험 및 파단된 시험 편을 Fig. 2.6에 표시했으며. 또한 온도 측정하여, 삽입유지시간에 따른 용접부의 온도이력 곡선을 Fig. 2.7에 나타내었다.

측정 결과 삽입유지시간이 증가할수록, 인장 전단강도가 감소하였다. 삽입유지 시간 10 s 조건에서는 약 2.9 kN으로 실험 중 가장 높은 인장 전단강도를 확보하 였지만, 삽입유지시간 15 s 조건과 20 s 의 평균 인장강도 값은 약 2.6 kN 과 약 2.2 kN으로 삽입유지시간이 증가할수록 감소하였다. 또한 Al 파단면 관찰 결과, 삽입유지시간이 증가할수록 툴 회전으로 인해 교반부 중심으로 응고된 CFRP 수지 를 확인하였다. 삽입유지시간 10 s에는 용접부 전체가 균일하게 접합되고 파단면 에 응고된 CFRP를 확인하였지만, 삽입유지시간이 증가할수록 CFRP가 용융되고 교 반부 중심으로 접합되는 것을 확인하였다. 이는 삽입유지시간이 증가할수록 용접 부 온도가 증가하기 때문에, CFRP가 변형되고 열이 발생하는 교반부 중심으로 접 합되어 인장 전단강도 감소에 영향을 준 것으로 사료된다.

온도를 측정하여, 삽입유지시간이 증가할수록 용접부의 최대온도가 상승함을 확 인하였다. 삽입유지시간 10 s에서는 최대 온도가 약 209℃로 측정되었으며, 15 s 에서는 약 239℃, 20 s에서는 약 276℃로 증가하였다. 삽입유지시간이 증가할수록 최대온도가 증가함을 확인하였으며, 이 때문에 CFRP가 변형되고 교반부 중심으로 접합되어 인장 전단강도 감소한 것에 영향을 준 것으로 판단된다. 따라서 삽입유 지시간 변수 중 가장 낮은 온도 조건인 10 s 에서는 본 연구내 최대 인장 전단강 도인 약 3.1 kN을 확보하였다.

용접부 온도에 따른 기계적 특성을 고찰한 결과, 최대 온도가 209℃에서 276℃

로 증가할수록, CFRP 변형과 툴 교반부 중심으로 접합되어, 인장 전단강도가 약 2.9 kN에서 약 2.2 kN으로 감소하는 데 미치는 영향을 확인하였다.

Fig. 2.6 Comparison of tensile shear strength (a) and fractured surface with different dwell time (b), (c) and (d)

Fig. 2.7 Thermal history of Al side in joints with dwell time

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