(1) 용접부 외관 특성
최대 인장 전단강도 약 3.1 kN를 확보한 공정변수(삽입깊이 0.3 mm, 삽입유지시 간 10 s, 회전속도 500 rpm) 시험편을 중성염수분무 환경시험에 120시간, 240시간 노출시켜 용접부의 내·부식성 등 용접부의 신뢰성을 고찰하고자 하였다.
염수환경에 노출된 시험편의 인장측정을 위해 KS D 9502: 2019 규격대로 흐르는 물에 염수 제거 중 120시간, 240시간 모두 파단되었다. 파단면 관찰 결과, 염수에 노출된 Al 표면이 모두 부식되었다. 특히 툴 삽입으로 인해 산화막이 제거된 Al측 교반부와 Interlocking 효과 증대를 위해 거칠기를 부여한 계면 중심으로 부식이 침투되었다.
또한 표면관찰(Table. 2.8)을 통해, Al측 상부 표면은 시험기계에 의해 염수가 Al표면에 분무되어 부식산화층이 형성되고, 계면의 염수노출은 CFRP측으로 흡수된 염수가 계면에 지속적으로 노출되면서 Al측 계면에 부식이 형성됨을 확인하였다.
특히 노출시간이 경과할수록, 산화막이 제거된 Al측의 부식 침투 정도와 CFRP에 남아있는 염분의 양이 증가함을 확인하였다. 염수환경시 CFRP에 흡습되었던 염수 들이 용접부 계면으로 방출되고 산화막이 제거된 Al 모재와 반응하여 부식이 형성 되고 파단에 영향을 준 것으로 판단된다.
Table. 2.7 Bead profiles of Al-CFRP joints with salt spray test time
Test time Bead apperance Fractured Surface
0 h
top
bottom
120 h
top
bottom
240 h
top
bottom
(2) 용접부 부식 특성
염수노출에 따른 용접부의 염수노출과 부식 침투를 분석하기 위해, 노출시간별 로 감량 측정법과 단면 관찰을 실시하였다. 감량 측정시 결과와 단면관찰 결과는 각각 Table. 2.9과 Table. 3.1에 나타내었다.
감량측정법을 통해 Al 표면의 부식산화물을 제거한 결과, 노출시간 120 h에서는 Al 표면에 형성된 부식산화물의 무게는 약 0.11g로 Al 상판 무게의 약 1.7 %가 부 식됨을 확인하였으며, 노출 240시간에서는 표면의 부식산화층 무게가 Al 소재 무 게 대비 약 0.64%(0.06g)으로 감소하였다. 이는 염수노출시간이 증가할수록, 부식 이 모재쪽으로 침투하여, 표면에 형성된 부식산화물이 감소한 것으로 사료된다.
위의 부식침투 과정을 세밀히 분석하기 위해, 염수환경 노출시간별로 단면을 관 찰하였다. 특히 부식이 현저하게 진행할 것으로 사료되는 Al 산화막이 제거된 Al 상판의 교반부와, 계면 중심으로 단면을 촬영하였다.
관찰결과, 노출시간 120 h의 표면에 부식산화층이 약 11 ~ 29 ㎛ 크기로 형성되 었다. 특히 240시간에서는 부식이 계면의 Interlocking 결합부 중심으로 침투하였 다. 또한 침투한 부식의 크기가 약 59 ~ 74 ㎛로 크게 증가하였으며, 형태 또한 미세한 균열로 확인하였다. 따라서 염수에 노출된 계면의 Al측으로 부식이 침투하 여 염수제거 시 계면파단에 영향을 준 것으로 사료된다.
Table. 2.8 Comparsion of percentage weight loss and corrosion rate
Test time
Corrosion Oxide Removal (g)
Tolerance Before After
120 h
No.1 9.35 9.22 0.13
No.2 9.40 9.31 0.09
평균 9.37 9.26 0.11
240 h
No.3 9.42 9.36 0.06
No.4 9.38 9.32 0.06
평균 9.4 9.34 0.06
Table. 2.9 Cross section of Al joints with salt spray test time
Test time
Al interface
A: Nugget Zone B: Tool Edge C: Base metal
120 h
240 h
제 4 장 결 론
본 연구는 Al-CFRP 마찰교반점용접부의 공정변수에 따른 계면 변화와 인장 전단 강도 등 용접부의 기계적·금속학적 특성을 고찰하였으며, 염수 노출시간에 따른 부식의 침투와 용접부에 미치는 영향에 대해 다음과 같이 결론을 도출하였다.
1) 툴 삽입깊이가 0.2 mm에서 0.3 mm 증가할수록, 가압력이 증가하여 CFRP에 팽 창하는 버블과 균열을 억제하고, 결합부 면적 증가를 시켜 인장 전단강도가 약 1.2 kN에서 2.6 kN으로 증가하였다.
2) 툴의 삽입유지시간(10, 15, 20 s)이 증가할수록, 입열량이 증가하고, 최대 온 도가 209℃에서 274℃ 확인되어 계면의 균열이 형성되고 그 틈이 증가하였다.
이로 인해 최저 입열조건인 10 s에서 최대 인장 전단강도 3.1 kN 확보하였으 며, 20 s에서는 인장 전단강도가 약 0.7 kN 감소한 것으로 사료된다.
3) 회전속도(400, 500, 600 rpm)별로 고찰한 결과, 회전속도가 증가할수록 결합 면적이 증가하여 인장 전단강도에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 400 rpm 는 면적이 작아 인강강도 1.9 kN를 측정했으며, 과입열 조건인 600 rpm는 일 부 CFRP가 변형되었지만 대부분이 결합되어 인장 전단강도 약 2.5 kN을 확보 하였다.
4) 최대 전단 인장 전단강도의 계면을 성분분석하여, 툴 교반 및 CFRP 확산에 의 해 접합됨을 확인하였으며, Al의 Mg과 CFRP 탄소섬유의 O성분이 Interlcoking 효과에 의해 MgO 화합물을 형성하고 전단 인장 전단강도에 미치는 영향을 확 인하였다.
5) 용접부를 염수환경에 노출시킨 120시간에서는 산화막이 제거된 Al 상판의 비 드와 계면의 표면으로 부식이 형성되고, 노출이 240시간이 됨에 따라 부식이 균열 형태로 침투하여 파단에 미치는 영향을 확인하였다.
참고문헌
[1] 하태원, 자동차용 강판 개발 동향 및 전망, 산업기술리서치센터, 2018, pp18-22
[2] 최성배, 김상우, 정선경, 자동차 경량화 기술동향과 개발전략, 한국과학기술정보 연구원, 2013, pp8-13
[3] 임석원. 자동차 경량화 기술 , 열처리공학회지, 2016, Vol.26, No.3, pp132-137 [4] 김영민, 김희국, 경량자동차용 이종소재 접합기술 개발 동향, 한국산업기술평 가관리원, 2017
[5] 모세준, 자동차 경량소재 개발 동향 및 완성차업체 대응, 한국항공우주연구 원, 2013, pp41-52
[6] 방한서, 방희선, 전근홍, Hybrid 마찰교반접합기술에 관한 최근 연구, 대한용 접·접합학회지, 2010, Vol.28, No.5, pp35-37
[7] 이동원, 최현규, 이상기. 차량경량화에 따른 경량금속 기술 동향, 한국과학기술 정보연구원, 2012, Vol.14, pp1-21
[8] 김형욱, 이윤수, 김민석, 임차용, 자동차 차체경량화 및 차체용 알루미늄 합 금판재의 개발동향, 대한용접·접합학회, 2015, Vol.26, No.2, pp6-16
[9] 2018년 탄소섬유 및 탄소섬유 가공소재 산업경쟁력 조사, 무역위원회, 2018 [10] The Road Ahead-Automotive Materials, Ducker Worldwide, 2016, pp6-37 [11] 김환태, 길상철, 자동차 경량화를 위한 알루미늄 합금의 강변형 가공 및 고 능률 용접기술에 관한 동향, 2016, Vol.34, No.4, pp62-66
[12] 김영식, 마찰교반 점용접(FSSW)을 이용한 비철금속 접합기술의 연구 동향과 전망, 대한용접·접합학회, 2012, Vol.33, No.3, pp4-14
[13] 탄소섬유 복합소재 시장 동향, 연구성과실용화진흥원, 2016, Vol.38, pp1-18 [14] 김용, 방희선, 용접공정을 이용한 CFRP와 금속의 접합기술 동향, 대한용접·접 합학회, 2018, Vol.36, No.5, pp27-38
[15] S.M. Goushegir, J.F dos Santos, S.T. Amancio-Filho, Influence of process parameters on mechanical performance and bonding area of AA2024/Carbon-fibe
r-reinforced poly(phenylene sulfide) friction spot single lap joints, Materials &
Desgign, 2015, Vol.83, pp431-442
[16] Natalia M. Andre, Seyed M. Goushegir, Jorge F. dos Santos, Leonardo B. Canto, Sergio T.
Amancio-Filho, Friction Spot Joining of aluminum alloy 2024-T3 andcarbon-fiber-reinforced poly(phenylene sulfide) laminate with additional PPS film interlayer: Microstructure, mechanical strength and failure mechanisms, Composites Part B, 2016, Vol.94, pp197-208
[17] Frank Balle, Stefan Huxhold, Guntram Wagner, Dietmar Eifler, Damage Monitoring of Ultrasonically Welded Aluminum/CFRP-Joints by Electrical Resistance Measurements, Procedia Engineering, 2011, Vol.10, pp433-438
[18] Seiji Katayama and Yousuke Kawahito, Laser direct joining of metal and plastic, Scripta Materialia, 2008, Vol.59, pp1247-1250
[19] Seiji Katayama, Yousuke Kawahito, Masami Mizutani, Latest progress in performance and understanding of laser welding, Physics Procedia, 2012, Vol.39, pp8-16
[20] Junying Min, Yongqiang Li, Jingjing Li, Blair E. Carlson, Jianping Lin,
Friction stir blind riveting of carbon fiber-reinforced polymer composite and aluminum alloy sheets, Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, Vol.76, pp1403-1410
[21] Sri Lathabai, Vinay Tyagi, David Ritchie, Trevor Kearney and Barrie Finnin, Friction Stir Blind Riveting: A Novel Joining Process for Automotive Light Alloys, SAE International Journal of Materials and Manufacturing, 2011, Vol.4, No.1, pp589-601
[22] Zhang Changqing, Wang Xijing, Li Boqiang, A Technological Study on Friction Stir Blind Rivet Jointing of AZ31B Magnesium Alloys and High-Strength DP600 steel, Advanced Materials Research, 2011, Vol.183-185,
pp1616-1620