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2020년 2월 석사학위 논문

마찰교반점용접을 이용한 Al-CFRP 용접부의 부식 특성

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

방 성 한

마찰교반점용접을 이용한 Al-CFRP 용접부의 부식 특성

Corrosion Properties of Al-CFRP Friciton Spot Welded Joints

2020년 2월 25일

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

방 성 한

마찰교반점용접을 이용한 Al-CFRP 용접부의 부식 특성

지도교수 방 희 선

이 논문을 공학 석사학위신청 논문으로 제출함

2019년 10월

조선대학교 대학원

용접·접합과학공학과

방 성 한

방성한의 석사학위논문을 인준함

위원장 조선대학교 특임교수 방한서 (인) 위 원 조선대학교 교수 방희선 (인) 위 원 조선대학교 조교수 손윤철 (인)

2019년 11월

조선대학교 대학원

CONTENTS

List of Figures · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅳ List of Tables · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅴ Abstract · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·Ⅵ

1 장. 서론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·1

1.1 연구 배경 및 목적 ···1

1.1.1 연구 배경 ···1

1.1.2 연구 목적 ···6

1.2 국내·외 기술 동향 ···7

1.2.1 알루미늄 합금 기술 동향 ···7

1.2.2 CFRP 소재 기술 동향 ···9

1.2.3 Al-CFRP 용접 기술 동향 ···10

1.3 마찰교반점용접 및 소재 특성 ···12

1.3.1 마찰교반점용접 특성 ···12

1.3.2 알루미늄 소재 특성 ···14

1.3.3 CFRP 소재 특성 ···15

2 장. 연구 방법 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·16

2.1 연구방법 ···18

2.1.1 사용소재 및 시험편 제원 ···18

2.1.2 실험장비 및 조건 ···20

2.1.3 용접부 특성 평가 방법 ···23

3 장. 연구 결과 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·26

3.1 공정변수에 따른 용접부 특성 ···26

3.1.1 툴의 삽입깊이에 따른 영향 ···26

(1) 용접부 외관 특성···26

(2) 용접부 단면 특성···28

(3) 용접부 온도 및 인장 전단강도···32

3.1.2 툴의 삽입유지시간에 따른 영향 ···34

(1) 용접부 외관 특성···34

(2) 용접부 단면 특성···36

(3) 용접부 온도 및 인장 전단강도···38

3.1.3 툴의 회전속도에 따른 영향 ···40

(1) 용접부 외관 특성···40

(2) 용접부 단면 특성···42

(3) 용접부 인장 전단강도···44

3.2 용접부 SEM-EDS 성분분석 ···45

3.3 염수노출에 따른 용접부 특성 ···47

(1) 용접부 외관 특성···47

(2) 용접부 부식 특성···49

4 장. 결론 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·51

참고문헌 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·52

List of Figures

Fig. 1.1 Change rate of fuel efficiency and CO₂emissions capacity ···4

Fig. 1.2 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) prepreg process ···4

Fig. 1.3 CO₂emissions performance and proposed passenger vehicle standards ···5

Fig. 1.4 Change rate of market share by vehicle materials ···5

Fig. 1.5 CFRP MMI(Multi Material Integration) of vehicle ···9

Fig. 1.6 Joining mechanism of FSJ process & interlocking ···11

Fig. 1.7 Schematic representation of the FSJ process ···12

Fig. 1.8 Tensile shear strength of joints at different Al series ···13

Fig. 1.9 Flow chart of thesis ···17

Fig. 2.1 Dimension of FSJ specimen ···18

Fig. 2.2 Friction stir welding machine and tool ···20

Fig. 2.3 Surface roughness measuring point ···21

Fig. 2.4 Comparison of tensile shear strength (a) and fractured surface ··· with different plunge depth (b), (c) and (d) ···33

Fig. 2.5 Thermal history of Al side in joints with plunge depth ···33

Fig. 2.6 Comparison of tensile shear strength (a) and fractured surface ··· with different dwell time (b), (c) and (d) ···39

Fig. 2.7 Thermal history of Al side in joints with dwell time ···39

Fig. 2.8 Comparison of tensile shear strength (a) and fractured surface ··· with rotation speed (b), (c) and (d) ···44

Fig. 2.9 SEM-EDS analysis of Al to CFRP (㎛) ···46

List of Table

Table. 1.1 Chemical composition and mechanical properties of Al5052-H32 ··19

Table. 1.2 Material properties of CFRP(PA66) ···19

Table. 1.3 Specifications of friction stir welding system ···21

Table. 1.4 Welding conditions for friction spot joining ···22

Table. 1.5 Bead profiles of Al-CFRP joints with plunge depth ···27

Table. 1.6 Cross section of Al-CFRP joints with plunge depth : 0.2 mm ···29

Table. 1.7 Cross section of Al-CFRP joints with plunge depth : 0.3 mm ···29

Table. 1.8 Cross section of Al-CFRP joints with plunge depth : 0.4 mm ···30

Table. 1.9 SEM image of Al-CFRP joints with plunge depth ···31

Table. 2.1 Bead profiles of Al-CFRP joints with dwell time ···35

Table. 2.2 Cross section of Al-CFRP joints with dwell time (A) ···36

Table. 2.3 Cross Section of Al-CFRP joints with dwell time (B) ···37

Table. 2.4 Bead profiles of Al-CFRP joints with rotation speed ···42

Table. 2.5 Cross section of Al-CFRP joints with rotation speed (A) ···43

Table. 2.6 Cross section of Al-CFRP joints with rotation speed (B) ···43

Table. 2.7 Bead profiles of Al-CFRP joints with salt spray test time ···48

Table. 2.8 Comparsion of percentage weight loss and corrosion rate ···50

Table. 2.9 Cross section of Al joints with salt spray test time ···50

ABSTRACT

Corrosion Properties of Al-CFRP Friciton Spot Welded Joints

Bang Seong Han

Advisor : Prof. Bang, Hee-Seon, Ph.D.

Department of Welding and Joining Science Engineering,

Graduate School of Chosun University

Lightweight material is applied to cope with intensive environmental regulations. Initial research is focused on the mono-metallic metals such as strengthening the rigidity of steel materials and improving methods of welding and joining. BIW (Body-in-White) has been studied to improve lightweight method using dissimilar materials between steel and non-ferrous metal. Lightweight vehicle is required crash stability, tensile strength and reliability for developing the hybrid electric, hydrogen electric vehicles. Therefore, Automobile company has to be satisfied with environmental regulations and also developing the MMI(Multi Material Integration) method, which is a lightweight technology applied to polymer materials.

Aluminum has a specific strength, corrosion resistance and recyclability comparing with steel. By replacing steel to aluminum, it is possible to reduce vehicle’s weight about 45%.

CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) is focused on the next-generation lightweight material and it has excellent mechanical performance about 60% weight and 5 times higher strength compared to aluminum.

However, it is difficult to secure high-strength and stable joints by using the conventional Arc welding. Mainly, reason is a difference of material properties in each’s. Therefore, various welding and joining methods have been studied to overcome the difference in physical properties between Al alloy and CFRP.

Mechanical fastening: SPR (Self Piercing Rivet) has reported to have problems such as lowering of impact stability and corrosion. Other metod: FSJ(Friciton Stir Joining) is a low heat input solid state welding, easy to secure the strength and quality when joining dissimilar materials. Especially, it is necessary to study the quality and reliability of joints by comparing each material with each’s process parameters.

Therefore, this paper aim to secure the quality’s assurance and reliability of joints by comparing with each process parameter and tensile shear strength of Friction spot joints of Al 5052-H32 and CFRP(PA66).

As a result, considered by process parameters. The deeper tool’s plunge depth is (0.2 → 0.3 mm), suppressing force is increased. It is contributed the suppression of expanding bubbles & micro-crack. The more increased the tool’s dwell time(10, 15, 20 s) is, heat input is increased at the interface. This is affected the formation of micro-cracks and the growth of gap. Lastly, The faster the tool’s rotation speed is, the interlocking area is expand.

Maximum tensile shear strength of 3.1 kN is obtained at this parameters (plunge depth: 0.3 mm, dwell time: 10 s, rotation speed: 500 rpm) without deformation and fracture.

To verify reliability, Al-CFRP joints are exposed to salt spray test until 120, 240 hours. However, it is immediately broken at removing salt water. While spending the salt spray test’s time, Corrosion is interpenetrated Al’s oxide film(Al₂O₃) to base metal. Especially at 240 hours, Corrosion infiltrates the Al side in the form of crack and affects the Al-CFRP interface fracture.

제 1 장 서 론

1.1 연구 배경 및 목적

1.1.1 연구 배경

세계적으로 기후변화와 대기오염이 심화됨에 따라 자동차 연비와 배출가스에 국 제적 규제가 강화하고 있다. 미국은 기존 규제대비 약 23%(2015년: 16.1 km/L → 2020년: 19.8 km/L)를 강화하였고, 주요국인 중국의 경우 약 38%(2015년: 14.5 km/L → 2020년: 20 km/L) 규제가 상승됐으며, 국내는 세계 최고 수준인 약 43%(2015년: 17 km/L → 2020년: 24 km/L)로 규제를 심화시키고 있다[1~4].

특히 온실가스(CO₂) 배출허용량 규제가 강화되고 있는데, EU의 경우 2025년도까 지 허용량 약 85%(2015년: 130 g/km → 2025년: 70 g/km) 감소 목표를 시작으로, 미국과 중국은 허용 감소량을 2025년도까지 각각 약62%(2015년:195 g/km → 2025 년:120 g/km), 약 70%(2015년:162 g/km → 2025년: 95 g/km)로 규정하였으며, 국내 의 경우 2025년까지 약 44%(2015년: 140 /km → 2025년: 97 g/km)까지 감소한 온실가스 (CO₂)배출 허용량 규제를 만족해야 한다.[1~4] 이처럼 심화하는 규제와 수요자 욕 구를 충족시키기 위해 차체 개선 및 경량화가 필요하여 고장력강 및 경량 소재의 연구·개발이 치열하다.[4,5]

차량 경량화를 적용기술은 대표적으로 경량소재 적용, 경량소재 부품의 성형 및 가공기술 개발, 마지막은 기존 부품 형태의 설계 최적화가 있다. 그 중 경량소재 적용은 연비 향상 대비 온실가스를 줄이는 효과적인 방법이며, 주행성능 향상 및 소재 사용량 감소로 인한 제조단가 절감 또한 가능하다.[6]

초기 자동차 업체들은 경제성을 반영하여 고강도·고장력강의 개발과 상용화에 성공했지만, 심화되는 규제로 인해 경량화기술을 향상시켜야만 한다. 따라서 고기 능성 복합재가 사용되는 다종소재의 개발과 이를 상용화시키기 위한 기술 연구가 주목받고 있다. 연구 중인 소재들은 크게 비철금속 소재와 고분자 소재로 구분되 며, 고분자 소재는 범용 플라스틱 및 엔지니어링 플라스틱으로 나뉜다. 비철금속 소재는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 등이 있으며, 이 중 알루미늄합금과 탄소섬 유 복합재료의 이종 소재 간의 강점이 두드러진다. 이에 따라 국내 자동차 소재 비중 또한 변화하여, 철강의 사용 비중은 68%에서 41%로 총 27%감소했으며, 비철 금속 및 합성수지의 사용 비중은 각각 12% 증가했다.[1~6]

알루미늄 합금 소재는 철의 1/3의 중량으로 경량화에 적합하며, 부식이 거의 생 기지 않고, 재활용이 가능한 친환경적 특성을 보이고 있다. 그러나 철보다 2~3배 소재 비용이 높고, 제품 적용을 위한 성형성이 낮아 자동차부품에 적용되는 범위 는 제한됐다. 그러나 2007년 이후 세계적으로 중국의 과잉생산과 중동업체들이 원 유에 집중된 경제구조를 탈피하기 위한 투자로 인하여, 알루미늄 가격은 하향 안 정화 되고 있다. 자동차 업계에선 과거 알루미늄의 재활용성과 가공이 상대적으로 용이한 주·단조법이 적용되는 엔진/변속기 케이스 및 휠에 한정되었지만, 경량화 를 위해 차체판넬류에 적용하고 있다.[5]

순수 알루미늄은 강도가 상대적으로 낮기 때문에, 성능 향상을 위한 원소(Mg, Mn, Zn 등)들을 첨가 및 후열처리를 한다. 이들의 구분 기준으로 열처리 여부에 따라 높은 강도를 확보할 수 있는 열처리 합금과 비열처리 합금으로 구분한다. 차 체판넬류에 사용되는 알루미늄 합금 판재는 비열처리 합금인 5xxx계(Al-MG계)와 열처리 합금인 6xxx계(Al-MG-Si계)가 쓰이고 있다. 5xxx계는 고용강화원소인 Mg의 첨가로 가공경화를 통한 고강도·고성형성인 소재이지만, 성형시 표면에 주름모양 인 스트레인 마크(Strain Mark)가 발생하지만, 용접성이 우수하며 내식성이 매우 뛰어나 내판에 주로 쓰인다. 적절한 강성과 우수한 성형성이 요구되는 차체 외판 적용 시엔 주로 6xxx계 합금이 사용된다.

고분자 경량화 소재 중 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)은 기존에 사용되던 철 소재 대비 강도와 탄성 면에서는 10배 우수하며, 무게는 1/5로 가볍다. 또한 비철금속 인 알루미늄 합금의 무게 대비 2/3로 차량 판재적용 시 경량화에 큰 이점이 있다.

CFRP는 탄소섬유강화플라스틱 혹은 탄소섬유 복합재로 불리며, 주로 탄소섬유를 합성수지에 혼합 후 고온·고압축 공정인 프리프레그(Prepreg)공정을 통해 가공된 복합재이다. CFRP는 가공 소재 형태와 종류에 따라 직물형(Fabric), 파우더형인 분쇄 섬유(Miled Fiber), 수지 합침 시트(프리프레그)로 구분한다. 프리프레그형 은 고강도의 복합재 사이에 탄소섬유를 압착하여 만든 시트(SHEET) 형태 복합재이 다. 유리섬유, 아라미드 섬유 등 특수한 강화재를 혼합시켜 고강도·고탄성·초경 량의 특성가지며, 적용분야는 스포츠 레저 분야부터 고성능 필요 분야인 항공우 주, 수송기기 산업까지 널리 적용되고 있다.

프리프레그(Prepreg)형은 주로 열경화성 수지 복합재에 적용했지만, 친환경적인 재활용 소재 성능 향상 및 용접이 가능한 기능성이 요구됨에 따라 열가소성 수지 인 나일론인 폴리아미드(PA66) 및 폴리페닐렌-설파이드(PPS) 적용이 확대되고 있 다. CFRP는 철·알루미늄 대비 고성능을 자랑하지만 10배 이상 비싼 가격으로 인 해 1970년대엔 항공기 구조대 및 낚시 등 한정된 분야에 사용되었으나, 2000년 이 후 자동차용에 급속적인 개발 및 연구가 진행되면서 2030년에는 알루미늄 가격의 약 1.3배 수준으로 하향 안정화될 전망이다. 자동차에선 CFRP소재는 일부 레이싱 카, 전기차 차체나 수소자동차의 연료탱크 등 일부 제품 적용되고 있지만, 친환경 차 도입으로 인한 CFRP의 적용 가능성이 주목받고 있다. 2020년 이후 자동차 산업 은 탄소섬유 시장에서 최대 수요처 및 성장률을 유지할 것으로 전망된다. 따라서 기존 자동차 업계 및 주요국들은 차량에 적용 가능한 가공 및 용접 기술경쟁력을 보유하고자 연구에 추진 중이다.[7]

규제 구분 국가 내용 연비(15년 → 20년)

Unit: km/L

한국 17 → 24

미국 16.1 → 19.8 중국 14.5 → 20 온실가스 배출허용량

(15년 → 25년) Unit: g/km(CO₂)

한국 140 → 97 미국 195 → 120 중국 162 → 95 유럽 130 → 70

Fig. 1.1 Change rate of fuel efficiency and CO₂emissions capacity

Fig. 1.2 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) prepreg process

Fig. 1.3 CO₂emissions performance and proposed passenger vehicle standards

Fig. 1.4 Change rate of market share by vehicle materials

1.1.2 연구 목적

차량의 연비 향상과 배출가스 허용량 저감을 위해, 경량소재 적용이 주목받고 있다. 초기 Steel의 강성 향상 중심으로 연구가 진행되었다. 이후 Steel과 비철금 속간의 이종재를 적용한 BIW(Body in White) 중심으로 기술을 개발하였지만, 하이 브리드 전기·수소 전기차 적용 시 제조단가 상승 및 충돌 안정성 개선이 필요하게 되었다. 따라서, 현재 경량화 소재는 고분자까지 적용된 다종소재 경량화 기술 MMI(Multi Material Integration)가 확대되고 있다.

MMI에서 핵심 적용 소재인 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 중 열경화성 CFRP은 높은 강도를 얻을 수 있지만, 성형시간이 길어 생산성이 부족하다. 또한 충격에 취약해 충돌 안정성 확보가 어려워 경량화 소재로써 적용에 한계가 있다.

충돌안정성 확보 및 재활용성이 용이한 열가소성 CFRP가 확대되고 있지만, 소재 간의 상이한 물성차로 인해 기존 용융용접 적용이 어렵다. 이를 극복하기 위해 우 수한 품질과 인장 전단강도 등이 확인된 마찰교반점용접 기술과 자동화에 용이한 레이 저 용접 등 새로운 용접법들이 연구되고 있다.[6]

주로 마찰교반점용접(Friction Spot Joining: FSJ), 기계적체결, 레이저용접 등이 연구되고 있다. 기계적 체결은 생산성을 고려해 SPR(Self Piercing Rivet) 공정이 적용 중이지만, 고강도강이나 CFRP 등의 소재 적용 시 물성·전위차로 충돌안정성 저하, 열 변형 및 부식 등 문제점이 보고되었다.[4] 한편, 마찰교반점용접은 저입열 고상용접으로 이종소재 적용 시 인장 전단강도가 우수하지만 공정변수의 최적조건 및 품질 확보가 필요하며, CFRP는 염분과 수분 등 취약환경에 대한 신뢰성을 검증이 필요하다.[7]

본 연구는 차체 적용을 위한 이종재 Al5052-H32와 CFRP-PA66의 마찰교반점용접 공 정변수와 인장 전단강도간의 상관관계를 비교하고, 용접부를 중성염수환경에 노출시 켜 용접부 내·부식성을 고찰하고자 하였다.

1.2 국내·외 기술 동향

1.2.1 알루미늄 합금 기술 동향

세계 자동차 경량화 연구 초기엔 알루미늄 합금은 부품 제작 시 엔진 블록 등 중심으로 적용되었지만 최근엔 후드뿐 아니라 펜더, 루프, 도어 등 확대 적용하고 있다. 자동차에 적용되는 알루미늄 합금은 차량 무게의 11% 규모이지만 점차 확대 되어 25년경에는 14% 이상 적용될 예정이며, 특히 차체와 도어, 범퍼 부품위주로 적용될 전망이다. 세계 각국의 연비 기준 강화에 따라 쉐보레, 포드, 아우디 등 선진 자동차 업계의 경우 알루미늄 합금 차체 적용을 확대시키고 있다. 국내 또한 20년부터 연비 및 이산화탄소 규제 강화로 경량화 적용을 위한 소재 개발 및 용접 법, 성형, 표면처리법 연구되고 있다.[8,9]

알루미늄 적용시 최대 40% 경량화가 가능하지만, 적용을 위해서는 기본적인 강 도 및 성형성 뿐만 아니라 경제성 또한 갖춰야 한다. 2000년 이전까지 재료연구소 에서는 차체에 적용 가능한 고성형성·고강도 알루미늄 합금 개발을 시작으로, 2008년부턴 차체용 판재에 적용하기 위해 직접 압연법을 개발과 후속 압연 및 열 처리를 통해 상용에서 쓰이는 합금 이상의 기계적 특성을 확보한 알루미늄 소재 제조 기술을 개발하였다. 또한 차체에 많이 쓰이는 5xxx계, 6xxx계에 적용하여 기 업과 공동으로 상용화를 위한 연구가 진행되고 있다.[10,11]

미국과 일본 등 해외에서는 소재 개발뿐 아니라 이종소재 용접에 효율적인 마찰 교반용접, 자동화에 용이한 레이저 용접, 하이브리드-아크 복합 용접, SHORT ARC 등 자동차의 용접부의 품질과 신뢰성을 확보한 첨단기술개발을 활발히 진행하고 있다. 국내에서도 이에 따라 고부가가치의 고강도·인성 알루미늄 합금의 용접 기 술을 연구 중이다. 알루미늄합금의 특징을 최대로 활용하는 경량화 기술은 이종소 재와의 기술이 중요한데, 특히 알루미늄 합금 판재 프레스 부품의 용접에는 마찰 교반점용접(Friction Spot Joining)을 이용한다. 회전하는 툴을 알루미늄 판에 삽 입·교반하여 소성유동을 시키는 데 에너지 소비가 낮아 입열로 인한 변형과 용접 결합이 적고 이음부의 양호한 기계적 성질 확보가 용이하여 경량화 수송기기분야 에 실용화가 진행되고 있다.[12]

1.2.2 CFRP 기술 동향

CFRP는 높은 가격으로 한정된 분야에서 쓰였지만, 현재 수송기기분야까지 사용 처가 확대되고 있다. 일본과 독일 등을 비롯한 선진기술국은 클러스터 형성 및 저 가 탄소섬유 복합재 개발을 통해 차체에 적용하고 있으며, 중국과 같은 후발주자 의 경우 저가 탄소섬유 복합재 확대 공급을 통해 2030년경에는 CFRP의 가격이 알 루미늄의 1.3배 이하로 인하되어 가격경쟁력 및 시장이 커질 것으로 전망된다.[9]

이미 국·내외 완성차 기업은 CFRP 생산기업과 협력관계를 통해 차체 적용을 시 도하고 있다. 일본 D社는 독일 D社와 열가소성 CFRP의 성형공법을 이용한 차체개 발하여 독일B社의 A시리즈에 적용하고 있다. 또한 독일 타 B社는 독일 S社과 합작 하여 전기차 I-시리즈에 CFRP를 적용하여 기본구조 전체를 CFRP로 양산화에 성공 했다.

국내에선 H社의 경우, 독자 개발한 CFRP를 통해 완성차 기업 H社가‘2014 제네 바 모터쇼’에서 선보인 컨셉카 프레임에 적용하였고, G社의 경우 탄소섬유에 PA66, PP등을 첨가하여 자체개발한 CFRP를 완성차 업체 K社의‘올뉴 쏘렌토’의 선루프에 적용시켜 기존 Steel 대비 50% 경량화를 달성했다.[13]

Fig 1.5 CFRP MMI(Multi Material Integration) of vehicle

1.2.3 Al-CFRP 용접 기술 동향

금속소재와 CFRP간의 이종소재에 다양한 용접방법 및 신뢰성에 관한 연구되고 있다. 이종소재 용접에 효율적인 마찰교반점용접, 초음파용접을 비롯하여 자동화 에 용이한 레이저 용접 등이 지속적으로 발표됐다. 기계적 체결의 SPR(Self Piercing Rivet) 경우, 체결 시 소재간의 전위차로 인한 부식 소개되고 있다. 또 한 공정별로 변수 제어에 의한 CFRP측 열 변형 억제 및 앵커링 효과와 결합 메커 니즘에 관한 연구가 진행되고 있다.[14]

마찰교반점용접은 알루미늄 합금과 CFRP간 겹치기용접 시 Interlocking 효과로 인해 소성변형부 면적을 증가시켜 인장 전단강도를 증가시킨 연구들이 발표되었 다. 거칠기 여부와 강도에 관한 연구의 경우 Al6111와 CFRP-PPS간의 접합 시 상판 의 Al소재에 수산화용액 애칭를 통해 평균 Ra = 4.5 ㎛를 부과하여 결합면적을 증 가시키고, 인장 전단강도 43 MPa를 확보했다.[15] 삽입재를 추가하여 면적을 증가 시킨 연구에서는 Al2024-T3와 CFRP(PPS)간 FSJ 접합 시 PPS film 삽입재를 추가하 였다.이를 통해 결합 면적 증가시키고 과입열에 의한 CFRP 변형을 억제하여, 저입 열 구간에서 평균 인장 전단강도 3.1 kN를 확보하였다.[16]

초음파용접의 경우 AA5754와 CFRP(PA6)간의 용접시 초음파의 진동과 마찰열로 인해 산화막·오염막이 제거되어 타 공정대비 우수한 용접강도를 확인했다. 또한 결합계면의 면적 향상을 위해 알루미늄에 질산으로 에칭하여, 전·후 대비 평균 인장 전단 강도 54 MPa 향상시키고, 높은 피로 한도와 내식성을 확보하였다.[17]

레이저 공정의 경우, 금속과 플라스틱간의 결합 메커니즘에 대한 연구가 발표되 었다. 이는 상판 STS 304 이음부에 레이저를 조사하여 플라스틱 수지 확산하여 금 속계면의 산화물과 Interlocking 결합하였다. 용접부 강도는 Steel 모재와 유사한 인장 전단강도 3 kN을 확보하였다. 또한 소재별로 방청강판과 CFRP, Al5052와 CFRP(PA6)에 적용하여 인장 전단강도를 각각 3 kN 이상 확보하였다.[18,19]

하지만, 과입열로 인한 CFRP측에 팽창된 버블이 계면에 형성되는 경우에는 용접 부의 강도가 감소하였다. 따라서 버블의 팽창을 억제 하기 위해 CFRP 수지측에 냉 각용 백킹판을 부착하여 입열량을 제어하였으며, 설치 유무에 따라 인장 전단강도 가 9.32 MPa에서 최대 22.14 MPa까지 상승한 연구를 발표하였다.

Fig. 1.6 Joining mechanism of FSJ process & interlocking

1.3 마찰교반점용접(FSJ) 특성

1.3.1 마찰교반점용접의 특성

마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)이 1991년 영국 TWI에서 용접법 개발 후, 마찰교반점용접(Friction spot Joining)은 2003년에 MAZDA에서 확립되었 다.[24] FSJ은 기존 저항점용접 대비 알루미늄 합금 및 이종 소재 용접시 고효율 고상용접법이다. 이는 FSW의 교반현상을 응용한 방법으로 주로 겹치기 용접시 사 용하며, 4단계 구성된 공정으로 툴의 회전, 삽입, 교반 및 후퇴 순으로 진행된다.

먼저 모재에 수직으로 배치된 툴이 고속 회전을 한 뒤, 삽입 및 교반으로 인한 마찰열이 발생하고 이로 인한 툴 주변부의 피접합재는 연화된다. 연화된 피접합체 는 툴 회전을 통해 소성유동 및 교반되고 결합되는 방식이다.[25]

교반과정 및 툴 제거 후에도 고상상태기 때문에 열로 인한 변형 및 결합이 적 고, 기존 저항점용접·레이저용접 대비 고효율 공정으로 접합부의 양호한 기계적 성질 확보가 가능하다.[25] 공정 제어를 위한 보호가스, 용가재 및 복잡한 제어장 치 등이 불필요하여 표준화·자동화시 원가 절감 및 품질 측면에서 이점이 있다.

최근 경량화가 요구됨에 따라 이종소재 중심으로 빠르게 적용 분야가 확대되고 있 다.[26]

Fig. 1.7 Schematic representation of the FSJ process

금속학적 측면 환경적·에너지 측면

·낮은 변형률·응고 균열 최소화

·용접부의 우수한 기계적 성질 확보

·비소모성 툴 적용으로 반복공정 용이

·경량 합금 용접에 효율적 공정

·합금 원소의 소실 부재

·레이저 공정 대비 2.5% 에너지 소모

·전·후 처리공정 및 용가재 미사용

·유해 가스 및 광선이 생성되지 않음

·다종 경량화 소재 적용 가능

Fig. 1.8 Tensile shear strength of joints at different Al series

1.3.2 알루미늄 소재 특성

알루미늄 합금은 항공 우주산업이나 일반 공업용 차량, 조선, 건축, 토목, 화확 및 식품 등 여러 공업 분야에 널리 사용되고 있다. 알루미늄은 pH 4.5 ~ 8.5의 환 경에서 산화 피막이 모재를 보호하기 때문에 내식성은 우수하지만 이온화 경향이 커서 부식 환경에서 철, 구리, 납 등과 접촉하면 부식이 심하게 발생되고 수은은 ppm 단위만으로도 심하게 부식된다. 특히, Al₂O₃산화막은 염수인 H₂0와 NaCl에 노출시 화학적 작용으로 AlCl₃+ NaOH 등 부식산화물이 형성된다.

순수 알루미늄은 강도가 낮으므로 원소 첨가를 통해 주로 석출경화를 통해 강도 를 향상시킨다. 일반 탄소강 대비 열전도도와 전기 전도도는 약 4배 크며, 자성이 없고, 선팽창계수는 약 2배 크기 때문에 용접성은 많이 떨어지는 재료이다.

구 분 합금명 특 성 용 도

비열처리형 (고용경화)

1XXX(pure Al) 내식성, 성형 가공성 화학 공업용, 식품용기 3XXX(Al-Mn계) 용접성, 내식성 우수 주방용품, 판금재료 4XXX(Al-Si계) 내마모성, 내열성 피스톤, 용접봉 5XXX(Al-Mg계) 용접성, 내식성 우수 건축, 수송기기, 가드레일

열처리형 (석출경화)

2XXX(Al-Cu-Mg계) 기계적 성질, 고강도 기계부품, 항공기기 6XXX(Al-Mg-Si계) 용접성, 내식성 건축용 및 구조용 재료 7XXX(Al-Zn-Mg계) 용접성, 고강도 방산용 재료, 용접 구조재

1.3.3 CFRP 소재 특성

탄소섬유 복잡재는 플라스틱계(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)가 주종 을 이루며 실용화가 되고 있다. CFRP는 매트릭스 수지에 의해 열경화성(TS, Thermosetting Resin)과 열가소성(TP, Thermoplastic Resin)으로 구분된다. 열경 화성 수지에는 에폭시가 주종을 이루며, 상황에 따라 폴리에스테르, 폴리이미드 등이 사용된다. 열가소성 수지에는 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드 등의 수지가 이용된다.

장섬유 CFRP는 섬유의 방향과 직경방향에 따라 강도 및 열적 특성이 차이를 보 이며, 단섬유 CFRP의 경우 여러 형태로 성형가능하며, 제조가격인하와 전기전도, 내마찰성 및 열전도성 등의 기능 부여가 가능해 많은 분야에서 활용되고 있다.

탄소섬유는 수분을 흡수하지 않지만, 복합재 형태의 CFRP는 환경에 따라 수분을 흡수한다. CFRP 안 수분들은 체적 팽창, 내부응력, 섬유와 수지의 열화를 발생시 키며, 고온·다습한 환경에서 장시간 노출 시 수지와 섬유 사이의 계면 박리, 피 로수명 단축, 수지의 유리전이온도를 감소시켜 CFRP의 기계적 특성에 악영향을 미 친다.

제 2 장 연구 방법

1장에서는 본 연구의 배경 및 목적과 국·내외 기술동향, 공정의 원리 및 소재 의 특성에 대해 서술하였다.

2장에서는 Al 5052-H32와 CFRP(PA66)간 마찰교반점용접부의 공정변수별 기계 적·금속학적 특성 분석하기 위한 실험들과 내·부식성을 고찰하기 위한 염수시험 방법 등 본 연구의 실험방법 및 주안점을 서술하였다.

3장에서는 이종재 Al 5052-H32와 CFRP(PA66)간 마찰교반점용접부의 기계적 특성 고찰을 위해 인장 전단강도 시험을 실시하였고, 금속학적 고찰을 위해 단면 촬영 과 EDS 분석을 통해 Interlocking 결으로 형성되는 화합물 구간을 가늠하였다. 아 울러 용접부의 내·부식성을 분석하기 위해 중성염수분무 환경시험에서 120시간, 240시간별로 노출시켜 염수노출에 따른 계면의 부식침투에 관하여 분석하였다.

4장에서는 Al 5052-H32와 CFRP(PA66)간 마찰교반점용접부의 공정변수별로 입열 량에 따른 용접부 품질 변화와 염수환경시 노출시간에 따른 부식 침투에 대해 결 론을 도출하였다.

1장. 서 론

○ 본 연구의 배경 및 목적, 국내․외 기술 동향, 용접 공정의 원리 그리고 소재 의 특성에 대하여 서술

2장. 연구 방법 및 조건

- 사용 재료 : Al 5052-H32 1 mm(t), CFRP-PA66 1.5 mm(t), Pinless tool 18 mm - 용접법 : 마찰교반점용접 (겹침 이음)

○ 공정변수에 따른 Al과 CFRP 용접부의 특성 고찰방법 및 주안점 서술 ○ 염수노출에 따른 Al과 CFRP 용접부의 부식 침투 및 내·부식성 서술

3장. 용접부 기계적 및 금속학적 특성 평가

○ Al 5052-H32, CFRP PA66 겹침 이음부의 기계적 특성 (인장 전단강도) 고찰

○ Al 5052-H32, CFRP PA66 겹침 이음부의 금속학적 특성 고찰

4장. 결 론

○ Al 5052-H32, CFRP PA66 겹침 이음 용접부에서 공정변수와 염수환경 시험의 영향에 대하여 요약 및 결론 도출

Fig. 1.9 Flow chart of thesis

2.1 연구방법

2.1.1 사용소재 및 시험편 제원

본 연구에서 사용한 소재는 차량 패널에 적용되는 경량소재 알루미늄 합금 Al 5052-H32 1 mm(t)로 냉간가공 후 안정화 처리를 하였으며, CFRP 소재는

‘LANXESS’사의 Tepex dynalite로 3k의 탄소섬유와 열가소성 수지인 폴리아미드 66을 사용했고 두께는 1.5 mm(t)이다. 각각 80 mm(L) X 30 mm(W)로 상판은 알루미 늄, 하판은 CFRP를 30 mm로 겹쳐 마찰교반점용접을 실시하였다. 시험편의 치수는 FIg. 2.1에 나타내었고, 사용된 재료의 화학적, 기계적 특성은 Table. 1.1 및 Table. 1.2와 같다.

Fig. 2.1 Dimension of FSJ specimen

Table. 1.1 Chemical composition and mechanical properties of Al5052/H32 Chemical composition (%)

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti

0.061 0.220 0.019 0.018 2.503 0.178 0.002 0.02 Mechanical properties

Yield strength (MPa) Tensile strength (MPa) Elongation (%)

161 232 9

Table. 1.2 Material properties of CFRP(PA66) Material

Reinforcement Polymer Laminate

Fibers Yarn (tex)

Weigh rate

(%) PA66

Density (g/㎤)

Fiber content (% vol.)

Thickness per layer

(mm)

carbon 3k 50 1.43 45 0.25

Mechanical properties Tensile Modulus

(GPa)

Tensile

stress(MPa) Elogation(%) Poisson’s ratio

53.0 785 2.1 0.07

Thermal properties Melting

temperature (℃)

Glass transition temperature (℃)

Heat deflection temperature (℃)

260 70 255

2.1.2 실험장비 및 조건

(1) 실험장비

본 연구에서 이종재 알루미늄 합금 Al5052-H32와 CFRP의 마찰교반점용접을

‘WINXEN의 Friction Stir Welding System’장비를 통해 수행했다. X, Y, Z축 방 향으로 0.5 ~ 10 mm/sec 속도로 테이블 및 축의 이동이 가능하며, Z축은 300 ~ 3000 rpm 회전속도 및 최대 가압 하중은 3000 kgf 가할 수 있다. 본 연구의 실험 장비시스템 사진 및 장비 사양은 Table. 1.3과 같다.

마찰교반점용접 시 재료 및 결합 메커니즘에 따라, 툴 형상과 핀 유무, 재질 등 을 고려해야 한다. 본 연구 소재인 Al5052-H32와 CFRP(PA66)처럼 금속과 플라스틱 복합재간의 결합 메커니즘은 금속소재의 입열을 통해 CFRP측 버블을 팽창시키고, 팽창된 버블 압력으로 CFRP 수지와 Al의 산화막이 결합하고 Interlocking 효과로 강도확보가 가능하다고 알려져 있다. 본 연구는 이러한 메커니즘을 구현하고, 결 함의 원인이 되는 계면측 버블과 균열을 억제하여 용접부의 강도 및 품질을 확보 하고자 하였다.

따라서 본 연구는 균일한 입열과 가압력 부여를 위한 핀이 없는 형상의 툴을 Fig. 2.2과 같이 선정하였으며, Interlcoking 결합을 증대시키기 위해 Fig. 2.3과 같이 거칠기를 Al 시험편에 부여하였다.

Fig. 2.2 Friction stir welding machine & tool

Table. 1.3 Specifications of friction stir welding system

Items Range

Type Gantry Type

Welding Speed

X-axis 0.5 ~ 10 mm/sec Y-axis 0.5 ~ 10 mm/sec Z-axis 0.5 ~ 10 mm/sec R-axis 1 ~ 20 rpm Rotation 300 ~ 3000 rpm LOAD Capacity Max. 3000 kgf

Fig. 2.3 Surface roughness measuring point

(2) 실험조건

마찰교반점용접(FSJ)는 툴의 삽입깊이, 삽입유지시간, 회전속도 등이 주요 공정 변수이다. 이종재 Al5052-H32와 CFRP-PA66간 마찰교반점용접 적용시 공정변수별로 용접부에 미치는 영향을 분석하기 위해서 툴의 삽입깊이, 삽입유지시간, 회전속도 변화에 따른 실험 Table. 1.4와 같이 실시하였다.

툴의 삽입깊이에 따른 용접부 영향을 분석 후 삽입유지시간을 변화시켜 실험을 실시하였으며, 마지막으로 회전속도 별로 결과를 비교하였다. 각 단계별로 용접부 외관과 계면 및 단면의 특성을 고찰 후, 인장 전단시험을 통해 강도 값과 파단면 을 관찰하였다. 또한 입열량에 따른 용접부의 기계적 특성을 고찰하기 위해 입열 량을 측정하여 위의 결과들과 비교·분석하였다.

실험 전 시편에 Wet grinding 방법을 사용하여 표면거칠기를 부여 하였다. 이는 계면의 CFRP 면적을 증가시켜 Interlocking 효과를 증가하고자 하였으며, 측정기 를 이용해 평균 거칠기를 Ra = 5.0 ㎛로 측정 후 실험을 진행하였다.

Table. 1.4 Welding conditions of friction spot joining

표면 거칠기 Ra = 5.0 ㎛

공정 조건 삽입깊이

(mm)

삽입유지시간 (s)

회전속도 (rpm) 삽입깊이에

따른 조건

0.2

15 500

0.3 0.4 삽입유지시간에

따른 조건 0.3

10

500 15

20 회전속도에

따른 조건 0.3 10

400 500 600

2.1.3 용접부 특성 평가

(1) 외관 관찰

본 연구는 삽입깊이(0.2, 0.3, 0.4 mm), 삽입유지시간(10, 15, 20 s), 회전속 (400, 500, 600 rpm)에 따른 마찰교반점용접 각 공정변수별 용접된 시험편을 관찰 하여 용접부의 외관 형태 및 결합 여부를 확인하였다.

(2) 단면 관찰

인장 전단강도 시험 후 시험편의 파단 계면을 분석하고, 같은 조건으로 결합된 시험편의 미세조직 관찰을 위해 절단, 마운팅 및 미세연마를 실시하였다. Al-CFRP 용접부 단면(Cross section) 관찰을 위해 올림푸스 BX51M 광학현미경(Optical Microsocepe)와 HITACHI의 주사전자현미경(Field Emission Scaning Electron Microscope)를 통해 용접부의 마크로/마이크로 사진을 촬영했다.

용접부 중앙으로 단면 시험편을 제작하여, 공정변수별로 계면에 미치는 영향을 고찰하였다. 특히 툴의 삽입깊이와 삽입유지시간별로 단면을 촬영하여, 툴 삽입으 로 용접부에 적용되는 가압력과 입열량 증가가 계면에 미치는 영향를 분석하였다.

(3) 인장 전단강도 시험 및 온도 측정

용접부의 기계적 특성평가를 위해 인장 전단강도 시험을 실시하였다. 인장 시험 편은 시편너비 30 mm, 겹침부 30 mm, 시험편 길이 80 mm 클램프 간 거리 70 mm의 형태로 제작하였으며, Shimadzu의 20 Ton의 UTM(Universal Testing Machine)을 사 용하여 0.5 mm/min 속도로 인장 전단강도 시험을 실시하였다. 또한, 공정변수에 따른 용접부 파단형태를 파악하고 특성을 고찰하였다.

또한 변수별로 용접부의 입열량에 따른 인장 전단강도 변화와 용접성을 분석하 기 위해 툴 교반부에서 5 mm 벗어난 지점의 열전대 K타입 측정기를 입열 온도를 측정하였다. 이를 통해 강도확보에 용이한 입열온도 구간을 판단하고, 공정변수에 따른 최대 온도와 입열량이 용접부 품질확보에 미치는 영향을 분석하고자 하였다.

(4) SEM-EDS 성분 분석

용접부 계면의 Interlocking 결합의 금속학적 분석을 위해, 최대 인장 전단강도 조건(삽입깊이: 0.3 mm, 삽입유지시간: 10 s, 회전속도: 500 rpm)의 용접부 계면 의 단면을 Al에서 CFRP소재 방향으로 100 ㎛ 길이로 EDS 성분분석을 하였다.

이를 통해 Al소재의 주성분인 Al, Mg과 CFRP의 탄소섬유의 주성분인 C성분을 무 게대비 구성비율을 분석하여, Al과 CFRP의 성분이 교차하는 결합부와 인장 전단강 도에 영향을 주는 반데르발스 화합물인 MgO 형성구간을 가늠하고자 하였다.

(5) 중성염수분무 환경시험

용접부의 내·부식성 등 신뢰성을 고찰하고자, 중성염수분무 환경시험을 규격 KS D 9502:2019(염수분무시험방법 – 중성, 아세트산 및 캐스 분무시험)과 ISO 9227:2016(Corrosion tests in artificial atmosphere – spray test)에 따라 염수 분무시험을 수행하였다. 이후 노출시간(120, 240시간)별로 규격에 따른 부식산화 물 감량 측정과 단면을 관찰하여, 염수 노출시 부식 침투에 따른 Al 소재 및 용접 부의 특성 고찰하였다.

제 3 장 연구 결과

3.1 공정변수에 따른 용접 특성

본 연구는 Al-CFRP 마찰교반점용접시 공정변수에 따른 용접부의 외관과 단면을 관찰하여, 소재 변형과 계면의 버블 등 결함을 확인하고자 하였으며, 아울러 인장 전단강도 시험 실시하고 온도 측정을 통해 기계적·금속학적 특성을 고찰하고자 하였 다.

3.1.1 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

3.1.2 툴의 삽입유지시간에 따른 영향

앞 절의 툴 삽입깊이에 따른 실험 결과를 토대로 툴 삽입깊이 0.3 mm 및 회전속 도 500 rpm 조건에서, 툴의 삽입유지시간을 10, 15, 20 s로 증가시켜 용접성을 고 찰하고자 하였다. 아울러 용접성을 향상시키기 위해 시험편에 표면 거칠기(Ra = 5.0 ㎛)를 부여하였다. 실험 후 Al-CFRP 용접부 외관과 단면을 관찰하고, 인장 전 단강도 시험을 실시하였다. 또한 파단된 시험편을 관찰하여 Al-CFRP 용접부의 특 성을 고찰하고자 하였다.

(1) 용접부 외관 특성

외관 관찰 시, 툴 삽입깊이와 유사하게 삽입유지시간(10, 15, 20 s)이 증가할수 록 CFRP측 수지가 툴의 마찰열에 의해 용융된 수지가 용접부 측면으로 밀려난 것 을 Table. 2.1에 나타내었다. 삽입유지시간이 증가할수록 측면에 밀려난 수지량 또한 증가하였다.

특히 삽입유지시간이 20 s 조건에서는 과도한 입열량에 의해 측면에 노출된 수 지가 현저하게 산화되어, 변형된 것으로 사료된다. 이는 툴 삽입깊이 조건보다 CFRP변형이 심한 것으로 사료되어, 삽입유지시간 증가에 따른 용접부의 계면 특성 을 고찰하고자 단면을 촬영하여 분석하였다.

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

3.1.3 툴의 회전속도에 따른 영향

본 절에서는 Al-CFRP 마찰교반점용접시 툴의 회전속도 400, 500, 600 rpm에 따 른 용접부 특성을 고찰하고자 하였다. 앞 절의 툴의 삽입깊이 및 삽입유지시간에 따른 도출된 실험 결과를 통해 툴의 삽입 깊이 0.3 mm, 삽입유지시간을 10 s로 선 정하였다. 용접부의 외관을 관찰하고 동일 조건의 시험편을 인장 전단강도 시험 후 파단면을 분석하였다. 또한 회전속도별로 용접부 단면과 계면을 관찰하여 회전 속도 증가에 따른 결합 면적 크기와 인장 전단강도의 관계를 고찰하였다.

(1) 용접부 외관 특성

툴의 회전속도별로(400, 500, 600 rpm) 실험 후 용접부를 관찰 결과를 Table.

2.4에 나타내었다. 툴 회전속도 모든 조건에서 표면 관찰시 돌출된 수지를 찾을 수 있었으며, 용접부와 주변부에 큰 변형을 찾을 수 없었다. 하지만 회전속도가 증가할수록 계면 사이로 나오는 CFRP 수지 양이 늘었다.

회전속도 별로, 400 rpm 조건의 경우 인장 전단강도시험을 위한 3개의 시험편 중 1개만이 결합되었다. 이는 타 조건대비 낮은 회전속도로 CFRP 수지가 충분히 확산되지 못하여, 결합이 어려운 조건으로 판단된다. 이와 상이하게 회전속도 500 rpm과 600 rpm 조건은 충분히 확산하여 용접부 대부분이 접합되었다.

용접부 표면을 관찰한 결과, 400 rpm의 비드 외관은 다른 조건 대비 외관이 다 소 거친 것을 확인할 수 있었다. 이는 위 표면 결과와 같이 낮은 회전속도로 인한 CFRP 수지내 입열량 부족이 원인으로 사료된다. 500 rpm의 경우는 용접부 비드 및 하단부 표면 관찰시 양호하였다. 그러나 600 rpm 조건은 하단 CFRP 측에서 작은 변형을 확인하였다. 이는 툴의 높은 회전속도로 인한 과도한 입열량으로 인하여 CFRP 수지가 일부 변형된 것으로 사료된다.

Table. 2.4 Bead profiles of Al-CFRP joints with rotation speed

Rotation Speed Bead apperance Cross appearance

400 rpm

top

bottom

500 rpm

top

bottom

600 rpm

top

bottom

(2) 용접부 단면 특성

회전속도별로 400 rpm, 600rpm 단면 관찰 결과 Table. 2.5, 회전속도가 증가할 수록, 계면의 Interlocking 결합부가 증가하였다. 이는 회전속도가 증가할수록, 용접부의 입열량이 증가하고 CFRP 수지가 팽창하여 결합한 것으로 사료된다.

또한 회전속도별 세밀한 관찰을 위해 마이크로 현미경으로 교반부 (A), 툴 끝단 부(B), 모재부(C)별로 계면을 촬영하여, Table. 2.6와 같이 표시하였다. 최적조건 보다 높은 회전속도인 600 rpm 조건에서sms 과도한 입열량 때문에 CFRP 수지가 변 형되었지만, 500rpm 과 동일하게 용접부 대부분이 결합되어 400 rpm 대비 높은 인 장 전단강도을 확보하였다. 또한 단면 관찰 시 계면의 버블과 미세균열이 형성되 지 않았다.

과도한 회전속도(600 rpm)에서 계면의 Interlocking 결합부가 과도한 입열량로 인해 일부 변형되었으나, 결합 면적이 증가하여 인장 전단강도가 회전속도 400 rpm보다 증가한 것으로 사료된다. 하지만, 600 rpm의 경우 Al 상판과 CFRP 수지에 과도한 입열량에 의해 미세한 변형이 형성될 수 있기 때문에, 품질확보를 위해서 는 회전속도 500 rpm이 용이한 조건으로 사료된다.

Table. 2.5 Cross section of Al-CFRP joints with rotation speed (A)

Rotation Speed Cross Section

400 rpm

600 rpm

Table. 2.6 Cross section of Al-CFRP joints with rotation speed (B)

Rotation Speed

Joining Interface

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

400 rpm

600 rpm

(3) 용접부 인장 전단강도

앞 절의 실험결과를 통해 툴의 삽입깊이 0.3mm, 툴의 삽입유지시간 10 s를 고정 한 후, 툴의 회전속도 공정변수에 100 rpm씩 변위를 주어 400, 500, 600rpm 회전 속도 별로 인장 전단강도 시험을 수행한 결과를 Fig. 2.8에 나타내었다. 앞 절의 실험인 회전속도 500 rpm에서 최대 인장 전단강도 3.1 kN 및 평균 2.9kN의 최대치 를 확보하였지만, 회전속도 400 rpm에서는 약 52% 감소한 인장 전단강도 1.9 kN를 측정하였다.

이는 툴 회전속도가 낮아질수록 낮은 입열량로 때문에 CFRP 확산이 부족하여 결 합면적이 감소하는 것으로 사료된다. 인장시험 후 Al측 파단면에 응고된 CFRP 수 지 면적을 비교한 결과, 회전속도 400 rpm은 더 높은 조건인 500 rpm, 600 rpm보 다 상이하게 결합 면적이 적은 것을 확인하였다. 회전속도 600 rpm 조건에서는 인 장 전단강도가 평균 2.5 kN으로 약 0.4 kN 감소 하였는 데, 500 rpm 대비 높은 입 열량로 인해 계면 일부 CFRP가 변형되어 감소한 것으로 사료된다.

Fig. 2.8 Comparison of tensile shear strength (a) and fractured surface with rotation speed (b), (c) and (d)

3.2 용접부 SEM-EDS 분석

공정변수 제어를 통해 삽입깊이 0.3 mm, 삽입유지시간 10 s, 회전속도 500 rpm 조건에서의 최대 인장 전단강도 3.1 kN을 확보하였으며, Al과 CFRP의 접합 구간과 인장 전단강도에 영향을 미치는 MgO 화합물 형성 구간을 가늠하고자 SEM-EDS로 성 분 분석하여 용접부의 금속학적인 특성을 고찰하였다.

Al-CFRP 결합 메커니즘은 소재간 기계적체결인 앵커링효과와 Interlocking 효과 가 있다. 그 중 Interlcoking 효과는 Al소재의 성분(Al, Al₂O₃, Mg)과 CFRP의 탄 소섬유 성분 O와 폴리머의 OH 성분이 반데르발스 화학적으로 결합한다. 또한 공정 적용 시, 형성되는 화합물(Al₂O₃, Al(OH)₃, MgO) 중 주로 MgO 화합물이 잔존하고 인장 전단강도에 영향을 미친다.[29,30] 이를 분석하기 위해, Al에서 CFRP으로 100㎛ 길이방향으로 SEM-EDS으로 촬영한 결과를 Fig. 2.9에 나타내었다.

분석 결과, A-B의 구간의 경우 알루미늄의 주성분인 Al와 CFRP의 주성분인 C이 공존하는 데. 이는 툴 삽입으로 인한 Al소재의 가압과 입열로 인한 CFRP의 확산으 로 형성된 Interlocking 접합구간으로 사료된다. 특히 Mg 성분별로 구분하면, A-(X)구간의 경우 무게 대비 Mg 성분 구성은 1~11%이며, (X)-B구간: 0~1% 대비 많 은 Mg 성분이 확인되었다.

특히 Al과 CFRP의 Interlocking 구간인 A-B 중 Al 모재와 Mg 구성 비율이 유사 한 A-(X)구간은 Al 모재의 Mg 성분과 탄소섬유의 O가 반데르발스 결합을 통해 MgO 화합물이 형성된 것으로 판단된다. (X)-B 구간은 Mg 성분이 구성되지 않은 구간으 로 Al소재의 산화막인 Al₂O₃ 사료되며, 따라서 Al의 산하막과 CFRP가 반응하여 주 로 Al₂O₃, Al(OH)₃등의 화합물이 형성되고 인장 전단강도에 영향 주었을 것으로 사 료된다.

Fig. 2.9 SEM-EDS analysis of Al to CFRP (㎛)

3.3 염수노출에 따른 용접부 특성

(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.