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문제 정의
- 본 연구에서는 주어진 재료의 광학적 성질을 측정하고 이를 바탕으로 레이저 투과접합방식에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 레이저 투과접합방식의 접합성을 판단하기 위하여 점용접을 수행하고 접합부의 파단강도를 측정하다.
제안 방법
- 하였다. 다음으로 투과접합방식의 기계적 강도를 알아보기 위하여 점용접(spot welding)에서의 공정변수의 값들을 변화시켜 각 경우에 대한 접합강도를 전단인장시험 (shear tension test)을 통해 측정하여 주어진 조건에서의 최적의 공정 변수들의 값을 유추하였다. 또한 접합 시 수증기의 기포로 발생되는 구멍(cavity) 을 줄이기 위하여 간극(gap)을 고려한 실험을 수행하고, 기밀성을 요구하는 접합에 활용도가 높은 심 용접 (seam welding)에서 간극을 고려한 실험을 수행하여 적절한 접합조건을 제시하였다.
- 다음으로 투과접합방식의 기계적 강도를 알아보기 위하여 점용접(spot welding)에서의 공정변수의 값들을 변화시켜 각 경우에 대한 접합강도를 전단인장시험 (shear tension test)을 통해 측정하여 주어진 조건에서의 최적의 공정 변수들의 값을 유추하였다. 또한 접합 시 수증기의 기포로 발생되는 구멍(cavity) 을 줄이기 위하여 간극(gap)을 고려한 실험을 수행하고, 기밀성을 요구하는 접합에 활용도가 높은 심 용접 (seam welding)에서 간극을 고려한 실험을 수행하여 적절한 접합조건을 제시하였다.
- 기초 실험으로 폴리머 재료의 광학적 특성 중 하나인 투과율을 측정하는 실험을 수행하였으며 이를 통해 재료의 흡수율(absorption rate)과 흡수계수(absorption coefficient)를 간접적으로 계산하였다. Fig.
- 간접적으로 계산하였다. Fig. 1과 같은 실험 형태의 구성으로 레이저 파워미터를 통해 재료를 투과하기 전의 레이저 출력(Po) 과 재료를 투과한 후의 레이저 출력 (Pt)을 측정하였다.
- 실험을 하기 위해 유리 섬유(이ass fiber) 의 성분비가 각각 0, 30%이고, 색깔이 천연색과 주황색 (orange) 인 네 가지 종류의 아크릴수지와 유리 섬유의 성분비가 각각 0, 30%이며, 색깔이 천연색과 파랑색(blue)인네 가지 종류의 폴리아미드 6에 대해서 실험을 수행하였다. 각 재료의 두께는 아크릴수지는 2mm, 폴리아미드 6은 3.
- 5이mm다. 레이저가 수직으로 입사하는 경우뿐만 아니라 기울기를 준 상태에서의 각 각도에 대하여 측정을 하였다. 투과접합의 맞대기 용접 (butt welding)에 대한 적용에 있어서 레이저가 기울어져 조사 되어야 하기 때문에 이러한 기울기를 주었을 때의 투과율 측정값은 실제 응용에 있어서 유용하게 이용될 것이다.
- 3과 같다. 첨가제가 들어가지 않은 천연색의 아크릴에 대해서 30W의 레이저 빔을 조사시키며 측정하였다. 측정된 결과부터 기울기가 증가할수록 반사되는 레이저 출력이 증가하여 투과율이 감소함을 알 수 있었다.
- 레이저 출력과 빔의 조사시간을 공정변수로 선정하여 용접을 수행한 후 전단인장시험을 통해 파단하중을 측정하였다. Fig.
- 하단부의 팽창으로 인한 융기 현상과 수증기의 발생으로 인하여 구멍이 형성됨을 알 수가 있다. 이러한 문제점을 줄이기 위하여 Fig. 7과 같은 형태로 투과성 재료와 흡수성 재료의 사이에 레이저 빔이 조사되는 부분의 가장자리에 얇은 판을 두고 압력을 가함으로써 간극을 부여한 실험을 하였으며 접합성을 알아보기 위하여 전단 인장시험을 통하여 접합강도를 측정하였다. 이러한 실험을 통해 용융된 폴리머가 간극을 통해 퍼져나감으로써 접합면적의 증가를 예상할 수가 있으며 간극을 통해 수증기를 제거할 목적으로 이러한 실험은 효과적이라고 여겨진다.
- 간극이 없는 경우에는 기포의 발생으로 인해 기밀성에 문제가 발생할 수 있다. 심 용접의 경우 기밀성을요하는 경우에 적용되는 경우에 활용도가 높으므로 간극이 있는 경우에 대해서 용접을 수행하고 파단강도를 측정하였다. 공정변수로는 레이저의 출력과 레이저 빔의 이송속도(scanning velocity, nml/s)를 선정하였다.
- 심 용접의 경우 기밀성을요하는 경우에 적용되는 경우에 활용도가 높으므로 간극이 있는 경우에 대해서 용접을 수행하고 파단강도를 측정하였다. 공정변수로는 레이저의 출력과 레이저 빔의 이송속도(scanning velocity, nml/s)를 선정하였다. Fig.
- 수행하였다. 레이저 투과접합방식의 접합성을 판단하기 위하여 점용접을 수행하고 접합부의 파단강도를 측정하다. 레이저 출력과 조사 시간을 공정 변수로 선택하여 실험을 수행하였으며, 두 재료 사이에 간극이 있는 경우와 없는 경우에 대한 실험을 수행하여 간극의 영향이 접합부에 미치는 영향을 비교하였다.
- 레이저 투과접합방식의 접합성을 판단하기 위하여 점용접을 수행하고 접합부의 파단강도를 측정하다. 레이저 출력과 조사 시간을 공정 변수로 선택하여 실험을 수행하였으며, 두 재료 사이에 간극이 있는 경우와 없는 경우에 대한 실험을 수행하여 간극의 영향이 접합부에 미치는 영향을 비교하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 투과접합의 맞대기 용접 (butt welding)에 대한 적용에 있어서 레이저가 기울어져 조사 되어야 하기 때문에 이러한 기울기를 주었을 때의 투과율 측정값은 실제 응용에 있어서 유용하게 이용될 것이다. 사용한 레이저 시스템은 180W급이며 TEMoo 모드인 CW Nd:YAG 레이저이다.
- 4와 같은 겹치기 접합형태(lap joint) 에 점용접(spot welding)을 수행하였으며 그림과 같이 레이저 빔은 접합면에 대하여 수직으로 조사하였다. 조사된 빔의 면적은 1.13mm이었으며, 레이저 조사 시간은 초 단위로 변화시키며 실험을 수행하였다. 사용된 재료는 유리 섬유의 성분비가 0%이며 색소가 첨가되지 않은 2mm 두께의 아크릴수지와 유리 섬유의 성분비가 30%인 주황색의 2mm 두께의 아크릴수지이며, 기초실험의 결과에 근거하여 전자를 투과성 재료로 후자를 흡수성 재료로 사용하였다.
- 13mm이었으며, 레이저 조사 시간은 초 단위로 변화시키며 실험을 수행하였다. 사용된 재료는 유리 섬유의 성분비가 0%이며 색소가 첨가되지 않은 2mm 두께의 아크릴수지와 유리 섬유의 성분비가 30%인 주황색의 2mm 두께의 아크릴수지이며, 기초실험의 결과에 근거하여 전자를 투과성 재료로 후자를 흡수성 재료로 사용하였다. 사용한 재료의 파단하중은 첨가물에 상관없이 두 재료 모두 393.
성능/효과
- 첨가제가 들어가지 않은 천연색의 아크릴에 대해서 30W의 레이저 빔을 조사시키며 측정하였다. 측정된 결과부터 기울기가 증가할수록 반사되는 레이저 출력이 증가하여 투과율이 감소함을 알 수 있었다. 앞서 설명한 바와 같이 맞대기 용접에 투과접합이 적용되는 경우에는 구조의 특성상 레이저가 기울어져서 조사되어야 하므로 투과율 변화에 대한 고려가 필요할 것이다.
- 파단하중의 감소는 파워와 조사 시간의 증가에 따라 열영향부(heat affected zone)도 증가함으로 인해 재료의 연화된 부분도 같이 증가하고 가열 후 수축의 범위도 증가하기 때문에 발생되는 것으로 여겨진다. 또한, 레이저 빔의 조사시간이 길수록 열영향부가 증가하므로 조사 시간이 긴 경우에 파단하중의 감소가 현저하게 나타나는 것으로 판단된다. 재료가 가열이 되면 폴리머의 분자가 무질서한 상태가 되고 냉각과정 중 재배열에 의해 초기의 분자상태가 흐트러지게 되기 때문에 가열 전초기의 재료와 기계적 성질이 달라지므로 열영향부의 증가는 파단강도의 감소를 유발할 수 있다.
- 10은 파단강도의 측정결과이다. 출력의 증가와 더불어 레이저 빔의 이송속도가 느릴수록 파단강도가 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 결과를 놓고 보았을 때 적절한 접합변수로는 70W의 레이저 출력과 5mm/s의 이송속도라는 것을 판단 할 수 있다.
- 출력의 증가와 더불어 레이저 빔의 이송속도가 느릴수록 파단강도가 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 결과를 놓고 보았을 때 적절한 접합변수로는 70W의 레이저 출력과 5mm/s의 이송속도라는 것을 판단 할 수 있다. 레이저 출력, 이송속도 이외에도 재료를 눌러주는 압력과 투과성 재료와 흡수성 재료사이의 간극도 주요한 변수로 판단되며, 간극과 압력의 최적화를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- (1) 레이저 출력과 조사 시간을 공정변수로 선택하여 실험을 수행하여, 적절한 강도를 보이는 영역을 찾을수가 있었다. 이러한 결과를 이용하여 아크릴수지 재료의 적절한 접합 변수들의 범위를 가늠할 수 있을 것이다.
- (2) 시편 사이에 간극이 없는 경우 접합면에서 구멍이 발생되는 것이 확인되었다. 이는 완전밀봉이 요구되는 구조물의 접합에서 문제를 일으킬 수 있다.
- (3) 시편 사이에 간극이 있는 경우에는 접합면에서 구멍이 발생되지 않았으나 접합강도는 간극이 없는 경우에 비해서 약 80%의 약한 접합강도를 보였다. 그러므로 큰 부하가 걸리는 대형 구조물에서의 이용보다는 완전밀봉을 요구하는 소형구조물의 접합에 있어서 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
- 그래프의 X 축에 명시된 레이저의 출력은 상부 재료에 닿기 전 위치에서의 Po 값들이다. 그래프에서 알 수 있듯이, 레이저 출력의 증가에 따라 파단하중도 증가하는 것과 일정 출력 (60W)과 일정 조사시간 (4sec)을 넘어선 부분의 파단하중은 점차 줄어드는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 레이저가 수직으로 입사하는 경우뿐만 아니라 기울기를 준 상태에서의 각 각도에 대하여 측정을 하였다. 투과접합의 맞대기 용접 (butt welding)에 대한 적용에 있어서 레이저가 기울어져 조사 되어야 하기 때문에 이러한 기울기를 주었을 때의 투과율 측정값은 실제 응용에 있어서 유용하게 이용될 것이다. 사용한 레이저 시스템은 180W급이며 TEMoo 모드인 CW Nd:YAG 레이저이다.
- 측정된 결과부터 기울기가 증가할수록 반사되는 레이저 출력이 증가하여 투과율이 감소함을 알 수 있었다. 앞서 설명한 바와 같이 맞대기 용접에 투과접합이 적용되는 경우에는 구조의 특성상 레이저가 기울어져서 조사되어야 하므로 투과율 변화에 대한 고려가 필요할 것이다.
- 이와 같은 결과를 놓고 보았을 때 적절한 접합변수로는 70W의 레이저 출력과 5mm/s의 이송속도라는 것을 판단 할 수 있다. 레이저 출력, 이송속도 이외에도 재료를 눌러주는 압력과 투과성 재료와 흡수성 재료사이의 간극도 주요한 변수로 판단되며, 간극과 압력의 최적화를 위해서는 추가적인 연구가 필요하다.
- 있었다. 이러한 결과를 이용하여 아크릴수지 재료의 적절한 접합 변수들의 범위를 가늠할 수 있을 것이다.
- 그러므로 큰 부하가 걸리는 대형 구조물에서의 이용보다는 완전밀봉을 요구하는 소형구조물의 접합에 있어서 이용될 수 있을 것으로 사료된다.
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