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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 자동차 경량화를 위한 차체 판재로 고려중인 알루미늄 A1-5052 판재에 기계적 프레스 접합과 접착접합을 동시에 적용하여 결합된 시험편에 대한 접합강도를 평가하고자 한다. 이를 위하여 접착제는 에폭시 수지를 사용하여 시편에 도포한 후 독일 TOX® 사野에서 개발한 기계적 프레스 접합방법으로 접합한 인장-박리 형상의 시험편을 최적의 경화조건에서 경화시킨 후 인장실험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 에폭시 접착제를 이용한 접착 및 기계적 프레스 접합에서의 최적의 프레스 펀치 하중을 결정하고, 신뢰성 확보 차원에서 강도를 평가하기 위하여 인장-박리 시험편을 사용하여 정적 인장 실험과 피로 실험을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 반복하중을 받게 된다. 이러한 접착 및 기계적 프레스 접합법을 자동차 차체 접합에 사용할 경우, 자동차 차체가 받는 반복 하중 상태와 유사한 실험과 해석을 통해 보다 유용한 정보를 얻을 수 있으므로 반복 하중 하에서의 접착 및 기계적 프레스 접합부의 피로 시험을 실시하고, 이에 대한 평가 및 예측을 하였다. 또한, 접착 및 기계적 접합을 동시에 적용하여 제작한 시험편과 순수 접착제를 사용하여 접합한 시험편의 피로 강도를 비교 평가하여 접착 및 기계적 접합의 피로강도에 있어서 각 접합의 상호효과에 관하여 검토하였다.
제안 방법
- 접착제 도포 후 프레스 접합시 최적의 펀치하중을 찾기 위하여 10~34kN까지 2kN단위로 펀치 작용 하중 상승하면서 시험편을 제작하였다. 그리고 각 각의 시편에 대하여 인장하중을 시험한 결과 20kN이 최고의 인장강도를 나타내므로, 20kN으로 표준시편으로 결정하고 제작하였다. 그리고 표준시편에 대해서 동일 조건(인장하중 조건)으로 인장 실험을 실시하였다.
- 그리고 각 각의 시편에 대하여 인장하중을 시험한 결과 20kN이 최고의 인장강도를 나타내므로, 20kN으로 표준시편으로 결정하고 제작하였다. 그리고 표준시편에 대해서 동일 조건(인장하중 조건)으로 인장 실험을 실시하였다. 또한 기계적 프레스 접합의 영향이 미치는 정도를 확인하기 위하여 접착접합만을 실시한 시편과 기계적 프레스 접합만을 수행한 시편을 각각 제작하여 인장시험을 실시하였다.
- 또한 기계적 프레스 접합의 영향이 미치는 정도를 확인하기 위하여 접착접합만을 실시한 시편과 기계적 프레스 접합만을 수행한 시편을 각각 제작하여 인장시험을 실시하였다. 기계적 프레스 접합 시편에 대해서는 시험하중이 피로 시험기의 제어 가능한 하중보다 낮은 관계로 피로시험은 접착과 20kN의 펀치작용하중으로 제작한 시편과 접착제만으로 제작한 시편에 대하여 실시하였다.
- 이는 기계적 접합의 경우 하중이 인장으로 작용하는 T자형 연결부위가 하중을 적절히 유지하기 어렵고 단순히 접합부가 구속된 상태에서 일종의 외팔보 거동을 보이기 때문이다. 따라서 이와 같은 인장-박리 하중 방식에서의 기계적 접합부의 문제점인 버튼이 열리는 문제점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 접착 접합과의 혼합된 접합방식을 적용하였다. 결론적으로 두 접합 방식이 결함된 경우 최대 인장저항력이 L7kN으로 순수 기계적 접합의 강도인 0.
- 최적의 펀치 작용하중을 결정하여 제작된 시험편을 이용하여 인장 및 피로시험을 실시하여 인장강도와 피로 강도를 측정하였다. 또한 기계적 프레스 접합을 하지 않고 접착 접합만을 한 시편에 대하여 인장 및 피로 실험을 실시하여 강도에 있어서 접착접합의 영향을 평가하였다.
- 그리고 표준시편에 대해서 동일 조건(인장하중 조건)으로 인장 실험을 실시하였다. 또한 기계적 프레스 접합의 영향이 미치는 정도를 확인하기 위하여 접착접합만을 실시한 시편과 기계적 프레스 접합만을 수행한 시편을 각각 제작하여 인장시험을 실시하였다. 기계적 프레스 접합 시편에 대해서는 시험하중이 피로 시험기의 제어 가능한 하중보다 낮은 관계로 피로시험은 접착과 20kN의 펀치작용하중으로 제작한 시편과 접착제만으로 제작한 시편에 대하여 실시하였다.
- 이러한 접착 및 기계적 프레스 접합법을 자동차 차체 접합에 사용할 경우, 자동차 차체가 받는 반복 하중 상태와 유사한 실험과 해석을 통해 보다 유용한 정보를 얻을 수 있으므로 반복 하중 하에서의 접착 및 기계적 프레스 접합부의 피로 시험을 실시하고, 이에 대한 평가 및 예측을 하였다. 또한, 접착 및 기계적 접합을 동시에 적용하여 제작한 시험편과 순수 접착제를 사용하여 접합한 시험편의 피로 강도를 비교 평가하여 접착 및 기계적 접합의 피로강도에 있어서 각 접합의 상호효과에 관하여 검토하였다.
- 수지재와 경화제의 최적의 접착조건을 가져오는 혼합비율은 제품사의 사용 매뉴얼에 따르면 중량비(Araldite : hardener)의 경우 100 : 80의 비율이며, 부피비율은 100: 100이다. 본 연구를 위하여 비이커를 사용하여 부피 비율로서 1 : 1로 혼합하였다.
- 본 연구에서 접착 및 기계적 프레스 접합법으로 시험편을 제작하였다. 사용한 접착재료로는 스위스 Ciba-Geigy사의 에폭시 구조 접착제로 수지 재료는 Araldite AW106, 경화제(hardner)는 HV953을 사용하였다.
- 성분은 각각 Table 1, 2와 같다. 본 연구에서는 기계적 프레스 접합에 관한 규격이 현재 정확히 정해진 바가 없으므로 점용접에 사용되는 인장-박리시험편과 동일한 규격으로 점용접 시험편을 제작하였다. 시험편은 0.
- 또한 프레스 하중에 따라 접착제의 두께가 달라지는데 단순히 프레스 하중의 증가가 접착제 두께를 얇게 할 수는 있으나 인장-박리 시험편의 경우 접착제의 두께가 두꺼울수록 유리하다는 연구'7)를 토대로 기계적 접합과 접착 접합이 복합적으로 작용하는 시험편에 대한 최적의 접합 조건을 도출하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 접착제의 두께를 인위적으로 조절하기가 어렵고 이두께는 기계적 프레스 하중에 영향을 받으므로 접착제를 도포한 상태에서 프레스 하중을 10~34kN 까지 변화시키면서 가장 큰 인장 저항력이 발생하는 프레스 하중 조건을 도출하였다.
- 한다. 이를 위하여 접착제는 에폭시 수지를 사용하여 시편에 도포한 후 독일 TOX® 사野에서 개발한 기계적 프레스 접합방법으로 접합한 인장-박리 형상의 시험편을 최적의 경화조건에서 경화시킨 후 인장실험을 실시하였다. 최고의 인장력을 가져오는 펀치 하중을 도출하여 시험편을 제작하였다.
- 2와 같다. 절단된 판재는 접착제 도포 전 접착성능향상을 위하여 오염되지 않은 상태에서 접착하는 것이 중요하므로 아세톤으로 접착제 접촉면에 대하여 깨끗이 세척하고 대기 중에서 건조시켜 접착제 간 양호한 계면을 유지할 수 있도록 전처리를 하였다.
- 접착 및 기계적 프레스 접합부의 정적 강도 및 피로 강도를 평가하기 위한 인장 및 피로실험에는 Fig. 3의 lOton 용량의 서보 유압식 만능 재료 시험기(Ins tron 8516)를 사용하였고, 인장시험은 변위 제어 방식으로 10mm/min의 속도로 수행하였다. 접착제 도포 후 프레스 접합시 최적의 펀치하중을 찾기 위하여 10~34kN까지 2kN단위로 펀치 작용 하중 상승하면서 시험편을 제작하였다.
- 3의 lOton 용량의 서보 유압식 만능 재료 시험기(Ins tron 8516)를 사용하였고, 인장시험은 변위 제어 방식으로 10mm/min의 속도로 수행하였다. 접착제 도포 후 프레스 접합시 최적의 펀치하중을 찾기 위하여 10~34kN까지 2kN단위로 펀치 작용 하중 상승하면서 시험편을 제작하였다. 그리고 각 각의 시편에 대하여 인장하중을 시험한 결과 20kN이 최고의 인장강도를 나타내므로, 20kN으로 표준시편으로 결정하고 제작하였다.
- 접착제의 도포는 전처리된 시편에 깨끗한 붓을 이용하여 접착부위에 도포하여 사용하였으며, 접착 이후에는 기계적 프레스 접합을 쉽게 하기 위하여 약 5분간 상온에서 건조한 후 독일 TOX®사의 버튼 형상의 라운드 크린치(round clinch) 기계적 프레스 접합을 하였다. 접합시 필요한 하중을 가하는 장치로는 Fig.
- 이를 위하여 접착제는 에폭시 수지를 사용하여 시편에 도포한 후 독일 TOX® 사野에서 개발한 기계적 프레스 접합방법으로 접합한 인장-박리 형상의 시험편을 최적의 경화조건에서 경화시킨 후 인장실험을 실시하였다. 최고의 인장력을 가져오는 펀치 하중을 도출하여 시험편을 제작하였다. 최적의 펀치 작용하중을 결정하여 제작된 시험편을 이용하여 인장 및 피로시험을 실시하여 인장강도와 피로 강도를 측정하였다.
- 최고의 인장력을 가져오는 펀치 하중을 도출하여 시험편을 제작하였다. 최적의 펀치 작용하중을 결정하여 제작된 시험편을 이용하여 인장 및 피로시험을 실시하여 인장강도와 피로 강도를 측정하였다. 또한 기계적 프레스 접합을 하지 않고 접착 접합만을 한 시편에 대하여 인장 및 피로 실험을 실시하여 강도에 있어서 접착접합의 영향을 평가하였다.
대상 데이터
- 제작하였다. 사용한 접착재료로는 스위스 Ciba-Geigy사의 에폭시 구조 접착제로 수지 재료는 Araldite AW106, 경화제(hardner)는 HV953을 사용하였다. 수지재와 경화제의 최적의 접착조건을 가져오는 혼합비율은 제품사의 사용 매뉴얼에 따르면 중량비(Araldite : hardener)의 경우 100 : 80의 비율이며, 부피비율은 100: 100이다.
- 3의 서보유압제어 만능인장시험기 (universal testing machine, Instron 8516)를 사용하였다. 시험편 제작에 사용된 펀치는 직경과 버튼 형태에 따라 다양하게 선택할 수 있으나, 본 연구에서는 직경 5.4mm의 라운드 형 펀치와 직경이 8.3mm인 다 이를 사용하였으며 Fig. 3과 같이 장착하여 접합하였다. 접착 및 기계적 프레스 접합이 완료된 시편은 전기로를 이용하여 최적의 경화조건인 150℃ 에서 5분간 경화하였으며, 경화시 접착제의 접착 면을 균일한 압착을 위하여 C-형 클램프를 이용하여 압착상태에서 경화하였고 최종적으로 제작된 시편은 각각 Fig.
- 시험편 제작에 사용한 재료는 자동차 차체의 경량화를 위한 대체 재료로 주로 활용되고 있는 알루미늄 합금(A1-5052)으로서 그 기계적 성질과 화학적 성분은 각각 Table 1, 2와 같다. 본 연구에서는 기계적 프레스 접합에 관한 규격이 현재 정확히 정해진 바가 없으므로 점용접에 사용되는 인장-박리시험편과 동일한 규격으로 점용접 시험편을 제작하였다.
- 본 연구에서는 기계적 프레스 접합에 관한 규격이 현재 정확히 정해진 바가 없으므로 점용접에 사용되는 인장-박리시험편과 동일한 규격으로 점용접 시험편을 제작하였다. 시험편은 0.8mm 두께의 A1-5052를 W=30, P = 30mm, Lh=100mm로 제작하였으며 형상은 Fig. 2와 같다. 절단된 판재는 접착제 도포 전 접착성능향상을 위하여 오염되지 않은 상태에서 접착하는 것이 중요하므로 아세톤으로 접착제 접촉면에 대하여 깨끗이 세척하고 대기 중에서 건조시켜 접착제 간 양호한 계면을 유지할 수 있도록 전처리를 하였다.
- 하였다. 접합시 필요한 하중을 가하는 장치로는 Fig. 3의 서보유압제어 만능인장시험기 (universal testing machine, Instron 8516)를 사용하였다. 시험편 제작에 사용된 펀치는 직경과 버튼 형태에 따라 다양하게 선택할 수 있으나, 본 연구에서는 직경 5.
성능/효과
- 1) 두께 0.8mm의 알루미늄 A1-5052 판재에 버튼 직경 8.3mm로 기계적 접합과 에폭시 접착제를 사용하여 접합할 경우 인장강도 측면에서의 최적의펀치 직용하중은 20kN으로 나타났다.
- 2) 두 접합 방식이 결합된 경우 최대 인장저항력이 1.7kN으로 순수 기계적 프레스 접합의 강도인 0.18kN과 순수 접착 접합의 강도인 0.98kN의 합인 0.16kN에 비하여 47% 증가함을 알 수 있다.
- 3) 피로수명 1晚회를 기준으로 접착 및 기계적 접합을 동시에 적용한 시편과 순수 접착으로 제작한 시편에서 피로강도가 각각 680N 및 620N으로 나타났으며 이 값은 정적강도를 기준으로 접착 및 기계적 접합의 경우 4%와 순수 접착접합의 경우 6% 로 매우 낮은 값으로 나타났다.
- 균열이 진전된 후 접합부의 인장 저항력인 약 10N에 도달하며 접합부로써의 기능이 끝나는 파단에 이른다. 3개의 시험편의 평균 인장강도는 0.98kN으로 나타났으며 최대정점 하중을 나타나는 변위량은 약 0.25mm로 측정되 었다.
- 4) 순수 접착접합부의 피로강도가 접착 및 기계적 프레스 접합부 피로강도의 91%이며, 순수 접착의 정적 인장 저항력이 두 접합이 결합된 경우의 정적 인장 저항력의 68%임을 고려할 경우 접착 접합의 역힐-이 정적강도 측면보다도 피로 강도 측면에서 상대적으로 크게 작용하였다.
- 따라서 이와 같은 인장-박리 하중 방식에서의 기계적 접합부의 문제점인 버튼이 열리는 문제점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 접착 접합과의 혼합된 접합방식을 적용하였다. 결론적으로 두 접합 방식이 결함된 경우 최대 인장저항력이 L7kN으로 순수 기계적 접합의 강도인 0.18kN과 순수 접착 접합의 0.98kN의 합인 1.16kN에 비하여 47% 증가함을 알 수 있다. 이 47%가 두 접합 방식의 혼합에 의한 정적강도에 있어서의 상호효과로 평가된다.
- 접착제와 기계적 접합을 혼합한 경우 펀치 하중이 증가하면서 인장 저항력이 증가하여 펀치하중이 200에서 가장 높은 인장 저항력을 나타내었으며 이후 다소 편차는 있으나 전반적으로 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서 접착제 및 기계적 접합을 결함한 본 연구의 경우 최적의 펀치하중은 20kN으로 나타났으며 따라서 모든 피로 시험편은 20kN으로 접합하였다. 또한 이때 본드의 두께 0.
- 리벳 접합에 에폭시 접착제로 보강한 인장-박리 시험편에 대하여 피로시험의 결과 최대 인장하중 대비 피로 한도가 45%로 보고&되어 이 값에 비하면 대단히 낮은 수치이다. 또한, 순수 접착 접합부의 피로 강도가 접착 및 기계적 접합부의 피로강도의 91%에 해당하며 결과적으로는 나머지 9%는 순수 기계적 프레스 접합 내지는 두 접합의 상호작용 효과로 판단된다. 순수접합의 정적 인장 저항력이 두 접합 방식이 결합된 경우의 68%인 정적 인장 저항력을 고려할 경우 피로강도 측면에서 접착 접합의 역할이 높으며 상대적으로 기계적 접합의 역할은 낮아진다고 평가된다.
- 이는 알루미늄 판재가 분리되며 결과적으로 예리한 노치 내지는 균열이 발생하여 응력이 급속하게 집중되어 판재의 분리가 지속적으로 발생하나 또 다른 기계적 접합이 존재하여 하중을 지탱하기 때문으로 판단된다. 펀치하중 20kN으로 제작한 시편에서 최고 인장 저항력이 나타났으며, 이때 변위량은 0.37mm로 확인되었다.
- 8은 전단-인장강도가 최대로 나타나는 32kN의 펀치하중으로 제작한 순수 기계적 프레스 접합의 인장-박리 시험편을 인장 시험한 결과를 나타낸 그래프이다. 평균 최대 인장 저항력은 0.18kN으로나타나 단순 접착제만을 사용한 접착 시험편의 인장 저항력인 0.98kN의 18%에 해당하는 매우 낮은 것으로 나타났다. 약 5 ~6imn의 변위가 발생한 후에 저항 하중이 급격히 저하하는데 이는 버튼이 열리면서(open-up) 상판과 하판이 분리되기 때문이다.
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