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문제 정의
- 피접합재 표면의 거칠기에 따른 접합강도의 차이에 대해 고찰한다. 연마재를 이용하여 표면처리를 한 시험 편에서 무처리 시험편보다 접합강도가 높게 얻어졌다.
- 본 연구에서는 구조이음부에 사용하는 접착제의 기본 성능을 검증하기 위한 방법을 검토하였다. 접착제 도포 시의 특성 (표면 거칠기, 도포 두께, 필릿) 변화에 따른 접합강도를 시리즈 Lap-shear 시험을 이용하여 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는, 접착제 구조이음부의 강도평가 및 분석을 위하여 Lap-shear test을 이용한 실험적 연구를 수행하였다. 접착제를 이용한 구조이음부에 대한 검토를 수행 할 경우, 해당 이음구조에 대한 가장 기본적 형태, 즉 용접이음과 비교를 통한 분석이 이루어져야만 하므로, 용접이음 시험편의 시험 결과와도 비교를 수행하였다.
- 표면거칠기를 조절하기 위한 방법으로는 금속재료의 표면처리에 가장 많이 사용되는 숏 블라스팅방법을 이용하였다. 즉, 서로 다른 직경의 연마재를 사용하여 표면거칠기를 조절하였고, 접합강도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 무처리 시험편의 접합강도와도 비교하였다.
- 또 다른 영향인자로서, 접착제를 이용한 구조 이음부에 적용된 접착제 도포두께를 설정하였고, 시나리오에 따라 각각 0.5, 1.0, 2.0mm로 다르게 설정하였다. Arenas에 따르면 구조용 접착제를 이용한 구조이음부의 제작에서 0.
- 5mm 도포가 가장 최적이라는 것이 보고된 바 있다12). 본 연구에서 사용한 접착제 및 시험편은 Arenas의 연구에서 사용된 접착제와 비슷한 성분인 이유로 기본 두께를 0.5mm로 설정하였으며 접합강도에 미치는 영향의 분석을 위해 도포 두께를 변화시키는 시나리오를 설정하였다.
- 본 연구에서는 접착제 필릿(spew fillet)이 있는 경우와 접착제 필릿이 없을 경우로 나누어 전술한 각각의 시나리오를 적용하였다. 필릿의 크기는 5mm로 설정하였다.
- 접착제 도포두께, 접합표면 거칠기, 필릿효과를 변수로 둔 전단 시나리오시험을 수행하였다. 하중제어는 변위제어(5.
- 하지만 용접에 의한 접합에서는 피접합재의 구조적 특성 상 표면 상의 맞대기용접이 수행되므로, 용접횟수의 영향이 존재하게 된다. 본 연구에서는 두 면, 네 면 두가지 경우로 나누어 용접 접합 시험편을 제작하고 각각 전단시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 구조이음부에 사용하는 접착제의 기본 성능을 검증하기 위한 방법을 검토하였다. 접착제 도포 시의 특성 (표면 거칠기, 도포 두께, 필릿) 변화에 따른 접합강도를 시리즈 Lap-shear 시험을 이용하여 분석하였다. 기본적인 강도에 대한 비교분석을 목적으로 동일구조에 대한 용접접합시의 강도와 비교하였다.
- 접착제 도포 시의 특성 (표면 거칠기, 도포 두께, 필릿) 변화에 따른 접합강도를 시리즈 Lap-shear 시험을 이용하여 분석하였다. 기본적인 강도에 대한 비교분석을 목적으로 동일구조에 대한 용접접합시의 강도와 비교하였다. 연구결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 접착제 접합을 이용한 구조이음부의 성능을 비교분석하기 위한 기준을 설정하는 목적으로, 동일한 치수의 피접합재를 MIG용접으로 접합한 후 전단시험을 수행하였다. 접착제 접합은 피접합재 표면에 접착제가 전체적으로 도포되므로 두께 외에는 달라지는 변수가 없다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 구조이음용 접착제로는 3M사의 DP-460을 사용하였다. DP-460은 에폭시 계열의 접착제로서 다양한 산업현장에서 사용되고 있다6).
- DP-460은 에폭시 계열의 접착제로서 다양한 산업현장에서 사용되고 있다6). 시험편 (Fig. 1, 2 참조)은 ASTM, GTT 에 근거한 단일겹침 형식이며 이는 제작과정이 비교적 단순하고 비용 또한 저렴하여 접착제 실험 시 자주 사용된다7-9). 피접합재는 구조경량화 재료로 많이 사용되는 알루미늄 6061이다.
- 1, 2 참조)은 ASTM, GTT 에 근거한 단일겹침 형식이며 이는 제작과정이 비교적 단순하고 비용 또한 저렴하여 접착제 실험 시 자주 사용된다7-9). 피접합재는 구조경량화 재료로 많이 사용되는 알루미늄 6061이다.
- 본 연구에서는 접착제 필릿(spew fillet)이 있는 경우와 접착제 필릿이 없을 경우로 나누어 전술한 각각의 시나리오를 적용하였다. 필릿의 크기는 5mm로 설정하였다. Table 1에 실험시나리오를 정리한다.
데이터처리
- 0mm/min) 방식으로 수행하였다. 실험에서의 재현성 확보를 위하여 하나의 시나리오 당 5회씩 반복실험을 수행하였고 결과는 평균값으로 정리하였다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에서는, 접착제 구조이음부의 강도평가 및 분석을 위하여 Lap-shear test을 이용한 실험적 연구를 수행하였다. 접착제를 이용한 구조이음부에 대한 검토를 수행 할 경우, 해당 이음구조에 대한 가장 기본적 형태, 즉 용접이음과 비교를 통한 분석이 이루어져야만 하므로, 용접이음 시험편의 시험 결과와도 비교를 수행하였다.
- 표면거칠기를 조절하기 위한 방법으로는 금속재료의 표면처리에 가장 많이 사용되는 숏 블라스팅방법을 이용하였다. 즉, 서로 다른 직경의 연마재를 사용하여 표면거칠기를 조절하였고, 접합강도에 미치는 영향을 분석하기 위하여 무처리 시험편의 접합강도와도 비교하였다.
성능/효과
- 시험결과, 0.5mm의 접착제 두께와 0.4mm 직경의 연마재를 이용해 모재 표면 처리를 하고 접착제 필릿 형상의 시험편이 가장 높은 평균 파단하중 및 파단 변위 값을 나타냈다.
- 시험편의 접합강도와 접착제 층 두께의 상호관계를 분석한 결과, 접착제 도포두께가 두꺼워 질수록 최대 전단강도는 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 접착제 층의 두께가 두꺼울수록 두께방향으로 내부 기공이나 미세결함이 존재할 가능성이 높고 결국 이러한 것들이 접착력에 영향을 미칠 수 있기 때문인 것으로 사료된다.
- 접착제 구조이음부의 접착력에 미치는 접착제 내부기공들의 영향이 유사한 내용으로 보고된 바 있다14). 본 연구에서 진행된 실험에서는 접착제 층의 두께가 0.5mm일 때, 전단강도의 값이 가장 컸으며 1mm, 2mm로 두께가 증가함에 따라 전단강도는 각각 7~8%정도 수준으로 감소하였다.
- 연마재를 이용하여 표면처리를 한 시험 편에서 무처리 시험편보다 접합강도가 높게 얻어졌다. 즉, 표면 처리를 통하여 접합강도가 향상될 수 있음을 확인하였다.
- 또한, 연마재 직경이 작을수록, 즉 표면이 매끄러울수록 접합강도가 좋아짐을 확인하였다. 본 연구에서는 연마재 사용의 한계가 있어 다양한 시나리오에 대한 분석이 불가능하였지만 표면거칠기 수준과 접합강도의 연관관계가 존재하며 이에 대한 정량적인 제시가 필요할 것으로 판단된다.
- 5에는 각 표면 거칠기에서 필릿이 있을 때와 없을 때의 접합강도 차이를 종합적으로 비교하여 나타낸 것이다. 필릿이 있는 경우(A, B, C 그룹)가 필릿이 없는 경우에 비하여 접합강도가 최대 약 40%까지 높게 얻어짐을 확인할 수 있었다. 따라서 접착제를 이용하여 구조이음부를 제작할 경우에 미관상 문제가 되지 않는다면, 자연스럽게 형성되는 필릿부위를 제거하지 않는 것이 구조 강도 측면에서는 좋은 효과를 줄 수 있을 것이라 사료된다.
- 접착제 접합의 경우 2면 용접에 비해서는 전단강도가 더 높게 얻어졌지만, 4면 용접과 비교하였을 경우에는 약 50% 이상 낮은 값을 얻었다. 하지만, 변형 측면에서는 접착제로 접합한 시험편이 용접으로 접합한 모든 경우보다 파단 시점까지 더 연성변형을 유지함을 확인할 수 있었다.
- 1) 접착제 층의 두께가 증가할수록 접합강도 값은 감소하는 결과를 나타냈다. 이는 접착제 도포층의 두께가 두꺼울수록 내부결함을 많이 포함할 가능성이 있어 잠재적 강도 감소 요인으로 작용하는 것으로 사료되나, 두께 증가에 따른 접합부의 파단 위치의 변화와 굽힘하중의 영향에 대한 분석 또한 필요하다고 판단된다.
- 2) 표면처리를 통해 모재 표면을 거칠게 하는 것이 아무런 처리를 하지 않는 것보다는 접합강도가 향상되었다. 이를 통해 표면처리를 하는 것이 접합강도를 향상시킨다고 단정 할 순 없지만 표면 거칠기와 최대 접합강도의 관계에 대한 추가적인 연구를 통하여 최적 표면 거칠기에 대한 분석은 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 3) 구조형식에 따라서는 용접의 기법이나 용접이음부 형태도 다르게 적용되겠지만, 가장 기본적인 용접이음부와 비교해볼 때, 접착제 접합 구조이음부도 상당한 수준의 강도를 보유할 수 있음을 확인하였다. 따라서 강도에 큰 비중이 취해지지 않는 구조이음부 설계의 경우라면, 경제적으로 더 많은 장점을 취할수 있는 구조 경량화용 접착제 접합기법의 적극적인 적용이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한, 연마재 직경이 작을수록, 즉 표면이 매끄러울수록 접합강도가 좋아짐을 확인하였다. 본 연구에서는 연마재 사용의 한계가 있어 다양한 시나리오에 대한 분석이 불가능하였지만 표면거칠기 수준과 접합강도의 연관관계가 존재하며 이에 대한 정량적인 제시가 필요할 것으로 판단된다.
- 2) 표면처리를 통해 모재 표면을 거칠게 하는 것이 아무런 처리를 하지 않는 것보다는 접합강도가 향상되었다. 이를 통해 표면처리를 하는 것이 접합강도를 향상시킨다고 단정 할 순 없지만 표면 거칠기와 최대 접합강도의 관계에 대한 추가적인 연구를 통하여 최적 표면 거칠기에 대한 분석은 반드시 필요할 것으로 판단된다.
- 3) 구조형식에 따라서는 용접의 기법이나 용접이음부 형태도 다르게 적용되겠지만, 가장 기본적인 용접이음부와 비교해볼 때, 접착제 접합 구조이음부도 상당한 수준의 강도를 보유할 수 있음을 확인하였다. 따라서 강도에 큰 비중이 취해지지 않는 구조이음부 설계의 경우라면, 경제적으로 더 많은 장점을 취할수 있는 구조 경량화용 접착제 접합기법의 적극적인 적용이 가능할 것으로 판단된다.
- 4) 본 연구에서 수행한 다양한 시나리오 시험평가 기법을 이용한다면, 접착제를 이용한 구조이음 제작에 있어 성능검증을 위한 기법 제시 및 정량적인 성능분석이 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 표면거칠기 분석을 위한 표준시험법 제시, 표준 접착제 도포두께 결정법 등 다양한 종류의 체계적 연구가 필수적으로 요구된다.
- 4) 본 연구에서 수행한 다양한 시나리오 시험평가 기법을 이용한다면, 접착제를 이용한 구조이음 제작에 있어 성능검증을 위한 기법 제시 및 정량적인 성능분석이 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해서는 표면거칠기 분석을 위한 표준시험법 제시, 표준 접착제 도포두께 결정법 등 다양한 종류의 체계적 연구가 필수적으로 요구된다.
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