CFRTP-SPFC980Y 이종소재 접합부 기계적 특성 평가

Evaluation of Mechanical Characteristic for CFRTP/SPFC980Y Dissimilar joint

Article information

J Weld Join. 2020;38(5):435-440

Publication date (electronic) : 2020 October 26

doi : https://doi.org/10.5781/JWJ.2020.38.5.2

Tae Hyun Lee ^*^,^**

, Je Hoon Oh ^**, Dong-Hyuck Kam ^*^,

이태현^*^,^**

, 오제훈^**, 감동혁^*^,

* 한국생산기술연구원 용접접합그룹

* Joining R&D group, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon, 21999, Korea

** 한양대학교 기계설계공학과

** Dept. of mechanical design engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Korea

^† Corresponding author : kamdong@kitech.re.kr

Received 2020 September 4; Revised 2020 October 5; Accepted 2020 October 15.

Abstract

In this study, the mechanical characteristics of CFRTP/SPFC980Y dissimilar joints were evaluated. Bolt/nut, SPR (Self Piercing Rivet), and hybrid (bolt/nut & adhesive) joining were selected to evaluate joint properties. In the bolt/nut joining case, the effect of washer application in the joint behavior was observed, and the tightening torque was optimized. In SPR joining, CFRTP and SPFC980Y lacked formability, so SPR joining was possible by applying the additional sheet. For hybrid (bolt/nut & adhesive) joining, cause the bolt’s preload, the tensile shear load was lower than the applied adhesive joint. Nevertheless, the highest toughness was obtained in the hybrid joint due to the stress distribution effect by adhesive.

Keywords: CFRTP; SPFC980Y; Bolt/Nut; Self-Piercing Rivet; Adhesive; Hybrid joint

1. 서 론

CFRP(Carbon Fiber Reinforce Plastic)는 고강도 경량 소재로써 자동차 산업에서 차량경량화를 위한 소재로 주목 받고 있다. 일반적으로 열경화성 CFRP가 차체 소재로 고려된다1). 하지만 열경화성 CFRP는 우수한 기계적 강도 및 내구성에도 불구하고 부품화 및 조립 기술 생산성이 낮아 대량생산이 어렵고, 또한 제조 원가도 높다. 그리고 디자인 자유도가 낮으며 경화 후에 재가공이 불가하므로 수리 및 재활용이 불가한 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 열가소성 CFRP (CFRTP, Carbon Fiber Reinforce Thermo Plastic)의 적용이 제안되고 있다2). CFRTP는 열가소성 matrix를 기반으로 하여 제조되므로, 생산 자동화와 대량생산이 용이하고 수리 및 재활용이 가능하다.

CFRTP의 경우 금속과의 이종소재 접합에서 용융 접합이 가능한 것으로 알려져 있다3-7).하지만. 열가소성 수지의 강도 이상의 접합강도를 확보하기 어려우며 matrix 수지와 금속 소재 조합에 따라 강도 차이가 발생한다. 따라서 높은 강도가 요구되는 접합부의 경우 bolt/nut8,9), SPR(Self Piercing Rivet)10-13), FDS (Flow Drill Screw)14), Clinching15,16)과 같은 기계적 체결방법과 adhesive 접합17)의 적용이 제안되고 있다. 그러나 기존의 연구사례는 대다수 열경화성 CFRP와 이종금속과의 접합방법에 대한 연구가 대다수이며 CFRTP의 적용사례는 부족한 실정이다.

본 연구에서는 CFRTP와 SPFC980Y 이종 소재의 접합 공법에 따른 기계적 물성을 비교 평가하였다. 본 논문에서 고려한 이종 소재 접합 공법은 bolt/nut, SPR, adhesive, hybrid(bolt/nut & adhesive) 접합이다. 각 체결 방법에 따른 접합부의 전단 인장 강도를 평가 하였으며 파단모드 접합부에 미치는 영향을 평가하였다.

2. 실험장치 및 방법

본 실험에서 사용된 CFRTP 소재는 열가소성 수지인 PA6 matrix와 UD carbon fiber기반의 prepreg를 가압 성형하여 제조하였으며 두께는 2.0 mm이다. CFRTP의 표피층은 직조형태의 carbon fiber가 적용되었다. 스틸 소재는 1.6 mm 두께의 SPFC980Y를 사용하였다. Fig. 1은 CFRTP와 SPFC980Y 이종소재 접합부의 전단인장평가를 위한 시편을 나타내었다. 전단인장시험은 KS B ISO 14273 규격에 따라 진행하였다.

Fig. 1

KS B ISO 14273 standard tensile shear test specimen

Bolt/nut 접합 평가에 사용된 볼트와 너트는 S45C M6규격을 사용하였다. Washer는 탄소강 재질의 M6 규격을 사용하였다. 체결토크의 변화에 따른 접합성을 평가하기 위하여 TOHNICHI QL25N-MH 토크렌치를 사용하였다. Bolt/nut 체결을 위하여 CFRTP와 SPFC980Y 시편 접합부에 Φ6 홀 가공을 실시하였다.

SPR 접합 실험에서 사용된 장비는 Bollhoff사의 유압식 RIVSET® GEN 2를 사용하였으며 최대 78 kN까지 setting force로 조절 가능하다. 리벳과 다이는 Bollhoff사의 제품을 사용하였다. 리벳은 보론강 재질의 C-Type이며 리벳 길이는 접합시편의 총 두께에 2mm길이로 선정하였다. 리벳다이는 FM-type 다이를 사용하였다11).

Hybrid(bolt/nut & adhesive) 접합부는 CFRTP와 SPFC980Y시편의 접합면에 adhesive를 도포한 후 bolt/nut 접합을 실시하였다. adhesive는 1액형 adhesive인 Henkel사의 Terokal 5016 구조용 adhesive를 사용하였다. adhesive의 두께를 균일하게 하기 위하여 접착제를 도포한 면에 0.2mm glass bead를 도포한 후 접착을 진행하였다.

전단인장시험은 각 시험 조건에 따라 3개의 시편을 제작한 후 평가하였다. Shimadzu AG-300kNX 만능재료시험기를 사용 하였으며, 인장속도는 3 mm/min로 설정하였다.

3. 실험결과

3.1 bolt/nut 접합 평가

CFRTP 2 mm 소재와 SPFC980Y 1.6 mm 소재의 bolt/nut 체결부에 대하여 접합성을 평가하였다. 체결토크와 washer는 접합부의 체결력에 영향을 미치는 것으로 알려져 있으므로 washer의 적용 유무와 체결토크에 따른 체결강도의 평가를 통하여 접합부를 평가하였다. 그 결과를 Fig. 2에 도시하였다. Washer가 적용되었을 경우 체결토크의 증가에 따라 전단인장강도는 15 Nm까지 선형적으로 증가하였으며, 20 Nm에서 CFRTP 손상으로 인하여 전단인장강도는 감소되었다. 체결 토크 15 Nm에서 5.7 kN의 최대 인장하중이 확인되었다. Washer가 적용되지 않았을 경우 인장강도는 체결토크 15 Nm까지 선형적으로 증가되었으며, 체결토크 20 Nm에서 CFRTP 소재의 파손으로 인하여 전단인장 하중을 측정이 불가능하였다.

Fig. 2

Results of tensile shear test for bolt/nut joint

Washer의 적용으로 인장하중이 증가하는 이유는 CFRTP의 홀 주변부의 응력집중이 washer로 인해 분산되어 모재파단이 지연되기 때문이다. Fig. 3는 접합시편의 파단 부 형상을 보여준다. 파단모드는 washer가 적용되지 않았을 경우 bearing 파단이 발생하였으며, washer가 적용되었을 경우 shear-out 파단이 발생하였다. Fig. 4에 전단인장시험의 Load-Dispacement의 결과를 그래프에 도시하였다. Washer가 없는 시편의 경우 CFRTP에서 파이버의 파손이 발생됨에 따라 인장하중의 하락과 증가가 반복되는 것이 확인되었다. 인장하중은 증가하지 않고 Bearing 파단으로 인하여 CFRTP는 파손된다. Washer가 적용된 시편의 경우에서도 파이버가 파손됨에 따라 인장하중의 등락이 발생한다. 하지만 washer로 인해 인장하중의 급격한 하락은 발생하지 않으며 접합 강도가 증가하는 현상이 관찰되었다. 따라서 washer의 적용을 통한 볼트와 CFRTP와의 접촉면적의 증가는 접합강도의 상승시킬 수 있는 요인으로 작용하는 것으로 판단된다.

Fig. 3

Fracture mode for bolted joint (a) None washer (b) Washer

Fig. 4

Load-displacement curves for bolt/nut joint

3.2 SPR 접합 평가

CFRTP 2 mm 소재와 SPFC 980 Y 1.6 mm 소재의 SPR 공법 적용에 따른 접합성을 평가하였다. SPR 접합부는 리벳에 가압력을 통해 상판소재를 관통하며, 리벳과 하판소재는 소성변형 되는 과정을 통하여 인터락이 형성된다. CFRTP의 경우 상온에서 소성변형이 불가능한 소재로 하판소재에 적용이 어렵기 때문에 SPFC 980Y 소재를 하판으로 위치하였다.

Fig. 5에 CFRTP와 SPFC 980 Y의 SPR 접합부 단면을 나타내었다. Fig. 5 는 CFRTP와 SPFC 980 Y의 SPR 접합부의 단면이며 리벳은 소성변형이 일어나 하판에 인터락을 형성되었다. 하지만 하판 SPFC980Y가 성형이 되지 않고 파손이 발생하여 접합부 불량이 발생하였다. 이는 낮은 성형성으로 인해 접합이 어려운 것으로 판단된다.

Fig. 5

Cross section of CFRTP 2mm (top) - SPFC 1.6 mm (bottom) ) SPR joint

성형성이 충분한 Al5052 덧댐판을 적용하여 CFRTP와 SPFC980Y의 SPR 접합을 Fig. 6과 같이 가능하게 하였다. Al5052 덧댐판을 적용을 통한 인터락의 형성이 가능하기 때문에 SPFC980Y(상판), CFRTP(중판), Al5052 (하판)소재조합을 적용하였다. 여기서 상판 SPFC980Y 에 홀 가공을 적용하지 않은 경우 Fig. 6(a)와 같이 덧댐판을 적용하더라도 SPR 접합이 불가능 하였으나, 홀 가공을 통해 Fig. 6(b)과 같이 SPR 접합이 가능하였다. Fig. 6(b)의 접합부 전단인장하중은 4.3kN이고 Load-Displacement 결과는 Fig. 7에 나타내었다. 인장하중의 거동에서 bolt/nut 접합과 유사하게 CFRTP 파손으로 인한 하중의 등락이 반복됨을 확인하였다. Fig. 8에 SPR 접합시편을 전단인장시험 후 파단 위치를 나타내었다. CFRTP소재에서 net tention 파단이 발생한 것이 확인되었다. 이것은 CFRTP가 상판 SPFC980Y와 덧댐판 Al5052 사이에 위치하므로 SPR 리벳이 CFRTP에 가하는 응력집중 효과가 분산되는 것으로 판단된다. 따라서 Washer가 없는 bolt/nut 접합부와 같이, CFRTP 홀에 응력이 집중되어 발생되는 bearing 파단이 발생하는 경우보다 접합하중이 높게 형성된다.

Fig. 6

Cross section of SPFC 1.6 mm (top) - CFRTP 2mm (middle)-Al 5052 2mm (bottom) SPR joint (a) Top sheet none pre hole (b) Top sheet pre hole

Fig. 7

Load-displacement curves a for SPR joint

Fig. 8

Tensile shear test specimen failure mode for SPR joint

3.3 Hybrid (bolt/nut & adhesive) 접합 평가

CFRTP와 SPFC980YHybrid (bolt/nut & adhesive) 접합부의 접합성을 평가하였다. Hybrid 접합의 경우 상판과 하판 사이에 1액형 adhesive를 도포한 후 볼트체결을 실시하였다. Bolt/nut체결은 3.1 절의 최적화된 조건 (washer적용, 15 Nm 체결토크) 으로 실시 하였다. Hybrid 접합시편에서 bolt/nut 체결 후 adhesive의 경화를 위하여 오븐 내에서 180℃ 조건에서 40분 baking 후 상온까지 냉각을 실시 하였다. Hybrid 접합부의 전단인장특성을 bolt/nut 그리고 adhesive 접합부와 비교 평가하였다.

Fig. 9에 접합 방식에 따른 전단인장하중을 평가하여 그래프에 도시하였다. 전단인장하중은 Hybrid 접합부 8.3 kN, bolt/nut 접합부 5.7 kN, adhesive 접합부 13.2 kN로 각각 측정되었다. Hybrid 접합은 adhesive의 적용을 통하여 볼트의 접합하중보다 높았으나, adhesive접합의 하중보다 낮은 것을 확인하였다. Hybrid 접합하중이 adhesive의 접합하중보다 낮은 이유는 Fig. 10와 같이 홀 가공으로 인한 adhesive 도포 면적의 감소와 볼트의 체결과정에서 adhesive 밀림으로 인한 불균일 도포가 원인인 것으로 판단된다. Fig. 11는 Hybrid 접합 시편의 전단인장시험 후 파단부의 adhesive가 도포된 영역을 보여준다. 볼트체결부 주변에서 Fig. 10와 같이 adhesive가 밀려난 것을 확인 할 수 있다.

Fig. 9

Load-displacement curves for various joining method

Fig. 10

Tensile shear test specimen failure mode for hybrid joint

Fig. 11

Schematic of diagram for adhesive behavior by bolt/nut preload

하지만 Fig. 9의 Load-Displacement의 면적으로부터 Hybrid 접합부의 인성이 adhesive 접합이나 bolt/ nut 접합부에 비해 높은 것을 확인 하였다. Hybrid 접합의 경우 adhesive 접합과 볼트 접합의 거동이 복합적으로 나타난다. Hybrid 접합의 전단 인장 실험 초반 부에서 하중이 급격히 상승하며 약 0.4 mm 변위에서 급격한 하강을 보인다. 이는 adhesive 접합에서 파단이 발생하는 거동과 유사하다. 하중의 급격한 하강 이후 CFRTP파단이 발생하기 까지 불연속 적인 파단거동이 발생하며 이는 bolt/nut 접합의 거동과 유사하다. Hybrid 접합 시편에서 adhesive의 역할은 볼트로 인한 CFRTP의 파손을 방지한다. 초반 인장하중이 상승으로 인하여 인성이 증가하게 된다. 따라서 hybrid 접합을 적용하였을 경우 bolt/nut보다 높은 인장강도 및 adhesive 접합보다 높은 인성을 확보할 수 있는 접합방법으로 판단된다.

4. 결 론

본 논문에서는 CFRTP와 SPFC 980 Y 소재의 접합을 위하여 bolt/nut, SPR hybrid(bolting & adhesive) 접합의 적용을 실시하였으며, 각 접합방법에 대한 접합성과 접합부거동을 평가하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) Bolt/nut 접합의 경우, 체결토크의 상승은 전단인장하중을 증가시킨다. 적정 체결 토크를 넘어설 경우 CFRTP의 손상이 발생하기 때문에 전단인장강도는 저감된다. Washer의 적용은 홀 주변부의 응력집중을 분산시킴으로써 CFRTP의 파이버 파손을 지연시켜 전단인장 강도를 증가시킨다.
2) SPR 접합의 경우, 성형성이 낮은 CFRTP와 SPFC980Y 소재는 SPR 접합이 불가능하다. 따라서 인터락 형성을 위하여 성형성이 높은 Al 5052 덧댐판의 적용을 통해 SPR 접합부의 형성이 가능하다. 상판에 위치한 SPFC980Y는 중판의 CFRTP에 가해지는 응력집중을 분산시키는 효과를 가진다.
3) Hybrid 접합의 경우, adhesive 적용을 통해 CFRTP의 초기 파손을 방지하여 bolt/nut 접합부 보다 인장하중과 인성을 증가시키는 것이 가능하다. Hybrid 접합부의 시편의 홀가공과 bolt/nut 접합에서 발생되는 체결력은 adhesive의 도포면적 감소를 발생시키며, 단독으로 적용된 adhesive 접합부의 인장 하중보다 낮게 형성되는 원인으로 작용한다.

Acknowledgements

본 논문은 산업통상자원부 광역협력권사업육성사업 (과제번호: P0002231)의 지원으로 수행한 연구입니다

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Fig. 6

Cross section of SPFC 1.6 mm (top) - CFRTP 2mm (middle)-Al 5052 2mm (bottom) SPR joint (a) Top sheet none pre hole (b) Top sheet pre hole