알루미늄 합금과 PA6-GF40 복합재의 초음파 용접 특성
Ultrasonic Welding Characteristics of Aluminum Alloy and PA6-GF40 Composites
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Abstract
Ultrasonic welding enables the bonding of materials with dissimilar thermal properties, making it a promising technology for industries requiring lightweight and high-strength components. This study investigates the effects of welding time on the joint characteristics of ultrasonic dissimilar material welding between 6000-series aluminum alloy and PA6-GF40 composite. In this study, tensile-shear tests were conducted to evaluate the changes in welding energy and joint strength under various welding time conditions. The joint cross-sections were observed using an optical microscope to assess joint quality and detect pore formation. The experimental results demonstrated that welding energy increased nonlinearly with welding time, and optimal joint strength was achieved under specific conditions. Additionally, optical microscopy revealed physical bonding and void formation at the interface between aluminum and PA6-GF40 composite. These findings provide insights into the relationship between welding time and joint strength, offering fundamental data for optimizing ultrasonic welding process parameters.
1. 서 론
현대 산업에서는 자동차, 항공우주 및 전자기기 등 다양한 분야에서 소재의 경량화와 강도 향상이 중요한 과제가 되고 있다. 특히, 알루미늄 합금은 가벼운 무게와 우수한 기계적 특성으로 인해 자동차 차체와 구조 부품에 널리 사용되고 있다1-4). 반면, PA4-GF40와 같은 fiber 강화 복합재는 높은 강성, 내열성, 그리고 화학적 안정성을 제공하여 다양한 응용 분야에서 사용되고 있다5-7). 이러한 재료의 결합은 개별 소재의 장점을 융합하여 혁신적인 구조 설계와 제조 공정을 가능하게 하지만, 이종소재 간 접합은 물리적, 화학적 특성 차이로 인해 여전히 기술적으로 해결하기 어려운 문제이다.
이종소재 접합 기술 중 초음파 용접은 열-기계적 에너지를 이용하여 국부적인 접합을 가능하게 하는 기술로, 추가적인 접착제나 부가 공정 없이 빠르고 효율적인 접합이 가능하다는 장점이 있다8-10). 또한 초음파 용접은 고상용접 때문에 소재에 대한 의존도가 크지 않아 이종소재 접합에 강점을 가지고 있어 초음파 용접을 이용한 이종소재 접합의 접합 강도, 열적 영향, 그리고 미세 구조 분석에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다11).
이러한 초음파 용접을 적용할 수 있는 소재는 크게 금속소재와 플라스틱(고분자) 계열 소재로 구분할 수 있다8-15). 고분자 소재 및 금속소재 있어서 초음파 용접의 차이는 일반적으로 플라스틱 소재의 초음파 용접의 경우 진동 방향은 용접 위치에 수직이고, 금속소재의 초음파 용접의 경우 진동 방향이 용접 위치와 평행하다. 그렇기 때문에 고분자 계열 소재와 금속 소재의 초음파 용접 장비는 진동방향이 달라서 각 소재의 전용 장비를 사용하여 초음파 용접을 수행해야만 한다. 하지만 금속-플라스틱 소재의 이종소재 접합의 경우 전용 초음파 용접 장비가 있는 것이 아니기 때문에 금속 또는 플라스틱 소재용 초음파 장비를 사용해야만 한다. 금속 초음파 용접 장비를 사용할 경우 알루미늄과 같은 금속소재는 플라스틱에 비해 열전도율이 높아, 금속 초음파 용접 장비의 높은 에너지가 효율적으로 전달되고 접합에 활용될 수 있다. 또한 금속 초음파 용접 장비는 강력한 초음파 에너지를 생성하고 전달할 수 있어, 금속-플라스틱 이종소재 접합에서 금속 쪽 접합부에 충분한 열과 압력을 제공할 수 있어 금속 쪽의 접합 품질을 높이는 데 유리하다. 다시 말하자면 금속 초음파 용접기는 금속-플라스틱 계열 소재의 이종 접합에서 높은 에너지 전달력과 정밀한 제어를 제공할 수 있는 장점이 있다. 하지만 이 경우 플라스틱 소재 손상과 에너지 분포의 비균일성으로 인해 품질 저하의 위험이 존재하게 된다. 따라서 이러한 문제를 보완하기 위해 접합 조건의 정밀한 최적화가 필요하며, 필요시 접합계면 사이에 열발생을 집중시키기 위해 다양한 형태의 energy director를 적용하거나 새로운 설계가 고려되어야 한다.
본 연구에서는 금속 소재 초음파 용접장비를 사용하여 알루미늄 합금과 복합재 소재의 이종소재 접합에 대해서 초음파 용접을 수행하였다. 알루미늄 6000계열 합금과 PA4-GF40% 복합재의 초음파 용접 특성을 분석하여 용접 시간 변화에 따른 에너지 변화, 접합 강도, 그리고 용접부 단면 구조 간의 상관관계를 규명하였다. 이를 위해 인장 전단 강도를 측정하고, 광학 현미경을 이용하여 용접부의 단면을 분석하여 접합 품질에 대한 정량적, 정성적 평가를 수행하였다.
2. 실험 방법
본 실험에 사용한 모재는 두께 1.5 mm인 6451-T4 알루미늄 합금과 두께 2.9 mm인 PA6-GF40 복합재이다. 모재의 자세한 화학적 조성은 Table 1에 나타내었다.
Chemical compositions (wt.%) of base material used in this study
본 연구에서 적용한 초음파 용접공정 변수로는 가압력, 용접시간 및 진폭 등의 주요 변수가 있다. 가압력의 경우는 4 bar로 적용하였으며 용접시간은 0.7, 1.0, 4.0 s의 3준으로 실험을 수행하였다. 진폭은 100% (50 ㎛)로 고정했고, 앤빌 사이의 간극은 모든 실험조건에서 하판을 기준으로 했을 때 혼이 하판 표면에 닿을 수 있는 2.9mm로 고정하여 실험을 수행하였다. Table 2는 본 연구에서 사용한 용접변수를 보여주고 있다.
Ultrasonic welding variables used in this study
초음파 용접을 위한 용접 시편의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 상판 및 하판의 사이즈는 각각 30 mm X 100 mm이며 상하판 겹침부의 길이는 30 mm로 한 후 초음파 용접을 수행하였다. 초음파 용접은 각 조건에서 5번씩 수행하였다.
Schematic of specimen used in this study
본 연구에서는 주파수가 20 kHz 인 Kormax system의 KM-20 Super 금속용 초음파 용접기를 사용하였다. 초음파 용접 장비와 컨트롤러, 사용한 혼과 앤빌의 정보는 Fig. 2에 나타내었으며, 혼과 앤빌의 면적은 각각 9×9 mm2, 20×16 mm2 이다.
Ultrasonic welding machine, controller, horn and anvil used in this study
초음파 용접을 수행한 후 SHIMADZU사의 AG-300kNX Plus 인장시험기를 사용하여 인장전단강도를 평가하였다. 초음파 용접부의 용접강도 규격에 대한 표준이 따로 존재하지 않아 본 연구에서는 KS B 0850: 2018-점 용접부의 검사 방법에 따라 용접부의 허용강도 기준은 2,920 N으로 선정하였다. 초음파 용접 후 용접부 중앙부를 단면 가공하여 광학현미경 촬영을 통하여 단면을 관찰하였다.
3. 실험 결과
Fig. 3에서 Fig. 6까지는 용접시간에 따른 용접에너지, 인장전단강도, 용접부 외관 및 파단부 형상을 보여주고 있다. 초음파 용접에서 용접에너지는 소재를 접합시키기 위해 필요한 총 에너지로 기본적으로 전력과 시간의 곱으로 계산할 수 있으며, 추가적으로 진폭, 주파수, 가압력, 변환 효율 등의 요인을 반영하여 보다 정밀한 계산이 가능하다. Fig. 3과 4에서 보는 바와 같이 용접 시간이 0.7, 1.0, 4.0 s까지 증가함에 따라 용접에너지는 각각 평균 878, 1229, 2,872 J로 계속 증가하였다. 또한 상판인 알루미늄 합금의 용접부가 혼의 압흔으로 인해 균열이 생기면서 하판인 PA6-GF40 소재가 용접부에 채워진 것으로, 용접시간이 증가함에 따라 PA6 소재가 채워지는 영역이 점점 커지는 것을 알 수 있다. 이에 반해 앤빌과 접촉하는 하판의 아랫면은 큰 변화가 없는 것으로 판단된다.
Experimental results of welding energy and weld appearance with welding time
Measured welding energy with welding time
Experimental results of tensile shear strength and fracture interface with welding time
Measured tensile shear strength with welding time
Fig. 4에서 보여지는 용접시간 변화에 따른 용접에너지의 변화를 자세히 보면 5번 반복 실험한 결과 0.4, 1.0 및 4.0 s의 모든 용접조건에서 큰 편차가 없었다. 그리고 0.4 s에서 1.0 s까지 용접시간 변화에 따른 용접에너지의 변화의 기울기와 1.0 s에서 4.0 s까지 용접시간 변화에 따른 용접에너지의 변화의 기울기가 차이가 있다. 일반적으로 초음파 용접의 경우 용접시간 변화에 따라 용접에너지는 거의 직선적으로 증가한다. 초기 용접시간에서 용접시간 변화에 따른 용접에너지의 변화가 후기에 비해 좀 더 급격하게 변화하는 것은 다음과 같이 설명할 수 있다.
초음파 용접에서 초기 용접 단계에서는 초기에는 초음파 진동이 두 소재의 접촉면에 전달되며, 이로 인해 미세한 진동으로 발생하는 마찰열이 주요 열원 역할을 하게 된다. 알루미늄과 PA6-GF40 복합소재의 열전도율은 각각 170-220 W/m·K, 0.32-0.36 W/m·K로 큰 차이를 보인다. 이로 인해 알루미늄은 열을 빠르게 흡수하지만, PA6-GF40는 상대적으로 낮은 열전도율로 열이 축적된다. 이 단계에서 PA6-GF40 복합소재 표면의 유리섬유가 초음파 진동에 의해 재배열되거나 변형될 수 있다. 이로 인해 재료 접촉면의 불완전한 접합으로 인해 에너지 소모가 낮게 시작되다가, 표면이 열에 의해 연화되면서 점차 에너지 전달 효율이 증가하게 된다. 이후 중기 단계에서는 PA6-GF40 복합소재의 열가소성 성질로 인해 연화와 용융이 본격적으로 진행되게 된다. 복합재에서 PA6 기지는 초음파 진동으로 생성된 열로 인해 점성이 증가하며, 이로 인해 재료 간의 결합력이 상승하며, 이 과정에서 알루미늄 표면은 압력과 진동으로 인해 변형되며 접합 강도를 강화하게 된다. 이 단계에서는 접합면에서 열과 압력의 상호작용이 균형을 이루면서 에너지 흡수와 전달이 효율적으로 이루어져, 에너지 변화는 비교적 선형적으로 나타나지만 초기에 비해 완만하게 나타난다. 마지막으로 후기 단계에서는 열이 과도하게 축적되거나, PA6-GF40의 기지 소재가 과열되어 분해되기 시작하게 된다. PA6 기지가 분해되거나 유리섬유가 열과 압력에 의해 더 이상 변형되지 않는다면, 접합 품질에 기여하지 않는 불필요한 에너지만 소비하게 된다. 알루미늄 표면의 압입 깊이가 지나치게 증가하면 변형으로 인해 접합 강도가 약화될 수도 있다. 이러한 이유로 이 단계에서는 에너지 증가율이 줄어들거나 오히려 일정 수준 이상에서 에너지 전달 효율이 떨어질 수 있다.
Fig. 5와 6은 용접시간 변화에 따른 인장전단강도와 파단 후 접합 계면의 모습을 보여주고 있다. 용접시간 0.7 s, 1.0 s 및 4.0 s 일 때의 인장전단강도는 각각 평균 1,067 N, 1,388 N, 3,208 N이다. Fig. 5와 6에서 보듯이 용접시간 0.7 s일 때는 5번 반복실험결과 값이 편차 없이 거의 일정한 값을 나타내고 있지만 용접시간 1.0 및 4.0 s 인 경우에는 평균값 대비 약 10~20% 사이의 편차가 존재한다. 이 이유에 대해서는 접합부 조직 분석결과에서 논하도록 하겠다.
Fig. 5에서 용접시간 0.7 과 1.0 s 인 경우의 상판과 하판의 파단계면을 살펴보면 상판의 경우 혼의 압흔에 의해 균열이 발생했으며 하판의 PA6-GF40 소재 소량이 상판에 붙어 있는 것이 관찰되었다. 하지만 용접시간이 증가하며 4.0 s인 경우에는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 많은 양의 PA6-GF40 소재가 접합된 채 파단이 발생한 것을 알 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 용접시간 0.7 s 및 4.0 s일 때의 평균 인장강도는 1,067N, 3,208N으로 본 연구에서 사용한 PA6-GF40의 인장강도가 Fig. 7에서 보듯이 2,861N~3,126N의 값을 가지므로 용접시간 0.7 s의 경우에는 계면파단, 용접시간 4.0 s의 경우에는 (부분) pull-out 파단으로 정의할 수 있다.
Experimental results of fracture appearance and tensile strength after tensile test of PA6-GF40
Fig. 8과 Fig. 9는 용접시간 0.7 s 와 용접시간 4.0 s의 용접시편 단면 사진을 보여주고 있다. 혼의 가압으로 인해 알루미늄이 복합재를 누르고 들어오면서 접합이 이루어졌다. 하판에서 진한 검은색으로 보이는 부분이 glass fiber이며 옅은 색으로 보이는 부분이 기지인 PA6이다. 용접시간 0.7s의 경우 1 및 2번의 위치는 혼의 가압으로 인해 접합이 된 위치이다. Fig. 8에서 보듯이 1번 위치에서 보면 상판과 하판이 접합된 것을 확인할 수 있다. 또한 2번 위치의 경우도 상판 하판이 접합된 것을 확인할 수 있고 또한 혼의 가압에 의해 생긴 균열부위로 하판소재인 PA6-GF가 채워졌다. 3번과 4번 위치를 보면 1번과 2번에 비해 상판과 하판의 접합계면이 제대로 접합되어 있지 않았다.
Cross-section of welding specimen with welding time of 0.7 s
Cross-section of welding specimen with welding time of 4.0 s
용접시간 4.0 s의 경우 1번부터 4번 위치 모두 상판과 하판의 접합계면이 잘 접합되어 있는 것을 확인할 수 있었으며, 혼의 압흔에 의해서 균열이 발생한 상판으로 하판소재가 침투한 부분도 접합이 잘 되었다. 관찰한 모든 위치에서 상판과 하판이 잘 접합되어 있었지만 접합계면 바로 밑에서 큰 기공들이 관찰되었다. Fig. 10에서 보듯이 용접시간이 0.7 s인 경우 접합계면에서 PA6 소재 내부에 큰 기공이 관찰되지는 않았으나, 용접시간이 4.0 s인 경우 접합계면에 PA6 내부에 존재하는 기포가 모여 큰 기공의 형성이 관찰되었다. 이는 접합시 계면 온도 상승으로 인해 기지인 PA6가 유동성을 가지게 되어 PA6와 glass fiber 사이에 존재하던 기포가 계면으로 모이게 되면서 점점 커지는 것으로 판단된다. 용접시간이 4.0 s 일 때 접합계면 부근에 많은 기공이 관찰되었음에도 높은 인장전단강도를 확보할 수 있었던 이유는 상판 및 하판에 접합계면에서는 제대로 접합이 이루어진 상태였으나 접합계면 바로 밑에 존재하는 기공의 존재로 인해 부분 pull-out 파단이 발생한 것으로 사료된다. 앞의 인장전단강도 결과값의 편차 발생이유를 살펴보면, 용접시간이 1s 일 때, 용접시간이 충분하지 않아 접합부에서 미접합 또는 균열이 발생했을 가능성이 높다. 이 경우 접합부의 실제 접합 면적이 부족하여 국부적인 응력 집중이 발생하고, 이에 따라 인장전단강도의 편차가 커진 것으로 판단된다. 또한 미접합 부분이 많을 경우, 균열이 쉽게 발생하며, 파괴 시 균열 경로가 불규칙하여 강도의 변동이 커질 수 있다. 용접시간이 4s 인 경우 기공이 많아질수록 용접부의 유효 접합 면적이 줄어들게 되며, 기공의 크기와 분포가 시편마다 다르게 형성될 가능성이 높아, 강도의 변동이 커지게 되고 이로 인해 평균값 대비 편차가 발생하게 된다.
Cross-section of welding specimen with welding time of 0.7 s and 4.0 s
이러한 기공의 존재는 인장전단강도 측면에서는 강도 확보가 가능할 수도 있지만 피로강도 확보에 있어서는 인장전단강도에 비해 더욱 심각한 영향을 미친다. 반복적인 하중이 가해질 때, 기공은 균열의 초기 발생 지점으로 작용하며, 피로 수명을 단축시킬 수 있기 때문이다.
4. 결 론
본 연구에서는 6000계열 알루미늄 합금과 PA6-GF40 복합재의 이종소재 초음파 용접특성을 조사하였다. 용접시간 변화 따른 용접에너지, 인장전단강도 측정 및 미세조직을 분석하였으며 그 결과는 다음과 같다.
1) 용접시간이 증가함에 용접에너지가 증가하였으나 초기 용접시간(0.7 s ~ 1.0 s)에서 용접시간 변화에 따른 용접에너지의 변화가 후기(1.0 s ~ 4.0 s)에 비해 좀 더 급격하게 변화하였다.
2) 용접시간 0.7 s, 1.0 s 및 4.0 s 일 때의 인장전단강도는 각각 평균 1,067 N, 1,388 N, 3,208 N 이au, 용접시간 0.7 s의 경우에는 계면파단, 용접시간 4.0 s의 경우에는 (부분) pull-out 파단이 발생하였다.
3) 용접시간이 0.7 s인 경우 접합계면에서 PA6 소재 내부에 큰 기공이 관찰되지는 않았으나, 용접시간이 4.0 s인 경우 접합시 계면 온도 상승으로 인해 기지인 PA6가 유동성을 가지게 되어 PA6와 glass fiber 사이에 존재하던 기포가 계면으로 모이게 되면서 접합계면에 큰 기공의 형성이 관찰되었다.