레이저 용접: 금속 대 복합재 접합 실현

금속과 폴리머 연결은 자동차 경량화를 위한 이상적인 구조입니다. 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP) 또는 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP)와 같은 복합 재료와 금속 부품 간의 효과적인 연결 공정은 자동차 경량 구조의 등장으로 많은 주목을 받고 있습니다(그림 1 참조).

자동차 산업에서 서로 다른 소재 간의 결합은 안전과 기능적 측면에서 매우 중요합니다.

자동차 산업의 요구사항은 분명합니다. 본딩 프로세스는 빠르고 안정적이며 자동화되어야 합니다.

표 1에는 산업 공정에서 복합 재료와 금속 부품을 연결하는 가장 일반적인 세 가지 방법이 나와 있으며, 이 중 레이저 용접은 최신 방법일 수 있지만 아직 더 많은 연구와 개선이 필요합니다. 이러한 문제는 효율성뿐만 아니라 연결 부품의 강도 및 노화 문제와도 관련이 있습니다. 이 문서에서는 이러한 문제에 대해 자세히 설명합니다.

표 1: 복합 재료의 연결 방법

레이저 용접 기술의 기초

숨겨진 레이저 용접 공정 복합 재료와 금속 부품을 연결하는 공정은 주로 두 단계로 구성됩니다. 첫 번째 단계에서는 금속 부품을 레이저로 처리하여 표면에 미세 구조를 형성합니다.

이 공정은 약 1kW의 공칭 출력을 가진 연속파 단일 모드 파이버 레이저를 사용하여 달성할 수 있습니다. 레이저는 금속 부품의 표면을 스캔하여 가장자리 형상을 가진 규칙적인 홈을 형성합니다(그림 2 참조).

레이저 빔의 강도가 높기 때문에 제거 과정에서 금속이 부분적으로 녹아 증발합니다. 증발 압력은 재료를 분사하고 분사된 재료 중 일부는 홈의 가장자리에서 응고되어 홈에 어느 정도의 물린 가장자리 구조를 형성합니다.

폴리머가 금속 표면에 더 많이 결합하도록 하기 위해 예를 들어 레이저 빔으로 홈을 90° 각도로 스캔하여 표면 미세 구조의 밀도를 높일 수 있습니다(그림 3 참조).

이 표면 구조화를 달성할 수 있는 또 다른 프로세스가 있습니다. 이 프로세스는 초단파(USP) 레이저를 사용하여 원뿔형 돌출부가 있는 스펀지 같은 표면 구조를 만들 수 있습니다.

이 표면 구조는 강철, 알루미늄, 실리콘, 실리콘 등 다양한 소재에서 구현할 수 있습니다. 티타늄. 이 표면에서 폴리머의 접착력은 섬유에 의해 생성 된 미세 구조의 접착력보다 우수합니다. 레이저 가공. 유일한 문제는 USP 레이저의 처리 속도가 느리다는 것입니다.

다른 프라운호퍼 프로젝트에서 예상한 대로 USP 레이저가 킬로와트 수준의 평균 출력에 도달하면 복합 재료 결합에 사용되는 금속 표면 미세 구조화에 더 나은 선택이 될 수 있습니다.

복합 재료를 금속 부품과 연결하는 두 번째 단계에서는 폴리머가 녹을 때까지 가열합니다.

그런 다음 폴리머를 금속 부품 표면의 미세 구조로 압착하고 냉각 후 폴리머와 금속 부품 사이에 좋은 연결이 이루어집니다.

폴리머를 가열하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 한 가지 방법은 전통적인 사출 성형에서와 같이 폴리머를 가열한 다음 홈에 압착하는 방법과 금속 부분을 가열한 후 차가운 폴리머 위에 압착하는 방법이 있습니다.

열 전도로 인해 폴리머가 녹아 금속 부품 표면의 미세 구조로 흘러 들어갑니다. 두 가지 방법 모두 폴리머-금속 복합 연결을 형성할 수 있습니다.

레이저 미세 구조화의 첫 번째 단계는 빠른 비접촉 공정입니다. 실제 연결 공정은 사출 성형이나 스탬핑과 같은 기존 생산 공정에 쉽게 통합할 수 있습니다. 따라서 레이저 용접 방식은 일반적으로 대량 생산에 적합한 빠르고 경제적인 공정입니다.

기계적 응력 테스트

실제 애플리케이션에서 금속과 폴리머로 연결된 복합 부품은 다축, 동상 또는 위상 외 하중을 받을 수 있습니다. 모든 애플리케이션에서 이러한 조인트가 얼마나 많은 압력을 견딜 수 있는가라는 몇 가지 질문이 생깁니다. 어디에서 파손될까요? 이는 연결 프로세스에 어떤 의미가 있나요?

독일 프라운호퍼 ILT의 전문가들은 이러한 질문에 답하기 위해 다양한 재료를 사용하여 일련의 압력 테스트를 수행했습니다(그림 4 참조). 한 사례에서는 1.5mm 두께의 스테인리스 스틸로 구성된 테스트 표본을 만들었습니다. 강판 인장 전단 테스트를 위한 3mm 두께의 유리 섬유 강화 폴리프로필렌(PP) 스트립과 인장 테스트를 위한 비강화 PP를 사용했습니다.

금속 표면은 공칭 출력 1kW, 초점 직경 약 40μm의 단일 모드 파이버 레이저로 가공하여 재현 가능한 비팅 에지 홈 구조를 형성했습니다. 폴리머 부분은 7.5×25mm의 스폿 크기로 3kW 반도체 레이저(출력 약 300-700W)로 가열되었습니다.². 두 부분이 함께 고정되었습니다. 클램핑 압력, 인장-전단 시험편(강철 + PP)의 접착 면적은 150mm였습니다.²인장 시험 시편(강철 + PP)의 경우 100mm였습니다.².

각 유형별로 5개의 시편을 파괴 시험했습니다. 홈 간격 400 μm의 미세 구조물의 연결 강도는 13.1 MPa의 인장 전단 하중에서 테스트되었고, 홈 간격 300 μm의 연결 강도는 15.5 MPa의 인장 전단 하중에서 측정되었습니다. 인장 하중 테스트에서 시편은 각각 5.1 MPa(홈 간격 400 μm) 및 9.1 MPa(홈 간격 300 μm)의 하중을 견뎌냈습니다.

조밀한 마이크로 구조가 접착력이 더 좋다는 것은 분명하지만, 조밀한 마이크로 구조는 처리 시간을 증가시킨다는 점에 유의해야 합니다.

연구원들은 다음 항목에 대해 유사한 테스트를 수행했습니다. 마그네슘 합금 플레이트. 모든 테스트 결과에 따르면 레이저 용접 기술 는 금속과 폴리머 부품 사이에 강력하고 안정적인 연결을 구축할 수 있습니다.

에이징 테스트

자동차 생산의 또 다른 문제는 이러한 연결이 기후 변화와 부식에 대한 요구 사항을 충족할 수 있는지 여부입니다.

이 질문에 답하기 위해 연구원들은 몇 가지 테스트를 수행했습니다. 연구진은 80~40℃의 온도 범위에서 VW PV 1200에 따라 복합재 연결 시편에 대한 표준 기후 변화 테스트를 수행했습니다.

테스트 주기는 12시간 동안 지속되었으며 2, 10, 30주기를 반복했습니다. 기후 변화 테스트 전후에 시편에 대해 파괴 인장 전단 강도 테스트를 수행했습니다.

모든 테스트 결과 시편은 8-15 MPa 사이의 압력 값을 견딜 수 있는 것으로 나타났습니다. 테스트 중 본딩 영역 외부에서 흥미로운 현상이 발생했습니다.

30 사이클 동안 테스트를 반복한 결과, 접착 영역 외부의 부품은 강도 테스트에 실패했습니다. 즉, 본딩 영역이 원래 폴리프로필렌 소재보다 훨씬 더 강했습니다.

이 현상은 부식 테스트에서 더욱 두드러졌습니다. 염수 분무 테스트는 VDA62I-415에 따라 7일 동안 수행되었습니다. 이 테스트에는 염수 분무와 높은 습도 조건이 포함되었습니다. 테스트 전 모든 시편은 약 8MPa 및 15MPa의 힘을 견딜 수 있었습니다.

부식 테스트 후 모든 PP/T40 소재는 결합 영역 외부에서 파손된 반면, GFRP 소재는 결합 영역 내부에서 파손되었지만 부식 전보다 더 높은 강도로 파손되었습니다. 강철 시편은 특히 미세 구조 영역에서 녹이 발생했습니다.

접착 영역에 명백한 부식 침투가 있었지만 접착 강도에는 큰 영향을 미치지 않았습니다. 본딩 영역 외부의 미세 구조 영역은 알루미늄 플레이트 도 부식 징후를 보였지만 본딩 영역 내부는 아니었습니다. 직접적인 결론은 금속의 열린 미세 구조 영역은 피해야 한다는 것입니다.

테스트 결과 다음과 같은 결과가 나타났습니다. 레이저 연결 기술은 금속판과 플라스틱 사이에 매우 안정적인 연결을 구축할 수 있습니다.

표준 기후 및 부식 테스트는 접착 강도에 영향을 미치지 않았습니다. 일정 기간의 노화 후에는 접착 부위가 아닌 플라스틱 자체가 파손되었습니다. 금속의 열린 미세 구조 영역은 피해야 합니다.