43 연구논문 폴리머의레이저투과접합시접합부의기계적성질에관한연구 차상우 * 김진범 ** 윤석환 *** 나석주 ** * 현대기아자동차선행연구팀 ** 한국과학기술원기계공학과 *** 한국항공우주연구원터보펌프개발그룹 A Study on the Mechanical Properties of Joints in Laser Transmission Joining of Polymers Sang-Woo Cha*, Jin-Beom Kim**, Suk-Hwan Yoon*** and Suck-Joo Na** *Advanced Technology & Analysis Team, Hyundai-Kia Motors, Gyeonggi, Korea **Department of Mechanical Engineering, KAIST, Daejeon, Korea ***Turbo Pump Development Group, KARI, Daejeon, Korea Abstract Laser Transmission Joining (LTJ) of plastics is a process in which light of suitable wavelength is transmitted through a transparent substrate that is in contact with an absorbing one. In this paper, LTJ is investigated by preliminary experiments from the viewpoint of mechanical engineering. To understand transmitting characteristics of each polymer substrate, transmission rate, reflection rate and absorption coefficient of polymer are measured by using a laser power-meter. Characteristics of joining in the spot welding and seam welding are investigated by measuring the fracture load. Fracture load increases in accordance to the laser power and irradiation time. However, when the laser power is over W and irradiation time over 4seconds, fracture load decreases. This phenomenon is probably due to heat-softening of materials. Besides, cavities are generated at a joint by evaporation of water molecules, which can be suppressed by introduction of a gap between two substrates. *Corresponding author : sjna@kaist.ac.kr (Received October 2, 2006) Key Words : Laser Joining, Transmission Joining, Plastic Joining, Acrylic 1. 서론 레이저투과접합 (Laser Transmission Joining: LTJ) 이란특정한파장에대해서투과성과흡수성이다른두재료를접합시키는방법으로플라스틱의접합에적용하기위한다양한연구가진행되어왔다 1,2). 색소등의흡수제를첨가하지않은폴리머는 Nd:YAG 레이저와다이오드 (diode) 등파장이 800-1000nm인적외선영역의레이저빔을투과시키는성질을가지고있는데, 이러한천연상태의폴리머에흡수제를첨가하면적외선영역의레이저빔에대한흡수성을높일수있다 3). 투과성이높은플라스틱을흡수성이높은재료위에올려놓고레 이저빔을투과성이높은재료를통하여조사시키면두재료의접촉면에서흡수성재료에의해레이저빔이흡수되고투과성재료는열전도에의해흡수성재료로부터에너지를흡수하여온도가상승한다. 이러한특성을이용하여투과성과흡수성이다른두재료를접합시키는방법을레이저투과접합이라한다 4). 지금까지의투과접합 (transmission joining) 에관한연구는투과와흡수등광학적측면과첨가제의영향등과관련된재료적측면의접근방식이집중되어왔다 5). 본연구에서는기초적인실험으로서산업적인활용도가높은대표적인두폴리머인아크릴수지와폴리아미드 6(polyamide6) 의투과특성을알아보기위하여재료의두께변화와기울기변화에대하여레이저파워미터 (laser 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 145
44 차상우 김진범 윤석환 나석주 power meter) 를이용하여투과율 (transmission rate) 측정을하였다. 다음으로투과접합방식의기계적강도를알아보기위하여점용접 (spot welding) 에서의공정변수의값들을변화시켜각경우에대한접합강도를전단인장시험 (shear tension test) 을통해측정하여주어진조건에서의최적의공정변수들의값을유추하였다. 또한접합시수증기의기포로발생되는구멍 (cavity) 을줄이기위하여간극 (gap) 을고려한실험을수행하고, 기밀성을요구하는접합에활용도가높은심용접 (seam welding) 에서간극을고려한실험을수행하여적절한접합조건을제시하였다. 2.1 실험방법 2. 광학적특성측정실험 기초실험으로폴리머재료의광학적특성중하나인투과율을측정하는실험을수행하였으며이를통해재료의흡수율 (absorption rate) 과흡수계수 (absorption coefficient) 를간접적으로계산하였다. Fig. 1과같은실험형태의구성으로레이저파워미터를통해재료를투과하기전의레이저출력 (P 0 ) 과재료를투과한후의레이저출력 (P T ) 을측정하였다. 이측정된값들을사용하면투과율 (T) 은다음과같은식에의해서간접적으로계산할수있다. 이때의레이저출력, P 0 값은 30W로일정하게두었다. (1) 재료의반사율 (reflection rate) 은재료의상단부에서반사되는레이저의출력을측정하여야계산할수있다. 반사되는레이저의파워를측정하는데있어어려 P o Powermeter 움이크기때문에반사효과 (reflection effect) 에있어서는재료의표면거칠기가레이저의파장보다작다고가정을하고굴절률의차이에따른경면반사 (specular reflection) 만을고려하여다음과같은식의반사손실 (R L) 만을고려하였다 6). 레이저가재료를투과할때일어나는상호작용은흡수, 반사, 투과이므로이러한관계를통해다음과같은식으로서흡수율 (A) 을구할수있다. (n: 플라스틱의굴절지수, m: 공기의굴절지수 ) (2) (3) 또, 흡수계수 (, mm -1 ) 는다음과같이구해질수있으며, 이러한흡수계수는접합부의열해석에사용될수있다 7). 흡수계수의역수, 즉, 는물리적으로입사하는 레이저출력이 로떨어지는두께를의미한다. (t: 재료의두께 ) (4) 실험을하기위해유리섬유 (glass fiber) 의성분비가각각 0, 30% 이고, 색깔이천연색과주황색 (orange) 인네가지종류의아크릴수지와유리섬유의성분비가각각 0, 30% 이며, 색깔이천연색과파랑색 (blue) 인네가지종류의폴리아미드 6에대해서실험을수행하였다. 각재료의두께는아크릴수지는 2mm, 폴리아미드 6은 3.5mm이다. 레이저가수직으로입사하는경우뿐만아니라기울기를준상태에서의각각도에대하여측정을하였다. 투과접합의맞대기용접 (butt welding) 에대한적용에있어서레이저가기울어져조사되어야하기때문에이러한기울기를주었을때의투과율측정값은실제응용에있어서유용하게이용될것이다. 사용한레이저시스템은 180W급이며 TEM 00 모드인 CW Nd:YAG 레이저이다. 2.2 실험결과 Fig. 1 Experimental set-up for laser power meas urement P t 투과율측정의실험결과는다음 Fig. 2와같다. 아크릴수지나폴리아미드 6에서천연색이거나유리섬유첨가제가없는재료일수록높은투과율을보이고있으며첨가제의량이많은경우투과율이낮게나왔다. 첨가제가많이들어갈수록레이저의진행에있어서산란과 146 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
ran80tsmitance(%폴리머의레이저투과접합시접합부의기계적성질에관한연구 45 )G.F 0% 40 G.F 30% 다. 첨가제가들어가지않은천연색의아크릴에대해서 30W의레이저빔을조사시키며측정하였다. 측정된결과부터기울기가증가할수록반사되는레이저출력이증가하여투과율이감소함을알수있었다. 앞서설명한바와같이맞대기용접에투과접합이적용되는경우에는구조의특성상레이저가기울어져서조사되어야하므로투과율변화에대한고려가필요할것이다. 20 3. 접합강도측정실험 Transmittance (%) 0 natural orange natural (PA6) blue (PA6) Fig. 2 Transmission rate of various polymers 첨가제의레이저흡수등으로인해방해를받는요소가많아지고이로인해재료를투과한후의레이저출력인 P T 값은낮아진다는것을확인할수있다 8). 유리섬유가첨가되지않은천연색의아크릴수지를대상으로여러크기의 P 0 값에대해서측정한 P T 값을정리해보면 Table 1 과같다. P 0 값이증가할수록일정한투과율을보이는것이아니라조금씩투과율이높아지는것을알수있다. 이러한결과의원인은투과성재료내의유리섬유가아닌다른종류의첨가제가높은출력의레이저에의해흡수및가열로분해되어산란의요소가줄어들기때문에레이저출력이높아질수록투과율이증가되는것으로여겨진다. 입사각의변화에대한투과율의변화는 Fig. 3 과같 70 50 40 natural G.F 0% natural G.F 30% 레이저출력과빔의조사시간을공정변수로선정하여용접을수행한후전단인장시험을통해파단하중을측정하였다. Fig. 4와같은겹치기접합형태 (lap joint) 에점용접 (spot welding) 을수행하였으며그림과같이레이저빔은접합면에대하여수직으로조사하였다. 조사된빔의면적은 1.13mm2이었으며, 레이저조사시간은초단위로변화시키며실험을수행하였다. 사용된재료는유리섬유의성분비가 0% 이며색소가첨가되지않은 2mm두께의아크릴수지와유리섬유의성분비가 30% 인주황색의 2mm두께의아크릴수지이며, 기초실험의결과에근거하여전자를투과성재료로후자를흡수성재료로사용하였다. 사용한재료의파단하중은첨가물에상관없이두재료모두 393.6N 이다. Fig. 5는각각레이저출력을높여가면서측정한파단하중 (fracture load) 을나타내고있다. 그래프의 X축에명시된레이저의출력은상부재료에닿기전위치에서의 P 0 값들이다. 그래프에서알수있듯이, 레이저출력의증가에따라파단하중도증가하는것과일정출력 (W) 과일정조사시간 (4sec) 을넘어선부분의파단하중은점차줄어드는것을알수있다. CW Nd:Yag laser 30 15 30 45 Incident angle (degree) Fig. 3 Transmission rate for various angles Tensile load Fig. 4 Schematic of experiments for shear tensile test Table 1 Irradiated laser power at joining area of various laser power (thickness of substrate: 2 mm ) Laser power (P 0,W) 15 20 30 40 45 50 70 75 Irradiated laser power at joining area (P T,W) 12.3 16.6 25.3 33.3 38.3 42.7 51.4.1 65.5 Transmission rate (T,%) 82.0 83.0 84.3 84.3 85.1 85.4 85.7 85.9 86.0 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 147
46 차상우 김진범 윤석환 나석주 Max.Load (N) 270 240 210 180 150 120 90 1sec 2sec 3sec 4sec 5sec 30 20 30 40 50 70 80 Power (W) Fig. 5 Fracture load for various powers and welding times Fig. 6 Cross section of joints without gap 일정레이저출력이상인조건에서파단하중값이감소하는현상은조사시간이길수록현저하게나타난다. 파단하중의감소는파워와조사시간의증가에따라열영향부 (heat affected zone) 도증가함으로인해재료의연화된부분도같이증가하고가열후수축의범위도증가하기때문에발생되는것으로여겨진다. 또한, 레이저빔의조사시간이길수록열영향부가증가하므로조사시간이긴경우에파단하중의감소가현저하게나타나는것으로판단된다. 재료가가열이되면폴리머의분자가무질서한상태가되고냉각과정중재배열에의해초기의분자상태가흐트러지게되기때문에가열전초기의재료와기계적성질이달라지므로열영향부의증가는파단강도의감소를유발할수있다 9). 또한, 접합부의파단은파단하중 200N을기준으로다른양상으로나타났다. 조사된레이저의출력이낮고조사시간이짧아파단하중이 200N미만인영역에서는전단인장시험중접합된면이분리가되었다. 그러나파단하중이 200N 이상인조건에서는접합부근처에서흡수성재료의파단이일어났다. 이러한현상은레이저의출력이낮고조사시간이긴경우접합력은높아지나접합이이루어지지않은부분의기계적성질이변화되어일어나는현상으로판단된다. 4. 간극이있는경우의접합 4.1 실험방법 간극을두고실험을하지않았을때의접합단면은 Fig. 6과같다. 하단부의팽창으로인한융기현상과수증기의발생으로인하여구멍이형성됨을알수가있다 10). 이러한문제점을줄이기위하여 Fig. 7과같은형태로투과성재료와흡수성재료의사이에레이저빔 Pressure Pressure Plate Sheet Fig. 7 Schematic of experiments considering gap sizes 이조사되는부분의가장자리에얇은판을두고압력을가함으로써간극을부여한실험을하였으며접합성을알아보기위하여전단인장시험을통하여접합강도를측정하였다. 이러한실험을통해용융된폴리머가간극을통해퍼져나감으로써접합면적의증가를예상할수가있으며간극을통해수증기를제거할목적으로이러한실험은효과적이라고여겨진다. 두재료사이에끼어넣은판의두께는 80μm이다. 4.2 실험결과간극을두고실험을한재료의단면의모습은 Fig. 8 과같다. 간극을두지않았을때에비하여구멍의형성이현저히줄어드는것을알수가있고, 간극을통해용융된폴리머가퍼져나간것을알수가있다. 레이저의조사시흡수성재료의가열로재료내에서발생된수증기는간극을통해빠져나감으로인해구멍이형성되지않는것으로여겨진다. 그리고흡수성재료의융기현상보다는재료의고체상태에서액체상태로의상변태로인해간극을통한모세관현상과스퀴즈 (squeeze) 유동현상에의해재료의접합면적이점점넓어지고평탄한접합면을이루는것으로여겨진다. 이렇게접합된시편을가지고전단인장시험을수행 148 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007
폴리머의레이저투과접합시접합부의기계적성질에관한연구 47 Max load (N) 250 200 150 100 5 mm/s 6 mm/s 7 mm/s 8 mm/s 50 (a) 0 30 40 50 70 Power (W) Fig. 10 Fracture load for various scanning : seam weldin g (gap size: 80 μm ) (b) Fig. 8 Total cross section and magnified cross n with gap size of 80um Max load (N) 220 200 180 1 140 120 100 80 40 20 0 2.0 sec 3.0 sec 4.0 sec 5.0 sec 30 40 50 70 Power (W) sectio 하였으며 Fig. 9에그결과를제시하였다. 시편의크기와규격은앞서간극을고려하지않은실험과같은형태를취하였다. 처음예상했던접합면적의증가로인한강도의증가현상은일어나지않았으며, 오히려간극을두지않고실험하였을때보다작아지는경향을보이고있다. 이는간극이있기때문에투과성재료와흡수성재료가접촉을이룰시부여되는압력이작아지므로접합강도에있어서감소를보이는것으로여겨진다. 점용접실험결과에서볼때에접합강도의측면에서는접합될시편사이의간극이없는경우가더우수하지만, 간극이없는경우에는기포의발생으로인해기밀 Fig. 9 Fracture load for various welding times : spot w elding (gap size : 80 μm ) 성에문제가발생할수있다. 심용접의경우기밀성을요하는경우에적용되는경우에활용도가높으므로간극이있는경우에대해서용접을수행하고파단강도를측정하였다. 공정변수로는레이저의출력과레이저빔의이송속도 (scanning velocity, mm /s) 를선정하였다. Fig. 10은파단강도의측정결과이다. 출력의증가와더불어레이저빔의이송속도가느릴수록파단강도가증가하는경향을보였다. 이와같은결과를놓고보았을때적절한접합변수로는 70W의레이저출력과 5mm /s의이송속도라는것을판단할수있다. 레이저출력, 이송속도이외에도재료를눌러주는압력과투과성재료와흡수성재료사이의간극도주요한변수로판단되며, 간극과압력의최적화를위해서는추가적인연구가필요하다. 5. 결론 본연구에서는주어진재료의광학적성질을측정하고이를바탕으로레이저투과접합방식에대한실험적연구를수행하였다. 레이저투과접합방식의접합성을판단하기위하여점용접을수행하고접합부의파단강도를측정하다. 레이저출력과조사시간을공정변수로선택하여실험을수행하였으며, 두재료사이에간극이있는경우와없는경우에대한실험을수행하여간극의영향이접합부에미치는영향을비교하였다. 본연구를통하여다음과같은결론을얻을수있었다. (1) 레이저출력과조사시간을공정변수로선택하여실험을수행하여, 적절한강도를보이는영역을찾을수가있었다. 이러한결과를이용하여아크릴수지재료의적절한접합변수들의범위를가늠할수있을것이다. (2) 시편사이에간극이없는경우접합면에서구멍이발생되는것이확인되었다. 이는완전밀봉이요구되는구조물의접합에서문제를일으킬수있다. 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 2 號, 2007 年 4 月 149
48 차상우 김진범 윤석환 나석주 (3) 시편사이에간극이있는경우에는접합면에서구멍이발생되지않았으나접합강도는간극이없는경우에비해서약 80% 의약한접합강도를보였다. 그러므로큰부하가걸리는대형구조물에서의이용보다는완전밀봉을요구하는소형구조물의접합에있어서이용될수있을것으로사료된다. 참고문헌 1. J. Ian : Laser Welding for Plastic Component, Assembly Automation, 22-2 (2002), 129-135 2. J. -H. Kim, K. -H. Shin : Analysis of Transmission Infrared Laser Bonding for Polymer Micro Devices, Journal of KWS, 23-5 (2005), 463-468 3. B. Bryan : High Power Laser Transmission Welding of Plastics, Assembly Automation, 20-2 (2000), 136-139 4. O. Karger, G. Fiegler : Laser and Microwave Welding- The Applicability of New Process Principles, Macromolecular Materials and Engineering, 7-8 (2002) 734-744 5. M. Kalpana : Plastics Welding Technology for Industry, Assembly Automation, 17-3 (1997), 236-47 6. E. Hecht : Hecht Optics, Addison Wesley (1997) 213-214 7. H. Potente : A Step Towards Understanding the Heating Phase of Laser Transmission Welding in Polymers, Polymer Engineering and Science, 42-2 (2002), 123-135 8. R. Grimm : Infrared Welding of Polymers, Polymer Engineering and Science, 20-3 (2000), 236-243 9. D. William : Materials Science and Engineering An Introduction, Wiley (2002) Fifth Edition 10. H. Potente, F. Becker, G. Fiegler, J. Korte : Investigations towards Application of a New Technique on Laser Transmission Welding, Welding in the World, 45 (2001), 15-20 150 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 2, April, 2007