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레이저를 이용한 금속과 폴리머 이종재질 접합의 접합력 강화를 위한 기공특성과 사전 산화막 영향에 관한 연구 = A study on pore characteristics and effect of pre-oxidation for enhancement of joint strength in laser assisted joining of metal and polymer
서명 / 저자 레이저를 이용한 금속과 폴리머 이종재질 접합의 접합력 강화를 위한 기공특성과 사전 산화막 영향에 관한 연구 = A study on pore characteristics and effect of pre-oxidation for enhancement of joint strength in laser assisted joining of metal and polymer / 정대준.
저자명 정대준 ; Jung, Dae-Jun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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Recently, over the last decade because of energy cost, more stringent environment regulations and the desire for green manufacturing, electro galvanized iron (EGI) with excellent corrosion resistance, good paint-ability, formability and weld-ability has been used widely in the automobile industry for improving the durability of vehicle body. Furthermore, with increasing the demand of light-weighting to enhance fuel economy, the steel-dominated content of automobiles is changing to include a great portion of polymers due to its low density and mechanical properties. On account of merits of both EGI and polymers as mentioned above, various joining technologies in between these two materials have been developed such as adhesive bonding and mechanical fasteners (bolts and rivets) as conventional dissimilar joining methods. On the other hand, due to several problems of these conventional method such as additional pre/post processing and inconvenience of mass production, new joining technologies have been developed recently for instance friction spot bonding, ultrasonic bonding and laser assisted joining. Among these, laser joining is appropriate for mass production by reason of fast, simple and flexible for access of any shape of structures. The research of laser assisted metal and polymer (LAMP) joining was carried out by Katayama and developed by Jung and Kawahito as a rapid and strong dissimilar joining between commercially available metals and polymers using near infrared (NIR) wavelength and continuous wave (CW) Nd:YAG laser with Gaussian beam or line shaped beam. These researches announced that the LAMP joining was described by the interaction between a high vapor pressure caused by a rapid expansion of bubbles generated in the melted polymer near the joint interface and a flexible flow of liquid phase polymer pushed to the metal surface. Consequently, they revealed and clarified the bonding mechanism of LAMP joining by physical and chemical bonding, mechanical bonding as well. Progressively, Roesner et al., Tillmann et al. and Fortunato et al. have conducted enhancement of joint strength between metal and polymer by grooving on the metal surface, relation of joining strength and laser process parameters and experiment of laser joining of metal with various polymers respectively. Recently, Cheon et al. defined the quantitative relationship among joint strength, the expansion pressure, gas fragment composition, and molecular structure based on the experiments and chemical analysis. As a result, joint strength increases with an increasing expansion pressure of pyrolysis fragments of the polymer and the expansion pressure of pyrolysis fragments of the polymer increases with a decreasing monomer yield, which is determined by the molecular structure of the polymer. On the other hand, the researches of pores characteristics and formation in the polymer near the joint interface done by LAMP joining, which are key factor in the joining strength caused by generation and rapid expansion of bubbles, have not been carried out so far. In this paper, in order to clarify the bonding characteristics and mechanism of LAMP joining, the analysis of pores characteristics and formation was performed with LAMP joining specimen between EGI and three polymers by investigation of relation maximum tensile shear strength and pores characteristics inside melted area of polymer at cross section view. By experiments and simulation, not only thermal decomposition area on the polymer was validated, thermal decomposition temperature of polymer was also suggested in this process condition. For the next step, in order to enhance the joint strength in between, the intentional pre-oxidation process in surface of EGI has been conducted with selected temperature and air atmosphere in furnace under the following hypothesis. It was thought that reacting a thick zinc oxide layer on the EGI with the carbon on the ABS would increase the possibility of chemical bonding between the zinc oxide and carbon (Zn-O-C). Tensile shear tests subsequently revealed that the joint strength between pre-oxidized EGI and ABS exceeded that of bare EGI by more than twice, for the same input energy per unit length. The strongly jointed areas were further analyzed on atomic and molecular levels using scanning electron microscope (SEM), energy dispersive X-ray spectrometers (EDS) measurements and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), to investigate the physical and chemical bonding between the reacted carbon layer on ABS and the zinc oxide layer on the surface of EGI.

최근, 지난 10여년 동안 에너지 비용, 보다 엄격한 환경규제 그리고 환경친화적 생산 요구 때문에, 내부식성, 도포성, 가공성 그리고 용접성이 우수한 아연도금강판이 차체의 내구성 향상을 위해 자동차 산업에 광범위하게 사용되어 왔다. 게다가, 연비 강화를 위한 경량화 요구의 증대로 인하여 철강 재료가 거의 대부분 사용되는 자동차 소재에 낮은 밀도 대비 우수한 기계적 성질을 가지는 폴리머가 높은 비율로 포함되는 것으로 변화하고 있다. 이상 언급된 아연도금강판과 폴리머의 장점 때문에 보편적인 이종접합방법인 접착제 본딩이나 기계적 결합 (볼트, 리벳) 같은 두 물질의 다양한 접합기술들이 개발되어 왔다. 다른 한편으로, 이러한 보편적 이종접합방법은 추가적인 전, 후 처리과정이나 대량생산에 부적합하다는 몇 가지 문제점들로 인하여 마찰 접합, 초음파 접합 그리고 레이저를 이용한 접합과 같은 새로운 접합기술들이 최근 개발되어 왔다. 이러한 최근의 새로운 접합 기술 중 레이저를 이용한 접합 방법이 빠르고 간단한 작업 공정과 여러 모양의 구조에 유연하게 접근 가능하다는 장점 때문에 대량생산에 적합하다. 레이저를 이용한 금속과 폴리머 접합에 관한 연구는 최근 카타야마에 의해 수행되어 왔고 근적외선 파장, 연속파, 가우샨 빔 또는 라이모양빔을 가지는 엔디야그 레이저를 이용하여 상업적으로 접근 가능한 금속과 폴리머사이의 빠르고 강력한 이종 접합을 정과 카와히토가 발전시켰다. 이러한 연구들은 레이저를 이용한 금속과 폴리머 이종 접합이 접합계면 근처 용융된 폴리머에서 생성된 버블들의 급속한 팽창에 기인하는 높은 증기 압력과 액상의 폴리머가 금속 표면을 밀어 부치는 유동적인 흐름 사이의 상호작용에 의해 설명된다고 알려져 있다. 결과적으로, 그들은 레이저를 이용한 금속과 폴리머 이종 접합의 본딩 메커니즘을 물리적, 화학적 그리고 기계적 결합에 의한 것으로 분명히 밝히고 있다. 계속해서, 로즈너, 틸만 그리고 포투나토 등은 금속 표면에 그루빙 작업을 통한 접합력 강화 방법과 다양한 폴리머와 금속을 이용한 이종접합에서 실험에 사용된 공정 변수와 접합력의 관계에 관하여 연구를 수행 하였다. 최근, 천 등은 실험과 화학적 해석에 근거한 접합력, 팽창 압력, 가스 파편의 구성 그리고 분자 구조들 간의 정량적인 관계를 정의 하였다. 이 연구의 결과로서, 폴리머 열분해 파편의 팽창 압력이 증가할수록 접합력이 증가하고 폴리머의 분자구조에 의해 결정되는 모노머 (단량체) 일드 (산출) 값이 감소할수록 폴리머 열분해 파편의 팽창 압력이 증가한다는 것을 알 수 있다. 이러한 연구들과 다른 한편으로는, 버블들의 급속한 팽창과 생성에 의해 야기되는 접합력의 주요한 요인인 이종 접합에 의한 접합 계면 근처 폴리머에서 생성된 기공들의 특성과 배열에 관한 연구가 아직까지 수행되지 않았다. 본 연구에서는, 레이저를 이용한 금속과 폴리머 이종 접합의 결합 특성과 메커니즘을 명확히 하기 위해 단면에서의 용융된 폴리머 내부 기공들의 특성과 최대 인장전단강도와의 관계를 규명함으로서 아연도금강판과 3가지의 폴리머 사이 이종 접합된 시편의 기공 특성과 배열 상태에 관하여 분석을 수행 하였다. 실험과 시뮬레이션을 통해 폴리머의 열분해 면적을 비교 입증하였을 뿐만 아니라 본 공정조건에서 폴리머의 열분해 온도가 또한 제시 되었다. 다음 단계로서, 이종재료사이 접합력을 강화하기 위해 다음의 가설에 근거하여 선택된 온도와 대기 환경의 가열로에서 아연도금강판 표면에 의도적인 사전 산화막 공정을 수행 하였다. 아연도금강판의 두꺼운 아연 산화막 층이 에이비에스의 카본과 반응할 때 아연산화막과 카본 사이의 화학적 결합의 확률을 증가 시킨다. 이어서 접합력 시험이 사전 산화막 처리된 아연도금강판과 에이비에스 사이의 접합력이 추가 공정을 하지않은 아연도금강판을 사용한 경우보다 단위길이당 같은 에너지가 입력되었을 때 2배 이상 높다는 결과를 밝혔다. 에이비에스의 카본 층과 아연도금강판의 아연산화 층 사이의 물리적이고 화학적인 결합을 살펴보기 위해 강력하게 접합된 면적들이 스캐닝 일렉트론 스펙트로스코피, 에너지 디스펄시브 엑스레이 스펙트로미터 그리고 엑스레이 포토 일렉트론 스펙트로스코피 측정에 의해 원자와 분자 레벨로 추가 분석 되었다.

서지기타정보

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청구기호 {DME 16041
형태사항 ix, 132 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Dae-Jun Jung
지도교수의 한글표기 : 나석주
지도교수의 영문표기 : Suck-Joo Na
수록잡지명 : "Effect of surface pre-oxidation on laser assisted joining of acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and zinc-coated steel". Materials & Design, v. 99, pp. 1-9(2016)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 124-131
주제 레이저 이종접합
기공 배열
산화
접합력
열분해
laser assisted metal and polymer joining
pore formation
oxidation
joint strength
thermal decomposition
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