[논문]기계적 프레스 접합법을 이용한 A1-5052 인장-전단 시험편의 강도 평가에 관한 실험적 연구

임두환; 이병우; 류현호; 김호경

문제 정의

따라서 본 연구에서는 자동차 경량화를 위한 차체 재료로 고려 중인 알루미늄 5052판재를 이용하여 기계적 프레스 접합 방법으로 접합한 후 인장-전단 시험편(tensile-shear)을 사용하여 시험편 제작 시 최적의 펀치 작용하중을 결정하고자 한다. 또한, 최적의 펀치하중으로 제작된 시험편을 이용하여 피로시험을 실시하여 피로강도를 평가하고자 한다.
작용하중의 크기와 관계한다. 본 연구에서는 정해진 판 두께와 펀치직경, 인장강도 측면에서의 최적의 펀치작용 하중을 결정하기 위하여 펀치 작용하중을 변화시킨 각각의 시험편을 이용하여 인장실험을 하였다. Fig.

제안 방법

본 연구에서는 기계적 프레스 접합방법으로 많이 사용되는 독일 TOX15사"')의 버튼(button) 형상의 라운드 크린치 (round clinch) 기계적 프레스 접합 방법을 선택하였다. 접합 시 필요한 하중을 가하는 장치로는 10ton 용량의 전기 유압식 만능 재료 시험기(Instron 8516)를 사용하였다.
각각의 펀치 하중당 3개의 인장-전단 시편을 제작하여 정적 강도시험을 실시하여 정적강도 측면에서의 최적의 펀치 하중을 결정하였다. Fig.
기계적 프레스 접합부의 정적 강도를 측정하기 위한 인장실험과 피로 강도를 평가하기 위하여 전기 유압식 만능 재료 시험기(Instron 8516)를 사용하였고, 인장실험은 변위 제어방식으로 2mm/min의 속도로 수행하였다. 여러 접합 하중 시험편 중에서 인장 실험을 한 결과 32kN의 접합하중을 가한 시험편이 최대인장강도로 가장 우수한 것으로 나타났기 때문에 32kN의 접합하중을 적용하여 제작한 시험 편으로 피로시험을 수행하였다.
첫번째 방법인 절개구속 또는 크린치드(clinched) 방법은 위쪽 부재를 아래쪽 부재에 있는 틈새까지 관통하도록 금속판을 잘라낸(shearing)후, 업셋(upset) 하여 접합하는 방법으로, 취성 알루미늄이나 스테인레스강 등에 사용되며 두부 재의 두께가 상당히 두껍거나 연신율 차가 심할 때 사용되는 방법이 있다. 두번째 방법은 본 연구에서 적용한 버튼(button) 또는 라운드 크린치(round clinch) 접합이라 불리는 방법이다. 이는 Fig.
한편, 시편의 주요 치수가 변할 경우 최대하중 또는 하중 폭은 피로수명 평가 매개변수로써 적용에 어려움이 있다. 따라서, 파단 형태에 따라 결정된 등가 응력이 시편의 각 치수를 고려할 경우 피로수명의 정량적 평가가 가능하다고 판단되어 등가 응력을 사용하여 수명을 예측하였다. 이때 피로 시험 결과 파단 모드가 모두 관통형 이었으므로 인장-전단 시험편의 버튼 지점중에서 등가 응력 Ocq가 최대가 되는 하중점에 가장 가까운 위치에서의 다음과 같은 식을 이용하였다
한다. 또한, 최적의 펀치하중으로 제작된 시험편을 이용하여 피로시험을 실시하여 피로강도를 평가하고자 한다.
일반적인 점 용접 시험편은 KS규격에 의한 시험편을 제작하여 사용한다. 본 연구에서는 기계적 프레스 접합에 관한 규격이 현재 제정된 바가 없으므로 점 용접에 사용되는 KS B0851에 의거하여 인장-전단(tensile-shear) 시험편과 동일한 규격으로 점 용접 시험편을 제작하였다. 시험편 형상은 Fig.
2mm/min의 속도로 수행하였다. 여러 접합 하중 시험편 중에서 인장 실험을 한 결과 32kN의 접합하중을 가한 시험편이 최대인장강도로 가장 우수한 것으로 나타났기 때문에 32kN의 접합하중을 적용하여 제작한 시험 편으로 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 응력비(RuRnin/Pmax)가 0.
여러 접합 하중 시험편 중에서 인장 실험을 한 결과 32kN의 접합하중을 가한 시험편이 최대인장강도로 가장 우수한 것으로 나타났기 때문에 32kN의 접합하중을 적용하여 제작한 시험 편으로 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 응력비(RuRnin/Pmax)가 0.1 인 30Hz의 정현파형(sine wave form)의 반복 하중을 일정하게 가하여 수행하였다.
8mm의 A1-5052를 상 . 하판으로 제작한 기계적 프레스 접합부의 제작 시에 요구되는 최적의 작용하중을 결정하고 피로 강도를 평가하기 위하여 인장-전단 시험편을 사용하여 정적 인장 실험과 피로 실험을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1은 제작한 시험편의 버튼에 해당하는 접합부 단면을 나타내고 있다. 한편 기계적 접합시 최적의 접합 하중을 구하기 위한 조건으로 여러 접합하중에서 인장-전단 시험편을 제작하여 인장실험을 실시하였다.

대상 데이터

두께 0.8mm의 A1-5052를 상 . 하판으로 제작한 기계적 프레스 접합부의 제작 시에 요구되는 최적의 작용하중을 결정하고 피로 강도를 평가하기 위하여 인장-전단 시험편을 사용하여 정적 인장 실험과 피로 실험을 수행하였다.
본 연구에서 기계적 프레스 접합법으로 시험편 제작에 사용한 재료는 자동차 차체의 경량화를 위한 대체 재료로 많이 활용되고 있는 알루미늄 합금(A1-5052)으로서 그 기계적 성질과 화학적 성분은 각각 Table 1, Table 2와 같다.
접합 시 필요한 하중을 가하는 장치로는 10ton 용량의 전기 유압식 만능 재료 시험기(Instron 8516)를 사용하였다. 시험편 제작에 사용된 펀치(punch)는 직경과 버튼(button) 형태에 따라 다양하게 선택할 수 있으나, 본 연구에서는 두께 0.8mm 판재에 사용되는 직경 5.4mm의 라운드형(round-type) 펀치(punch)와 직경이 8.3mm인 다이(die)를 사용하여 상 ■ 하판의 재질은 모두 A1-5052로 시험편을 제작하였으며 Photo. 1은 제작한 시험편의 버튼에 해당하는 접합부 단면을 나타내고 있다.
본 연구에서는 기계적 프레스 접합에 관한 규격이 현재 제정된 바가 없으므로 점 용접에 사용되는 KS B0851에 의거하여 인장-전단(tensile-shear) 시험편과 동일한 규격으로 점 용접 시험편을 제작하였다. 시험편 형상은 Fig. 3과 같으며 치수는 W = 30mm, L = 100mm, P = 30mm, 두께 0.8mm로 하였다.

성능/효과

(2) 기계적 접합부의 인장 시험시 파괴 형태는 접합 조건에 따른 목 두께의 영향으로 인해 목 두께부가 파단되는 관통 파괴 형태와 접합부의 소성 변형에 의한 분리 파괴 형태로 나타났다.
9는 접합하중 32kN 일 때, 하중 폭과 수명과의 관계를 나타내었다. 본 실험의 최대 피로 파단 반복수인 2.5 X 106 을 기준으로 최대 접합하중에 대한 피로강도의 비는 약 6% 로 나타났으며, 접합하중 기준으로 대단히 낮음을 알 수 있다. 한편, 시편의 주요 치수가 변할 경우 최대하중 또는 하중 폭은 피로수명 평가 매개변수로써 적용에 어려움이 있다.
8과 같다. 펀치작용하중은 하중이 증가하면 인장하중도 증가하고, 32kN이후에는 다시 감소하는 것으로 나타나서 정해진 판두께와 펀치직경에서의 인장-전단 시혐편에 대한 최적의 펀치 작용하중은 32kN으로 나타났다. 그러므로 피로 실험을 위한 시험편은 모두 32kN의 펀치 작용흐}중으 적용하여 제작하기로 하였다.
(1) 본 연구에 사용된 판 두께와 펀치직경으로 상 . 하판을 A1- 5052로 접합시 최대 변형량은 펀치하중이 28kN~33kN 구간에서 펀치 작용하중과 거의 선형으로 비례하나 그 이후에는 하중이 증가하여도 변위량의 증가가 완만하며, 인장강도 측면에서의 최적의 펀치작용하중은 3가N으로 나타났다.

후속연구

5 X 101 2 * * * 6cycle 기준으로 최대 접합 하중의 약 6% 정도로 낮아 만일 본 접합법을 이용하여 반복하중을 받는 구조물을 제작시 접착제를 동시에 사용하거나 타점 수를 증가 시켜 피로 강도를 증가시키는 것이 바람직하다. 또한, 기계적 접합부의 경우 타점수를 증가시킬 경우 피로 강도가 대단히 증가하므로 피로강도 측면에서의 타점수 및 타점 간격의 영향에 관한 연구가 추후 필요하다고 판단된다.

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