차체 경량화를 위해 알루미늄과 같은 경량금속의 사용은 이종소재 사용은 새로운 접합기술을 요구한다. 클린칭 접합은 이종소재 접합기술 중의 하나로 접합소재의 강도차이에 의해 접합특성이 달라진다. 본 연구에서는 Al5052 합금소재에 대한 고장력강판(SPFC440, 590, 780)에 대한 클린칭 접합특성을 평가하였다. 유한요소해석과 인장전단시험을 통해 클린칭 접합특성인 클린칭 접합의 기학적 구속량과 접합강도를 평가하였다. 상부소재가 고장력강판인 경우, SPFC780 은 상부소재의 네킹으로 클린칭 접합이 불가능하였다. 또한 상부소재의 강도가 증가함에 따라 접합강도가 증가하는 특성을 나타내었다. 하부소재가 고장력강판인 경우, 기하학적 구속량인 목두께 및 언더컷과 접합강도는 하부소재의 강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
차체 경량화를 위해 알루미늄과 같은 경량금속의 사용은 이종소재 사용은 새로운 접합기술을 요구한다. 클린칭 접합은 이종소재 접합기술 중의 하나로 접합소재의 강도차이에 의해 접합특성이 달라진다. 본 연구에서는 Al5052 합금소재에 대한 고장력강판(SPFC440, 590, 780)에 대한 클린칭 접합특성을 평가하였다. 유한요소해석과 인장전단시험을 통해 클린칭 접합특성인 클린칭 접합의 기학적 구속량과 접합강도를 평가하였다. 상부소재가 고장력강판인 경우, SPFC780 은 상부소재의 네킹으로 클린칭 접합이 불가능하였다. 또한 상부소재의 강도가 증가함에 따라 접합강도가 증가하는 특성을 나타내었다. 하부소재가 고장력강판인 경우, 기하학적 구속량인 목두께 및 언더컷과 접합강도는 하부소재의 강도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다.
For manufacturing modern cars, so-called multi-materials, such as aluminum alloy with high-strength steels, are used. For obtaining such materials, a new joining method is required to achieve the multi-material design. Mechanical clinching is one of joining methods used to join the dissimilar materi...
For manufacturing modern cars, so-called multi-materials, such as aluminum alloy with high-strength steels, are used. For obtaining such materials, a new joining method is required to achieve the multi-material design. Mechanical clinching is one of joining methods used to join the dissimilar materials. The objective of this study is to investigate the characteristics of mechanical clinching of Al5052 alloy to high-strength steels (SPFC440, 590, 780). Using FE-analysis and clinching experiment, the joinability of Al5052 alloy to high-strength steel is evaluated by geometrical shape of mechanical clinched joint, such as neck-thickness and undercut. Further, the joint strength is evaluated by performing a single-lap shear test. The upper high-strength steel SPFC780 was not clinched because of the necking of the upper sheet. The joint strength increased with increasing strength of the upper sheet. For the lower high-strength steel sheet, the joinability and joint strength decreased with increasing strength of the lower sheet.
For manufacturing modern cars, so-called multi-materials, such as aluminum alloy with high-strength steels, are used. For obtaining such materials, a new joining method is required to achieve the multi-material design. Mechanical clinching is one of joining methods used to join the dissimilar materials. The objective of this study is to investigate the characteristics of mechanical clinching of Al5052 alloy to high-strength steels (SPFC440, 590, 780). Using FE-analysis and clinching experiment, the joinability of Al5052 alloy to high-strength steel is evaluated by geometrical shape of mechanical clinched joint, such as neck-thickness and undercut. Further, the joint strength is evaluated by performing a single-lap shear test. The upper high-strength steel SPFC780 was not clinched because of the necking of the upper sheet. The joint strength increased with increasing strength of the upper sheet. For the lower high-strength steel sheet, the joinability and joint strength decreased with increasing strength of the lower sheet.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
유한요소해석결과 역시 동일한 변형모드를 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 SPFC440과 590 에 대해서만 유한요소해석을 수행하여 Al5052 소재와 고장력강판과의 클린칭 접합특성을 평가하였다.
고장력강판이 상부소재에 위치할 경우, 초기 전단모드 변형에서 고장력강판의 네킹발생이 우려된다. 본 연구에서는 예비실험을 통해 초기 전단모드 변형시 고장력강판의 네킹 발생여부를 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 자동차 차체 구조물에 주로 사용되는 Al5052 소재와 고장력강판(SPFC440, 590, 780)에 대한 클린칭 접합특성을 평가하였다. 클린칭 접합특성은 유한요소해석과 인장전단강도 시험을 통해 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 차체 구조물에 주로 사용되는 Al5052 소재와 고장력강판(SPFC 440, 590, 780)소재에 대해 클린칭 금형형상에 따른 클린칭 접합특성을 평가하였다. 유한요소법을 활용하여 클린칭 접합공정을 해석하고, 클린칭 공정의 주요 공정변수인 다이깊이, 클리어런스 및 그루부형상이 클린칭 접합의 기하학적 구속에 미치는 영향을 평가하였다.
가설 설정
클린칭 접합은 초기 홀더에 의해 상부소재와 하부 소재를 고정하고, 펀치가 소재를 다이 내부로 압 입하여 상부소재와 하부소재를 접합시킨다. 이 때, 클린칭 금형과 접합소재간의 마찰상수는 0.12 이며, 상부소재와 하부소재사이의 마찰은 0.35 로 가정하였다. (8)
제안 방법
Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 클린칭 접합공정의 주요 공정변수인 다이깊이(H), 펀치와 다이 간극(C) 및 그루부형상(G)의 영향을 평가하였다. 클린칭 접합공정에서 소재의 압입시 클린칭 펀치가 차지하는 체적은 다이공동부의 부피와 같다.
간극을 1.5, 1.7, 1.9 mm 로 변화시켜 클린칭 접합의 목두께 및 언더컷에 대한 간극의 영향을 평가하였다. 이 때 다이깊이는 1.
그루부깊이를 0.3, 0.5, 0.7 mm 로 변화시켜 클린칭 접합의 목두께 및 언더컷에 대한 그루부깊이의 영향을 평가하였다. 이 때 다이깊이는 1.
이종소재 클린칭 접합의 접합강도를 평가하기 위해 클린칭 접합실험을 수행하였다. 또한 클린칭 접합단면을 관찰하여 유한요소해석 결과를 검증하였다. 클린칭 접합실험은 유한요소해석시 언더컷이 많이 형성된 조건인 H=1.
유한요소법을 활용하여 클린칭 접합공정을 해석하고, 클린칭 공정의 주요 공정변수인 다이깊이, 클리어런스 및 그루부형상이 클린칭 접합의 기하학적 구속에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 클린칭 접합실험을 통해 접합소재의 강도차가 클린칭 접합의 기하학적 구속형성 및 구속량에 미치는 영향을 평가하였다. 인장전단시험(lap shear test)를 수행하여 클린칭 접합의 전단강도를 평가하고, 접합소재의 강도가 클린칭 접합의 접합강도에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서 Fig. 4 에 나타낸 것과 같이 원형펀치와 다이에 의해 국부적으로 성형되므로, 클린칭 접합공정에 대한 축대칭 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 이종소재 접합시 강도차이에 의한 접합특성의 변화를 평가하였으며, 또한 고장력강판의 위치에 따라 클린칭 접합특성을 구분하여 평가하였다.
본 연구에서는 Fig. 1 에 나타낸 것과 같이 클린칭 접합의 기하학적 구속인자인 상부소재의 목두께(neck-thickness, tN )와 언더컷(undercut, tU )을 이용하여 클린칭 접합특성을 평가하였다. Lee (6) 에 의하면 클린칭 접합강도는 목두께와 언더컷에 의하여 결정되며, Fig.
은 클린칭 접합시 클린칭 접합부의 바닥두께가 감소함에 따라 접합하중이 증가함을 밝혔으며, 클린칭 접합부의 바닥두께(X)를 클린칭 접합의 특성변수로 설정하였다. 본 연구에서는 클린칭 접합부의 바닥두께는 클린칭 접합시 접합하 중을 고려하여 총 두께의 65%로 설정하였으며, 바닥두께가 총 두께의 65%일 때, 클린칭 공정변수에 대한 클린칭 접합특성을 평가하였다.
클린칭 접합공정에서 소재의 압입시 클린칭 펀치가 차지하는 체적은 다이공동부의 부피와 같다. 본 연구에서는 펀치 압입체적으로부터 클린칭 접합공정의 주요변수인 다이깊이, 다이간극 및 그루부깊이의 값에 대한 범위를 각각 결정하였다.
상부소재가 고장력강인 경우와 동일한 유한요소 해석조건으로 고장력강판이 하부소재에 위치했을 때, 클린칭 접합특성을 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 차체 구조물에 주로 사용되는 Al5052 소재와 고장력강판(SPFC 440, 590, 780)소재에 대해 클린칭 금형형상에 따른 클린칭 접합특성을 평가하였다. 유한요소법을 활용하여 클린칭 접합공정을 해석하고, 클린칭 공정의 주요 공정변수인 다이깊이, 클리어런스 및 그루부형상이 클린칭 접합의 기하학적 구속에 미치는 영향을 평가하였다. 또한 클린칭 접합실험을 통해 접합소재의 강도차가 클린칭 접합의 기하학적 구속형성 및 구속량에 미치는 영향을 평가하였다.
유한요소해석을 통해 고장력강판이 상부소재에 위치했을 때, 다이깊이를 1.5, 1.7, 1.9 mm 로 변화시켜 클린칭 접합의 목두께 및 언더컷에 대한 다이깊이의 영향을 평가하였다. 이 때 간극은 1.
유한요소해석을 통해 고장력강판이 하부소재에 위치했을 때, 클린칭 접합의 목두께 및 언더컷에 대한 그루부 깊이의 영향을 평가하였다. Fig.
유한요소해석을 통해 고장력강판이 하부소재에 위치했을 때, 클린칭 접합의 목두께 및 언더컷에 대한 다이깊이의 영향을 평가하였다. Fig.
4 에 나타낸 것과 같이 원형펀치와 다이에 의해 국부적으로 성형되므로, 클린칭 접합공정에 대한 축대칭 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 이종소재 접합시 강도차이에 의한 접합특성의 변화를 평가하였으며, 또한 고장력강판의 위치에 따라 클린칭 접합특성을 구분하여 평가하였다.
이종소재 클린칭 접합의 접합강도를 평가하기 위해 인장전단시험을 수행하였으며, 접합강도는 인장전단시험편의 파단하중으로 평가하였다. 사용된 시험편의 치수는 폭 25mm, 길이 100mm 및 겹침길이 25mm 로 제작하였다.
이종소재 클린칭 접합의 접합강도를 평가하기 위해 클린칭 접합실험을 수행하였다. 또한 클린칭 접합단면을 관찰하여 유한요소해석 결과를 검증하였다.
또한 클린칭 접합실험을 통해 접합소재의 강도차가 클린칭 접합의 기하학적 구속형성 및 구속량에 미치는 영향을 평가하였다. 인장전단시험(lap shear test)를 수행하여 클린칭 접합의 전단강도를 평가하고, 접합소재의 강도가 클린칭 접합의 접합강도에 미치는 영향을 분석하였다.
클린칭 접합의 접합강도는 인장전단시험을 수행하여 시험편의 파단하중으로 평가하였다. 접합소재의 강도차이에 따른 클린칭 접합의 접합강도 변화를 분석하였다.
또한 클린칭 접합단면을 관찰하여 유한요소해석 결과를 검증하였다. 클린칭 접합실험은 유한요소해석시 언더컷이 많이 형성된 조건인 H=1.7, C=1.9 및 G=0.5 에 대해 클린칭 금형을 제작하여 수행하였다.
사용된 시험편의 치수는 폭 25mm, 길이 100mm 및 겹침길이 25mm 로 제작하였다. 클린칭 접합은 클린칭 접합실험과 동일한 조건에서 수행하였으며, 크랙이 발생한 SPFC590 의 경우, 펀치 압입거리를 조절하여 크랙이 발생하지 않는 조건에서 인장전단시험편을 제작하였다. Fig.
언더컷의 형성이 작은 경우에는 분리파괴모드(button separation mode)가 발생한다. 클린칭 접합의 접합강도는 인장전단시험을 수행하여 시험편의 파단하중으로 평가하였다. 접합소재의 강도차이에 따른 클린칭 접합의 접합강도 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 자동차 차체 구조물에 주로 사용되는 Al5052 소재와 고장력강판(SPFC440, 590, 780)에 대한 클린칭 접합특성을 평가하였다. 클린칭 접합특성은 유한요소해석과 인장전단강도 시험을 통해 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
13 은 하부소재가 고장력강인 경우에 대한 클린칭 접합단면을 나타낸 것이다. Al5052 상부소재의 목두께는 고장력강이 상부소재인 경우와 비교하여 2 배 이상의 목두께를 형성하였다. 유한요소해석과 비교하여, 하부소재의 강도가 높을수록 감소하는 동일한 경향을 나타내었다.
본 연구에서 사용한 Al5052 소재 및 고장력강판 (SPFC440, 590, 780)에 대한 기계적 물성치는 인장 시험을 통해 평가하였으며, Table 1 에 나타내었다. 클린칭 접합은 초기 홀더에 의해 상부소재와 하부 소재를 고정하고, 펀치가 소재를 다이 내부로 압 입하여 상부소재와 하부소재를 접합시킨다.
이종소재 클린칭 접합의 접합강도를 평가하기 위해 인장전단시험을 수행하였으며, 접합강도는 인장전단시험편의 파단하중으로 평가하였다. 사용된 시험편의 치수는 폭 25mm, 길이 100mm 및 겹침길이 25mm 로 제작하였다. 클린칭 접합은 클린칭 접합실험과 동일한 조건에서 수행하였으며, 크랙이 발생한 SPFC590 의 경우, 펀치 압입거리를 조절하여 크랙이 발생하지 않는 조건에서 인장전단시험편을 제작하였다.
성능/효과
(1) 상부소재가 고장력강인 경우, 고장력강의 낮은 연신율로 인해 상부소재에 네킹이 발생할 수 있으며, 이로 인해 SPFC780 에 대해서는 클린칭 접합이 불가능하였으며, SPFC590 의 경우, 언더컷을 형성하지만 상부소재의 목부분에서 일부 균열이 발생하였다.
(2) 또한, 접합소재의 강도차이가 클수록 목두께와 언더컷은 감소하는 경향을 나타내었다. 이것은 강도 차이로 인해 상대적으로 강도가 작은 Al5052 소재의 변형량이 증가하기 때문이다.
(3) 하부소재가 고장력강인 경우, 접합소재의 강도차이가 클수록 목두께와 언더컷, 인장전단강도는 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 SPFC780의 경우, 클린칭 접합이 가능하였으나 언더컷이 거의 형성되지 않았다.
Abe 등(5)은 Al5052 소재와 고장력강판(SPFC 440, 590, 780)에 대한 클린칭 접합시험을 수행하였으며, 고장력강판의 위치에 따른 클린칭 접합특성을 평가하였다. 그 결과, 일반적으로 접합소재의 강도가 높을수록 접합강도 또한 높게 평가되는 경향과는 달리 접합 소재의 강도가 높을수록 클린칭 접합부의 접합강도는 오히려 낮게 평가되는 것으로 나타났다. 이는 알루미늄합금소재의 기하학적 구속량을 클린칭 금형 설계시 반드시 고려해야함을 의미한다.
는 Al5052 소재와 냉간압연강판(SPCC)에 대한 기계적 프레스 접합을 실시하고, 접합부의 강도를 실험적으로 평가하였다. 기계적 프레스 접합부의 접합강도는 재료의 기계적 물성 및 접합금형의 기하학적 형상이 결정적인 영향을 미치며, 강도와 연성이 좋은 소재가 상부소재로 위치하는 것이 좋다는 결론을 내렸다. 그러나, 최근 차체구조물에 고장력강판과 같이 강도는 우수하나 연성이 나쁜 소재의 사용이 증가함에 따라 이에 대한 이종소재 접합특성 연구가 요구된다.
다이깊이가 증가함에 따라 초기 전단모드 변형량이 증가하기 때문에 상부소재의 목두께가 감소하게 된다. 또한 하부소재의 강도가 클수록 Al5052 상부소재의 목두께가 감소하는 것으로 나타났다. 고장력강판이 하부소재에 위치하기 때문에 상부소재와 하부소재의 강도차이에 의해 상부소재의 변형량과 비교하여 하부소재의 변형량이 상대적으로 작으며, 하부소재의 강도가 클수록 하부소재의 변형량이 더욱 작다.
간극의 증가는 펀치와 하부소재사이 공간의 증가를 의미하므로 상부 소재의 목두께를 형성할 수 있는 공간의 증가를 의미하며, 이로 인해 목두께가 증가한다. 상부소재와 하부소재의 강도차이에 대해 간극이 상부소재의 목두께 변화에 미치는 영향은 거의 없는 것으로 평가되었다.
Al5052 상부소재의 목두께는 고장력강이 상부소재인 경우와 비교하여 2 배 이상의 목두께를 형성하였다. 유한요소해석과 비교하여, 하부소재의 강도가 높을수록 감소하는 동일한 경향을 나타내었다. 특히 SPFC780 의경우, 언더컷이 거의 형성되지 않았으며, 일부 시험 편의 경우, 언더컷이 형성되지 않는 경우도 발생하였다.
인장전단시험결과, SPFC440 의 인장전단강도는 4.88±0.241kN 으로 평가되었으며, SPFC 590 은 5.091±0.131kN 으로 평가되었다.
유한요소해석과 비교하여, 하부소재의 강도가 높을수록 감소하는 동일한 경향을 나타내었다. 특히 SPFC780 의경우, 언더컷이 거의 형성되지 않았으며, 일부 시험 편의 경우, 언더컷이 형성되지 않는 경우도 발생하였다.
후속연구
기계적 프레스 접합부의 접합강도는 재료의 기계적 물성 및 접합금형의 기하학적 형상이 결정적인 영향을 미치며, 강도와 연성이 좋은 소재가 상부소재로 위치하는 것이 좋다는 결론을 내렸다. 그러나, 최근 차체구조물에 고장력강판과 같이 강도는 우수하나 연성이 나쁜 소재의 사용이 증가함에 따라 이에 대한 이종소재 접합특성 연구가 요구된다. Y.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 고장력강판에서의 클린칭 접합특성에 대한 결과는?
Abe 등(5)은 Al5052 소재와 고장력강판(SPFC 440, 590, 780)에 대한 클린칭 접합시험을 수행하였으며, 고장력강판의 위치에 따른 클린칭 접합특성을 평가하였다. 그 결과, 일반적으로 접합소재의 강도가 높을수록 접합강도 또한 높게 평가되는 경향과는 달리 접합 소재의 강도가 높을수록 클린칭 접합부의 접합강도는 오히려 낮게 평가되는 것으로 나타났다. 이는 알루미늄합금소재의 기하학적 구속량을 클린칭 금형 설계시 반드시 고려해야함을 의미한다.
클린칭 공정이란 무엇인가?
(3) 클린칭 공정은 Fig. 1 과 같이 두 겹 이상의 판재를 가압하여 그루브(groove)를 포함한 다이 내에서 국부적인 소성변형을 발생시켜 기하학적 구속(geometrical interlocking)에 의해 접합하는 방법이다.클린칭 접합은 기하학적 구속량에 따라 클린칭 접합의 접합강도가 결정된다.
경량화 소재에 저항점 용접이 불가해서 대안으로 수행하는 접합기술은 무엇인가?
이종소재 적용설계기법(multi-material design)을 차체 구조물에 성공적으로 적용하기 위해서는 이종소재 접합기술이 요구된다. (1,2) 알루미늄과 같은 경량화 소재는 기존의 저항점 용접의 사용이 불가능하기 때문에 이를 대체할 수 있는 접합기술이 요구되며 최근에는 클린칭(clinching), 셀프 피어싱 리벳(self-piercing rivet) 등이 많이 이용되고 있다. 특히 클린칭의 경우, 셀프 피어싱 리벳과는 달리 추가적인 접합요소가 필요하지 않기 때문에 접합단가가 매우 저렴한 장점을 가지고 있다.
참고문헌 (8)
Kim, J.Y., Lee, C.J., Lee, S.K., Ko, D.C. and Kim, B.M., 2009, “Effect of Shape Parameters of Tool on Improvement of Joining Strength in Clinching,” Trans. of Mat. Proc., Vol. 18, No. 5, pp. 393-400.
Lim, D.H., Lee, B.W., Rhyu, H.H. and Kim, H.K., 2003, “An Experimental Study on the Strength Evaluation of Al-5052 Tensile-Shear Speciments Using a Mechanical Press Joining Method,” Trans. of KSMTE, Vol. 12, No. 1, pp. 58-64.
Varis, J. P., 2006, “Economics of Clinched Joint Compared to Riveted Joint and Example of Applying Calculations to a Volume Product,” J. of Mat. Proc. Tech., Vol. 172, pp. 130-138.
Lee, Y.B., Park, Y.K., Cung, C.S and Kim, H. K., 2000, “An Experimental Study on the Strength Evaluation of Mechanical Press Joint,” Trans. of KSME A, Vol. 24, No. 2, pp.438-447.
Abe, Y., Matsuda, A., Kato, T. and Mori, K., 2008, “Plastic Joining of Aluminium Alloy and High Strength Steel Sheets by Mechanical Clinching,” Steel Res. Int. Vol. 79, pp. 649-656
Lee, C.J., Kim, J.Y., Lee, S.K., Ko, D.C. and Kim, B.M., 2010, “Design of Mechanical Clinching Tools for Joining of Aluminium Alloy Sheets,” Materials & Design, Vol. 31, pp. 1854-1861.
Varis, J. and Lepisto, J., 2003, “A Simple Testing-Based Procedure and Simulation of the Clinching Process Using Finite Element Analysis for Establishing Clinching Parameters,” Thin Wall Struct., Vol. 41, pp. 691-709.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.