[논문]알루미늄 판재의 전기저항가열 압출점접합공정에 있어서 핀의 높이가 접합강도에 미치는 영향에 관한 연구

이성준; 김태현; 진인태

doi:10.5228/kstp.2014.23.5.282

알루미늄 판재의 전기저항가열 압출점접합공정에 있어서 핀의 높이가 접합강도에 미치는 영향에 관한 연구
A Study on the Effect of Pin Height on Weld Strength in Extru-Rivet Spot Welding of Aluminum Plates 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.23 no.5, 2014년, pp.282 - 288

이성준 (부경대학교 기계공학과 대학원) , 김태현 (부경대학교 기계공학과 대학원) , 진인태

Abstract ▼ AI-Helper

It is difficult to control welding variables during spot welding of non-ferrous metals like aluminum because of the low electrical resistance of the material. It has been suggested that a solid state welding process such as friction stir spot welding or extru-spot welding can be used to spot weld aluminum plates. In the extru-spot welding, there is a need to increase the weld strength by improving the shape of the welding die. The current study shows that the weld strength for an extru-spot welding can be increased by using a pin placed on the inside of the upper electrode in the welding die. In the current study, the deformed shape of the insert rivet and the stress distribution in the welding zone were analyzed by simulation. Extru-rivet spot welding experiments were performed by changing the height of pin on the inside of the upper electrode. From the experimental result, it is shown that the weld strength for an extru-rivet spot welding can be increased by adjusting the height of the pin. The optimal shape of the deformed rivet after the extru-rivet spot welding can be observed from the simulation results. The deformed shape of the insert rivet can also be controlled by the height of pin.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 앞서 설명한 비철금속의 점용접과 관련된 문제점을 극복하기 위하여 고상접합을 기반으로 제안된 압출점접합공정(extru-riveting process)[5,6]을 자동화한 참고문헌[7]의 전기저항가열 압출점접합(extru-rivet spot welding)방법에서 접합부 상부가열 전극홀에 핀을 추가하여 홀의 출구면적을 줄이는 방법으로 압출로 발생하는 응력을 크게 하여 부족한 접합강도를 개선하고자 하였다. 따라서 접합강도를 향상시키기 위한 핀의 영향에 대해서 해석과 실험을 통한 연구가 필요하다.

제안 방법

Fig. 4와 같이 중첩된 알루미늄판재의 상부표면과 삽입된 핀의 선단면사이의 거리인 높이 h 값을 0mm, 0.5mm, 1mm, 1.5mm, 2mm로 변형 시켜서 접합부의 소성유동형상과 접합면에서의 응력을 조사하였다.
본 연구에서 전기저항가열을 이용한 압출점접합에서의 인장강도 개선을 위해 상부가열전극에 핀을 추가하여 압출점접합한 시편에 대한 시뮬레이션과 인장실험을 통하여 다음의 결과를 도출하였다.

대상 데이터

Fig. 9는 실험에 사용된 알루미늄5052의 접합판재 치수를 나타내고 있으며 재질의 성분요소는 Table 2와 같고 기계적인 물성치는 Table 3과 같다. 압입소재로 사용된 판재는 접합판재와 동일한 물성치와 치수를 가지는 알루미늄5052 합금을 사용하였고 두께는 접합 하고자 하는 알루미늄판재의 두 배가 되도록 하였다.
9는 실험에 사용된 알루미늄5052의 접합판재 치수를 나타내고 있으며 재질의 성분요소는 Table 2와 같고 기계적인 물성치는 Table 3과 같다. 압입소재로 사용된 판재는 접합판재와 동일한 물성치와 치수를 가지는 알루미늄5052 합금을 사용하였고 두께는 접합 하고자 하는 알루미늄판재의 두 배가 되도록 하였다.

이론/모형

압출점접합을 할 때 발생하는 소재의 소성유동 및 응력을 알아보기 위하여 DEFORM-3D소프트웨어를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행 하였다. Fig.
압출점접합의 용접강도를 측정하기 위하여 정적 인장전단시험 방법 KS B 0851에 따라 Fig. 10과 같이 전기저항가열 압출점접합된 시편을 만들고 인장시험기를 사용하여 인장하중을 측정하였다.
해석조건은 Table 1과 같이 사용하였으며 응력해석은 K. K. Lee[8] 등의 연구에서 알루미늄 소재의 고상용접의 적정온도가 520℃임을 참고로하여 이 온도를 해석에 적용하였다.

성능/효과

(1) 압출점접합에 대한 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인한 소성유동형상을 살펴보면 압출펀치직경d1이 5mm이고 상부가열전극의 직경d2가 4.2mm, 핀의 직경 d3가 2mm로 고정된 경우, 상부가열전극에 삽입된 핀의 높이 h 가 0.5mm일 때 압입소재의 상부표면이 평면으로 압입되면서 상부표면이 접합판재와 거의 일치하는 형상을 나타내고 있다.
(2) 두께가 1mm인 두 장의 알루미늄 판재를 중첩하여 압출점접합할 때 상부가열전극의 외부직경을 12mm로하고 전류의 세기를 37kA, 통전시간을 90cycle로 고정한 상태에서 핀높이h에 따라 점접합 후 인장강도의 측정값은 삽입 핀의 높이 h가 0.5mm, 일 때 접합강도가 제일 크게 나왔으며 통상의 KS규격에서 정하는 점접합강도를 만족함을 알 수 있었다.
(3) 상부가열전극의 홀에 삽입된 핀의 효과로 인하여 중첩된 알루미늄 판재의 압출점접합시 소성유동으로 인한 압입소재의 상부표면이 접합표면과 거의 일치함을 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있었으며 압출점접합후 인장시험을 통하여 점용접강도를 핀이 없는 경우의 점용접강도보다 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점용접(spot welding) 방법이란?	일반적으로 얇은 두께를 가지는 두 장의 판재를 점접합하는 방법중에 기계적인 결합방법으로 리벳팅(riveting) 공정이 있고, 접촉면의 전기저항에 의한 열과 압력을 이용하여 접합부를 용융접합 하는 점용접(spot welding)이 있다. 그리고 공구 회전에 의한 마찰열과 공구의 회전력을 이용하여 고상접합 하는 마찰교반점용접(fricition stir spot welding)이 있다[1~3].
	리벳팅(self-piercing riveting)의 단점은?	리벳에 의한 접합은 리벳의 선행제조와 접합부의 펀칭 및 헤딩공정으로 구성되어 있기 때문에 다소 복잡한 공정을 가지고 있다. 따라서 리벳부의 펀칭공정과 헤딩공정을 하나로 결합한 셀프피어싱 리벳팅(self-piercing riveting)이 사용되어지고 있으나 특수한 형태의 리벳을 제조하는 공정이 선행되어야하는 단점을 가지고 있다[4].
	압출점접합한 시편에서 직경을 조절하여 시뮬레이션으로 얻은 결과는?	(1) 압출점접합에 대한 컴퓨터 시뮬레이션으로 확인한 소성유동형상을 살펴보면 압출펀치직경d1이 5mm이고 상부가열전극의 직경d2가 4.2mm, 핀의 직경 d3가 2mm로 고정된 경우, 상부가열전극에 삽입된 핀의 높이 h 가 0.5mm일 때 압입소재의 상부표면이 평면으로 압입되면서 상부표면이 접합판재와 거의 일치하는 형상을 나타내고 있다.

참고문헌 (8)

D. B. Kim, M. Y. Lee, B. J. Park, J. K. Park, H. Y. Cho, 2012, Forging Process Design of Self-Piercing Rivet for Joining dissimilar Sheet Metals, J. Kor. Soc. Marine. Eng. Vol. 36, No. 6, pp. 802-807.

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D. B. Yum, J. B. Ko, B. K. Choi, S. G. Lee, A. K Kim, 2002, Evaluation of Resistance Spot Welding Weldability of Aluminum Alloy 5000 Series, Trans. Kor. Soc. Mach. Tool Eng., Vol. 11, No. 3, pp. 8-13.
Mitsuo Fujimoto, Shinji Koga, Natsumi Abe, S. Yutaka Sato, Hiroyuki Kokawa, 2009, Analysis of Plastic Flow of the Al Alloy Joint Produced by Friction Stir Spot Welding, Weld. Int., Vol. 23, No. 8, pp. 589-596.

상세보기
W. Cai, P. C. Wang, W. Yang, 2005, Assembly Dimensional Prediction for Self-Piercing Riveted Aluminum Panels, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 45, No. 6, pp. 695-704.

상세보기
I. T. Jin, 2007, Extruvet Bonding Apparatus and Method of Metal Plate by Plasticity Flow, Kor. Patent No. 10-0743857.
J. H. Lee, T. H. Kim, M. Y. Lee, I. T. Jin, 2009, A Study on Welding Strength of Extru-Riveting Process of Aluminum Plates, Trans. Mater. Process., Vol. 19, No. 8, pp. 460-467.

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S. J. Lee, I. T. Jin, 2013, A Study of Weld Strength of Extru-rivet Spot Welding using Electrodes Heated by Electric Resistance, Trans. Mater. Process., Vol. 22, No. 4, pp. 189-195.

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K. K. Lee, 2009, Ph.D Thesis, The graduate School, Pukyung National University, Pusan.

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