[논문]차체 소재 다변화에 따른 체결 및 접합기술

김용; 박기영; 곽성복

doi:10.5781/jwj.2015.33.3.12

Abstract ▼ AI-Helper

The ultimate goal of developing body is revealed the "lightweight" at latest EuroCarBody conference 2012 and the most core technology is joining process to make lightweight car body design. Accordingly, in this study, the car body assembly line for the assembly process applies to any introduction, p...

The ultimate goal of developing body is revealed the "lightweight" at latest EuroCarBody conference 2012 and the most core technology is joining process to make lightweight car body design. Accordingly, in this study, the car body assembly line for the assembly process applies to any introduction, particularly in the assembly of aluminum alloy and composite materials applied by the process for the introductory approached. Process were largely classified by welding (laser, arc, resistance, and friction stir welding), bonding (epoxy bonding) and mechanical fastening (FDS, SPR, Bolting and clinching). Applications for each process issues in the case and the applicable award was presented, based on the absolute strength of the test specimens and joining characteristics for comparative analysis were summarized. Finally, through this paper, we would tried to establish the characteristics of the joint for lightweight structure.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 차체 소재 다변화의 흐름 및 이에 따른 체결 및 접합기술에 대한 개론적인 소개와 함께 단순한 강도검증을 통해 공정의 적용성을 비교하였다. 자동차산업 시장은 글로벌 경쟁이 날로 치열해지면서 안전성 및 내구성이 복합되면서도 가벼운 차체 기술의 개발이 계속적으로 요구되고 있으며, 이에 따라 1.
앞서 소개한 다양한 공정에 대한 이종소재의 적용성을 우선 검토하였으며, 우선적으로 알루미늄과 플라스틱 간 조립에서의 기계적 체결공정의 적용 가능성을 검토하였다. 시험에 사용된 소재는 알루미늄의 경우 6000계열 소재로 두께는 1.
한편 기존 스틸 재료와 고분자 소재 부품을 연결해야 되는 경우에는 더 이상 원자 간의 금속결합을 유도하여 접합하는 전통적인 용접방식으로는 접근이 불가하다. 이 경우에는 체결 및 접착기술이 사용되어야 하며, 본 논문에서는 이에 따른 적용 가능한 공정기술에 대한 방법론적인 검토가 이루어졌다.
이에 따라 실제 유로카바디에 출품된 대표차종 중 2012년도에 랭킹 1위를 차지한 차량에 대한 소재 적용현황 및 접합체결기술에 대해 조사하였다¹⁾. 대상 차량은 독일 Benz社의 SL231 차량으로 차체 구성소재 조사 결과 Fig.

제안 방법

마지막으로 스틸과 알루미늄과 이종재료 체결 및 접합실험을 실시하여 공정별 체결(접합)부 인장전단강도에 대해 단순 비교를 실시하였다. 스틸은 일반 차체에 흔히 사용되는 냉연강판을 사용하였으며 소재 두께는 알루미늄과 동일한 1.
한편 플라스틱의 경우 열가소성 장섬유(long glass fiber) 강화 폴리프로필렌 복합재료를 사용하였다. 본 재료의 섬유 함유량은 약 30%, 인장강도는 약 100 MPa이며, 두께는 3 mm를 일괄 적용하였다.
공정의 단순 비교를 위해 시편의 겹침 면적은 동일하게 25×25 mm로 하였으며, 공정별로 달리 소모성으로 사용되는 체결 부품의 크기(지름)는 가장 일반적으로 사용되는 것으로 선택 사용하였다(ex: M6 볼트). 소재의 조합은 각각 스틸 간, 알루미늄 간 그리고 스틸과 알루미늄의 이종소재로 구성하였고, 적용 공정은 볼트, SPR, FDS, 본딩 및 본드와 SPR이 동시 적용된 하이브리드 접합부까지 총 5개 공정에 대해 단순 강도를 비교하였다.
스틸과 알루미늄 또는 스틸과 고분자 플라스틱 이종 소재 연결부를 효율적으로 체결하는 방법 및 사례 조사를 위해 우선적으로 기계적 체결방식에 따른 공정들을 해외논문^2,3) 및 기술자료⁴⁾ 등을 통해 확인하였으며, 그 결과를 종합하면 Fig. 5와 같다. 기계적 체결은 우선적으로 대상 소재 연결부에 미리 홀 가공 여부에 따라 분류할 수 있으며, 또한 체결 방향에 따라서도 분류가 가능하여 총 4가지 방식의 공정으로 분류할 수 있다.
표면처리는 알루미늄 시편에 대해 각각 #100, #400 및 #800의 입도를 갖는 연마재를 사용한 것과 표면처리를 전혀 하지 않고 바로 접합한 시편, 총 4종류에 대해 이루어졌다. 그 결과, 표면처리를 한 시편에서는 입도에 의한 신율 차이는 있으나, 파단하중에 대한 차이는 입도와 연관성을 찾지 못하였다.
한편 본 차량의 제작을 위해 적용된 조립공정 기술을 살펴보면, 기존 스틸 강판에 주로 적용되어 오던 점용접 대신 Table 1과 같이 아크용접 및 본딩, 그리고 리벳, 클린칭, 스크류 체결과 같은 기계적 체결방식이 적용되었다. 이러한 본딩 및 기계적 체결기술의 경우 금속간의 용융접합이 아니기 때문에 비단 알루미늄뿐만 아니라 플라스틱이나 기타 비철소재, 이종소재 등의 조립에도 매우 유용한 공정이다.

대상 데이터

공정의 단순 비교를 위해 시편의 겹침 면적은 동일하게 25×25 mm로 하였으며, 공정별로 달리 소모성으로 사용되는 체결 부품의 크기(지름)는 가장 일반적으로 사용되는 것으로 선택 사용하였다(ex: M6 볼트).
. 대상 차량은 독일 Benz社의 SL231 차량으로 차체 구성소재 조사 결과 Fig. 4와 같이 차체 소재 중 스틸의 비중은 겨우 12%에 불과했으며 알루미늄 베이스의 차량을 출품하여 그 기술력을 인정받았다.
마지막으로 스틸과 알루미늄과 이종재료 체결 및 접합실험을 실시하여 공정별 체결(접합)부 인장전단강도에 대해 단순 비교를 실시하였다. 스틸은 일반 차체에 흔히 사용되는 냉연강판을 사용하였으며 소재 두께는 알루미늄과 동일한 1.2 mm이다. 공정의 단순 비교를 위해 시편의 겹침 면적은 동일하게 25×25 mm로 하였으며, 공정별로 달리 소모성으로 사용되는 체결 부품의 크기(지름)는 가장 일반적으로 사용되는 것으로 선택 사용하였다(ex: M6 볼트).
앞서 소개한 다양한 공정에 대한 이종소재의 적용성을 우선 검토하였으며, 우선적으로 알루미늄과 플라스틱 간 조립에서의 기계적 체결공정의 적용 가능성을 검토하였다. 시험에 사용된 소재는 알루미늄의 경우 6000계열 소재로 두께는 1.2 mm를 사용하였다. 한편 플라스틱의 경우 열가소성 장섬유(long glass fiber) 강화 폴리프로필렌 복합재료를 사용하였다.
2 mm를 사용하였다. 한편 플라스틱의 경우 열가소성 장섬유(long glass fiber) 강화 폴리프로필렌 복합재료를 사용하였다. 본 재료의 섬유 함유량은 약 30%, 인장강도는 약 100 MPa이며, 두께는 3 mm를 일괄 적용하였다.

성능/효과

이종소재 체결을 위해 각각의 공정을 적용한 결과, 볼팅을 제외한 나머지 공정은 적용이 어려운 것으로 확인되었다. 그 이유는 플라스틱의 특성 상 소성 가공력이 금속보다 훨씬 낮을 뿐만 아니라, Pre-drilling이 없는 상태에서 체결을 위해 장비에서 고압의 압력을 인가할 때 발생되는 충격하중을 견디지 못하고 체결 중 파손되기 때문이다.

후속연구

구조용 접착제와의 혼용이 가능하며 짧은 공정시간 및 우수한 체결강도를 나타낼 뿐 아니라 다양한 소재의 이종접합이 가능하여 현재 알루미늄 차체의 조립공정으로 가장 널리 사용되고 있다. 본 공정은 2000년도 후반에 국내에 급속히 보급되어 현재는 보편화된 공정으로서 향후에도 경량소재로 변경됨에 따라 상당 부분 점용접을 대체할 수 있을 것으로 판단된다. Fig.
3과 같이 향후 5년 내 소재 사용 전망 부분에서 기존 스틸 소재보다는 알루미늄 및 고분자소재의 사용이 늘어날 것으로 예측되고 있다¹⁾. 이러한 결과를 종합하여 판단해 보면, 향후 다양한 소재에 대한 용접 접합 및 체결기술에 대한 중요도는 매우 높고 이에 대한 기술 확보가 곧 제품의 경쟁력과 직결될 것이라고 판단된다.
이상의 비교는 체결 강도에 대해서만 단순 비교한 것이며 각각의 공정별 특성, 접합부 형상, 적용 소재 등에 따라 적절한 공정을 선택하여야 할 것이다.
14는 체결공정 중 SPR 및 FDS 공정의 실험장치 및 체결결과를 보여주고 있다. 이에 따라 복합재료를 포함한 플라스틱 구조물의 경우는 볼팅(리벳팅) 및 본딩 접착을 혼용한 고전적인 조립방식이 향후에도 계속 중용되어 사용될 것으로 판단된다.
0 GPa 이상 급의 초고강도강의 확대와 함께 비철금속과 복합재료 등의 신소재가 꾸준히 출연되고 있다. 이에 따라 향후 차체업계에서도 급변하는 기술에 대비하여 기존의 전통 용접기술에서 벗어난 접합 및 체결에 대한 기술적 대비가 필요할 것이다.
이러한 본딩 및 기계적 체결기술의 경우 금속간의 용융접합이 아니기 때문에 비단 알루미늄뿐만 아니라 플라스틱이나 기타 비철소재, 이종소재 등의 조립에도 매우 유용한 공정이다. 특히 조립기술의 경우 소재의 변경 및 다변화에 따라 기존의 고전적인(conventional) 용접기술에서 벗어난 전혀 다른 패러다임을 적용하여 향후에는 기계적 체결(mechanical joining) 및 접착기술(adhesive bonding)에 대한 많은 수요가 예상되기 때문에 글로벌 시장사회에서 경쟁력을 갖기 위해서는 이들 기술에 대한 선행검토 및 노하우의 확보가 반드시 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	미래형 자동차 등장에 따라 재료 분야에서 노력중인 사항은?	자동차산업에서는 국가 간 FTA 체결로 인한 시장이 글로벌화 되었으며, 경쟁력 확보를 위한 경량화 및 CO2 가스 저감기술에 대한 개발 경쟁이 치열하다. 미래형 자동차 등장에 따른 자동차산업 패러다임 변화로 인해 경량 고안전 차체 및 제조기술의 개발이 끊임없이 요구되고 있으며, 특히 재료의 고강도화, 비철금속화 및 고분자 소재로의 대체를 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 특히 기존 스틸 차체에서는 고전적인 용접법인 저항용접 및 아크용접이 주를 이루었지만, 소재가 비철 또는 고분자 소재로 변해감에 따라 그에 따른 공정 또한 필수불가결하게 개발되어야 한다.
	기존 스틸 차체에서 많이 사용되는 용접법은?	미래형 자동차 등장에 따른 자동차산업 패러다임 변화로 인해 경량 고안전 차체 및 제조기술의 개발이 끊임없이 요구되고 있으며, 특히 재료의 고강도화, 비철금속화 및 고분자 소재로의 대체를 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 특히 기존 스틸 차체에서는 고전적인 용접법인 저항용접 및 아크용접이 주를 이루었지만, 소재가 비철 또는 고분자 소재로 변해감에 따라 그에 따른 공정 또한 필수불가결하게 개발되어야 한다. 스틸 소재는 점점 고강도 박육화되고 있어 박판 용접기술에 대한 공정 확보가 중요하며 알루미늄의 경우 저항용접을 대체할만한 강력한 접합/체결기술이 개발 중이다.
	이종 소재 연결부를 홀의 사전가공 없이 직접적으로 체결하는 방식이 갖고 있는 문제점은 무엇인가?	이에 반해 두 번째로 홀의 사전가공 없이 직접적으로 체결하는 방식이 있는데, 대표적으로는 원 사이드 드릴(flow drill screw, FDS) 및 셀프 피어싱 리벳(SPR), 클린칭 등의 공정이 적용된다. 이들 방식은 사전 홀 가공의 공수는 없으나 체결을 위한 일정 이상의 압력이 필요하게 되어 변형 또는 손상 등의 문제점을 유발할 수 있다. 뒤에 각각의 공정기술에 대해 간략히 설명하도록 한다.

참고문헌 (7)

Automotive Circle Int., EuroCarBody 2012, 14th Global Car Body Benchmarking Conference, (2012)
Robert W. Messler, Trends in key joining technologies for the twentyfirst century, Assembly Automation, 20 (2) (2000), 118-128

상세보기
T. A Barnes and I.R Pashby, Joining techniques for aluminium space-frames used in automobiles: adhesive bonding and mechanical fasteners, Journal of Materials Processing Technology, 99 (1) (2000), 72-79

상세보기
Audi AG, SSP 383 Audi TT coupe 07-Body, (2006)
The Korean Welding and Joining Society, Welding and Joining HandbooK, (1998), 355-359 (in Korean)
Dow Betamate adhesives overview, Dow Chemical, (2010), 12-14
W. Brockmann, et. al., Adhesive bonding, WILEYVCH Verlag GmbH, (2005), 125-137

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