[논문]셀프 피어싱 리베팅한 Al-5052 접합부의 피로강도 평가

강세형; 황재현; 김호경

doi:10.14346/jkosos.2015.30.3.1

셀프 피어싱 리베팅한 Al-5052 접합부의 피로강도 평가
Fatigue Strength Evaluation of Self-Piercing Riveted Al-5052 Joints 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.30 no.3, 2015년, pp.1 - 6

강세형 (서울과학기술대학교 자동차공학과 대학원) , 황재현 (서울과학기술대학교 자동차공학과 대학원) , 김호경 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Self-piercing riveting (SPR) is receiving more recognition as a possible and effective solution for joining automotive body panels and structures, particularly for aluminum parts and dissimilar parts. In this study, static strength and fatigue tests were conducted using coach-peel and cross-tension specimens with Al-5052 plates for evaluation of fatigue strength of the SPR joints. For the static experiment results, the fracture modes are classified into pull-out fracture due to influence of plastic deformation of joining area. During the fatigue tests for the coach-peel and cross-tension specimens with Al-5052, interface failure mode occurred on the top substrate close to the rivet head in the most cycle region. There were relationship between applied load amplitude $P_{amp}$ and life time of cycle N, $P_{amp}=715.5{\times}N^{-0.166}$ and $P_{amp}=1967.3{\times}N^{-0.162}$ were for the coach-peel and cross- tension specimens, respectively. The finite element analysis results for specimens were adopted for the parameters of fatigue lifetime prediction. The relation between SWT fatigue parameter and number of cycles was found to be $SWT=192.8N_f^{-0.44}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 지금까지 국내․외적으로 SPR 접합부의 피로강도 평가에 관한 연구는 아직까지 미비하다. 따라서 본 연구에서는 Al-5052판재로 구성된 SPR 접합부에 대하여 인장-박리(coach-peel) 및 십자-인장(cross-tension)시험편에 대한 정적강도와 피로강도를 평가하였다. 피로강도 해석을 위하여 각각의 피로시험편에 대한 구조 해석을 수행하였으며, 피로수명 평가를 위하여 다양한 피로파괴 매개변수의 적용을 시도하였다.
본 연구에서는 SPR 접합부의 피로 강도를 평가하기 위하여 두께 1.5 mm의 Al-5052 판재를 적용하여 인장-박리 및 십자-인장 시험편을 사용하여 정적 강도 및 피로 강도 실험과 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

SPR 접합부 시험편의 구조해석을 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
SPR 접합부의 정적 강도와 피로 강도를 평가하기 위한 실험에는 10ton 용량의 전기 유압식 만능 재료 시험기 (Instron 8516)를 사용하였다. 동일한 판재와 리벳을 적용한 인장-전단 시험편에 대하여 최적의 접합 하중이 21 kN인 것으로 보고된 결과⁷⁾를 바탕으로 21 kN의 접합하중으로 인장-박리 및 십자-인장 시험편을 제작하여 정적강도 및 피로실험을 수행하였다. 피로실험은 응력비 (R = P_min/P_max)가 0.
응력비 0.1에서 반복 하중 하에서 SPR 접합부에 대한 피로강도 평가를 수행하였다. Fig.
이를 위해서 하중이 가해지는 동안 유한요소 모델의 응력집중부위에서 σ1(최대주응력)과 Δε1(최대주변형률 범위)을 계산하였고 이 값을 식(1)에 적용하여 피로 수명선도를 작성하였다.
인장-박리 및 십자-인장 시험편에 대하여 유한요소 해석 결과로부터 구한 응력을 이용하여 피로수명과의 상관관계를 평가하였다. Fig.
본 연구에서는 범용 해석프로그램인 ABAQUS로 수행하였다. 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하여 전체 모델에 SOLID요소인 C3D6, C3D8 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다. 최종적으로 인장-박리, 십자-인장 시험편을 Fig.
5는 인장-박리 및 십자-인장 시험편 형상에 대한 하중 진폭(P_amp)과 수명과의 결과이다. 피로 파단의 기준은 인장-박리와 십자-인장 시험편의 균열이 리베팅 주위로 반경 약 20 mm까지 전파 될 때로 설정하였다. 피로시험 결과 수명이 100만회일 때를 기준으로 각각 인장-박리 시험편의 피로한도 하중진폭은 71 N이며 정적 강도(P = 670 N)의 약 11%이고 십자-인장 시험편의 피로한도 하중진폭은 210 N이며 정적 강도(P = 1460 N)의 약 14%이다.
따라서 본 연구에서는 Al-5052판재로 구성된 SPR 접합부에 대하여 인장-박리(coach-peel) 및 십자-인장(cross-tension)시험편에 대한 정적강도와 피로강도를 평가하였다. 피로강도 해석을 위하여 각각의 피로시험편에 대한 구조 해석을 수행하였으며, 피로수명 평가를 위하여 다양한 피로파괴 매개변수의 적용을 시도하였다.
동일한 판재와 리벳을 적용한 인장-전단 시험편에 대하여 최적의 접합 하중이 21 kN인 것으로 보고된 결과⁷⁾를 바탕으로 21 kN의 접합하중으로 인장-박리 및 십자-인장 시험편을 제작하여 정적강도 및 피로실험을 수행하였다. 피로실험은 응력비 (R = P_min/P_max)가 0.1인 정현파형의 반복하중을 일정하게 가하여 수행하였다.

대상 데이터

1과 같은 인장-박리 및 십자-인장 하중의 SPR 접합부 시험편을 제작하였다. 본 연구에 사용된 SPR의 리벳은 Henrob사의 C50541로 꼬리부분의 지름과 길이는 모두 5 mm이고 중탄소강(0.35 wt%)을 주재료로 하며 리벳 표면은 알루미늄 표면처리(Almac)된 것이다.
연구에서 SPR 접합부의 시험편에 사용한 재료는 두께 1.5 mm의 Al-5052 H32이다. Fig.
3과 같이 모델링하였다. 인장-박리 시험편 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 53522개와 44480개이고, 십자-인장 시험편 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 57176개와 47376개로 구성하였다. 리벳과 판재 사이의 마찰계수는 0.

데이터처리

2와 같이 시험편과 동일한 형상의 SPR 접합부의 형상을 상세히 모델링하였다. 본 연구에서는 범용 해석프로그램인 ABAQUS로 수행하였다. 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하여 전체 모델에 SOLID요소인 C3D6, C3D8 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다.

이론/모형

인장-박리와 십자-인장 시험편 형상의 하중전달 구조는 다축하중에 대하여 지지되므로 다축 피로 이론이 피로수명을 평가하는 파라미터로 판단된다. 따라서 다축 피로 이론 식 가운데 가장 많이 사용하는 다음과 같은 Smith-Watson- Topper (SWT) 식⁹⁾을 적용하였다.
피로 실험 후 피로 파단된 파면을 관찰하기 위하여 Joel 사의 주사형전자현미경(SEM, Scanning Electronic Microscope, Model JSM 6400)을 사용하였다. Fig.

성능/효과

1. 인장-박리 및 십자-인장 시험편에 대한 SPR 접합부의 최대정적 하중은 각각 약 700 N, 1650 N이었으며 파괴 형태는 모두 접합부의 분리 파괴 형태이다.
2. 피로 실험시 하중진폭(Pamp)과 반복수(N)와의 관계는 인장-박리 및 십자-인장 피로 시험편의 경우 각각 Pamp= 715.5 × Nf -0.166 , Pamp= 1967.3 × Nf -0.162 이다.
3. 인장-박리 시험편의 경우 피로 한도에 해당하는 진폭하중은 수명이 100만회 기준으로 71 N으로 정적 강도의 약 11%이고, 십자-인장 시험편의 경우 210 N으로 정적 강도의 약 14%이다.
4. 구조해석 결과 인장-박리 및 십자-인장 시험편의 경우 모두 상판의 리베팅 바깥쪽부분에서 최대 주응력이 발생하였다.
5. 인장-박리 및 십자-인장 시험편의 피로수명을 예측시 SWT 매개변수와 최대주응력이 적절한 매개변수이다.
이 그림을 통하여 서로 다른 시험편 형상에 대한 피로수명이 SWT 매개변수를 적용하여 서로 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 최종적으로 인장-박리 및 십자-인장 시험편의 피로수명을 예측시 von-Mises 유효응력보다 SWT 매개변수와 최대주응력이 적절한 매개변수로 판정되었다.
피로 파단의 기준은 인장-박리와 십자-인장 시험편의 균열이 리베팅 주위로 반경 약 20 mm까지 전파 될 때로 설정하였다. 피로시험 결과 수명이 100만회일 때를 기준으로 각각 인장-박리 시험편의 피로한도 하중진폭은 71 N이며 정적 강도(P = 670 N)의 약 11%이고 십자-인장 시험편의 피로한도 하중진폭은 210 N이며 정적 강도(P = 1460 N)의 약 14%이다. 하중 진폭(P_amp)과 반복수(N)와의 관계는 인장-박리 시험편의 경우 P_amp= 715.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄-알루미늄 SPR의 접합 압력과 정적강도와의 관계는 어떠한가?	피로균열은 상판에서 주로 발생하며 정적강도 및 피로강도는 리벳을 어느 방향으로 배열하느냐에 좌우되는 것으로 보고하였다. Fu 등4)은 알루미늄-알루미늄 SPR의 접합 압력이 증가 할수록 일정 압력까지는 증가하는 경향을 보이지만 그 이상의 압력을 가하면 정적강도가 높아지지 않는 경향이 있음을 발표하였다. 또한 SPR의 접합 압력이 증가하여도 피로 강도 측면에서는 큰 영향이 없음을 보고하였다.
	셀프 피어싱 리베팅 기술이란 무엇인가?	셀프 피어싱 리베팅(self-piercing riveting, SPR)은 상판에 일정이상의 압력으로 리벳을 관통시키고 하부 금형다이로 리벳이 삽입되면서 금형다이의 형상에 의해 리벳이 벌어지면서 상판과 하판을 접합하는 일종의 냉 간접합 기술이다. 따라서 예비 홀을 생성한 후 리벳을 고정시키는 기존의 리벳공정과 달리 단일 공정으로 고정시킬 수 있다.
	차량의 경량화를 위하여 다양한 재질에 대한 접합 기술 중 큰 관심을 받는 접합 방법은 무엇인가?	차량의 경량화를 위하여 알루미늄 합금, 고장력강, 마그네슘 합금 판재와 같은 다양한 재질에 대한 접합 기술이 요구된다. 이에 대응하는 기술로 기계적 접합이 큰 관심을 받고 있으며 활용이 증가되고 있는 추세이다. 기계적 접합방법은 볼트․너트와 같은 나사를 이용하는 방법, 기계적으로 소성 가공하여 맞물리게 하는 방법1) , 다양한 형태와 방법의 리베팅2) 등으로 구분한다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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R. Porcaro, A. G. Hanssen, M. Langseth and A. Aalberg, "The Behaviour of a Self-piercing Riveted Connection under Quasi-static Loading Conditions", Int. J. of Solids Struct., Vol. 43, pp. 5110-5131, 2006.

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R. N. Smith, P. Watson and T. H. Topper, "A Stress Strain Function for the Fatigue of Metal", J. of Mater., Vol. 5, pp. 767-778, 1970.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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