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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금판재와 냉간압연강판을 이용하여 인장-전단 시험편에 대한 피로강도와 피로균열 발생 기구를 평가하고자 한다. 이를 위하여 접합 하중을 변화시키면서 접합부의 최적의 접합하중을 결정하여 시험편을 제작하였다.
- 본 연구에서는 알루미늄 합금(Al5052-H32)과 냉간압연강판(SPCC)을 이용한 이종재료 SPR 접합부의 인장전단시험편에 대하여 피로강도를 평가하였다. SPR 접합시 요구되는 최적의 작용 하중을 결정하기 위하여 정적 인장실험을 수행하였으며 인장-전단 시험편에 대하여 피로실험을 통하여 피로 강도를 평가하였다.
- 또한 SPR 접합부의 피로발생은 두 판재 사이의 프레팅으로 인하여 발생한다고 보고를 하고 있으나 이는 피로 균열로 파단 후에 파면을 주사전자현미경(SEM, scanning electron microscope)을 통하여 확인하고 있다. 본 연구에서는 초음파현미경(SAM, scanning acoustic microscope)을 적용하여 피로 시험중인 시험편에 대하여 접합부 내부의 피로균열의 측정 가능성을 시도하고자 한다. 이 방법을 통하여 추후 피로시험중 접합부 내부에서의 균열발생 수명과 균열전파수명을 평가하는데 적용하고자 한다.
제안 방법
- 20kN부터 50kN까지 2∼3kN 간격으로 접합하중을 증가시키면서 제작된 시험편에 대하여 접합 강도를 평가하여 최적의 접합 강도를 결정하였다.
- SPR 접합부의 정확한 표현을 위하여 두 종류의 실제 리베팅한 시험편의 중앙 부분의 단면을 촬영하였다. Fig. 2와 같이 촬영된 단면을 3차원 모델링 프로그램인 CATIA의 sketch tracer기능을 이용해 스케치한 후 유한요소해석 프로그램으로 불러와 Fig. 3과 같은 3차원 유한요소해석 모델을 생성하였다.
- SPR 접합부 시험편에 관한 접촉 해석을 위해 3차원 유한요소 모델을 사용하였다. SPR 접합부의 정확한 표현을 위하여 두 종류의 실제 리베팅한 시험편의 중앙 부분의 단면을 촬영하였다. Fig.
- 본 연구에서는 알루미늄 합금(Al5052-H32)과 냉간압연강판(SPCC)을 이용한 이종재료 SPR 접합부의 인장전단시험편에 대하여 피로강도를 평가하였다. SPR 접합시 요구되는 최적의 작용 하중을 결정하기 위하여 정적 인장실험을 수행하였으며 인장-전단 시험편에 대하여 피로실험을 통하여 피로 강도를 평가하였다. 또한, 유한요소해석을 수행하여 피로수명 결과와 비교하여 보았다.
- 제작된 시험편에 대하여 피로시험과 유한요소해석을 이용해 피로수명평가를 시도하였다. 그리고 SEM과 SAM을 이용하여 파면을 촬영하여 균열 발생 수명 및 위치, 균열 전파 방향을 확인하였다.
- 자동차는 주행 중 다양한 원인으로 인한 반복하중을 받게 된다. 따라서 본 접합방법을 적용한 시험편에 대하여 피로시험을 실시하여 피로강도를 평가하였다. 피로시험의 파단 형태는 정적강도 평가에서 나타난 분리파괴 형태와 달리 U.
- S 시험편은 45kN의 접합하중에서 더 높은 인장 하중이 나타났지만, 37kN을 초과하는 접합하중에서는 상부에 위치한 알루미늄이 심하게 변형되는 현상이 발생하였다. 따라서 상부를 철강판으로 제작한 시험편과 비슷한 변형이 발생하는 접합하중을 기준으로 최적의 접합하중으로 결정하였다. 최적의 접합하중으로 제작한 시험편을 이용하여 정적강도 평가 및 피로시험을 수행하였다.
- SPR 접합시 요구되는 최적의 작용 하중을 결정하기 위하여 정적 인장실험을 수행하였으며 인장-전단 시험편에 대하여 피로실험을 통하여 피로 강도를 평가하였다. 또한, 유한요소해석을 수행하여 피로수명 결과와 비교하여 보았다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 유한요소해석을 위하여 범용해석프로그램인 HyperMesh와 ABAQUS를 연동하여 정적해석을 수행하였다. 전체 모델은 SOLID요소인 C3D8, C3D6 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다.
- 피로시험 중 육안으로 확인이 불가능한 금속내부의 균열 또는 상판과 하판사이의 접촉지점에서 발생하는 초기 균열 발생 시점 및 위치를 SAM을 통하여 확인하였다. 비교적 피로강도가 높은 U.A-L.S 시험편의 피로한도 하중진폭이 1958 N에 해당하는 시험편에 대하여 관찰하였다. 관찰결과 5000~10000 사이클 구간 사이에 균열이 발생하였고 사이클이 증가될수록 균열이 전파되며 형상이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 이를 위하여 시험편을 수중에 담그고 시험편에 초음파를 투과하여 재료의 물리적 특성 혹은 결함 특성에 따라 투과, 반사, 감쇄, 회절되어 나오는 신호를 처리한다. 시험편 표면에서부터 내부로부터 반사되어 나오는 신호를 측정한 후 내부에 존재하는 균열의 형상 및 크기를 파악한다. 균열의 길이를 측정하기 위해서는 균열이 발생한 지점을 초음파현미경의 초점설정 및 신호 출력 구간을 균열 구간에서 반사되어 나타난 신호구간으로 설정한 후 다시 측정하여 결정한다.
- 초음파 현미경은 초음파를 이용하여 시료의 표층부나 표면 바로 아래 내부를 파괴시키지 않고 높은 분해능으로 형상화하는 장치이다. 이를 위하여 시험편을 수중에 담그고 시험편에 초음파를 투과하여 재료의 물리적 특성 혹은 결함 특성에 따라 투과, 반사, 감쇄, 회절되어 나오는 신호를 처리한다. 시험편 표면에서부터 내부로부터 반사되어 나오는 신호를 측정한 후 내부에 존재하는 균열의 형상 및 크기를 파악한다.
- 따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금판재와 냉간압연강판을 이용하여 인장-전단 시험편에 대한 피로강도와 피로균열 발생 기구를 평가하고자 한다. 이를 위하여 접합 하중을 변화시키면서 접합부의 최적의 접합하중을 결정하여 시험편을 제작하였다. 제작된 시험편에 대하여 피로시험과 유한요소해석을 이용해 피로수명평가를 시도하였다.
- 본 연구에서는 유한요소해석을 위하여 범용해석프로그램인 HyperMesh와 ABAQUS를 연동하여 정적해석을 수행하였다. 전체 모델은 SOLID요소인 C3D8, C3D6 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다. 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 96,901개, 93,436개로 구성하였다.
- 이를 위하여 접합 하중을 변화시키면서 접합부의 최적의 접합하중을 결정하여 시험편을 제작하였다. 제작된 시험편에 대하여 피로시험과 유한요소해석을 이용해 피로수명평가를 시도하였다. 그리고 SEM과 SAM을 이용하여 파면을 촬영하여 균열 발생 수명 및 위치, 균열 전파 방향을 확인하였다.
- 따라서 상부를 철강판으로 제작한 시험편과 비슷한 변형이 발생하는 접합하중을 기준으로 최적의 접합하중으로 결정하였다. 최적의 접합하중으로 제작한 시험편을 이용하여 정적강도 평가 및 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 응력비 (R = Pmin / Pmax)가 0.
- 피로시험 중 시험편 리벳 근처 상판과 하판 사이에 발생하는 균열의 존재여부와 그 크기를 관찰하기 위하여 초음파 현미경(SAM, Scanning Acoustic Microscope, Model HSAM220, Hitachi Co.)을 사용하였다. 초음파 현미경은 초음파를 이용하여 시료의 표층부나 표면 바로 아래 내부를 파괴시키지 않고 높은 분해능으로 형상화하는 장치이다.
- 피로시험 중 육안으로 확인이 불가능한 금속내부의 균열 또는 상판과 하판사이의 접촉지점에서 발생하는 초기 균열 발생 시점 및 위치를 SAM을 통하여 확인하였다. 비교적 피로강도가 높은 U.
- 최적의 접합하중으로 제작한 시험편을 이용하여 정적강도 평가 및 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 응력비 (R = Pmin / Pmax)가 0.1인 정현파형(sine wave form)의 반복하중을 가하여 수행하였다.
- 현재까지 SPR접합부 시험편에 대한 KS규격이 제정되지 않았기 때문에 점용접에서 사용되는 KS규격을 참고하여 Fig. 1과 같은 SPR접합부의 인장-전단 시험편을 제작하였다. 시험편의 상부와 하부는 재질의 종류를 달리한 두 종류로 제작하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 SPR 접합부의 시험편에 사용한 재료는 Al-5052 H32와 냉간압연강판인 SPCC를 적용하였다. KS B 0801을 참고하여 알루미늄과 철강 판재에 대한 인장시험편을 제작하였고, 유한요소해석을 위한 기계적 물성치는 Table 1과 같다.
- SPR 접합부의 최대 접합강도를 측정하기 위하여 인장-전단 시험편을 이용하였다. 최적의 접합하중을 적용하여 제작한 시험편에 대한 인장시험의 결과를 인장하중과 변위량으로 Fig.
- 전체 모델은 SOLID요소인 C3D8, C3D6 요소를 적용하고 경계조건을 생성하였다. 모델의 절점 수와 요소 수는 각각 96,901개, 93,436개로 구성하였다.
- 본 연구에 사용된 SPR의 리벳은 Henrob사의 C50541로 꼬리부분의 지름과 길이는 모두 5 mm이고 중탄소강(0.35 wt% C)으로 제작되었으며 알루미늄 표면처리(Almac)된 제품이다.
- 본 연구에서 SPR 접합부의 시험편에 사용한 재료는 Al-5052 H32와 냉간압연강판인 SPCC를 적용하였다. KS B 0801을 참고하여 알루미늄과 철강 판재에 대한 인장시험편을 제작하였고, 유한요소해석을 위한 기계적 물성치는 Table 1과 같다.
- 즉, 시험편은 상판은 Al-5052, 하판은 철강판인 SPCC인 시험편 (Upper Al Sheet - Lower Steel Sheet, 이후 U.A-L.S로 명명), 상판은 철강판인 SPCC, 하판은 Al-5052인 시험편 (Upper Steel Sheet–Lower Al Sheet, 이후 U.S-L.A로 명명)을 제작하여 본 연구를 진행하였다.
이론/모형
- SPR 접합부 시험편에 관한 접촉 해석을 위해 3차원 유한요소 모델을 사용하였다. SPR 접합부의 정확한 표현을 위하여 두 종류의 실제 리베팅한 시험편의 중앙 부분의 단면을 촬영하였다.
- SPR 접합부의 정적 강도 및 피로 강도를 평가하기 위하여 유압식 만능재료 시험기(Instron 8516)를 사용하였다. 20kN부터 50kN까지 2∼3kN 간격으로 접합하중을 증가시키면서 제작된 시험편에 대하여 접합 강도를 평가하여 최적의 접합 강도를 결정하였다.
성능/효과
- 1. SPR 접합법으로 Al5052-H32와 SPCC 두 판재의 접합 시 인장-전단 시험편의 인장강도 측면에서 최적의 접합하중은 U.A-L.S 시험편의 경우 37 kN 이었으며, 최대 인장 하중은 4850 N으로 나타났고, U.S-L.A의 시험편은 34kN 이고, 최대 인장 하중은 4800 N으로 나타났다.
- 3. 하중진폭과 반복수(N)와의 관계는 U.A-L.S 조합 시험편의 경우 Pamp=4885.3Nf-0.083으로 나타났으며 U.S-L.A 조합 시험편은 Pamp=19588Nf-0.211이다.
- 4. U.A-L.S의 시험편이 U.S-L.A시험편에 비해 피로한도 하중진폭의 비율이 약 1.8배 높았다.
- 이는 알루미늄 하판을 철강판재로 대체함으로써 정적강도에 대한 피로강도의 비가 향상된 것을 증명하였다. U.A-L.S와 U.S-L.A 시험편을 비교한 결과 알루미늄을 상판으로 제작한 시험편의 피로한도 하중진폭의 비율이 약 1.8배 높은 것을 확인할 수 있다.
- S 시험편의 피로한도 하중진폭이 1958 N에 해당하는 시험편에 대하여 관찰하였다. 관찰결과 5000~10000 사이클 구간 사이에 균열이 발생하였고 사이클이 증가될수록 균열이 전파되며 형상이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig.
- Lee 등은 SPR 접합 공법과 기계적 프레스 접합법(clinching)을 적용한 인장-전단 시험편의 상판과 하판을 알루미늄으로 제작하였을 때 SPR 접합방식을 적용한 시험편이 피로한도 하중진폭의 비율을 기준으로 약 20배 증가한다고 보고하였다9). 이러한 결과는 SPR 접합방식이 기계적 접합법에 비해 피로강도가 향상된 것을 입증한다. 그리고 SPR 공법을 적용하여 상판과 하판을 알루미늄으로 제작한 시험편의 경우 피로한도 하중진폭의 비율은 약 34% 수준이었다.
- 이때 접합하중당 2개의 시험편의 평균값을 적용하였다. 최대 인장하중 측면에서 U.A-L.S의 경우 37kN, U.S-L.A의 경우 34kN의 접합하중을 가한 시험편이 가장 우수한 것으로 나타났다. U.
- 피로시험 결과 피로한도에 해당하는 하중진폭은 수명이 106 사이클을 기준으로 U.A–L.S의 피로한도에 해당하는 하중진폭은 1530N이며 정적강도(P = 4850 N)의 약 36%에 해당한다.
후속연구
- 동일한 두께의 두 판재를 접합시 강판을 상판으로 혹은 하판으로 접합하는 것이 피로강도 측면에서 어느 것이 바람직한지에 대한 연구도 매우 제한적이다. 또한 판재의 두께가 서로 다를 경우 어느 판을 상판으로 선택하는 것이 바람직한 것인지에 대한 연구도 더욱 제한적이다.
- 본 연구에서는 초음파현미경(SAM, scanning acoustic microscope)을 적용하여 피로 시험중인 시험편에 대하여 접합부 내부의 피로균열의 측정 가능성을 시도하고자 한다. 이 방법을 통하여 추후 피로시험중 접합부 내부에서의 균열발생 수명과 균열전파수명을 평가하는데 적용하고자 한다.
- 8은 약 50000 사이클 구간에서 균열이 생성되어 뚜렷하게 나타난 시점을 촬영한 사진이다. 이와 같은 결과는 추후 SAM을 통하여 피로균열 생성주기 등의 관련 연구를 진행할 수 있을 것이라 사료된다.
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