[논문]Hybrid SPR 접합을 적용한 이종소재 인장전단에 관한 연구

유관종; 최두복; 김재열

doi:10.14775/ksmpe.2020.19.09.033

Hybrid SPR 접합을 적용한 이종소재 인장전단에 관한 연구
Investigating the Tensile-Shear of Dissimilar Materials Joined Using the Hybrid SPR Technique 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.19 no.9, 2020년, pp.33 - 39

유관종 (조선대학교 미래사회융합대학 신산업융합학부) , 최두복 (조선대학교 미래사회융합대학 신산업융합학부) , 김재열 (조선대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Self-piercing rivets are often used in the automotive industry, among other industries, as mechanical components to join multiple materials such as aluminum alloys. Self-piercing rivets have a strong sealing property, although there is considerable scope for their performance improvement. In this study, to enhance the performance of self-piercing rivets, the hybrid self-piercing riveting (SPR) technique, using the existing SPR and structural adhesive, was proposed. Moreover, heterogeneous material specimens subjected to the hybrid SPR technique were manufactured and tested. The joint strength of the test pieces of different materials was evaluated through finite element analyses.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 SPR 접합의 특성을 제고하기 위해 기존의 SPR 접합 전에 접착제를 함께 사용한 Hybrid SPR 접합방법에 대한 연구를 수행하였다. 시뮬레이션은 시간과 비용을 절약할 수 있고, 설계 대상의 형상 변화가 쉽기 때문에 형상의 설계변수를 통한 다양한 접합 시뮬레이션이 가능하다.
본 연구에서는 갈바닉 부식을 방지하기 위해 밀봉성능에 효과적인 Hybrid SPR 이종소재 접합에 관한 연구를 진행하였고, 신뢰성 제고를 위해 유한요소 해석을 진행하여 결과값을 예측한 후, 인장전단시험을 진행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
현재의 기계적 결합방법은 대부분 밀봉 기능이 없어 갈바닉 부식문제를 야기시킨다. 이에 본 연구에서는 SPR 접합의 밀봉기능을 제고하기 위해 이종소재 접합면에 접착제를 도포한 후 기존의 기계적 접합인 SPR 접합을 함께 실시하는 하이브리드(Hybrid) 접합법을 제안한다.

제안 방법

시뮬레이션은 시간과 비용을 절약할 수 있고, 설계 대상의 형상 변화가 쉽기 때문에 형상의 설계변수를 통한 다양한 접합 시뮬레이션이 가능하다. Hybrid SPR 접합부 특성평가를 위하여 선행연구로 Hybrid SPR 접합부 공정의 실제 조건에 따라 비선형 구조물의 동적거동을 모사할 수 있는 유한요소 프로그램인 ANSYS를 사용하였고, 인장전단 시험을 통해 해석과 시험 값을 비교하여 기술하였다^[7].
SPR의 밀봉 성능을 높이기 위해 기존의 SPR에 접착제를 함께 사용한 Hybrid SPR을 적용하였다. 인장전단 시험 후 대부분이 Fig. 5와 같은 형상으로 소성변형(plastic deformation)이 나타났으며, 시편 조합별 3회씩 시험을 수행하였다. Fig.
인장전단 시험은 신강정밀공업(주)의 SGA-E-20AD 모델로 만능재료시험기(Universal Test Machine)로 수행되었으며, “KS B 0802 금속 재료인장 시험 방법”을 참고하여 정적 강도를 평가하기 위해 2mm/min의 변위속도로 정적 인장전단 시험을 진행하였다[9~10] .

대상 데이터

2는 겹치기 이음 시편의 크기를 나타낸다. Fig. 3은 시편의 단면형상을 나타내며 상판은 Al5083이며, 하판은 SGACEN, SGARC780, SABC1470을 적용하였고, SPR을 나타냈다.
SPR의 밀봉 성능을 높이기 위해 기존의 SPR에 접착제를 함께 사용한 Hybrid SPR을 적용하였다. 인장전단 시험 후 대부분이 Fig.
본 연구에 사용된 재료는 두께 2mm의 Al5083, 두께 1.2mm의 SGACEN, SGARC780, SABC1470을 사용하였다. 시편 물성은 Table 1과 같다.
정적 강도 시험을 위해 시편 100×30mm 크기로 절단하여 Fig. 2와 같이 겹치기 이음하였고, 상온 경화가 가능하고 가장 우수한 접합 강도를 보유한 접착제로 평가되는 자동차산업에서 주로 사용되는 구조용 접착제인 Plexus MA 420을 사용한 후 SPR을 적용하여 시편을 제작하였다.

성능/효과

2. Hybrid SPR을 적용한 인장전단 시험을 통해 SGARC780+Al5083 조합에서 10.12kN으로 높은 접합강도가 측정되었다.
3. 유한요소해석과 인장전단 시험 결과값을 비교한 결과 해석과 시험값이 비슷함을 확인하였다. 이로 인해 유한요소해석을 통해 실제 시험에 투입되는 시간과 비용을 절약할 수 있을 것으로 사료되며, 경향을 확인하는데 충분하리라 판단된다.
4는 Hybrid SPR 접합의 시편별 인장전단 시험 결과를 나타낸다. 시험결과 SGARC780+Al5083 조합에서 10.12kN으로 높은 접합강도를 보였다. 이는 금속 판재의 강도가 높아짐에 따라 전단하중도 증가함을 확인하였다.
12kN으로 높은 접합강도를 보였다. 이는 금속 판재의 강도가 높아짐에 따라 전단하중도 증가함을 확인하였다. 이에 따라 판재의 강도와 접합부의 전단하중은 비례 관계가 있다고 볼 수 있다.

후속연구

유한요소해석과 인장전단 시험 결과값을 비교한 결과 해석과 시험값이 비슷함을 확인하였다. 이로 인해 유한요소해석을 통해 실제 시험에 투입되는 시간과 비용을 절약할 수 있을 것으로 사료되며, 경향을 확인하는데 충분하리라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SPR 결합의 특성은?	SPR 조인트는 일반적으로 강도가 높아 이종재료 접합에 적용할 수 있다. 자동차 산업에 적용하기 위한 SPR 결합의 특성은 밀봉 특성이다. SPR 접합에 하부 시트가 완전히 침투하지 않기 때문에 접합부에서의 수분 및 물의 누출이 발생하지 않으며 부식 방지에도 좋다[2].
	갈바닉 부식을 막는 방법은?	갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 현실적으로 막는 방법은 접합면에 수분이 접근하지 못하게 하는 것이다. 현재의 기계적 결합방법은 대부분 밀봉 기능이 없어 갈바닉 부식문제를 야기시킨다.
	자동차 산업에서 연비개선 및 철강재에서 경량소재를 적용하는 연구가 진행 중인데 어떤 차를 개발하는데 도움이 되는가?	특히 자동차 산업에서의 연비개선 노력이 경쟁적으로 이루어지고 있으며, 기존의 철강재에서 경량소재를 적용하여 많은 연구가 진행 중이다. 이는 친환경 전기자동차, 수소차 등의 개발에도 많은 도움이 되고 있다[1].

참고문헌 (10)

Kang, S. H., Kim, T. Y., Oh, M. J., Kim, H. K., “Tensile-Shear Fatigue Strength of Self-Piercing Rivets Joining Dissimilar Metal Sheets,” Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 30, No. 4, pp. 1-7, 2015.

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Lim, J. B., Han, J. I., Cho, H. Y., “Design of Punch Unit for Strengthening Joint of Helical SPR,” Transactions of the KSME A, Vol. 41, No. 12, pp. 1209-1214, 2017.
Kim, D. B., Qiu, Y. G., Cho, H. Y., “Design of self-piercing rivet to joint in advanced high strength steel and aluminium alloy sheets,” Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 3, pp. 75-80, 2015.

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Ahn, N. S., Lee, C. J., Lee, J. M., Ko, D. C., Lee, S. B., Kim, B. M. "Joining High-Strength Steel and Al6061 Sheet Using Hole Clinching Process," Transactions of the KSME, A, Vol. 36, No. 6, pp. 691-698, 2012.
Kim, D. Y., Kim, D. O., Cheon, S. S., “Experimental Investigation on Fatigue Characteristics of SPR (Self-Piercing Rivet) and Hybrid Joints,” Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 35, No. 3, pp. 335-340, 2018.

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Miyashitaa, Y., Jack Teowa, Y. C., Karasawaa, T., Aoyagib, N., Otsukaa, Y., Mutoha, Y., "Strength of adhesive aided SPR joint for AM50 magnesium alloy sheets," Procedia Engineering, Vol. 10, pp. 2532-2537, 2011.
Kim, D. B., Kim, K. W., Cho, H. Y., “Design of Helical SPR for Joining Advanced High Strength Steel and Aluminum Alloy Sheets,” Journal of Welding and Joining, Vol. 33, No. 6, pp. 55-59, 2015.
Lee, S. W., Kim, J. W., “Selecting Optimum Conditions for SPR Processing of High Tension Steel Plates and Aluminium Sheets Using Response Surface Methodology,” Journal of Welding and Joining, Vol. 37, No. 4, pp. 339-346, 2019.
Jung, Y. S., Lee, G. I., Kim, J. Y., “Study on Optimal Design of F-Apron of Vehicles by Multi-material Bonding,” Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 18, No. 2, pp. 102-107, 2019.
Jeong, T. E., Kim, T. E., Rhee, S. H., Kam, D. H., “Joint Quality Study of Self-piercing Riveted Aluminum and Steel Joints Depending on the Thickness and Strength of Base Metal,” Journal of Welding and Joining, Vol. 37, No. 3, pp. 212-219, 2019.

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