高張力鋼とダイカストアルミニウムのセルフピアシングリベット接合におけるプロセスパラメータと熱処理の影響

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Fig. 18 e The failure mechanism and micromorphology of the joints: (a) shear joints, (b) peeling joints, (c) cross-tension joints, (d) macro fracture, (e) magnified view of joint J2#, and (f) magnified view of joint J4#.
Fig. 18 e The failure mechanism and micromorphology of the joints: (a) shear joints, (b) peeling joints, (c) cross-tension joints, (d) macro fracture, (e) magnified view of joint J2#, and (f) magnified view of joint J4#.

1. 概要:

  • タイトル: 高張力鋼とダイカストアルミニウムのセルフピアシングリベット接合におけるプロセスパラメータと熱処理の影響
  • 著者: Chao Wang, Zhanpeng Du, Aiguo Cheng, Zhicheng He, Hailun Tan, Wanyuan Yu
  • 出版年: 2023
  • 掲載ジャーナル/学会: Journal of Materials Research and Technology
  • キーワード: セルフピアシングリベット、ダイカストアルミニウム、割れメカニズム、接合性、機械的応答

2. 概要（Abstract）

自動車の軽量化技術の発展において、鋼/ダイカストアルミニウム合金の適用は必然的な傾向です。セルフピアシングリベット（SPR）の接合プロセスは、車体の衝突安全性を保証するための重要な技術です。しかし、ダイカストアルミニウムは延性が低いため、ジョイントボタンに割れが発生しやすいという問題があります。本論文では、割れメカニズムを調査し、割れ抑制方法を検討することにより、SPR接合性を改善することを目的としています。鋼/ダイカストアルミニウム合金を用いたSPRの割れ抑制と成形品質に及ぼす熱処理、プロセスパラメータの影響を調査するために、パラメトリックスタディを実施しました。その結果、適切な熱処理、すなわちAlSi10MnMg-T6およびAlSi10MnMg-T7により、伸びが大きく、降伏強度が低いほどSPR接合性が向上することが示されました。一方、ダイの深さと直径は、割れの発生と成形品質に影響を与える主な要因です。据込みプロセスと同様に、リベット接合プロセスでは、接線引張応力が底面に発生し、底面に割れが発生します。本論文では、SPRジョイントのジョイント品質と機械的応答に及ぼす熱処理と積層方向の影響をさらに検討します。下板の引裂破壊は、鋼-アルミニウムジョイント（鋼が上板）の破壊を引き起こす主な要因です。熱処理は主にエネルギー吸収値に影響し、ピーク力への影響は比較的小さいです。鋼-アルミニウムジョイントの機械的特性は、アルミニウム-鋼ジョイント（アルミニウムが上板）よりも優れています。

3. 研究背景:

研究テーマの背景:

  • 軽量化は、自動車産業において省エネルギーと排出ガス削減を達成するための喫緊の課題です[1]。
  • 車体（BIW）におけるアルミニウムと高張力鋼のハイブリッド使用は、軽量化のための実用的な方法です[2,3]。
  • ダイカストアルミニウム部品は、車両重量を削減することができます[2,3]。

先行研究の状況:

  • 抵抗スポット溶接（RSW）は、鋼-アルミニウム板の接合には適していません[4]。
  • セルフピアシングリベット（SPR）は、アルミニウムおよび複合材料の軽量構造の主要な接合プロセスです[5]。
  • 先行研究では、プロセスパラメータ（板厚、リベット長、ダイ形状）がSPRジョイントの品質と強度に及ぼす影響を調査しています[6,7,8,9,10,11,12,13]。
  • ダイカストアルミニウム底板の割れは、耐食性とジョイント強度に影響を与える重大な課題です[14-17]。
  • 割れを低減する既存の方法には、プロセスパラメータの最適化、延性材料の追加、新しいSPRプロセス（F-SPR、L-SPR、TA-SPR）が含まれます[15,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34]。
  • 熱処理は、鋳造アルミニウム合金の機械的特性に影響を与える可能性があります[35,36,37]。

研究の必要性:

  • プロセスパラメータと熱処理が割れと成形品質に及ぼす複合的な影響に関する研究は限られています。
  • 低延性ダイカストアルミニウムに適した汎用性の高いリベットとダイを選択する方法は明確ではありません。
  • プロセスパラメータと熱処理の複合的な効果に関する包括的な検討が不足しています。
  • 熱処理および非熱処理材料の影響を調査する必要があります。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

  • 鋼/ダイカストアルミニウムのSPRにおける割れメカニズムを調査する。
  • 割れ抑制方法を検討することにより、SPR接合性を改善する。
  • 適切なプロセスパラメータと熱処理を使用して、ダイカストアルミニウム部品の割れを解決する。
  • 機械的応答に対する熱処理と積層方向の影響を調査する。

主要な研究:

  • リベット長、ダイ直径、ダイ深さ、および熱処理がジョイント品質に及ぼす影響。
  • 顕微鏡を使用した割れ発生メカニズムの分析。
  • SPRジョイントの機械的応答に対する熱処理と積層方向の影響。

5. 研究方法

  • 研究デザイン: パラメトリックスタディ、実験的調査。
  • 材料: 高張力鋼HC340/590DP（厚さ1.6mm）、ダイカストアルミニウムAlSi10MnMgおよびJDA1b（厚さ3.0mm）。化学組成は表1に詳細に説明されています。材料特性は表3にあります。
  • 熱処理: AlSi10MnMgに対して3つの熱処理条件（T5、T6、T7）を使用し、表2に示しています。
  • リベット接合の詳細: サーボSPRシステム（EPRESS GmbH）、荷重制御モード、最大リベット接合力80kN、リベット接合速度100mm/s。ボロンスチール（H5）製の半管状リベット。さまざまなパラメータ（表5、図2）を持つ3つのタイプのダイ（フラットダイI、フラットダイII、ピップダイ）。
  • 実験設定: アルミニウムを下板として使用。表4の詳細な分析スキーム。
  • データ収集:
    • さまざまなパラメータ（リベット長、ダイ直径、ダイ深さ、熱処理）を使用したリベット接合実験。
    • 金属顕微鏡および走査型電子顕微鏡（SEM）分析。
    • 万能試験機（ETM105D）を使用した準静的試験（せん断、剥離、十字引張）（3mm/min）。
  • 分析方法:
    • ジョイント品質評価：成形品質（リベットヘッド高さ、アンダーカット、底面厚さ、残留厚さ-図3（a）、表6）および外観品質（割れグレード-図4）。
    • 接合性マトリックス（図6）。
    • 割れメカニズムの分析。
    • 機械的特性（ピーク力、エネルギー吸収）の比較。

6. 主要な研究結果:

主要な研究結果と提示されたデータ分析:

  • 接合性: 熱処理（AlSi10MnMg-T6、AlSi10MnMg-T7）により、伸びが大きく、降伏強度が低いほどSPR接合性が向上します（図8）。
  • ダイの深さと直径: ダイの深さと直径は、割れの発生と成形品質に大きく影響します（図9）。深さと直径が大きいほど、成形品質は向上しますが、割れのリスクは増加します。
  • リベット長: リベット長は、割れの発生に比較的小さな影響を与えます。適切なリベット長（6.0〜6.5mm）は、成形品質を向上させることができます。
  • 割れメカニズム: リベット接合中に底面に発生する接線引張応力は、割れを引き起こします（図11、図12、図13、図14、図15）。
  • 積層方向: 鋼-アルミニウムジョイント（鋼が上、アルミニウムが下）は、アルミニウム-鋼ジョイントよりも優れた機械的特性を持っています（図20）。
  • 熱処理効果: 熱処理は主にエネルギー吸収に影響し、ピーク力への影響は小さいです（図20）。
  • 破壊モード: 下板の引裂破壊は、鋼-アルミニウムジョイント（鋼が上板）の破壊を引き起こす主な要因です。
Fig. 8 e Joint quality with varied elongation and yield stress.
Fig. 8 e Joint quality with varied elongation and yield stress.
Fig. 9 e Effect of parameters of the rivet and die on joint quality.
Fig. 9 e Effect of parameters of the rivet and die on joint quality.
Fig. 11 e Characteristics of the two types of cracks on bottom sheet
Fig. 11 e Characteristics of the two types of cracks on bottom sheet
Fig. 13 e Metallographic graphs of the cross-section of the SPR joint.
Fig. 13 e Metallographic graphs of the cross-section of the SPR joint.
Fig. 14 e Cracking characteristics of three types dies.
Fig. 14 e Cracking characteristics of three types dies.
Fig. 20 e The mechanical properties of SPR joints with different heat treatments and stack direction.
Fig. 20 e The mechanical properties of SPR joints with different heat treatments and stack direction.

図表リスト:

  • 図1 セルフピアシングリベット接合装置。
  • 図2 リベットとダイの外観と寸法パラメータ。
  • 図3 成形品質の模式図。
  • 図4 外観品質の模式図。
  • 図5 SPRジョイントと準静的試験の幾何学的寸法。
  • 図6 さまざまなリベットとダイの組み合わせによるジョイント品質。
  • 図7 S4#のSPRジョイントの中央断面プロファイル。
  • 図8 さまざまな伸びと降伏強度におけるジョイント品質。
  • 図9 リベットとダイのパラメータがジョイント品質に及ぼす影響。
  • 図10 ダイの寸法パラメータの選択：（a）深さ、（b）直径。
  • 図11 底板の2種類の割れの特性。
  • 図12 変形度に基づく3つの領域。
  • 図13 SPRジョイントの断面の金属組織写真。
  • 図14 3種類のダイの割れ特性。
  • 図15 底面割れの模式図：（a）ピアシング、（b）フレアリング、（c）危険領域と安全領域。
  • 図16 SPRジョイントの断面プロファイル、外観品質、成形品質（単位：mm）。
  • 図17 準静的試験におけるSPRジョイントの静的破壊モード。
  • 図18 破壊メカニズムとジョイントの微細形態：（a）せん断ジョイント、（b）剥離ジョイント、（c）十字引張ジョイント、（d）巨視的破壊、（e）ジョイントJ2#の拡大図、（f）ジョイントJ4#の拡大図。
  • 図19 十字引張試験の底板破壊：（a）巨視的破壊、（b）ジョイントJ1#の拡大領域、（c）ジョイントJ2#の拡大領域、（d）ジョイントJ5#の拡大領域。
  • 図20 さまざまな熱処理と積層方向を持つSPRジョイントの機械的特性。

7. 結論:

主要な調査結果の要約:

  • 熱処理により、伸びが大きく、降伏強度が低いほどSPR接合性が向上します。
  • ダイの深さと直径は、割れと成形品質に影響を与える重要な要素です。
  • 割れは、底面の接線引張応力によって引き起こされます。
  • 鋼-アルミニウムジョイントは、アルミニウム-鋼ジョイントよりも優れた機械的特性を持っています。
  • 熱処理は主にエネルギー吸収に影響し、ピーク力には影響しません。
  • 下板の引裂破壊は、鋼-アルミニウムジョイント（鋼が上板）の破壊を引き起こす主な要因です。

この研究は、鋼/ダイカストアルミニウムジョイントのSPRにおける割れメカニズムに関する詳細な理解を提供します。

接合性を改善し、割れを防止するための適切なプロセスパラメータと熱処理を選択するための実用的なガイダンスを提供します。

この研究結果は、鋼とダイカストアルミニウムの信頼性の高い接合を可能にすることにより、軽量自動車製造の進歩に貢献します。

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9. 著作権:

  • この資料は、「Chao Wang, Zhanpeng Du, Aiguo Cheng, Zhicheng He, Hailun Tan, Wanyuan Yu」による「高張力鋼とダイカストアルミニウムのセルフピアシングリベット接合におけるプロセスパラメータと熱処理の影響」論文に基づいています。
  • 論文出典: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.187

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