고강도 강 및 다이캐스팅 알루미늄의 셀프 피어싱 리벳팅에 대한 공정 변수 및 열처리 영향

본 소개 자료는 Elsevier에서 발행한 ["고강도 강 및 다이캐스팅 알루미늄의 셀프 피어싱 리벳팅에 대한 공정 변수 및 열처리 영향"] 논문의 연구 내용입니다.

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. 개요:

  • 제목: 고강도 강 및 다이캐스팅 알루미늄의 셀프 피어싱 리벳팅에 대한 공정 변수 및 열처리 영향
  • 저자: Chao Wang, Zhanpeng Du, Aiguo Cheng, Zhicheng He, Hailun Tan, Wanyuan Yu
  • 출판 연도: 2023
  • 발표 저널/학회: Journal of Materials Research and Technology
  • 키워드: 셀프 피어싱 리벳팅, 다이캐스팅 알루미늄, 크래킹 메커니즘, 접합성, 기계적 반응

2. 초록

자동차 경량화 기술 개발에 있어 강/다이캐스팅 알루미늄 합금의 적용은 필연적인 추세입니다. 셀프 피어싱 리벳팅(SPR)의 접합 공정은 차체의 충돌 안전성을 보장하는 핵심 기술입니다. 그러나 다이캐스팅 알루미늄의 낮은 연성으로 인해 조인트 버튼에 균열이 쉽게 발견될 수 있습니다. 이 논문은 균열 메커니즘을 조사하고 균열 억제 방법을 탐색하여 SPR 접합성을 개선하는 것을 목표로 합니다. 강/다이캐스팅 알루미늄 합금을 사용한 SPR의 균열 억제 및 성형 품질에 대한 열처리, 공정 변수의 영향을 탐색하기 위해 파라메트릭 연구가 수행되었습니다. 연구 결과, 적절한 열처리, 즉 AlSi10MnMg-T6 및 AlSi10MnMg-T7을 통해 더 큰 연신율과 더 낮은 항복 강도로 SPR 접합성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 한편, 다이의 깊이와 직경은 균열 생성 및 성형 품질에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 업셋팅 공정과 유사하게 리벳팅 공정에서 접선 인장 응력이 하부 표면에 발생하여 하부 표면에 균열이 발생합니다. 이 논문은 SPR 조인트의 조인트 품질 및 기계적 반응에 대한 열처리 및 스택 방향의 영향을 추가로 연구합니다. 하부 시트의 찢김 파손은 강-알루미늄 조인트(강이 상부 시트)의 파손을 유발하는 주요 요인입니다. 열처리는 주로 에너지 흡수 값에 영향을 미치고 피크 힘에는 상대적으로 작은 영향을 미칩니다. 강-알루미늄 조인트의 기계적 특성은 알루미늄-강 조인트(알루미늄이 상부 시트)보다 우수합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

  • 경량화는 자동차 산업에서 에너지 절약 및 배기가스 감소를 달성하기 위한 시급한 요구 사항입니다 [1].
  • 차체(BIW)에서 알루미늄과 고강도 강철의 혼합 사용은 경량화를 위한 실용적인 방법입니다 [2,3].
  • 다이캐스팅 알루미늄 부품은 차량 무게를 줄일 수 있습니다[2,3].

선행 연구 현황:

  • 저항 점용접(RSW)은 강철-알루미늄 시트 접합에 적합하지 않습니다 [4].
  • 셀프 피어싱 리벳팅(SPR)은 알루미늄 및 혼합 재료 경량 구조물의 핵심 접합 공정입니다 [5].
  • 이전 연구에서는 공정 변수(시트 두께, 리벳 길이, 다이 형상)가 SPR 조인트 품질 및 강도에 미치는 영향을 조사했습니다 [6,7,8,9,10,11,12,13].
  • 다이캐스팅 알루미늄 하부 시트의 균열은 내식성 및 조인트 강도에 영향을 미치는 중요한 문제입니다 [14-17].
  • 균열을 줄이는 기존 방법에는 공정 변수 최적화, 연성 재료 추가 및 새로운 SPR 공정(F-SPR, L-SPR, TA-SPR)이 포함됩니다 [15,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34].
  • 열처리는 주조 알루미늄 합금의 기계적 특성에 영향을 줄 수 있습니다 [35,36,37].

연구 필요성:

  • 공정 변수와 열처리가 균열 및 성형 품질에 미치는 복합적인 영향에 대한 연구는 제한적입니다.
  • 저연성 다이캐스팅 알루미늄에 적합한 다용도 리벳과 다이를 선택하는 방법이 명확하지 않습니다.
  • 공정 변수와 열처리의 복합적인 효과에 대한 포괄적인 고려가 부족합니다.
  • 열처리 및 비열처리 재료의 영향에 대한 조사가 필요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

  • 강/다이캐스팅 알루미늄의 SPR에서 균열 메커니즘을 조사합니다.
  • 균열 억제 방법을 탐색하여 SPR 접합성을 개선합니다.
  • 적절한 공정 변수 및 열처리를 사용하여 다이캐스팅 알루미늄 부품의 균열을 해결합니다.
  • 기계적 반응에 대한 열처리 및 스택 방향의 영향을 탐색합니다.

핵심 연구:

  • 리벳 길이, 다이 직경, 다이 깊이 및 열처리가 조인트 품질에 미치는 영향.
  • 현미경을 사용한 균열 생성 메커니즘 분석.
  • SPR 조인트의 기계적 반응에 대한 열처리 및 스택 방향의 영향.

5. 연구 방법

  • 연구 설계: 파라메트릭 연구, 실험적 조사.
  • 재료: 고강도 강철 HC340/590DP(두께 1.6mm), 다이캐스팅 알루미늄 AlSi10MnMg 및 JDA1b(두께 3.0mm). 화학 조성은 표 1에 자세히 설명되어 있습니다. 재료 특성은 표 3에 있습니다.
  • 열처리: AlSi10MnMg에 대한 세 가지 열처리 조건(T5, T6, T7)이 사용되었으며 표 2에 나열되어 있습니다.
  • 리벳팅 세부 정보: 서보 SPR 시스템(EPRESS GmbH), 하중 제어 모드, 최대 리벳팅 힘 80kN, 리벳팅 속도 100mm/s. 붕소강(H5)으로 만든 반관형 리벳. 다양한 파라미터(표 5, 그림 2)를 가진 세 가지 유형의 다이(플랫 다이 I, 플랫 다이 II, 핍 다이).
  • 실험 설정: 알루미늄을 하부 시트로 사용. 표 4의 자세한 분석 체계.
  • 데이터 수집:
    • 다양한 파라미터(리벳 길이, 다이 직경, 다이 깊이, 열처리)를 사용한 리벳팅 실험.
    • 금속 현미경 및 주사 전자 현미경(SEM) 분석.
    • 범용 시험기(ETM105D)를 사용한 준정적 시험(전단, 박리, 십자 인장) (3mm/min).
  • 분석 방법:
    • 조인트 품질 평가: 성형 품질(리벳 헤드 높이, 언더컷, 하부 두께, 잔류 두께 - 그림 3(a), 표 6) 및 외관 품질(균열 등급 - 그림 4).
    • 접합성 매트릭스(그림 6).
    • 균열 메커니즘 분석.
    • 기계적 특성(피크 힘, 에너지 흡수) 비교.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

  • 접합성: 열처리(AlSi10MnMg-T6, AlSi10MnMg-T7)를 통해 더 큰 연신율과 더 낮은 항복 강도로 SPR 접합성을 개선할 수 있습니다(그림 8).
  • 다이 깊이 및 직경: 다이의 깊이와 직경은 균열 생성 및 성형 품질에 큰 영향을 미칩니다(그림 9). 더 큰 깊이와 직경은 성형 품질을 향상시키지만 균열 위험을 증가시킵니다.
  • 리벳 길이: 리벳 길이는 균열 생성에 상대적으로 작은 영향을 미칩니다. 적절한 리벳 길이(6.0-6.5mm)는 성형 품질을 향상시킬 수 있습니다.
  • 균열 메커니즘: 리벳팅 중 하부 표면에 발생하는 접선 인장 응력은 균열을 유발합니다(그림 11, 그림 12, 그림 13, 그림 14, 그림 15).
  • 스택 방향: 강-알루미늄 조인트(강철 상단, 알루미늄 하단)는 알루미늄-강 조인트보다 우수한 기계적 특성을 갖습니다(그림 20).
  • 열처리 효과: 열처리는 주로 에너지 흡수에 영향을 미치며 피크 힘에는 더 작은 영향을 미칩니다(그림 20).
  • 파손 모드: 하부 시트의 찢김 파손은 강-알루미늄 조인트(강이 상부 시트)의 파손을 유발하는 주요 요인입니다.
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.

그림 이름 목록:

  • 그림 1 셀프 피어싱 리벳팅 장비.
  • 그림 2 리벳과 다이의 외관 및 치수 파라미터.
  • 그림 3 성형 품질의 개략도.
  • 그림 4 외관 품질의 개략도.
  • 그림 5 SPR 조인트 및 준정적 시험의 기하학적 치수.
  • 그림 6 다양한 리벳과 다이 조합의 조인트 품질.
  • 그림 7 S4#의 SPR 조인트의 중앙 횡단면 프로파일.
  • 그림 8 다양한 연신율 및 항복 강도의 조인트 품질.
  • 그림 9 리벳과 다이의 파라미터가 조인트 품질에 미치는 영향.
  • 그림 10 다이의 치수 파라미터 선택: (a) 깊이 및 (b) 직경.
  • 그림 11 하부 시트의 두 가지 유형의 균열 특성.
  • 그림 12 변형 정도에 따른 세 영역.
  • 그림 13 SPR 조인트의 횡단면 금속 조직 사진.
  • 그림 14 세 가지 유형의 다이의 균열 특성.
  • 그림 15 하부 표면 균열의 개략도: (a) 피어싱 (b) 플레어링, (c) 위험 영역 및 안전 영역.
  • 그림 16 SPR 조인트의 횡단면 프로파일, 외관 품질 및 성형 품질(단위: mm).
  • 그림 17 준정적 시험에서 SPR 조인트의 정적 파손 모드.
  • 그림 18 파손 메커니즘 및 조인트의 미세 형태: (a) 전단 조인트, (b) 박리 조인트, (c) 십자 인장 조인트, (d) 거시적 파단, (e) 조인트 J2#의 확대도, (f) 조인트 J4#의 확대도.
  • 그림 19 십자 인장 시험의 하부 시트 파단: (a) 거시적 파단, (b) 조인트 J1#의 확대 영역, (c) 조인트 J2#의 확대 영역, (d) 조인트 J5#의 확대 영역.
  • 그림 20 다양한 열처리 및 스택 방향을 사용한 SPR 조인트의 기계적 특성.

7. 결론:

주요 결과 요약:

  • 열처리를 통해 더 큰 연신율과 더 낮은 항복 강도로 SPR 접합성이 향상됩니다.
  • 다이 깊이와 직경은 균열 및 성형 품질에 영향을 미치는 주요 요인입니다.
  • 균열은 하부 표면의 접선 인장 응력에 의해 발생합니다.
  • 강-알루미늄 조인트는 알루미늄-강 조인트보다 기계적 특성이 우수합니다.
  • 열처리는 주로 에너지 흡수에 영향을 미치며 피크 힘에는 영향을 미치지 않습니다.
  • 하부 시트의 찢김 파손은 강-알루미늄 조인트(강이 상부 시트)의 파손을 유발하는 주요 요인입니다.

이 연구는 강/다이캐스팅 알루미늄 조인트의 SPR에서 균열 메커니즘에 대한 자세한 이해를 제공합니다.

접합성을 개선하고 균열을 방지하기 위해 적절한 공정 변수 및 열처리를 선택하기 위한 실질적인 지침을 제공합니다.

이 연구 결과는 강철과 다이캐스팅 알루미늄의 안정적인 접합을 가능하게 하여 경량 자동차 제조 발전에 기여합니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Chao Wang, Zhanpeng Du, Aiguo Cheng, Zhicheng He, Hailun Tan, Wanyuan Yu"의 "고강도 강 및 다이캐스팅 알루미늄의 셀프 피어싱 리벳팅에 대한 공정 변수 및 열처리 영향" 논문을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.187

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