02-24-수정(2).hwp

Size: px

Start display at page:

Download "02-24-수정(2).hwp"

인호 동
5 years ago
Views:

1 8 ISSN Online ISSN CFRP-Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 전남기 *,** 이세헌 ** 감동혁 *, * 한국생산기술연구원용접접합그룹 ** 한양대학교대학원기계공학과 Parametric Study of Self-Piercing Riveting for CFRP-Aluminum Dissimilar Joint Nam-Ki Jeon*, **, Sehun Rhee**, and Dong-Hyuck Kam*, *Joining R&D group, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon, 21999, Korea **School of Mechanical Engineering, Hanyang Univ., Seoul, 04763, Korea Corresponding author : kamdong@kitech.re.kr (Received May 4, 2018 ; Accepted May 23, 2018) Abstract In response to the environmental regulations and market forces for fuel economy, automotive industry has continued trying to apply lightweight multi-materials for weight reduction. Carbon fiber reinforced plastics (CFRP) is one of the most attractive structural materials because of its high strength to weight ratio. CFRP-metal dissimilar joints are inevitable to realize a variety of CFRP-metal hybrid designs. However, conventional fusion joining methods for metals are not applicable to CFRP-metal dissimilar joints. In this study, considering the process productivity and the joint reliability, self-piercing rivet (SPR) is investigated to join CFRP and aluminum panels. The SPR joint quality such as head height, interlock, bottom thickness is considered to find an optimal combination of the processing parameters, which include rivet, die, and punch force. In the tensile lap shear test of CFRP-aluminum SPR joints, the first fracture load is found to be a better parameter for representing the joint quality over the max fracture load because of the discontinuous property of CFRP panel. The first fracture load achieved in this study is up to 4.4 kn for SPR lap joint with 1.8 mm thickness CFRP upper and mm Al5083-O lower. Key Words : CFRP, Aluminum, Dissimilar joint, Self-Piercing rivet, Tensile shear strength, Rivet, Die 1. 서론 유럽의회와 EU 이사회는유럽연합에서의새롭게개발되는차량에대해 CO 2 배출규제를실시하고, 2020년까지승용차의 CO 2 가스배출량을 95 g/km 로감소시키기로하였다 1). 엔진효율의향상또는공기저항의감소를통한연료효율향상에는한계가존재하기때문에, 차체의무게를감소시키어효율을증대하고자하는시도가계속되고있다 2). 실제로차량무게가 100 kg 감소하면 CO 2 배출량은 6 g/km 가량감소하며연비는약 0.5 L/100 km 절약된다고보고된바있다 3,4). 경량화를위하여초고강도강, 알루미늄, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics) 등의다종소재의적용비율은점차확대되고있으며, 그중비강도가높은 CFRP 5,6) 와연성이우수한알루미늄은기존철강소재의대체재로써제안되고있다 7). 다종소재의적용비율이증가함에따라, 각기다른특성을가지는 CFRP 와알루미늄접합은차량의제작에있어서필수적인부분이되었다. 하지만 CFRP 는아크용접혹은점용접과같은기존용융용접의적용이불가능하기때문에 8), 접착제나블라인드리벳, 볼팅과같은기계적체결중심의비용접법이제안되고있다. 접착제는 CFRP 와알루미늄간의접합연구에서적용되고있는보편적인방법중하나이지만, 접착제를도포하고경화시키기위한공정이추가되어야하는단점이있다 9,10). 볼트 / 너트결합은가장일반적인 Journal of Welding and Joining, Vol.36 No.3(2018) pp8-17

CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 9 기계적접합방법중하나이지만, 홀가공을선행되어야할뿐만아니라홀과홀, 홀과볼트의정렬이어려워자동화하기가어렵다. 특히 CFRP 는난삭재로홀가공이여타의소재보다어렵기때문에볼팅의적용이난해하다 11-13).

Punch 에의해눌려진 rivet 은상판을관통한뒤하판아래쪽의 die 의형상에맞게 rivet 다리가변형되며상판과하판을체결하기때문에성형기반의접합기술로볼수있다. 접착제와볼트 / 너트결합에비해서 SPR 접합방법은접합과정에서열과변형이없으며상이한강도의소재를접합이가능하다. 홀가공이필요없고, 공정시간이짧으며불필요한부산물이생기지않는다.

Bae 19) 는공정변수인펀치압력을변화하여정적강도에미치는영향을확인하였다. M. Lou 등 20-22) 은금속과알루미늄의강도, 두께및상 / 하부판재의배치가접합특성에미치는영향을확인하였다. 해당연구에서는하판의두께가너무얇거나, 연성이낮고강도가높은경우 rivet 이적절히체결되지못하고기계적특성이저하된다고보고하였다. J.

2 CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 9 기계적접합방법중하나이지만, 홀가공을선행되어야할뿐만아니라홀과홀, 홀과볼트의정렬이어려워자동화하기가어렵다. 특히 CFRP 는난삭재로홀가공이여타의소재보다어렵기때문에볼팅의적용이난해하다 11-13). SPR(Self-Piercing Rivet) 은상 / 하부의홀더로 preclamping 하여대상소재를고정시킨후, 상부홀더안의 punch 를사용하여 rivet 을눌러별도의홀가공이없어도접합이가능한기계적체결방법이다. Punch 에의해눌려진 rivet 은상판을관통한뒤하판아래쪽의 die 의형상에맞게 rivet 다리가변형되며상판과하판을체결하기때문에성형기반의접합기술로볼수있다. 접착제와볼트 / 너트결합에비해서 SPR 접합방법은접합과정에서열과변형이없으며상이한강도의소재를접합이가능하다. 홀가공이필요없고, 공정시간이짧으며불필요한부산물이생기지않는다. 또한기존점용접장비와 C 모양의프레임이같아기존설비를대체하여호환이가능하며, 점용접과비슷한강도와높은피로특성을갖는다 14-16). 때문에 SPR 은 CFRP 와같은복합재료를포함한이종소재의접합에매우유리하다. 기존의 SPR 연구에서 C.G. Pickin 17,18) 등은 SPR 접합시 rivet 및 die 형상이접합강도에미치는영향에대하여고찰하였으며, J.H. Bae 19) 는공정변수인펀치압력을변화하여정적강도에미치는영향을확인하였다. M. Lou 등 20-22) 은금속과알루미늄의강도, 두께및상 / 하부판재의배치가접합특성에미치는영향을확인하였다. 해당연구에서는하판의두께가너무얇거나, 연성이낮고강도가높은경우 rivet 이적절히체결되지못하고기계적특성이저하된다고보고하였다. J. Kang 23) 등은적절한공정변수의조합을통하여 CFRP 와 Al6111-T82 의소재를 SPR 접합을사용하여최대인장하중 3.9 kn을도출하였다. 그러나 CFRP 와알루미늄의 SPR 접합에서가장적합한 rivet 과 die 의조합과주요공정변수인 punch force 의변화에따른접합하중의관계를보인연구는부족하였다. 따라서본연구에서는 SPR 의접합품질판단을위해이전의연구 24,25) 에서설정한세가지측정인자인상판위로 rivet 이돌출된길이인 head height, 하판에서 rivet 다리가벌어진길이인 interlock, 하판의잔여두께인 bottom thickness 를측정하였다. 세가지측정인자를통해 CFRP- 알루미늄 SPR 접합시가장적합한 rivet-type, die-type과 punch가 rivet을누르는힘인 punch force를확인하였다. 또한인장하중시험을실시하고측정인자와인장하중과의상관관계를확인하였다. 2. 실험방법 시험편은 KS C ISO 규격을따라제작되었다.(Fig. 1) 1.8 mm 두께의열경화성 CFRP 를상판에배치하였으며, 두께가 mm인 Al5083-O 소재를하판에배치하여이종소재접합을실시하였다. 열경화성 CFRP 의단면과모식도를 Fig. 2에나타내었다. CFRP 는 ( 주 ) 한국카본社에서제작한제품으로써, Unidirectional form 형태의 pre-preg를 0 와 90 로교차하여 7층적층한뒤오토클레이브로 2 kgf/cm 2 의압력에서 60~90분동안경화시킨것을사용하였다. 실험에사용된 CFRP와 Al5083-O 의모재인장평가를실시하였다. 시험편은 Fig. 3에나타낸 ASTM E8M 규격으로제작하였다. Al5083-O의모재인장강도값은 280 MPa이며, CFRP는 0 방향에서 1032 MPa, 45 방향에서 234 MPa 로확인되었다. 본연구에서는 0 방향의 CFRP 만을사용하였다. (Table 1) Fig. 4에보인 Bollhoff 社의 Rivset GEN 2를사용하여시험편을제작하였으며, 유압장치를이용하여 punch force 를최대 78 kn 까지변화가가능하였다. 실험에서사용된 C-type, HD2-type, HD3-type, P-type 4 종 1.8 mm CFRP 138 mm Rivet 46 mm 230 mm Aluminum Fig. 1 Geometry of SPR joint specimen mm 60 mm Fig. 2 Cross-section of CFRP and schematic view of CFRP laminate R1 Fig. 3 Geometry of ASTM E8M standard 대한용접 접합학회지제 36 권제 3 호, 2018 년 6 월 245

10 전남기 이세헌 감동혁 Table 1 Properties of base material Sheets CFRP Al5083-O Thickness (mm) 1.

P-rivet Fig. 6 Cross-section of rivet DZ-die KA-die Fig.

Bottom thickness Fig. 5 Measurement factor of SPR joint and definition of rivet part 류의 rivet 단면을 Fig.

6 의 (A) 아래부분과 rivet 의끝단인 (C) 부분의형상에따라관통가능한상판의강도가달라진다. C-type rivet 은비교적날카로운끝단의형상으로상판이연강 FM-die Fig.

HD3-type 은뭉툭한끝단과안쪽의홈이굴곡진형상이며 HD2- type 에비해강도가높은강판에사용된다.

Die 의형상을변화하여하판에서 rivet 의다리가벌어지는 interlock 을최대한증가시켜접합부강도를향상시킬수있다는이전의연구에따라 die 형상을변화하며실험을실시하고자하였다 17).

3 10 전남기 이세헌 감동혁 Table 1 Properties of base material Sheets CFRP Al5083-O Thickness (mm) 1.8 Tensile shear strength (MPa) C-rivet 3mm 3mm HD2-rivet 3mm 3mm HD3-rivet P-rivet Fig. 6 Cross-section of rivet DZ-die KA-die Fig. 4 Configuration of SPR system Head height Interlock (A) CFRP Aluminum A: Head, B: Leg, C: Tip (B) (C) Bottom thickness Fig. 5 Measurement factor of SPR joint and definition of rivet part 류의 rivet 단면을 Fig. 6에나타내었다. 4종류의 rivet의재질은보론강으로써 Almac 코팅이되어있으며, 480 ± 30 HV 의경도값을가진다. Rivet은 Fig. 6 의 (A) 아래부분과 rivet 의끝단인 (C) 부분의형상에따라관통가능한상판의강도가달라진다. C-type rivet 은비교적날카로운끝단의형상으로상판이연강 FM-die Fig. 7 Geometry of die 과알루미늄일때사용된다. HD2 rivet은좀더둥근끝단의형상으로서고강도강판에사용된다. HD3-type 은뭉툭한끝단과안쪽의홈이굴곡진형상이며 HD2- type 에비해강도가높은강판에사용된다. 마지막으로 P-type rivet 은끝단의형상이 45 각도로경사지게깍인모서리이며두껍거나고강도강에사용된다 26). Die 의형상을변화하여하판에서 rivet 의다리가벌어지는 interlock 을최대한증가시켜접합부강도를향상시킬수있다는이전의연구에따라 die 형상을변화하며실험을실시하고자하였다 17). Die 는하단부가평평한형태의 FM-type die와 cone형태의 KA-type die, 가운데가높게솟아오르고깊게파인형태의 DZ-type die 세종류로진행하였으며 Fig. 7에간단한모식도를나타냈다. SPR 접합의접합품질판단을위해광학현미경으로단면을관찰하고 Fig. 6과같이 head height 와 interlock, bottom thickness 의치수를측정하였다. 인장전단시험은만능재료시험기를사용하였으며 3 mm/min 의속도로각조건을 3회반복실시하였다. 246 Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 3, 2018

CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 11 3. 결과및고찰 3.1 Rivet 종류에따른접합품질판단 앞서설명한 4가지종류의 rivet 에따른 SPR 접합부품질판단을위해실험을진행하였다.

head height 는외관, 접합부의기밀성, rivet 에의한상판의손상등을방지하기위해 head height 값이작을수록더좋은접합부를형성한다. Y. Abe 의 연구 21) 에따르면 interlock 길이의증가에따라접합 강도가향상되는것으로보고되고있다.

8에서보이는것처럼모든 type에서 rivet 다리의좌굴과같은결함은확인되지않았다. Fig. 9 에서 head height는 C-type rivet이 0.38 mm로가장낮았으며, HD2-type 은 0.57 mm, HD3-type 은 5 mm, P-type rivet이 0.70 mm 로가장높았다.

HD2-type 은 0 mm, HD3-type은 2 mm, P-type은 0.12 mm 의길이로측정되었다. 이는 HD2, P, HD3 type 의 rivet 의경우강도가높고연성이부족한고강도강이상판에위치할때사용하기때문이다. 고강도강을관통하기위해 Fig.

4 CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 결과및고찰 3.1 Rivet 종류에따른접합품질판단 앞서설명한 4가지종류의 rivet 에따른 SPR 접합부품질판단을위해실험을진행하였다. die 는 FMtype 으로고정하였으며, pre-clamping force 4 kn, punch force 는 40 kn으로고정하였다. 접합시편의단면부를 Fig. 8에나타내었으며, Fig. 6과같이 head height, interlock, bottom thickness의크기를측정하였다. head height 는외관, 접합부의기밀성, rivet 에의한상판의손상등을방지하기위해 head height 값이작을수록더좋은접합부를형성한다. Y. Abe 의 연구 21) 에따르면 interlock 길이의증가에따라접합 강도가향상되는것으로보고되고있다. Interlock 길이가증가하면 rivet 을잡고있는하판으로부터 rivet 을빼내기위한저항이증가하여하판과더강하게체결되기때문에접합하중이증가한다. Bottom thickness 는접합하중에는큰영향을주지않는것으로보고되고있으나부식과하판의찢어짐을방지하기위해일정두께이상이적합한것으로보고되었다 27). Fig. 8에서보이는것처럼모든 type에서 rivet 다리의좌굴과같은결함은확인되지않았다. Fig. 9 에서 head height는 C-type rivet이 0.38 mm로가장낮았으며, HD2-type 은 0.57 mm, HD3-type 은 5 mm, P-type rivet이 0.70 mm 로가장높았다. 이는 rivet 과하판사이에채워진 CFRP 가압축될수없기때문에 rivet 아래부분이상대적으로공간이넓은 C-type rivet 이가장낮은 head height 를나타냈다. Interlock 은 C-type rivet 이 0.35 mm로다른 type 의 rivet 에비해더큰값을보였다. HD2-type 은 0 mm, HD3-type은 2 mm, P-type은 0.12 mm 의길이로측정되었다. 이는 HD2, P, HD3 type 의 rivet 의경우강도가높고연성이부족한고강도강이상판에위치할때사용하기때문이다. 고강도강을관통하기위해 Fig. 6의 (C) 부분을뭉둑한형상으로변화하고 (A) 안쪽의굴곡을주었기때문에 CFRP 와알루 Interlock (mm) Head height (mm) C HD2 P HD3 Rivet type C HD2 P HD3 Rivet type C-Type 2 mm 2 mm P-Type Bottom thickness (mm) HD2-Type 2 mm 2 mm HD3-Type Fig. 8 Cross-sections of the SPR joints with different rivet type C HD2 P HD3 Rivet type Fig. 9 Graph of measurement factor and rivet types head height, interlock, bottom thickness 대한용접 접합학회지제 36 권제 3 호, 2018 년 6 월 247

12 전남기 이세헌 감동혁 미늄의접합에서는상대적으로 interlock 이짧아지게되었다. Bottom thickness는 C-type rivet 이 5 mm, HD2-type이 0.98 mm, HD3-type은 0.70 mm, P-type 은 5 mm로네종류의 rivet 이큰차이를보이지않았다.

2 Die 형상에따른접합품질판단 Die 의형상에대한접합품질판단을위해각형상에따른 SPR 접합실험을진행하였다. 앞서선정한 C- type rivet과 pre-clamping force 4 kn, punch force 를 39 kn으로고정하였다. die 형상별실험을실시한이유는 interlock 을최대한증가시켜접합부강도를향상시킬것으로판단되기때문이다 17).

10에나타내었다. 단면을관찰한결과 KA와 DZ type 의 die 의경우 rivet 중심선으로부터좌우대칭이아니거나 rivet 의좌굴이일어나는경우들이관찰되었다. 이는 DZ-type 의 die 의경우중심부가높게솟고가장자리가깊어, 하판인알루미늄의연성이높아성형이일정하지않은것으로판단된다.

5 12 전남기 이세헌 감동혁 미늄의접합에서는상대적으로 interlock 이짧아지게되었다. Bottom thickness는 C-type rivet 이 5 mm, HD2-type이 0.98 mm, HD3-type은 0.70 mm, P-type 은 5 mm로네종류의 rivet 이큰차이를보이지않았다. 따라서 CFRP 상판 Al5083 하판의 SPR 겹치기접합에서 interlock 이가장길고 head height 가가장낮으며 bottom thickness 가충분한 C-type rivet 이본평가에사용된 4가지 SPR rivet 중가장적합한것으로판단된다. 3.2 Die 형상에따른접합품질판단 Die 의형상에대한접합품질판단을위해각형상에따른 SPR 접합실험을진행하였다. 앞서선정한 C- type rivet과 pre-clamping force 4 kn, punch force 를 39 kn으로고정하였다. die 형상별실험을실시한이유는 interlock 을최대한증가시켜접합부강도를향상시킬것으로판단되기때문이다 17). 따라서 Fig. 7과같이 3가지의 die 를평가하였다. Fig. 11의평가결과를종합적으로판단한결과, interlock 의편차가작고평균값이가장높으며 head height 가낮은 FMtype 의 die 가상판 CFRP 하판 Al5083 의 SPR 접합에서는가장적합하였다. C-type rivet 에대해세종류의 die 를이용하여접합한시편의단면을 Fig. 10에나타내었다. 단면을관찰한결과 KA와 DZ type 의 die 의경우 rivet 중심선으로부터좌우대칭이아니거나 rivet 의좌굴이일어나는경우들이관찰되었다. 이는 DZ-type 의 die 의경우중심부가높게솟고가장자리가깊어, 하판인알루미늄의연성이높아성형이일정하지않은것으로판단된다. 위와같은이유로 KA-type 과 DZ-type 의 die 에서측정값이일정하지않고큰편차가발생하여반복재현성이부족하였다. Fig. 11의결과에서 head height는 KA-type die 의경우 5 mm로가장작은돌출길이를보였다. FM-type die의경우 0.32 mm의 head height 평균값을보였으며, DZ-type die의 head height 평균값은 0.58 mm로가장높았다. 그러나 rivet 이벌어지는 interlock 은 FM-type 의 die 가 0.37 mm로가장높았다. KA-type과 DZ-type die는각각 0.35 mm, 6 mm 의 interlock 평균값을보였다. Bottom thickness 는 rivet 종류별실험결과와마찬가지로 FM-type, KA-type, DZ-type이각각 0.53 mm, 2 mm, 0.55 mm로 3가지의 die type 에따른값이큰차이를보이지않았다. 따라서편차가작고 interlock 값이가 Bottom thickness (mm) Interlock (mm) Head height (mm) FM KA DZ Die type FM KA DZ Die type FM-die KA-die DZ-die Fig. 10 Cross-sections of the SPR joints with different die types FM KA DZ Die type Fig. 11 Graph of measurement factor and die types head height, interlock, bottom thickness 248 Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 3, 2018

CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 13 장높은 FM-type die 가적합한것으로판단하였다. 3.3 Punch force 의변화에따른접합품질판단 SPR 접합의공정변수인 punch force 에따른접합품질을평가하기위한실험을실시하였다.

12에나타내었다. Punch Force는 29 kn 부터 69 kn까지 5 kn 단위로증가시켰다. Fig. 13의 SPR 단면품질측정결과에서 punch force 가증가함에따라 SPR rivet 의 head height 는 punch force 29 kn일때 0.

72 mm로최댓값을나타냈으며 64 kn에서 0.38 mm으로최솟값을나타냈다. C-type rivet과 FM-type die로동일한조건에서 punch force 가증가하면 rivet 을더욱강하게누르기때문에 head height 가감소하였으며, 이로인해 rivet 의다리는하판의알루미늄에서더많은 interlock 을형성하였다.

4 Punch force 변화에따른접합하중공정변수의변화에따른최적의접합하중을도출하기위해인장전단시험을실시하였다. Fig. 14 의인장하중그래프에서보이는것처럼 CFRP 가처음파단이일 Head height (mm) Interlock (mm) 1.00 0.75 0.50 5 0-5 -0.

6 CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 13 장높은 FM-type die 가적합한것으로판단하였다. 3.3 Punch force 의변화에따른접합품질판단 SPR 접합의공정변수인 punch force 에따른접합품질을평가하기위한실험을실시하였다. 앞선실험에서선정한 C-type rivet 과 FM-type die 를사용하고 pre-clamping force 를 4 kn으로고정한뒤 punch force 를변화시키며실험한접합부의단면을 Fig. 12에나타내었다. Punch Force는 29 kn 부터 69 kn까지 5 kn 단위로증가시켰다. Fig. 13의 SPR 단면품질측정결과에서 punch force 가증가함에따라 SPR rivet 의 head height 는 punch force 29 kn일때 0.75 mm의값을나타냈으며 punch force가증가함에따라서 head height는감소하여 punch force 69 kn에서 - mm까지감소하였다. 반면 interlock 은 punch force 가증가함에따라서 3 mm에서 1 mm 까지증가하였다. Bottom thickness 는 punch force 29 kn일때 0.72 mm로최댓값을나타냈으며 64 kn에서 0.38 mm으로최솟값을나타냈다. C-type rivet과 FM-type die로동일한조건에서 punch force 가증가하면 rivet 을더욱강하게누르기때문에 head height 가감소하였으며, 이로인해 rivet 의다리는하판의알루미늄에서더많은 interlock 을형성하였다. 따라서 head height 가상판보다더깊이삽입되어상판인 CFRP 의손상을일으킨 punch force 64 kn이상을제외하고, punch force 59 kn 일때가장 head height 가낮고 interlock 이크며 bottom thickness 가충분한조건으로나타났다. 3.4 Punch force 변화에따른접합하중공정변수의변화에따른최적의접합하중을도출하기위해인장전단시험을실시하였다. Fig. 14 의인장하중그래프에서보이는것처럼 CFRP 가처음파단이일 Head height (mm) Interlock (mm) Punch force (kn) kn 34 kn 39 kn Punch force (kn) 44 kn 49 kn 54 kn Bottom thickness (mm) 59 kn 64 kn 69 kn Fig. 12 Cross-sections of the SPR joints with punch force Punch force (kn) Fig. 13 Graph of measurement factor and punch force head height, interlock, bottom thickness 대한용접 접합학회지제 36 권제 3 호, 2018 년 6 월 249

$14 전남기 이세헌 감동혁 어나기시작할때의값을 CFRP 의 first fracture load 로정의하였으며, 최대하중값을 maximum fracture load 로정의하였다. Fig. 14 의인장전단시험결과에서 CFRP의 first fracture load는 punch force 29 kn에서최솟값 2.$ $0 5000 4000 3000 2000 1000 5 4 3 2 First fracture load Maximum fracture load Displacement (mm) 0 1.5 6.0 7.5 9.$

7 14 전남기 이세헌 감동혁 어나기시작할때의값을 CFRP 의 first fracture load 로정의하였으며, 최대하중값을 maximum fracture load 로정의하였다. Fig. 14 의인장전단시험결과에서 CFRP의 first fracture load는 punch force 29 kn에서최솟값 2.4 kn이었으며, punch force가증가함에따라같이증가하여 punch force 54 kn에 Load (N) Load (N) Tensile shear load (kn) First fracture load Maximum fracture load Displacement (mm) Displacement (mm) First fracture load Maximum fracture load Punch force (kn) Fig. 14 Tensile shear test of SPR joints location of first fracture load and maximum fracture load, load-displacement curve of punch force 59 kn, tensile shear load of punch force 서최댓값약 4.4 kn에도달하였다. Maximum fracture load는 punch force 54 kn 에서약 4.6 kn값을얻었다. 최솟값은 punch force 29 kn에서 3.3 kn 의하중을보였다. maximum fracture load 는 punch force 29 kn의가장낮은값을제외하고 punch force 의변화에따라일정한경향없이약 4 kn에서 kn사이에분포하였다. Fig. 15의파단형상에서보이는것처럼본실험조건에서는 rivet 이 CFRP 와 Al5083 의접합부에강하게체결되었기때문에 rivet 이뽑혀나오는 pull-out 의파단모드가발생하지않았으며, 상판 CFRP 모재의베어링파단이발생하였다. CFRP 는인장하중실험이진행됨에따라 fiber 가연쇄적으로파단되어 Fig. 14 의하중-변위그래프에서보이는것처럼몇번의 peak 값을나타낸다 28). 이후베어링파단이계속되어 CFRP 가 rivet 을잡아당기게되고, rivet 이회전하며하판알루미늄의파손이일어나며최대하중이발생한다 29,30). CFRP 의파단은 punch force 가낮을때에는 Fig. 14 의하중-변위그래프처럼 fiber 가처음파단이시작된이후연속적인 fiber 파단으로인해 maximum fracture load 에도달하게되었다. 그러나 punch force가증가함에따라 Fig. 14 의하중-변위그래프와같이 CFRP 의 fiber 가처음파단을시작하는하중이점차증가하여 maximum fracture load 와같거나비슷한값까지도달한뒤연속적인베어링파단이진행되며접합부가파손되었다. 이로인해 Fig. 14 그래프에서 punch force 가증가함에따라 CFRP 의 first fracture load 와 maximum fracture load 값의차이가감소하였다. 이는 punch force가증가하면 SPR의 rivet head가 CFRP 를누르는힘이증가하여 CFRP 의 first frac 본논문에서는 CFRP 의 first fracture load와 maximum fracture load를모두측 Upper sheet : CFRP Lower sheet : Al5083 Fig. 15 Fracture mode of SPR joints at upper sheets and lower sheets 250 Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 3, 2018

8 CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 15 정하여기재하였다. 측정인자값과파단시점에따른하중의관계 Fig. 16처럼 SPR 접합시편의 maximum fracture load 의경우 4~4.6 kn 의범위를보이며 head height, interlock, bottom thickness 의길이에따른큰차이 를볼수없었다. 이는위의실험에서 CFRP 와알루미늄의 SPR 접합부에서측정한인자들의체결력이충분하여 CFRP 의모재가파단되기때문이다. Fig. 17 처럼 CFRP 의 first fracture load 의경우 head height 와 bottom thickness 가증가함에따라하중값이감소하였으며, interlock 이증가함에따라서하중값이증가하는것을볼수있었다. 따라서본저자는 CFRP 와 Maximum fracture load (kn) Maximum fracture load (kn) Maximum fracture load (kn) Head height (mm) Interlock (mm) Bottom thickness (mm) Fig. 16 Maximum fracture load of measurement factor head height, interlock, bottom thickness First fracture load (kn) First fracture load (kn) First fracture load (kn) Head height (mm) Interlock (mm) Bottom thickness (mm) Fig. 17 First fracture load of measurement factor head height, interlock, bottom thickness 대한용접 접합학회지제 36 권제 3 호, 2018 년 6 월 251

9 16 전남기 이세헌 감동혁 Al5083 의 SPR 접합시에 CFRP 의 first fracture load 를 maximum fracture load 까지증가시켜상판모재파단하중을향상시키는것이중요하다고판단하였다. 4. 결론 CFRP 와 Al5083-O 의이종재료간의 SPR 접합방법을연구하기위하여, rivet type 과 die type, punch force 를변화시키며실험을진행하였다. 또한, punch force 에따른인장전단시험을진행하여측정인자들이인장강도에주는영향을조사하였다. 따라서이연구에서다음과같은결론을얻었다. 1) 상판의 1.8 mm CFRP 와하판 mm Al5083 조합에서측정인자인 head height 와 interlock 길이, bottom thickness 를고려하였을때 head height 가낮고 interlock 이크며 bottom thickness 가충분한 C-type rivet과 FM-type die가가장적합하였다. 2) Punch force 의변화에따른인장강도시험에서 CFRP 의 first fracture load 와 maximum fracture load 를정의하고 punch force 54 kn에서 CFRP 의 first fracture load가최대 4.4 kn까지도달하였다. 3) SPR 접합에서접합성을판단하는측정인자인 head height, interlock, bottom thickness와파단시점에따른하중인 CFRP 의 first fracture load, maximum fracture load와의관계를확인하였다. 위의측정인자들은 maximum fracture load 에는큰영향을주지않았으나, CFRP 의 first fracture load는 head height 와 bottom thickness 가감소하고, interlock 이증가할수록파단하중이증가하는것을확인하였다. 본연구에서는 CFRP 와 Al 조합에서의 SPR 체결시접합부품질판단기준과, 측정인자와접합하중과의상관관계를설명하고자하였다. ORCID: Nam-Ki Jeon: ORCID: Sehun Rhee: ORCID: Dong-Hyuck Kam: References 1. P. Mock, EU CO 2 emission standards for passenger cars and light-commercial vehicles, (Retrieved from the International Council on Clean Transportation, website, www. theicct. org/eu-co2-standards-passengercars-and-lcvs, City, 2014) 2. R. Modaresi, S. Pauliuk, A. N. Lovik and D. B. Muller, Global carbon benefits of material substitution in passenger cars until 2050 and the impact on the steel and aluminum industries, Environ Sci Technol, 48(18) (2014), M. K. Kulekci, Magnesium and its alloys applications in automotive industry, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 39(9-10) (2008), P. Mock, Reducing CO2 and fuel consumption from new cars, Assessing the near-term technology potential in the EU, (Retrieved from The International Council on Clean Transportation website, default/files/briefing, City, 2013) 5. E. Eusebi, Composite intensive vehicles, past present and future, Structural materials challenges for the next generation vehicle. Washington, DC, US Department of Commerce, (1995) 6. N. Gjostein, Technology needs beyond PNGV, Basic Research Needs for Vehicles of the Future, New Orleans, LA, (1995) 7. I. Chang, Y. Cho, H. Park and D. So, Importance of Fundamental Manufacturing Technology in the Automotive Industry and the State of the Art Welding and Joining Technology, Journal of Welding and Joining, 34(1) (2016), P. Kah, R. Suoranta, J. Martikainen and C. Magnus, TECHNIQUES FOR JOINING DISSIMILAR MATER- IALS, METALS AND POLYMERS, Reviews on Advanced Materials Science, 36(2) (2014) 9. A. Rudawska, Adhesive joint strength of hybrid assemblies, Titanium sheet-composites and aluminium sheetcomposites Experimental and numerical verification, International Journal of Adhesion and Adhesives, 30(7) (2010), W. Brockmann, O.-D. Hennemann, H. Kollek and C. Matz, Adhesion in bonded aluminium joints for aircraft construction, International Journal of Adhesion and Adhesives, 6(3) (1986), 115-IN R. Zitoune and F. Collombet, Numerical prediction of the thrust force responsible of delamination during the drilling of the long-fibre composite structures, Composites Part a-applied Science and Manufacturing, 38(3) (2007), J. P. Davim, P. Reis and C. C. António, Experimental study of drilling glass fiber reinforced plastics (GFRP) manufactured by hand lay-up, Composites Science and Technology, 64(2) (2004), R. Matsuzaki, M. Shibata and A. Todoroki, Improving performance of GFRP/aluminum single lap joints using bolted/co-cured hybrid method, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39(2) (2008), T. A. Barnes and I. R. Pashby, Joining techniques for 252 Journal of Welding and Joining, Vol. 36, No. 3, 2018

10 CFRP - Aluminum 이종소재의 Self-Piercing Rivet 접합 17 aluminium spaceframes used in automobiles Part II - adhesive bonding and mechanical fasteners, Journal of Materials Processing Technology, 99(1-3) (2000), K. Mori, T. Kato, Y. Abe and Y. Ravshanbek, Plastic Joining of Ultra High Strength Steel and Aluminium Alloy Sheets by Self Piercing Rivet, CIRP Annals, 55(1) (2006), L. Han, M. Thornton and M. Shergold, A comparison of the mechanical behaviour of self-piercing riveted and resistance spot welded aluminium sheets for the automotive industry, Materials & Design, 31(3) (2010), C. G. Pickin, K. Young and I. Tuersley, Joining of lightweight sandwich sheets to aluminium using self- pierce riveting, Materials & Design, 28(8) (2007), N. H. Hoang, R. Porcaro, M. Langseth and A. G. Hanssen, Self-piercing riveting connections using aluminium rivets, International Journal of Solids and Structures, 47(3-4) (2010), J.-H. Bae, J.-W. Kim, I. Choi, D.-G. Nam, J.-K. Kim and Y.-D. Park, A Study on Tensile Shear Characteristics of Dissimilar Joining Between Pre-coated Automotive Metal Sheets and Galvanized Steels with the Self- Piercing Rivet and Hybrid Joining, Journal of Welding and Joining, 34(1) (2016), M. Lou, Y. Li, Y. Li and G. Chen, Behavior and Quality Evaluation of Electroplastic Self-Piercing Riveting of Aluminum Alloy and Advanced High Strength Steel, Journal of Manufacturing Science and Engineering, 135(1) (2013) Y. Abe, T. Kato and K. Mori, Self-piercing riveting of high tensile strength steel and aluminium alloy sheets using conventional rivet and die, Journal of Materials Processing Technology, 209(8) (2009), N. H. Hoang, M. Langseth, R. Porcaro and A. G. Hanssen, The effect of the riveting process and aging on the mechanical behaviour of an aluminium self-piercing riveted connection, European Journal of Mechanics - A/Solids, 30(5) (2011), J. Kang, H. Rao, R. Zhang, K. Avery and X. Su, Tensile and fatigue behaviour of self-piercing rivets of CFRP to aluminium for automotive application, IOP Conference Series, Materials Science and Engineering, 137 (2016) D. Kim, Y. Qiu and H.-Y. Cho, Design of self-piercing rivet to joint in advanced high strength steel and aluminium alloy sheets, Journal of Welding and Joining, 33(3) (2015), H.-Y. Cho and D. Kim, Finite element analysis for joining glass fiber reinforced plastic and aluminium alloy sheets, Journal of Welding and Joining, 33(2) (2015), C. Villettaz, Influence of the geometry of self-piercing rivets on the joint strength of high-strength thin sheet steel, (Haute Ecole d'ingénierie, City, 2009) 27. D. Li, L. Han, M. Thornton and M. Shergold, Influence of edge distance on quality and static behaviour of self-piercing riveted aluminium joints, Materials & Design, 34 (2012), S. Heimbs, S. Schmeer, J. Blaurock and S. Steeger, Static and dynamic failure behaviour of bolted joints in carbon fibre composites, Composites Part A, Applied Science and Manufacturing, 47 (2013), L. Kroll, S. Mueller, R. Mauermann and R. Gruetzner, Strength of self-piercing riveted joints for CFRP/aluminium sheets, in 18th International conference on composite materials (ICCM/18), South Korea, (City, 2011), J. Zhang and S. Yang, Self-piercing riveting of aluminum alloy and thermoplastic composites, Journal of Composite Materials, 49(12) (2014), 대한용접 접합학회지제 36 권제 3 호, 2018 년 6 월 253

14.531~539(08-037).fm

14.531~539(08-037).fm G Journal of the Korea Concrete Institute Vol. 20, No. 4, pp. 531~539, August, 2008 š x y w m š gj p { sƒ z 1) * 1) w w Evaluation of Flexural Strength for Normal and High Strength Concrete with Hooked