알루미늄 합금은 경량화를 통한 연료 효율 향상과 CO2 배출 감소를 위해 자동차 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 그러나 유사 및 이종 재료와의 알루미늄 합금 시트 접합은 여전히 과제로 남아있습니다. 이를 해결하기 위해 다양한 혁신적인 마찰 교반 블라인드 리벳팅 기술이 개발되었으며, 그 중 하나가 마찰 교반 블라인드 리벳팅 공정입니다. 이번 글을 통해서 블라인드 리벳팅에 의한 인장 시험 및 미세경도 분석 결과에 대해 함께 알려드리겠습니다.
블라인드 리벳팅 실험 방법
마찰 교반 블라인드 리벳팅 테스트
AA6111(0.9mm)을 상부 시트로, AA6022(2.0mm)를 하부 시트로 사용하여 겹치기 전단 접합부를 제작했습니다. Avdel® SSPV-06-04 리벳(샤프트 직경 4.8mm)을 사용했으며, 스핀들 속도는 6000rpm과 9000rpm, 이송 속도는 120, 420, 780mm/min으로 설정했습니다.
인장 시험
완성된 접합부는 Instron 5582 인장 시험기를 사용하여 5mm/min의 크로스헤드 속도로 파단될 때까지 인장했습니다. 굽힘을 방지하기 위해 두 개의 스페이서를 사용했습니다.
미세경도 측정
중단된 접합부와 완성된 접합부를 절단하고 연마하여 LECO LM247AT 미세경도 시험기를 사용해 미세경도(HV0.3)를 측정했습니다. 250μm 간격으로 4개의 층을 선택하여 두께 방향으로 미세경도를 측정했습니다.
인장 시험 결과
인장 시험 결과, AA6111-AA6022 접합부의 파괴 모드는 전단과 찢김이 결합된 형태로 나타났습니다. 하중-변위 곡선은 두 부분으로 나눌 수 있습니다:
- Part-I: 리벳/시트 전단 과정과 관련된 부분
- Part-II: 찢김 과정에 해당하는 부분
최대 인장 하중은 이송 속도가 증가함에 따라 약간 증가하는 경향을 보였으며, 스핀들 속도에는 거의 의존하지 않았습니다.
미세경도 분석
상대 경도(RH)는 실제 측정된 미세경도(HV0.3)와 기준 미세경도(HV0.3base)의 비율로 계산되었습니다. AA6111 상부 시트의 상대 경도 분포를 분석한 결과, 다음과 같은 특징이 관찰되었습니다:
- 중단된 접합부(관통 거리 0.5mm): 각 층의 RH는 임계 거리(xc)까지 감소하다가 그 이후 일정한 값(~1)을 유지했습니다. 상부 층(Layer-I)이 가장 높은 경도를 보였습니다.
- 중단된 접합부(관통 거리 2.0mm): 층간 경도 변화가 감소하고 xc가 1.15mm로 증가했습니다. Layer-I의 경도 감소는 더 긴 공정 시간으로 인한 열 입력 증가 때문일 수 있습니다.
- 완성된 접합부: Layer-I, II, III의 경도가 중단된 접합부보다 낮아졌습니다. 이는 더 긴 열처리 시간 때문일 수 있습니다. Layer-IV는 추가적인 변형으로 인해 가장 높은 경도를 보였습니다.
블라인드 리벳 접합의 자동차 산업 적용 동향
블라인드 리벳 접합 기술은 자동차 산업에서 점차 주목받고 있는 접합 방식입니다. 주요 적용 동향은 다음과 같습니다:
- 경량화 추세에 따라 알루미늄 합금 등 이종 소재 접합에 활용
- 차체 및 샤시 부품 조립에 적용 확대
- 전기차 배터리 팩 조립 등 신규 적용 분야 발굴
- 기존 저항 점용접을 대체하는 용도로 사용
장점
- 단면 접근만으로 접합 가능해 접근성이 우수함
- 이종 소재 접합에 적합
- 열 영향이 적어 소재 변형 최소화
- 자동화 및 로봇화 용이
- 접합 품질 관리가 용이
단점
- 기존 용접 대비 접합 강도가 다소 낮음
- 리벳 돌출부로 인한 외관 품질 저하 가능성
- 리벳 소모품 비용 발생
- 기존 설비 대체에 따른 초기 투자 비용 소요
가격
블라인드 리벳 접합의 가격은 다음과 같은 요소에 따라 달라집니다:
- 리벳 재질 및 크기: 알루미늄 리벳이 가장 저렴하고, 스테인리스강 리벳이 고가
- 설비 투자 비용: 자동화 설비 도입 시 초기 비용 발생
- 생산량: 대량 생산 시 개당 비용 절감 가능
일반적으로 저항 점용접 대비 10-30% 정도 높은 비용이 소요되나, 이종 소재 접합이나 경량화 효과를 고려하면 경제성이 있는 것으로 평가됩니다.
결론
마찰 교반 블라인드 리벳팅 공정을 사용하여 AA6111과 AA6022 시트를 겹치기 전단 구성으로 접합했습니다. 인장 시험 결과, AA6111-AA6022 접합부의 파괴는 AA6111 시트에서 리벳이 먼저 재료를 전단한 후 찢김 모드로 진행되었습니다. 접합부의 최대 인장 하중은 이송 속도에 따라 약간 증가했으며, 조사된 이송 속도 범위에서 스핀들 속도에 대한 통계적 의존성은 보이지 않았습니다.AA6111 재료의 경도는 샤프트로부터 1.15mm 거리 내에서 회전 리벳의 마찰 관통 과정의 영향을 받았으며, 샤프트로부터의 거리가 증가함에 따라 경도가 감소했습니다. 이 영향을 받은 영역은 열영향부, 열기계적 영향부 등 다양한 영역을 구분하기 위해 추가 연구가 필요합니다.이 연구 결과는 마찰 교반 블라인드 리벳팅 공정이 알루미늄 합금 접합에 있어 유망한 기술임을 보여주며, 향후 자동차 산업에서의 적용 가능성을 시사합니다. 그러나 공정 매개변수의 최적화와 다양한 재료 조합에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 보입니다.
이번 글을 통해 블라인드 리벳팅의 적용 동향에 대해 알려드렸습니다. 조금더 추가적인 블라인드 리벳 정보가 궁금하신 분께서는 아래 글을 통해 더 많은 정보를 찾아보세요.
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