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JWJ > Volume 37(1); 2019 > Article
Flow Drill Screw 공정에서 SOP(Screwing On Plate) 접합품질에 미치는 공정 변수의 영향 분석

Abstract

The multi-material application for automotive components is increasing, and dissimilar joining is becoming increasingly important. Mechanical fastening is a practical solution for dissimilar joints. FDS is to conclude the rivet is formed by the screw, the process is simple, and the joint performance is uniform. Also, there is less constrained material bonding.
This study saw the effect of process variables on the quality of SOP junction in the FDS joining process of aluminum sheet. SOP is a inventing method similar to the BOP (Bead on plate) in the conventional melt welding to recognize the fastening characteristics of the material (mainly lower) and screw of the core of the fastening force in the FDS Junction as the abbreviation of the Screw on plate. The material used in the experiment was A6061-T6 plate of thickness 2.0mm. The main process parameters are tool force and spindle rotation at the time of penetration, and the experimental plan was designed by the central synthesis method. Reaction (quality) factor was the pull-out load. The maximum tensile load was 4.84kN and 4.87kN for predicted and experimental values, respectively. As a result, the SOP joining test was verified to be simple and accurate to evaluate the FDS joining performance.

1. 서 론

최근 자동차 산업에서 강화된 연비 및 환경규제법1)이 발효되어, 경량화에 대한 실질적인 요구가 증가하고 있다. 차체 경량화를 위해서는 다양한 소재의 혼합 적용이 추진되는데, 이를 위해서는 이종소재 간 접합기술이 필수적이다2,3).
이종 소재의 접합에는 종래의 저항용접뿐만 아니라 리벳, 볼트, 클린칭, 접착 등 다양한 방법이 적용된다. 일예로 Audi 사의 “New A8”에는 총 14가지의 접합 방법이 적용되어 있는데, 그 중 5가지가 기계적 체결이다4).
기계적 체결은 종래의 용융용접과 비교하여 접합과정에서 열 입력이 적기 때문에, 소재의 물성변화가 적고, 이종소재의 접합이 상대적으로 용이하다.
FDS(Flow Drill Screw)는 나사못형태의 접합체(이하 화스너)로 부품을 결합하는 기계적 체결의 한 종류에 해당한다. FDS용 화스너는 스핀들의 운동에너지를 전달하도록 공구에 결합되는 머리부(head), 체결력을 발생시키는 나사부(thread), 피접합체에 접촉되고 구멍을 형성하는 끝단부(point), 구멍을 확장하는 유동부(flow drilling), 나사 성형부(threading) 및 체결력을 증가시키기 위한 어깨부(undercut) 등으로 구성된다(Fig. 1).
Fig. 1
Details of FDS fastener
jwj-37-1-69-g001.jpg
FDS 체결의 과정은 6개 단계로 구성되는데, 이하에 개략적으로 설명하였다(Fig. 2).
Fig. 2
Process of flow drill screw5)
jwj-37-1-69-g002.jpg
  • (1) 화스너의 끝단부를 접합위치에 정렬하고 압력 및 회전을 시작하는 단계,

  • (2) 마찰열 및 압력에 의해 피접합체가 관통되는 단계

  • (3) 피접합체의 구멍을 확장하는 단계

  • (4) 피접합체의 구멍에 나사산을 열간 성형하는 단계

  • (5) 나사산을 냉간 마무리 가공하는 단계

  • (6) 머리부를 조여 상/하판을 밀착시키는 단계

Fig. 3은 FDS 접합공정에서 시간에 따른 화스너에 작용하는 힘(force), 토크, 화스너 삽입깊이(penetration) 및 스핀들 회전속도의 변화를 나타낸 것이다.
Fig. 3
Force, torque, penetration and spindle rotation change on FDS joining process
jwj-37-1-69-g003.jpg
FDS 접합부의 품질인자는
  • (1) 화스너 머리부와 상부판재 표면의 접촉(head contact)

  • (2) 나사성형 과정에서 형성된 상부/하부 판재 사이의 간극(gap formation)

  • (3) 나사성형 상태(formed thread)

  • (4) 나사성형 과정에서 형성된 벌어짐(Formed extrusion)

등이 있다(Fig. 4)6).

Fig. 4
Quality factors in FDS joint
jwj-37-1-69-g004.jpg
FDS 접합 방법은 접합성능에 미치는 소재의 영향이 적고 특히, 분리가 가능하여 정비성이 용이하므로 최근 적용이 증가하고 있다. 그러나 나사 체결부위에서 미세한 간극이 형성되고 나사성형 시 모재가 노출되어, 내식성이 저하되는 문제점이 있다. FDS에 관련된 많은 연구 결과들이 발표되었지만, 접합부 성능을 정밀하게 예측하기는 쉽지 않다.
FDS에서 체결성능은 주로 하부판재의 나사성형특성과 그 나사와 화스너의 결합강도에 의해 결정된다. 따라서, 대상 판재에 화스너를 결합하고 그 체결강도를 측정하므로서 FDS 접합 성능의 평가가 가능한데, 그 방법을 SOP(Screw on Plate) 접합시험으로 명명하였다.
본 연구는 종래의 BOP(Bead on Plate) 용접과 유사하게, 소재의 FDS 접합특성을 용이하게 파악하는 것이 가능한 SOP 접합 시험법에 관한 것이다. SOP 방법의 타당성을 알아보기 위하여 실제 FDS 접합의 하부 판재 1매에 대한 접합성을 평가하였으며, 그 결과를 종래의 FDS 실험결과와 비교하였다.

2. 실험방법

본 실험에서 사용된 소재는 두께 2mm의 A6061-T6 합금이었으며, Table 1에 공칭 화학 성분을 표기하였다. 시편의 치수는 150mm × 45mm이었으며, 구멍 직경 25mm 및 간격 110mm의 토글 클램프 2개로 고정하였다.
Table 1
Chemical compositions of A6061-T6 aluminum alloy (wt.%)
Si Fe Cu Mg Cr Zn Ti Al
0.67 0.43 0.21 0.81 0.15 0.12 0.04 bal.
FDS 시편제작에 사용된 기기는 툴 가압력은 최대 3000N, spindle 회전속도는 최대 7000rpm, 토크는 12N·m인 Klingel사 모델 X-Flow 이었다. Fig. 5에 FDS 접합시험 장치의 외형을 나타내었다.
Fig. 5
FDS joining machine
jwj-37-1-69-g005.jpg
사용된 화스너는 머리부 외경 13mm, 나사규격 M5 및 머리부를 제외한 몸통부 길이 22mm인 Arnold사의 M5X22 규격의 Flowform이었다. Fig. 6에 화스너의 도면 및 각 부 치수를 나타내었다.
Fig. 6
Arnold flowform M5X22 fastener
jwj-37-1-69-g006.jpg
FDS의 SOP 접합시편은 나사성형이 충분하고 pull- out 시험 홀더 삽입이 가능하도록 스크류 삽입깊이를 17mm로 설정하였다(Fig. 7).
Fig. 7
Thread formation in single plate
jwj-37-1-69-g007.jpg
SOP 접합시편 제작에서 공정변수는 spindle 회전속도(X1)와 툴 가압력(X2)이었다. 접합성능에 미치는 공정변수의 영향을 알아보기 위하여 입력변수 가운데에서 회전속도는 최소 4500rpm에서 최대 6914rpm 및 가압력은 최소 700N에서 최대 941N까지 변화시켰다. Table 2에 입력변수 및 고정변수를 나타내었다. 실험계획은 중심합성법(Central Composite Design)으로 설계하여 Table 3에 나타내었다.
Table 2
Parameters for experimental design
Level X1 (RPM) X2 (Force, N)
-1 4500 700
0 5500 800
1 6500 900
(a)Input parameters & level
Fastener type M5X22
RPM in thread forming 500 RPM
Force in thread forming 200 N
(b) Fixed parameters
Table 3
Independent variables of central composite design for FDS process
No. RPM Force, N Repeat
1 4500 700 2
2 6500 700 2
3 4500 900 2
4 6500 900 2
5 4086 800 2
6 6914 800 2
7 5500 659 2
8 5500 941 2
9~13 5500 800 2
SOP 접합강도는 Fig. 8에 도시한 바와 같이, pull- out 그립을 사용하여 최대 1톤 용량의 로드 셀이 장착된 인장시험기로 측정하였다.
Fig. 8
Pull-out testing machine
jwj-37-1-69-g008.jpg
접합부 단면을 관찰하기 위하여 접합부를 에폭시로 몰딩하고 샌드페이퍼와 다이아몬드 페이스트로 연마하였다. 스크류와 모재 조직 혹은 metal flow를 현출하기 위하여 나이탈(2%) 액으로 부식하고 광학현미경으로 관찰하였다.
실험에서 얻어진 DATA를 통계분석 프로그램인 Minitab을 사용하여 수학적 회귀모델을 생성하였으며, F-검정을 통해 수학적 회귀모델의 유의성을 판단하였다. 유의수준은 일반적으로 적용하는 0.05 수준에서 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 FDS 공정의 SOP 접합부 특성

FDS의 SOP 접합부의 대표적인 사진을 Fig. 9에 나타내었다. (a) 소재 표면에 형성된 burr는 나사 성형시 형성된 것으로 화스너의 언더컷에 의해 접합부 물성에는 크게 영향을 미치지 않는다. (b)는 소재의 하부에 형성된 것으로 접합품질에 중요한 인자이며, (c)는 pull- out에 의하여 탈락된 나사부이다. Fig. 10Fig. 9와 동일한 조건에서 제작된 SOP 접합부에 대한 pull-out 시험시 화스너 이탈 거리에 따른 하중의 변화를 나타낸 것이다. 일반적인 인장시험 곡선과 유사하게 탄성영역, 소성영역 및 파괴에 따른 급격한 하중감소영역으로 대별된다. SOP 강도는 Fig. 10의 곡선에서 최대 하중 값으로 정의하였다.
Fig. 9
Appearances of SOP joint on (a) surface, (b) bottom and (c) screw after pull-out test joined at spindle rotation 5500rpm and tool force 800N
jwj-37-1-69-g009.jpg
Fig. 10
Tensile load and stroke curve
jwj-37-1-69-g010.jpg

3.2 SOP 접합강도 예측

FDS SOP 접합공정에서 공정 변수가 접합품질에미치는 영향을 분산분석으로 알아보았다. Table 4에 실험계획에 따른 pull-out 강도 측정 결과를 나타내었으며, Fig. 7에 3D 그래프로 도시하였다.
Table 4
Results of pull-out test by central composite design
No. Pull-out strength, (kN) Average Stdev.
1 2
1 4.49 4.53 4.51 0.20
2 4.50 4.53 4.51 0.15
3 4.79 4.77 4.78 0.10
4 4.45 4.47 4.46 0.10
5 4.70 4.66 4.68 0.25
6 4.47 4.52 4.49 0.25
7 4.37 4.42 4.40 0.25
8 4.48 4.51 4.49 0.15
9 4.50 4.42 4.49 0.73
10 4.51 4.49
11 4.52 4.47
12 4.44 4.49
13 4.66 4.37
화스너에 가해지는 툴의 가압력 및 spindle 회전속도(RPM)의 변화에 따른 최대 값 (4.79kN)과 최소 값(4.37kN)의 차이는 0.42kN 가량이었는데, 이는 최대 값의 8.8% 가량으로 A6061 소재의 FDS 접합특성이 양호한 것을 나타낸다. 본 실험조건의 범위에서 tool의 압력이 높고, spindle 회전속도는 낮을수록 접합강도가 증가하였다.
A6061 소재에 대해 FDS 공정의 SOP 접합시험 결과로부터 생성된 수학적 회귀모델을 식 (1)에 나타내었다.
(1)
(Pull-outstrength)=2.3062-1.12329×104X1+6.2742810X2+6.27500×108X128.50000x107X228.12500×107X12
여기서 X1 및 X2는 각각 spindle 회전속도 및 tool 가압력의 실제 값을 뜻한다. 식 (1)을 살펴보면 pull- out 강도는 가압력보다 RPM의 변화에 민감하게 변화하는 것을 알 수 있다. 또한 X1항을 살펴보면, 1차 및 2차 항과 교호작용이 있는 X12까지 고른 영향을 주는 것이 확인된다.
수학적 회귀모델의 유의성 판정을 위해서 P값, F-검정 및 R2의 3가지 검정법을 사용 하였으며, 그 결과를 Table 5에 나타내었다. 회귀식의 오차 발생 확률을 의미 하는 P-값의 경우, 일반적으로 사용하는 오차 발생 확률 5%를 적용하면, 회귀식 (1)의 오차발생 빈도는 0%이므로 유의한 것으로 판단된다. 예측 값 간의 표준편차 및 자유도를 계산하여 나타낸 정확도 F-검정의 경우, F0는 12.96으로 회귀모델은 유의한 것으로 판단된다. R2 검정의 경우, 결정계수 R2값은 76.4%로 다소 낮아 회귀식 (1)로 예측한 접합부강도의 신뢰도는 다소 낮을 것으로 판단된다.
Table 5
Results of analysis of variance for constructed regression model
P-value R2 F0 F(α)
0.000 76.4 % 12.96 4.52

3.3 SOP 접합강도 예측 회귀식의 검정

FDS의 SOP 접합에서 가압력과 회전속도에 따른 접합강도 예측을 위한 회귀식 (1)의 유의성을 확인하기 위하여 최적조건을 도출하고 검정 실험을 실시하였다. 최적조건은 입력변수의 범위를 가압력 700~1,000N 및 회전속도 4,000~7,000rpm로 지정하고, 엑셀(ver. 2013)의 해 찾기 기능을 사용하여 도출하였다. 회귀식으로 예측한 최대 접합강도는 4.84kN이었으며, 상응하는 공정변수는 가압력 및 회전속도에 대해 각각 1,000N 및 4,000rpm이었다.
상기의 최적조건에서 SOP 접합시험을 5회 반복하였다. 검증시험의 인장시험 결과를 Fig. 12에 나타내었으며, SOP 접합강도는 4.87±0.100kN이었다. 본 회귀모델의 오차는 0.54%로 매우 높은 정확도를 나타내었다.
Fig. 11
3D surface graph of pull-out strength
jwj-37-1-69-g011.jpg
Fig. 12
Result of verification test
jwj-37-1-69-g012.jpg
Johan8)은 M4 화스너 및 두께 2mm A6061-T4의 FDS 접합부의 십자인장 강도를 3kN 가량으로 보고하였는데, 본 SOP 강도는 실제 접합부의 강도를 상회하였다. 이상의 실험결과로부터 FDS의 SOP 접합시험은 접합특성을 평가하는데 있어서, 간단하고 신뢰도가 높을 것으로 판단되었다.

4. 고 찰

FDS SOP 접합강도 예측을 위한 회귀식의 신뢰도(R2=76.4%)가 낮은 원인을 알아보았다. 기본적인 원인은 입력변수에 따른 출력변수의 변화가 작기 때문이다. 실험계획은 spindle 회전속도와 tool 가압력을 접합이 가능한 즉, 화스너가 소재를 관통하는 최소조건에서부터 기기의 사양 범위로 설계하였음에도 접합강도의 변화폭이 작았다.
접합부 품질에 미치는 공정조건의 영향을 더 상세히 알아보기 위하여 접합부 단면에서 경도를 측정하였다. No. 1, 4, 11 조건의 접합부에 대해 나사 성형부의 경도분포를 Fig. 13와 같이 각각 소재 두께 방향(vertical)과 수평방향(horizontal)에 대해 800μm 간격으로 나타내었다. Fig. 14 (a)는 화스너 근처의 나사에서 모재 쪽(수평방향)이며, (b)는 나사산 중앙지점의 경도를 상부에서 하부로 나타낸 것이다. Fig. 14 (a)에서 solid mark는 1/4t 및 open mark는 3/4t에서 경도분포를 나타낸 것이다. A6061 모재 경도는 모재 104±2.7Hv이며, 나사부는 114.8±4.8Hv 가량이었다. 나사부 +800um 지점은 115±4.5Hv로 나사성형 과정에서 소성변형으로 다소 경화된 것으로 판단된다.
Fig. 13
Locations of indentations on Vickers hardness test
jwj-37-1-69-g013.jpg
Fig. 14
Vickers hardness in the screw
jwj-37-1-69-g014.jpg
한편, Fig. 13 (b)의 나사 부근의 경도는 No. 1(V1), 4(V2), 11(V11)에 대해 각각 114±3.0Hv, 119± 4.0Hv, 112±3.2Hv이었다. 상대적으로 경도가 높은 No. 11의 조건에서는 spindle 회전속도가 가장 빨랐으며, Fig. 11의 강도 그래프에서 높은 접합강도를 보였다.
그 원인은 spindle의 회전속도가 빠른 경우 나사성형과정에서 변형율(화스너 삽입속도 V2=5.2m/min, V3=4.4m/min)이 빠르기 때문이다. 0mm에서 경도가 감소한 이유는 가열온도가 상대적으로 높았기 때문이다. 반면, Johan 및 Skovron은 FDS 공정영향부(Process-affected zone)에서 마찰과 가압에 의해 약 240°C의 열이 발생하고, 동적 재결정이 진행된다고 보고하였다6). 또한, 열전도 및 연신율이 우수한 알루미늄의 특성에 따라 공정 영향부가 매우 작기때문에 접합 조건을 만족하는 조건에서 물성 변화는 매우 낮다고 보고하였다7). 그러나 Fig. 15에서 FDS 접합부의 광학조직을 보면, 나사 및 그 인근에는 나사성형 과정에서 소성변형에 따른 metal flow가 관찰(②와 ③의 중간영역)되고, Fig. 14의 경도 분포와 잘 일치하였다.
Fig. 15
Microstructures of FDS joint
jwj-37-1-69-g015.jpg
알루미늄 합금의 FDS 접합에서 공정 조건에 따라나사부의 경도는 현저한 차이를 보였다. 그러나, 공정조건에 따른 접합강도의 차이는 매우 적어 우수한 FDS 접합성을 보였다. 화스너 관통이 원활하게 이루어지는 조건에서 접합강도는 spindle 회전속도와 tool 가압력에 비례하여 증가하는 망대특성을 보였다.

5. 결 론

알루미늄합금을 대상으로 FDS에서 SOP 접합시험에 관한 연구 결과는 다음과 같다.
  • 1) 단일 판재에 화스너를 체결하는 SOP 접합에서 화스너와 판재에 형성된 나사와 체결특성은 기존의 FDS 접합부에서 하부 판재의 나사와 화스너의 체결특성과 유사하였다.

  • 2) SOP 접합에서 입력변수로 spindle 회전속도와 tool 가압력을 사용하여 화스너의 pull-out 강도를 예측하는 회귀식을 도출하였다.

  • 3) 본 회귀모델의 유의성은 F-test와 R2을 사용하여 검정 하였다. F 검정에서는 유의하였으나, R2 결정계수의 검정에서는 76.4%로 비교적 낮은 유의 수준을 보였다.

  • 4) 본 회귀모델로부터 최적조건을 선정하고, SOP 접합시험으로 검정을 하였다. 인장강도는 4.87±0.100kN이었는데, 예측치와 실험치의 오차는 0.54%로 매우 높은 예측 정확도를 나타내었다.

  • 5) R2 결정계수가 낮은 이유는 화스너 관통조건 범위에서 공정변수에 따른 접합강도의 변화폭이 작았기 때문이다.

  • 6) 나사부의 미소경도값은 공정변수의 효과를 보다 명확하게 보였으며, 나사부의 경화에 의해 spindle 회전속도가 빠른 경우 높은 강도를 나타내었다.

  • 7) 소재의 FDS 접합성을 간단하게 평가하는 SOP 접합시험은 매우 간편하고 신뢰도가 높은 것으로 판단되었다.

후 기

본 논문은 2017년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 산업기술혁신사업(N0001850)의 지원을 받아 수행되었습니다.

References

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