전 세계 각국이 에너지 절약과 배출 감축에 큰 중요성을 부여함에 따라 순수 전기 신에너지 자동차 개발이 대세로 자리 잡았습니다. 배터리 성능 외에도 차체 품질 또한 신에너지 자동차의 주행 거리에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 경량 자동차 차체 구조와 고품질 연결 장치 개발을 촉진하면 차량 전체의 무게를 최대한 줄이는 동시에 차량의 강도와 안전 성능을 확보하여 전기 자동차의 종합적인 주행 거리를 향상시킬 수 있습니다. 자동차 경량화 측면에서 강철-알루미늄 하이브리드 차체는 차체의 강도와 경량화를 모두 고려하여 차체 경량화를 달성하는 중요한 수단이 되고 있습니다.
알루미늄 합금을 연결하는 기존 접합 방식은 접합 성능이 좋지 않고 신뢰성이 낮습니다. 새로운 접합 기술인 셀프 피어싱 리벳팅은 경합금과 복합 재료 접합에 있어 절대적인 이점을 제공하기 때문에 자동차 산업과 항공우주 제조 산업에서 널리 사용되고 있습니다. 최근 중국 국내 학자들은 셀프 피어싱 리벳팅 기술에 대한 관련 연구를 수행하고 다양한 열처리 방법이 TA1 산업용 순수 티타늄 셀프 피어싱 리벳 접합의 성능에 미치는 영향을 연구했습니다. 어닐링 및 담금질 열처리 방법이 TA1 산업용 순수 티타늄 셀프 피어싱 리벳 접합의 정적 강도를 향상시키는 것으로 나타났습니다. 재료 흐름 관점에서 접합 형성 메커니즘을 관찰 및 분석하고 이를 바탕으로 접합 품질을 평가했습니다. 금속 조직 시험을 통해 큰 소성 변형 영역이 특정 경향을 가진 섬유 구조로 미세화되어 접합의 항복 응력 및 피로 강도 향상에 기여하는 것으로 나타났습니다.
위 연구는 주로 알루미늄 합금판 리벳팅 후 접합부의 기계적 특성에 초점을 맞추고 있습니다. 차체의 실제 리벳팅 생산에서 알루미늄 합금 압출 프로파일, 특히 6082 알루미늄 합금과 같이 합금 원소 함량이 높은 고강도 알루미늄 합금의 리벳팅 접합부 균열은 차체에 이 공정을 적용하는 것을 제한하는 주요 요인입니다. 동시에 차체에 사용되는 압출 프로파일의 굽힘 및 비틀림과 같은 형상 및 위치 공차는 프로파일의 조립 및 사용에 직접적인 영향을 미치며 후속 차체의 치수 정확도를 결정합니다. 프로파일의 굽힘 및 비틀림을 제어하고 프로파일의 치수 정확도를 보장하기 위해서는 다이 구조 외에도 프로파일의 출구 온도와 온라인 담금질 속도가 가장 중요한 영향 요인입니다. 출구 온도가 높고 담금질 속도가 빠를수록 프로파일의 굽힘 및 비틀림 정도가 커집니다. 차체용 알루미늄 합금 프로파일의 경우, 프로파일의 치수 정확도를 확보하고 합금 리벳팅에 균열이 발생하지 않도록 해야 합니다. 합금의 치수 정확도와 리벳팅 균열 성능을 최적화하는 가장 간단한 방법은 재료 조성, 다이 구조, 압출 속도, 담금질 속도를 그대로 유지하면서 압출 봉의 가열 온도와 시효 공정을 최적화하여 균열을 제어하는 것입니다. 6082 알루미늄 합금의 경우, 다른 공정 조건은 변경되지 않는다는 전제 하에, 압출 온도가 높을수록 조립질층은 얕아지지만 담금질 후 프로파일의 변형은 커집니다.
본 논문에서는 연구 대상과 동일한 조성의 6082 알루미늄 합금을 사용하여 다양한 압출 온도와 시효 공정을 적용하여 다양한 상태의 시편을 제작하고, 리벳팅 시험을 통해 압출 온도와 시효 상태가 리벳팅 시험에 미치는 영향을 평가한다. 예비 결과를 바탕으로 최적의 시효 공정을 결정하여 6082 알루미늄 합금 차체 압출 프로파일의 후속 생산에 대한 지침을 제공한다.
1 실험재료 및 방법
표 1에 나타낸 바와 같이, 6082 알루미늄 합금을 반연속 주조에 의해 용융 및 원형 잉곳으로 제조하였다.그런 다음, 균질화 열처리 후, 잉곳을 다양한 온도로 가열하고 2200톤 압출기에서 프로파일로 압출하였다.프로파일 벽 두께는 2.5mm, 압출 배럴 온도는 440±10℃, 압출 다이 온도는 470±10℃, 압출 속도는 2.3±0.2mm/s, 프로파일 담금질 방법은 강풍 냉각이었다.가열 온도에 따라 샘플은 1~3으로 번호를 매겼는데, 그 중 샘플 1의 가열 온도가 가장 낮았고, 해당 빌릿 온도는 470±5℃, 샘플 2의 해당 빌릿 온도는 485±5℃, 샘플 3의 온도가 가장 높았고, 해당 빌릿 온도는 500±5℃였다.
표 1 시험 합금의 측정된 화학 조성(질량 분율/%)
재료 조성, 다이 구조, 압출 속도, 담금질 속도 등 다른 공정 변수는 변경하지 않고, 압출 가열 온도를 조절하여 얻은 상기 1~3번 시료를 상자형 저항로에서 시효 처리하였으며, 시효 처리 시스템은 180℃/6시간 및 190℃/6시간으로 하였다. 단열 처리 후 공랭 후 리벳팅하여 압출 온도와 시효 처리 상태가 리벳팅 시험에 미치는 영향을 평가하였다. 리벳팅 시험은 압출 온도와 시효 처리 시스템이 다른 2.5mm 두께의 6082 합금을 하부 플레이트로, 1.4mm 두께의 5754-O 합금을 상부 플레이트로 사용하여 SPR 리벳팅 시험을 수행하였다. 리벳팅 다이는 M260238이고, 리벳은 C5.3×6.0 H0이다. 또한, 압출 온도와 시효 상태가 리벳 균열에 미치는 영향에 따라 최적의 시효 공정을 더욱 정확하게 결정하기 위해, 최적의 압출 온도의 판을 선정하고, 다양한 온도와 시효 시간을 적용하여 시효 시스템이 리벳 균열에 미치는 영향을 연구하여 최종적으로 최적의 시효 시스템을 확정했습니다. 고배율 현미경을 사용하여 다양한 압출 온도에서 재료의 미세 구조를 관찰하고, MTS-SANS CMT5000 시리즈 마이크로컴퓨터 제어 전자식 만능재료시험기를 사용하여 기계적 특성을 시험했으며, 저배율 현미경을 사용하여 다양한 상태에서 리벳팅 후 리벳 접합부를 관찰했습니다.
2실험 결과 및 논의
2.1 압출온도 및 시효상태가 리벳팅 균열에 미치는 영향
샘플링은 압출된 프로파일의 횡단면을 따라 채취하였다. 거친 연삭, 미세 연삭 및 사포로 연마한 후, 샘플을 10% NaOH로 8분간 부식시켰고, 검은색 부식 생성물을 질산으로 깨끗이 닦았다. 샘플의 조립질 층은 그림 1과 같이 의도된 리벳팅 위치에서 리벳 버클 외부 표면에 위치한 고배율 현미경으로 관찰하였다. 샘플 번호 1의 평균 조립질 층 깊이는 352μm, 샘플 번호 2의 평균 조립질 층 깊이는 135μm, 샘플 번호 3의 평균 조립질 층 깊이는 31μm였다. 조립질 층 깊이의 차이는 주로 압출 온도의 차이로 인한 것이다. 압출 온도가 높을수록 6082 합금의 변형 저항은 낮아지고, 합금과 압출 다이(특히 다이 작업 벨트) 사이의 마찰에 의해 생성되는 변형 에너지 저장량이 작아지며, 재결정 구동력도 작아집니다. 따라서 표면 조립질층은 얕아집니다. 압출 온도가 낮을수록 변형 저항이 커지고, 변형 에너지 저장량이 커질수록 재결정이 용이해지고, 조립질층은 깊어집니다. 6082 합금의 경우, 조립질 재결정의 메커니즘은 2차 재결정입니다.
(a) 모델 1
(b) 모델 2
(c) 모델 3
그림 1 다양한 공정에 따른 압출 프로파일의 조립립층 두께
다양한 압출 온도에서 제조된 샘플 1~3을 각각 180℃/6h와 190℃/6h에서 시효 처리했습니다. 두 시효 처리 후 샘플 2의 기계적 특성은 표 2에 나와 있습니다. 두 시효 시스템에서 180℃/6h에서 샘플의 항복 강도와 인장 강도는 190℃/6h에서보다 상당히 높았지만 두 가지의 신장은 크게 다르지 않아 190℃/6h가 과시효 처리임을 나타냅니다. 6 시리즈 알루미늄 합금의 기계적 특성은 미시효 상태에서 시효 처리 과정의 변화에 따라 크게 변동하기 때문에 프로파일 생산 공정의 안정성과 리벳 품질 제어에 도움이 되지 않습니다. 따라서 미시효 상태를 사용하여 차체 프로파일을 생산하는 것은 적합하지 않습니다.
표 2 두 가지 노화 시스템에서 샘플 번호 2의 기계적 특성
리벳팅 후 시험편의 외관은 그림 2에 나타나 있습니다. 더 깊은 조립질 층을 갖는 No. 1 샘플을 피크 시효 상태에서 리벳팅했을 때, 리벳의 바닥면은 그림 2a와 같이 육안으로 볼 수 있는 오렌지 필 현상과 균열이 뚜렷했습니다. 입자 내부의 불균일한 배향으로 인해 변형 중에 변형 정도가 불균일해져 표면이 불균일해집니다. 입자가 거칠면 표면의 불균일성이 커져 육안으로 볼 수 있는 오렌지 필 현상이 발생합니다. 압출 온도를 높여 더 얕은 조립질 층을 갖는 No. 3 샘플을 피크 시효 상태에서 리벳팅했을 때, 리벳의 바닥면은 비교적 매끄러웠고, 균열은 어느 정도 억제되었는데, 이는 그림 2b와 같이 현미경 확대에서만 볼 수 있었습니다. No. 3 샘플이 과시효 상태에 있을 때는 그림 2c와 같이 현미경 확대에서 균열이 관찰되지 않았습니다.
(a) 육안으로 볼 수 있는 균열
(b) 현미경으로 보면 미세한 균열이 보인다
(c) 균열 없음
그림 2 리벳팅 후 균열의 정도 차이
리벳팅 후 표면은 주로 세 가지 상태, 즉 육안으로 보이는 균열("×"로 표시), 현미경 확대에서 보이는 미세한 균열("△"로 표시), 그리고 균열 없음("○"로 표시)으로 나타납니다. 두 가지 시효 시스템에서 위의 세 가지 상태의 샘플에 대한 리벳팅 형태 결과는 표 3에 나와 있습니다. 시효 과정이 일정할 때, 압출 온도가 높고 조립질층이 얇은 시편의 리벳팅 균열 성능이 조립질층이 깊은 시편보다 우수함을 알 수 있습니다. 조립질층이 일정할 때, 과시효 상태의 리벳팅 균열 성능이 최대 시효 상태의 리벳팅 균열 성능보다 우수합니다.
표 3 두 가지 공정 시스템에서 샘플 1~3의 리벳팅 외관
결정립 형태와 시효 상태가 프로파일의 축방향 압축 균열 거동에 미치는 영향을 연구했습니다. 축방향 압축 중 재료의 응력 상태는 셀프 피어싱 리벳팅의 응력 상태와 일치했습니다. 연구 결과, 균열은 결정립계에서 발생했으며, Al-Mg-Si 합금의 균열 메커니즘은 다음 공식으로 설명할 수 있었습니다.
σapp는 결정에 가해지는 응력입니다. 균열 발생 시, σapp는 인장 강도에 해당하는 진응력 값과 같습니다. σa0는 결정내 슬라이딩 중 석출물의 저항입니다. Φ는 결정립 크기 d와 슬립 폭 p와 관련된 응력 집중 계수입니다.
재결정에 비해 섬유상 결정립 구조는 균열 억제에 더 효과적입니다. 주된 이유는 결정립 미세화로 인해 결정립 크기 d가 현저히 감소하여 결정립계 응력 집중 계수 Φ를 효과적으로 감소시켜 균열을 억제할 수 있기 때문입니다. 섬유상 구조와 비교했을 때, 조대한 결정립을 갖는 재결정 합금의 응력 집중 계수 Φ는 약 10배입니다.
피크 시효에 비해 과시효 상태는 합금 내부의 다양한 석출상 상태에 의해 결정되는 균열 억제에 더 유리합니다. 피크 시효 동안 6082 합금에는 20~50 nm 크기의 'β(Mg5Si6) 상이 석출되는데, 석출물의 수가 많고 크기가 작습니다. 합금이 과시효 상태에 있으면 합금 내 석출물의 수가 감소하고 크기가 커집니다. 시효 과정에서 생성된 석출물은 합금 내부 전위의 이동을 효과적으로 억제할 수 있습니다. 전위에 가해지는 고정력은 석출상의 크기와 부피 분율과 관련이 있습니다. 실험식은 다음과 같습니다.
f는 석출물의 부피 분율이고, r은 상의 크기이며, σa는 상과 기지 사이의 계면 에너지입니다.공식에 따르면 석출물의 크기가 크고 부피 분율이 작을수록 전위에 대한 고정력이 작아 합금의 전위가 시작되기 쉽고 합금의 σa0가 피크 시효에서 과시효 상태로 감소합니다.σa0가 감소하더라도 합금이 피크 시효에서 과시효 상태로 갈 때 합금의 균열 시점에서 σapp 값이 더 감소하여 결정립계에서의 유효 응력(σapp-σa0)이 크게 감소합니다.과시효의 결정립계에서의 유효 응력은 피크 시효의 약 1/5입니다.즉, 과시효 상태에서 결정립계에서 균열이 발생할 가능성이 적어 합금의 리벳 성능이 향상됩니다.
2.2 압출 온도 및 노화 공정 시스템 최적화
위 결과에 따르면, 압출 온도를 높이면 조립질층의 깊이를 줄여 리벳팅 공정 중 재료의 균열을 억제할 수 있습니다. 그러나 특정 합금 조성, 압출 다이 구조 및 압출 공정을 전제로 압출 온도가 너무 높으면 한편으로는 후속 담금질 공정에서 프로파일의 굽힘 및 비틀림 정도가 심해져 프로파일 크기 공차가 요구 사항을 충족하지 못하고, 다른 한편으로는 압출 공정 중 합금이 쉽게 오버버닝되어 재료 폐기 위험이 증가합니다. 리벳팅 상태, 프로파일 크기 공정, 생산 공정 창 및 기타 요소를 고려할 때 이 합금에 더 적합한 압출 온도는 485℃ 이상, 즉 샘플 번호 2입니다. 최적의 시효 공정 시스템을 확인하기 위해 샘플 번호 2를 기준으로 시효 공정을 최적화했습니다.
180℃, 185℃, 190℃에서 서로 다른 노화 시간에 따른 시편 No. 2의 기계적 특성은 항복 강도, 인장 강도 및 신장으로 그림 3에 나와 있습니다.그림 3a에서 볼 수 있듯이 180℃에서 노화 시간이 6h에서 12h로 증가하고 재료의 항복 강도는 크게 감소하지 않습니다.185℃에서 노화 시간이 4h에서 12h로 증가함에 따라 항복 강도가 먼저 증가한 다음 감소하며 가장 높은 강도 값에 해당하는 노화 시간은 5-6h입니다.190℃에서 노화 시간이 증가함에 따라 항복 강도는 점차 감소합니다.전반적으로 세 가지 노화 온도에서 노화 온도가 낮을수록 재료의 피크 강도가 높아집니다.그림 3b의 인장 강도 특성은 그림 3a의 항복 강도와 일치합니다. 그림 3c에 나타난 다양한 노화 온도에서의 연신율은 14%에서 17% 사이이며, 뚜렷한 변화 양상은 나타나지 않았습니다. 본 실험은 최대 노화에서 과노화 단계까지의 연신율을 측정하는 것으로, 실험 오차가 작아 변화 양상이 불분명합니다.
그림 3. 다양한 노화 온도와 노화 시간에 따른 재료의 기계적 특성
위의 시효 처리 후, 리벳 접합부의 균열은 표 4에 요약되어 있습니다.표 4에서 볼 수 있듯이, 시간이 증가함에 따라 리벳 접합부의 균열은 어느 정도 억제됩니다.180℃의 조건에서 시효 시간이 10시간을 초과하면 리벳 접합부의 외관은 허용 가능한 상태이지만 불안정합니다.185℃의 조건에서 7시간 시효 후, 리벳 접합부의 외관은 균열이 없고 상태가 비교적 안정적입니다.190℃의 조건에서 리벳 접합부의 외관은 균열이 없고 상태가 안정적입니다.리벳팅 시험 결과에서 합금이 과시효 상태일 때 리벳팅 성능이 더 좋고 더 안정적임을 알 수 있습니다.차체 프로파일을 사용하는 것과 함께 180℃/10~12시간의 리벳팅은 OEM이 제어하는 생산 공정의 품질 안정성에 도움이 되지 않습니다. 리벳 접합부의 안정성을 확보하기 위해서는 시효 시간을 더욱 연장해야 하지만, 시효 시간 검증은 프로파일 생산 효율 저하 및 비용 증가로 이어질 수 있습니다. 190℃ 조건에서 모든 샘플은 리벳 균열 요구 사항을 충족할 수 있었지만 재료 강도는 크게 감소했습니다. 차량 설계 요구 사항에 따라 6082 합금의 항복 강도는 270MPa 이상이어야 합니다. 따라서 190℃의 시효 온도는 재료 강도 요구 사항을 충족하지 못합니다. 동시에 재료 강도가 너무 낮으면 리벳 접합부 바닥판의 잔류 두께가 너무 얇아집니다. 190℃/8시간 시효 후 리벳 단면 특성은 잔류 두께가 0.26mm로 그림 4a와 같이 지수 요구 사항 ≥0.3mm를 충족하지 못하는 것으로 나타났습니다. 종합적으로 고려할 때 최적의 시효 온도는 185℃입니다. 7시간 동안 시효 처리 후, 재료는 리벳팅 요구 사항을 안정적으로 충족할 수 있으며, 강도는 성능 요구 사항을 충족합니다. 용접 작업장에서 리벳팅 공정의 생산 안정성을 고려하여 최적의 시효 처리 시간은 8시간으로 제안됩니다. 이 공정 시스템에서의 단면 특성은 그림 4b에 나와 있으며, 이는 맞물림 지수 요구 사항을 충족합니다. 좌우 맞물림은 각각 0.90mm와 0.75mm로, ≥0.4mm의 지수 요구 사항을 충족하며, 하단 잔류 두께는 0.38mm입니다.
표 4 다른 온도 및 다른 노화 시간에 따른 샘플 번호 2의 균열
그림 4. 6082 바닥판 리벳 접합부의 다양한 노화 상태에서의 단면 특성
3 결론
6082 알루미늄 합금 프로파일의 압출 온도가 높을수록 압출 후 표면 조대립층이 얕아집니다. 조대립층의 두께가 얇을수록 입계 응력 집중 계수를 효과적으로 줄여 리벳 균열을 억제할 수 있습니다. 실험 결과, 최적의 압출 온도는 485℃ 이상인 것으로 나타났습니다.
6082 알루미늄 합금 프로파일의 조립층 두께가 동일할 때, 과시효 상태에서 합금의 결정립계 유효 응력이 피크 시효 상태보다 작아 리벳팅 시 균열 위험이 적고 합금의 리벳팅 성능이 향상됩니다. 리벳팅 안정성, 리벳 접합부 맞물림 값, 열처리 생산 효율, 그리고 경제적 이점의 세 가지 요소를 고려할 때, 합금의 최적 시효 시스템은 185℃/8h로 결정되었습니다.
게시 시간: 2025년 4월 5일
