Prediction of Joinable Ranges for Rivet Geometry Parameters in One-Step Resistance Element Welding of Aluminum Sheets
- 주제(키워드) One-Step resistance element welding , aluminum , finite element method , process simulation model , stress triaxiality , high-temperature damage model , joinable range
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김동철
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000082732
- UCI I804:11029-000000082732
- 본문언어 영어
- 저작권 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록(요약문)
The automotive industry is increasingly using multi-material body structures that combine aluminum and advanced high-strength steel to achieve both lightweighting and crash performance. As a result, reliable joining processes are required. One-Step resistance element welding (One-Step REW) is compatible with resistance spot welding equipment and can be used for aluminum–high-strength steel stacks. However, the process is highly sensitive to welding conditions and rivet geometry. This is because sheet fracture during penetration, molten-aluminum behavior, and weld-nugget formation occur in a short time and are strongly coupled. This study aims to develop a process simulation model that captures the dominant behaviors from penetration to welding, to identify unjoinable mechanisms, and to derive a generalized relationship that predicts joinable ranges for rivet-geometry parameters while considering sheet thickness and alloy type. An electromagnetic–thermal coupled analysis was conducted to estimate the initial process-temperature range during penetration. Tensile tests under different stress states were then performed at 200 °C for A365, A6N01, A6451, and 1021B. Using these results, a high-temperature damage model was calibrated to predict fracture behavior as a function of stress triaxiality. The process simulation framework consisted of hot-penetration analysis with the calibrated damage model, ALE-based simulations for molten-aluminum ejection and capture, and electromagnetic–thermal coupled welding simulations. The simulations classified unjoinable cases into four mechanisms: aluminum-sheet fracture, insufficient melting, excessive capture, and gap formation. The joinable ranges of rivet tip angle, rivet height, capture diameter, and shaft diameter were quantified for aluminum-sheet thicknesses of 1.0–3.0t and for different aluminum alloys. Based on these results, a generalized equation was derived to predict the joinable ranges of rivet-geometry parameters for given sheet thickness and alloy type. Experiments on an A6451 1.1t–SABC1760 1.0t stack confirmed that the process simulation model reasonably reproduces rivet geometry and weld-nugget formation. Finally, an improved rivet geometry selected within the generalized range increased the weld-nugget diameter by about 29% and improved both tensile and shear strengths by more than 10% compared with the existing rivet.
more초록(요약문)
자동차 차체의 경량화와 충돌 성능 확보를 동시에 만족하기 위해 알루미늄과 고강도 강판을 조합한 다중 소재 적용이 확대되고 있으며, 이에 따라 이종소재 접합 공정의 신뢰성 확보가 중요해지고 있다. One-Step resistance element welding은 저항 점용접 설비와의 호환성이 높고 알루미늄과 고강도 강판 조합에 적용 가능하나, 관입 단계의 상판 파단과 용융 알루미늄 거동, 용착부 형성이 짧은 시간에 연속되어 진행되므로 공정 조건과 리벳 형상 변화에 대한 민감도가 크다. 본 연구의 목적은 관입 단계부터 용접 단계까지의 지배 거동을 재현할 수 있는 공정 해석 모델을 개발하고, 접합 불가 메커니즘을 체계적으로 규명하며, 판재 두께와 합금 종류 변화를 반영하여 리벳 형상 인자의 접합 가능 범위를 예측할 수 있는 일반화 관계를 도출하는 것이다. 이를 위해 전자기–열 연성 해석으로 관입 단계의 초기 공정 온도 범위를 추정하고, 200℃ 조건에서 A365, A6N01, A6451 및 1021B에 대한 응력 상태별 인장시험을 수행하였다. 시험 결과를 바탕으로 응력 삼축도에 따른 파단 거동을 예측할 수 있도록 고온 데미지 모델을 보정하였으며, 공정 해석은 고온 데미지 모델을 반영한 hot-penetration 해석, ALE 기반 용융 알루미늄 분출 및 포집 해석, 전자기–열 연성 용접 해석으로 구성하였다. 해석 결과, 상판 파단, 용융 부족, 과포집, 간극 형성의 접합 불가 메커니즘을 분류하고, 리벳 끝단 각도, 높이, 포집부 직경, 샤프트 직경에 대한 접합 가능 범위를 상판 두께 1.0t–3.0t 범위와 합금 종류에 대해 정량화하였다. 또한 이를 기반으로 판재 두께 및 합금 종류 변화를 반영하여 리벳 형상 인자의 접합 가능 범위를 예측할 수 있는 일반화식을 도출하였다. A6451 1.1t–SABC1760 1.0t 조합 실험을 통해 공정 해석 모델이 리벳 형상과 용착부 형성 거동을 합리적으로 재현함을 확인하였으며, 일반화된 범위 내에서 도출된 개선 형상 적용 시 기존 대비 용착부 지름이 약 29% 증가하고 인장 및 전단 강도가 10% 이상 향상됨을 확인하였다.
more목차
1. Introduction 7
2. Materials and Experiments 11
2.1 Process-Temperature Estimation for One-Step REW 11
2.2 Materials and High-Temperature Mechanical Testing 13
3. Finite Element Modeling 16
3.1 Experiment-Based Damage Model Development 16
3.1.1 FE Modeling of Tensile Specimens under Different Stress States 16
3.1.2 GISSMO Damage Model with Hosford Coulomb Criterion 18
3.2 One-Step REW Process Simulation Model 21
3.2.1 Hot-Penetration Simulation Model with High-Temperature Properties 22
3.2.2 Molten-Aluminum Ejection Simulation Model Using ALE 24
3.2.3 Electromagnetic Thermal Welding Simulation Model 27
4. Results and Discussion 28
4.1 Damage Model Results 28
4.1.1 High-Temperature Tensile Force Displacement Curves 28
4.1.2 Calibration of the GISSMO Hosford Coulomb Damage Model 32
4.2 One-Step REW Simulation Results 38
4.2.1 Overall Process Behavior during One-Step REW 38
4.2.2 Effects of Stress Triaxiality on One-Step REW Simulation 39
4.2.3 Classification of Unjoinable Cases and Dominant Failure Mechanisms 43
4.3 Validation of the One-Step REW Process Simulation 47
4.4 Application to Rivet Geometry Design 49
4.4.1 Parametric Study and Prediction of the Joinable Range 49
4.4.2 Optimized Rivet Design and Experimental Verification 60
5. Conclusions 65
