마그네슘 합금은 다른 구조용 재료에 비하여 비강도 및 비강성이 우수하며, 우수한 진동 감쇠 능력과 충격 흡수성, 전자파 차폐특성성능을 지니고 있다. 이러한 특성으로 인하여 차체에 적용시 경량화 및 승차감 향상이 동시에 가능하여 차체 판넬 등에 적용이 증가되고 있는 추세이다. 기존의 철강재 판재에 적용되는 점용접의 경우 철강재가 아닌 다른 이종재를 접합시 용융점 및 전기저항 등의 차이로 접합이 거의 불가능하다. 따라서, 차체 접합에 대한 점용접의 대안으로 셀프 피어싱 리베팅 (self-piercing riveting, SPR) 방식이 적용되고 있다. 본 연구에서는 AZ31 마그네슘 합금 판재와 냉간압연강판재(SPCC), 알루미늄 합금 판재 (Al-5052)를 SPR 방식으로 접합한 접합부의 정적강도와 피로강도를 평가하고자 한다. 이를 위하여 시험편의 형상을 인장-전단 및 십자형 시험편으로 제작하여 다양한 하중각도에서 SPR 접합부의 정적강도 및 피로강도를 평가하였다. 시험편의 조합을 상판 마그네슘 AZ31-하판 냉간압연강판 SPCC (Upper Magnesium Sheet-Lower Steel Sheet, U.M-L.S으로 명명)으로 제작하였다. 또한, 상판 마그네슘 AZ31-하판 알루미늄 합금 Al-5052 (Upper Magnesium Sheet-Lower Aluminum Sheet, U.M-L.A으로 명명)로 제작하였다. SPR 접합에 있어 가장 우수한 접합강도를 갖는 리벳 펀치하중을 확인한 결과 U.M-L.S, U.M-L.A는 각각 35 kN, 32 kN으로 결정하여, 이 하중으로 이들 시험편을 제작하였다. U.M-L.S SPR접합부 시험편 대하여 하중각도 0o, 45o, 90o 에서 정적시험 결과 정적강도는 상판의 압연방향과 하중방향이 수직인 시험편의 경우 각각 3,764 N, 2,009 N, 1,857 N으로 나타나, 하중각도가 증가하면서 강도가 저하되었다. 또한, 상판의 압연방향과 하중 방향이 평행하거나 수직방향인 시험편의 강도가 유사한 값을 나타내었다. U.M-L.A SPR 접합부 시험편 대해 하중각도 0o, 45o, 90o 에서 정적시험 결과 정적강도는 각각 3,315 N, 1,955 N, 1,644 N으로 나타나, U.M-L.S SPR조합 시험편보다 정적강도는 다소 낮은 것으로 나타났다. 수명이 106 cycles를 피로한도로 가정하여, U.M-L.S SPR 접합부 시험편의 하중각도 0o, 45o, 90o에서 피로한도는 각각 824 N, 257 N, 168 N으로 나타났다. 이는 하중각도 0o, 45o, 90o에서의 피로비(= 피로한도/정적강도)는 각각 22%, 13%, 9%에 해당한다. U.M-L.A SPR접합부 시험편의 하중각도 0o, 45o, 90o에서 피로한도는 각각 847 N, 224 N, 149 N으로 나타났다. 이는 하중각도 0o, 45o, 90o에서의 피로비는 각각 26%, 11%, 9%에 해당한다. 이와 같이, 하중 각도별 U.M-L.S의 피로비와 다소 유사한 것으로 나타났다. 특히, 0o의 경우 피로한도가 U.M-L.S 시험편 보다 높다는 것은 U.M-L.S의 경우 접촉 상대재인 SPCC와의 경도 차이로 마그네슘 상판이 미동마멸 (fretting)에 의한 균열발생에 취약함으로 발생된 것으로 판단된다. U.M-L.S SPR 접합부 시험편의 피로에 의한 접합부의 파단은 세 가지 하중각도 모두 균열이 리벳 shank와 상판과 하판이 접촉하는 삼중점에서 발생하여 상판의 두께 방향으로 전파되어 최종적으로 리벳을 관통하여 파단이 발생하였다. 그러나, U.M-L.A SPR 접합부 시험편의 경우 하중 각도에 따라 서로 다른 위치에서 피로균열이 발생하여 파단된 것으로 확인되었다. U.M-L.S SPR 시험편의 하중각도 0o, 45o, 90o에 대한 피로수명을 von-Mises 응력, 최대주응력, 최대주변형률, 등가응력확대계수를 적용하여 평가한 결과 최대주응력이 피로수명을 가장 적절히 평가하였다. 또한, U.M-L.A SPR 접합부 시험편의 경우, 하중각도 0o, 45o, 90o에 대한 피로수명을 von-Mises 응력, 최대주응력, 최대주변형률, 등가응력확대계수를 적용하여 평가한 결과 등가응력확대계수가 피로수명을 가장 적절히 평가가 가능하다. U.M-L.S 및 U.M-L.A SPR 시험편의 다양한 하중 상태에서의 피로수명과 등가응력확대계수와의 상관관계식을 이용하여 두 종류의 시험편의 피로수명을 3배의 오차 범위내에서 적절하게 수명을 예측하는 것을 확인하였다. 이와 같은 사실은 상판의 마그네슘 AZ31의 피로에 대한 저항도가 두 종류의 시험편 피로수명을 주도하고 있음을 나타내고 있다.

Magnesium alloys have high-specific-strength and rigidity materials compared to other structural metal alloys. And, they have excellent vibration damping capacity and shock absorbability. Due to these characteristics, the light weight and ride quality can be achieved when the magnesium alloys are applied to the vehicle body. Therefore, their application to vehicle body is increasing. In the case of conventional spot-welding technique, which is being applied to steel sheet joining, it is almost impossible to join them due to differences in melting points and electrical resistance when joining non-ferrous material sheets. Therefore, SPR joining method has become a promising alternative method for non-ferrous material sheet joining. In this study, the static and fatigue strengths of the SPR joints of AZ31 magnesium alloy sheets, cold-rolled steel (SPCC) sheets and Al-5052 aluminium alloy sheets are to be evaluated. For this purpose, the tensile-shear and cross-shaped specimens were used to evaluate the strength of the SPR joints at various load angles. The combination of upper magnesium sheet - lower steel sheet specimen is designated U.M-L.S. Another combination of upper magnesium sheet - lower aluminum Al-5052 alloy sheet is designated U.M-L.A. The riveting punch load with the highest joint strength in SPR joining was identified and the punching loads of U.M-L.S and U.M-L.A combination were found to be 35 kN and 32 kN, respectively. The static strengths of U.M-L.S SPR joints of a upper sheet coupon with transverse direction to the rolling direction with respect to the loading directions at 0o, 45o, and 90o loading angles were 3,764 N, 2,009 N, and 1,857 N, respectively. The reduction in the strength was due to increased load angle. Static strengths at 0o, 45o, and 90o loading angles for U.M-L.A SPR joints were shown to be 3,315 N, 1,955 N, and 1,644 N respectively, indicating that the strengths were somewhat lower static strength than those of the U.M-L.S SPR specimens. The load amplitudes corresponding to the fatigue limit of U.M-L.S specimens, based on a 106 cycle lifetime, were 824 N, 257 N, and 168 N for the loading angles of 0°, 45° and 90°, respectively. The fatigue ratios (= fatigue limit/static strength) of the U.M-L.S specimens at load angles of 0, 45°and 90°are equivalent to 22%, 13% and 9%, respectively. The fatigue limits of the U.M-L.A SPR specimens at the load angles of 0°, 45° and 90°, were found to be 847 N, 224 N and 149 N, respectively. The fatigue ratios at loading angles of 0°, 45°and 90°are 26%, 11%, and 9%, respectively. Therefore, it was shown that the fatigue ratios of U.M-L.S at three loading angles are somewhat similar. In particular, it is judged that the fatigue limit is higher than the U.M-L.S specimen for the loading angel of 0°. This behavior is due to the difference in hardness of SPCC sheet, which is facing material for U.M-L.S specimen. The magnesium sheet is vulnerable to crack-initiation caused by fretting. A fatigue crack initiated a few millimeters from the center of the rivet, at the point where the upper and lower sheets were in contact. It then propagated through the upper sheet thickness, while simultaneously propagating laterally toward the direction of the load. The fatigue lifetimes of the U.M-L.S specimen at loading angles of 0°, 45°and 90°were evaluated by applying von-Mises stress, the maximum principal stress, the maximum principal strain and the equivalent stress intensity factor. It was found that the maximum principal stress evaluates appropriately the fatigue lifetimes. For the U.M-L.A specimens, the stress intensity factor is found to be most appropriate for the fatigue lifetimes of the specimens. A correlation between fatigue lifetime and the stress intensity factor of U.M-L.S and U.M-L.A specimens under various loading conditions was used to ensure that the fatigue lifetimes of the two types of specimens were properly predicted within a factor three. This suggests that the resistance of magnesium AZ31 to fatigue cracking in the upper sheet dominates the fatigue lifetimes of two types specimens