An Experimental and Numerical Study on Hot Shear-Welding Process of Two Aluminum Plates

Abstract

열간 전단접합은 소성변형을 기본으로 하는 고상 상태의 접합방법이다. 이 새로운 접합기술은 단조접합, 용해접합, 폭발압접, 마찰접합과 같은 전통적인 비용융 접합과는 다르다. 이 접합공정은 두 장의 알루미늄 판재의 접합을 하기 위한 방법이다. 두 장의 판은 전단접합 금형 내부에 놓여진다. 상하로 발생하는 전단응력으로 인하여 두 장의 판은 세로로 전단이 되면서 접합되어진다. 이 과정에서 접합부에 열을 필요로 하고, 버(burr)가 발생한다. 재료유동의 조절은 매우 중요하다. 이는 교차부의 길이와 금형내부 설계에 의해 결정되어진다. 열간 전단접합처리를 분석하기 위해서 유한요소해석과 실험적인 접근방법이 채택했다. 이 논문의 목적은 컴퓨터 해석과과 실험적인 결과 값을 비교해 봄으로써 우수한 접합 작업을 수행할 수 있는 최적으로 설계된 접합금형을 얻는 것이다. 시뮬레이션과정을 하는 동안 몇 가지 다른 교차부 길이를 가지는 열간 접합 해석을 수행하였다. 해석 결과는 금형내부의 재료 유동이 교차부 길이와 다이내부 형상 차이에 영향을 받아 달라진다는 것을 보여준다. 그리고 이것은 접합 강도의 차이를 발생시킨다. 이 실험은 시뮬레이션을 기반으로 수행되었고, 인장시험은 실험결과에서얻어진 제품으로 수행했다. 또한, 접합제품의 접합라인과 잔여물 미세구조를 관찰했다. 모든 결과 및 시험은 앞서 얻어진 해석과 비교 하였다. 컴퓨터해석과 실험결과를 비교한 것으로 이러한 결론을 내릴 수 있다. : 교차부 길이와 금형내부형상은 재료의 유동과 접합과정에 중대한 영향을 준다. 상용 소프트웨어인 DEFORM-3D 로 접합 변수 사이의 관계와 실험자료의 조합, 최적의 열간 전단접합 금형의 형상을 찾아내는데 도움을 주었다.

Hot shear-welding is a solid-phase welding process based on a mechanical method. During this process, two aluminum plates of the same thickness can be welded into one long plate by plastic deformation. Hot shear-welding process is different from both the fusion arc welding and the friction stir welding process which are widely used to accomplish the welding of aluminum plates. In the arc welding process, it is difficult to control the welding process due to the characteristics of aluminum such as oxidizability, high conductivity and thermal expansion. As for the friction stir welding process, the equipment is relatively expensive and the operation is complicated. Comparing with arc welding and friction stir welding, hot shear-welding is easy to operate and less costly. In the hot shear-welding process, two aluminum plates are piled up in the four shearwelding dies. Due to the shear stress, those two plates are cut off by the cutters, and they are joined together simultaneously. In this process, the additional heating is needed in order to keep the material at a high temperature and surplus material is generated. The control of material flow is important. Both the finite element analysis and experimental approach are employed to analyze the hot shear-welding process. The simulation results show that the material flow is influenced by overlapping length and inclined angle of cutters. And that is also verified by experimental results. In this study, different overlapping lengths and inclined angels are designed for the hot shear- welding process in order to find the relationships between the effective factors and final welded plates. The welded plate with the best shape forming quality and highest welding strength can be obtained.