경량소재용 체결형 접합부재의 기계적 특성 평가 = Mechanical Characterization of Fastening-Type Joints for Lightweight Materials

국문 초록 (Abstract)

최근 전동화(EV) 차량의 보급 확대에 따라 차량 경량화에 대한 요구가 증가하고 있으며, 이에 따라 알루미늄 및 복합소재와 같은 경량소재의 적용이 급속히 확대되고 있다. 그러나 기존의 용접 기반 접합 방식은 열 영향부(HAZ) 발생, 변형, 복합소재 적용 한계 등의 문제를 내포하고 있어, 이를 대체할 수 있는 접합 기술에 대한 연구가 요구되고 있다. 이러한 배경에서 열영향이 없고 단면 접근이 가능한 체결형 접합 방식, 특히 블라인드 너트 및 블라인드 볼트와 같은 체결형 접합부재에 대한 기계적 특성 평가의 중요성이 부각되고 있다. 본 연구에서는 경량소재용 체결형 접합부재의 기계적 특성을 정량적으로 분석하기 위하여 블라인드 너트 및 블라인드 볼트를 대상으로 다양한 시험을 수행하였다. 시험 대상 소재로는 알루미늄 판재 및 복합소재(SMC, CFRP)를 선정하였으며, 체결부재는 M6 및 M8 규격의 블라인드 타입 패스너를 사용하였다. 주요 시험 항목으로는 토크강도 시험(Max Torque 및 Torque to turn), 이탈강도 시험(Push-out 및 Pull-out), 그리고 염수분무시험(Salt Spray Test)을 포함한 환경 신뢰성 평가를 수행하였다. 실험 결과, 토크강도 중 Max Torque는 주로 볼트 및 너트의 나사산 강도와 밀접한 관련을 보였으며, 소재 종류에 따른 영향은 상대적으로 제한적인 것으로 나타났다. 반면 Torque to turn 및 이탈강도 시험 결과는 체결부재의 형상, 플랜지 직경, 체결력 및 모재의 강성에 따라 유의미한 차이를 보였다. 특히 체결력 변화에 따른 비교 평가 결과, 과소 체결 조건에서는 Pull-out 이탈강도의 저하가 관찰되었으며, 과대 체결 조건에서는 나사산 손상 가능성이 증가하는 경향을 확인하였다. 홀 공차 변화에 따른 영향은 제한적인 수준으로 나타났으나, 모재 강성이 낮은 경우 이탈강도 저하 가능성이 확인되었다. 또한 염수분무시험 결과, 아연니켈 도금 체결부재에서는 시험 시간 증가에 따라 백녹 및 일부 적녹 발생이 관찰된 반면, 스테인리스강(STS304) 체결부재는 우수한 내식성을 나타내었다. 이러한 결과는 경량소재 구조물에 적용되는 체결부재 선정 시 기계적 강도뿐만 아니라 환경 신뢰성 또한 중요한 고려 요소임을 시사한다. 본 연구를 통해 체결형 접합부재의 기계적 거동과 주요 영향 인자를 체계적으로 분석하였으며, 이는 경량소재 구조물에 적용 가능한 체결 기술의 특성 이해 및 적용성 평가를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid expansion of electric vehicles (EVs), the demand for lightweight automotive structures has increased significantly.
As a result, lightweight materials such as aluminum alloys and composite materials are being increasingly adopted in vehicle body
structures. However, conventional welding-based joining methods suffer from inherent limitations, including the formation of heat-affected zones (HAZ), thermal distortion, and restricted applicability to non-conductive composite materials. Consequently, mechanical fastening technologies that do not involve thermal input have attracted growing attention as alternative joining solutions.
In this study, the mechanical characteristics of fastening-type joints for lightweight materials were systematically investigated, focusing on blind nuts and blind bolts. Aluminum alloy sheets and composite materials, including SMC and CFRP, were selected as base materials, while M6 and M8 blind fastening components were employed as fastening elements. A series of mechanical and environmental tests were conducted, including torque strength tests (maximum torque and torque to turn), push-out and pull-out strength tests, and salt spray tests for corrosion resistance evaluation. The experimental results revealed that the maximum torque was primarily influenced by the strength of the threaded fasteners, whereas the effect of the base material was relatively limited. In contrast, torque to turn and pull-out strength exhibited significant dependence on fastening force, fastener geometry, and the mechanical stiffness of the base materials. Insufficient fastening force resulted in reduced pull-out strength, while excessive fastening force increased the risk of thread damage. The influence of hole tolerance was found to be minor overall; however, strength degradation was observed in low-stiffness base materials under larger tolerance conditions.
In addition, corrosion resistance evaluation through salt spray testing indicated that Zn–Ni coated fasteners exhibited white rust and partial red rust with increasing exposure time, whereas stainless steel (STS304) fasteners demonstrated superior corrosion resistance without noticeable surface degradation. These findings suggest that both mechanical performance and environmental reliability should be considered when selecting fastening components for lightweight structural applications. The results of this study provide a comprehensive understanding
of the mechanical behavior and key influencing factors of fastening-type joints for lightweight materials, and they are expected to serve as fundamental data for the application and evaluation of mechanical fastening technologies in lightweight structural systems.

목차 (Table of Contents)

• 국문초록 ⅰ
• abstract ⅲ
• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 경량소재 적용 확대와 접합 기술의 한계 2
• 1.3 체결형 접합 기술의 필요성 3
• 1.4 연구 목적 및 연구 범위 4
• 1.5 연구 방법 및 수행 절차 4
• 1.6 연구의 필요성 및 기대 효과 6
• 1.7 논문의 구성 6
• 제2장 이론적 배경 8
• 2.1 경량소재의 종류 및 기계적 특성 8
• 2.1.1 알루미늄 합금의 특성 9
• 2.1.2 복합소재의 특성 9
• 2.2 경량소재 접합 기술 분류 10
• 2.2.1 용접 기반 접합 기술 10
• 2.2.2 기계적 체결 방식 11
• 2.3 체결형 접합부의 구조 및 거동 특성 11
• 2.3.1 블라인드 너트의 구조적 특징 11
• 2.3.2 블라인드 볼트의 체결 메커니즘 12
• 2.4 체결 강도 평가 방법 12
• 2.5 선행연구 12
• 제3장 실험 재료 및 방법 13
• 3.1 실험 개요 13
• 3.2 실험 재료 13
• 3.2.1 모재 13
• 3.2.2 체결형 접합부재 14
• 3.3 시험 조건 및 반복성 확보 방법 14
• 3.3.1 시험 변수 설정 14
• 3.3.2 반복성 확보 방법 15
• 3.4 기계적 성능 시험 방법 16
• 3.4.1 토크강도 시험 16
• 3.4.2 이탈강도 시험 17
• 3.5 환경 신뢰성 시험 방법 18
• 3.5.1 염수분무시험(SST) 18
• 3.5.2 부식 평가 항목 19
• 3.6 파단 형태 관찰 방법 20
• 3.7 소결 20
• 제4장 실험 결과 및 분석 21
• 4.1 실험 결과 개요 21
• 4.2 M6 블라인드 너트 시험 결과 21
• 4.2.1 토크 박리강도(Max Torque) 결과 21
• 4.2.2 Torque to Turn 결과 23
• 4.2.3 이탈강도 결과 24
• 4.3 M6 블라인드 볼트 시험 결과 25
• 4.4 M8 블라인드 너트 시험 결과 28
• 4.5 M8 블라인드 볼트 시험 결과 30
• 4.6 체결 조건 영향도 평가 33
• 4.6.1 볼트 등급 영향 33
• 4.6.2 지그 사양 영향 33
• 4.6.3 홀 공차 및 체결력 영향 34
• 4.7 내식성 평가 결과 36
• 4.8 종합 고찰 38
• 제5장 적용성 평가 39
• 5.1 적용성 평가의 목적 및 연구적 의의 39
• 5.2 기존 접합 공정 대비 체결형 접합부재의 구조적 차별성 39
• 5.2.1 열융착 접합 공정의 구조적.긍정적 한계 39
• 5.2.2 체결형 접합부재의 구조적 장점 40
• 5.3 기계적 성능 관점에서의 적용성 심층 분석 41
• 5.3.1 토크강도 기반 적용성 분석 41
• 5.3.2 이탈강도 기반 구조 신뢰성 평가 41
• 5.3.3 규격 확장 적용 가능성 42
• 5.4 체결 조건 관리 측면의 실무 적용성 42
• 5.4.1 체결력 관리의 중요성 재고찰 42
• 5.4.2 홀 공차 및 지그 조건의 영향 43
• 5.5 내환경성 관점에서의 적용성 심층 분석 43
• 5.5.1 AI 구조물 적용 시 내식성 평가 43
• 5.5.2 CFRP 구조물 적용 시 내식성 평가 43
• 5.6 양산 공정 적용성에 대한 심층 고찰 44
• 5.6.1 공정 시간 및 작업성 44
• 5.6.2 품질 안정성 및 재작업성 44
• 5.7 비용 및 설계 관점에서의 적용성 44
• 5.8 종합 적용성 평가 45
• 5.9 소결 45
• 제6장 결론 및 향후 연구 46
• 6.1 연구의 종합적 배경 및 목적 재정리 46
• 6.2 기계적 특성에 대한 종합 결론 46
• 6.2.1 토크 박리강도 특성에 대한 종합 결론 46
• 6.2.2 토크 거동 분석을 통한 체결 메커니즘 해석 47
• 6.3 이탈강도 특성에 대한 종합 결론 48
• 6.3.1 Push-out 시험 결과 해석 48
• 6.3.2 Pull-out 시험 결과 해석 48
• 6.4 규격 변화에 따른 성능 확장성 49
• 6.5 체결 조건 및 공정 변수에 대한 종합 고찰 49
• 6.5.1 체결력 관리의 구조적 중요성 49
• 6.5.2 홀 공차 및 지그 조건의 설계적 의미 50
• 6.6 내환경성 평가 결과에 대한 종합 결론 50
• 6.6.1 AI 소재 적용 구조에서의 내식성 결론 50
• 6.6.2 CFRP 적용 구조에서의 내식성 재해석 51
• 6.7 양산 공정 적용성에 대한 종합 평가 51
• 6.8 연구의 한계 및 해석 시 유의점 52
• 6.9 향후 연구 방향 52
• 6.10 최종 소결 52
• 참고문헌 53
• 감사의 글 63
• List of Tables
• 표 1-1 접합 방식 비교 표 3
• 표 1-2 논문의 구성 8
• 표 2-1 경량소재 및 강재의 기계적 특성 비교9
• 표 2-2 경량소재 접합 기술 분류 및 특성 10
• 표 2-3 체결 강도 평가 시험 종류 12
• 표 3-1 실험에 사용된 모재 사양 13
• 표 3-2 체결형 접합부재 사양 (블라인드 타입) 14
• 표 3-3 시험 변수 및 조건 14
• 표 3-4 토크 시험 조건 17
• 표 3-5 이탈강도 시험 조건 18
• 표 3-6 염수분무시험 조건 18
• 표 3-7 부식 평가 항목 19
• 표 4-1 M6 블라인드 너트 토크 박리강도 시험 결과 요약 22
• 표 4-2 M6 블라인드 너트 이탈강도 시험 결과 요약 25
• 표 4-3 M6 블라인드 너트 및 볼트 성능 비교 27
• 표 4-4 M8 블라인드 너트 토크 박리강도 시험 결과 요약 32
• 표 4-5 볼트 등급에 따른 토크 박리강도 결과 33
• 표 4-6 지그 홀 직경에 따른 Push-out 시험 결과 33
• 표 4-7 소재 및 표면처리별 내식성 평가 결과 38
• 표 4-8 CFRP 적용 시 염수분무시험 (2차) 결과 38
• List of Figures
• 그림 1-1 연구 수행 절차 개요 5
• 그림 2-1 블라인드 너트 체결 구조 11
• 그림 3-1 실험 전체 흐름도 13
• 그림 3-2 반복 시험 기반 데이터 신뢰성 확보 개념도 15
• 그림 3-3 토크 강도 시험 개념도 16
• 그림 3-4 이탈 강도 시험 개념도 17
• 그림 3-5 염수분무시험 챔버 및 시편 배치 19
• 그림 3-6 체결형 접합부 파단 모드 분류 20
• 그림 4-1 M6 블라인드 너트의 토크 박리강도 분포 22
• 그림 4-2 M6 블라인드 너트 Torque to Turn 시험 결과 23
• 그림 4-3 M6 블라인드 너트 Push-out 시험 결과 24
• 그림 4-4 M6 블라인드 너트 Pull-out 시험 결과 25
• 그림 4-5 M6 블라인드 볼트 토크 박리강도 시험 결과 26
• 그림 4-6 M6 블라인드 볼트 Push-out 시험 결과 27
• 그림 4-7 M6 블라인드 볼트 Pull-out 시험 결과 27
• 그림 4-8 M8 블라인드 너트 토크 박리강도 시험 결과 28
• 그림 4-9 M8 블라인드 너트 Torque to Turn 시험 결과 29
• 그림 4-10 M8 블라인드 너트 Push-out 시험 결과 29
• 그림 4-11 M8 블라인드 너트 Pull-out 시험 결과 30
• 그림 4-12 M8 블라인드 볼트 토크 박리강도 시험 결과31
• 그림 4-13 M8 블라인드 볼트 Push-out 시험 결과 32
• 그림 4-14 M8 블라인드 볼트 Pull-out 시험 결과 32
• 그림 4-15 홀 공차 및 체결력 변화에 따른 성능 비교 34
• 그림 4-16 염수분무시험 시간 경과에 따른 부식 거동 37
• 부록
• 부록 A. 시험편 형상 및 치수 57
• 부록 B. 체결부재 사양 57
• 부록 C. 체결 조건 및 조립 절차 58
• 부록 D. 토크 시험 원시 데이터 59
• 부록 E. Push-out / Pull-out 원시 데이터 60
• 부록 F. 파단 모드 분류 기준 60
• 부록 G. 염수분무시험 조건 및 기록 61
• 부록 H. 염수분무시험 사진 자료 61
• 부록 I. 시험 장비 사양 61
• 부록 J. 추가 시험 데이터 62