기술자료: 마찰교반용접(FSW)기술의 정의와 응용사례
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마찰교반용접(FSW)기술의 정의와 응용사례 한국생산기술연구원 인천기술지원본부/용접·접합기술지원센터 마이크로조이닝 사업단 연구원 사윤기 Korea Institute of Industrial Technology. Researcher Sa Yoon Ki |
1. 마찰교반용접기술
(1) 개요 마찰교반용접(FSW; Friction Stir Welding)이란 [그림1]과 같이 나사산 형태의 돌기(probe)를 가지는 비소모성 공구(tool)를 고속으로 회전시키면서 피접합재에 삽입하면 공구와 피접합재와의 상호마찰에 의해 열이 발생하며, 이러한 마찰열에 의해 공구 주변의 재료는 연화되며 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제적으로 혼합되는 원리로 피접합재의 용접이 이루어지는 것을 말한다.1,3) 고상용접(Soild-state welding)의 역사는 고대 아일랜드에서 금을 용접 하는데 망치를 사용한 것에서 부터 살펴 볼 수 있는데, 모재와 용가재의 융점 이하 온도에서 압력을 사용하여 금속을 접합하는 용접 방법이다. 가장 오래된 용접방법이며, 종류로는 확산용접, 폭발용접, 마찰용접, 열 압력 용접, 그리고 마찰교반용접 등이 있다. 용접공정은 Tyle- cote에 의하면, 원자간 상호인력이 작용 할 수 있게 표면이 가까이 있어야 하며, 변형공정, 표면 막과 오염물질 제거 그리고 압력과 확산 등의 기본 인자들에 의하여 용접이 이루어진다.9) FSW 기술은 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 새로운 고상접합기술로 1991년에 특허로 등록되었으며 최근 유럽과 미국 및 일본을 중심으로 활발한 연구와 함께 상업화가 진행되고 있으며, 우리나라에서도 점차 확대 되어가고 있다.2) 이 접합법은 기존 용융접합에 비해 기계적 특성 향상 및 우수한 접합부를 형성하며, 접합용 공구와 시편의 마찰열을 이용하여 기존의 용융 용접에 비해 낮은 입열로 용접이 이루어지기 때문에 작은 잔류응력, 적은 변형 등의 장점을 더욱 부각 시킨 용접방법이다. 또한 알루미늄, 마그네슘 합금 등의 경금속과 더불어 최근에는 탄소강, 구리합금, Ti합금 등에도 많은 연구가 이루어지고 있다. 기존의 용융용접과는 달리 별도의 열원, 용접봉, 용가제 등이 불필요하며 접합 과정에서 유해광선이나 유해물질이 배출되지 않기 때문에 경제적이면서도 환경 친화적인 접합기술로 평가받고 있다. FSW의 장점을 정리해보면 다음과 같다.2) 1) 용융상태의 용접이 아닌 고상용접으로 용접에 따른 변형이 적다. 2) 경량합금(Al, Mg, Ti 합금)등으로 제조된 주조 제품, 금속기지 복합재료 등 기존 용접 기술의 적용이 거의 불가능했던 재료의 접합이 가능하여 이종재료의 용접에도 적합하다. 3) 기존 용융용접과 달리 별도의 열원 발생장치, 용접봉, 용가제, 분위기 가스 등을 사용할 필요가 없으며 용접부위의 전처리도 불필요하다. 4) 용융 용접에 비해 변형이 적기 때문에 용접부의 기계적 강도가 우수하다. 5) 용융 용접에서 발생하기 쉬운 기공, 균열 등의 결함이 거의 발생하지 않는다. 6) 접합 중 유해가스나 유해 광선이 발생하지 않아 작업환경이 친환경적이다. 7) 작업자의 숙련도나 기량에 크게 의존하지 않고, 표준화와 자동화가 가능하다.  하지만 마찰교반용접 기술이 산업에 더 많은 영향을 미치기 위해서는 다음의 단점 또는 문제점을 해결해야만 한다. 1) 용접 끝 부분에 공구 돌기부의 구멍이 남는다. 2) 복잡한 3차원 곡면 형상의 접합이 어렵다. 3) 접합부 뒷면에 마찰압력에 견딜 수 있는 back-up 재료가 필요하다. 4) 접합용 공구 재료의 제한으로 피접합 재료가 아직까지 경금속 또는 저융점 금속에 한정되어 있다. 그럼에도 불구하고, FSW 기술은 단점보다는 장점이 훨씬 많은 용접방법으로 이해되고 있으며 위에서 열거한 단점들도 기술적으로 해결 또는 보완되고 있다. 또한 새로운 장비가 개발되고 있으므로, 빠른 시일 내에 폭 넓게 응용될 것으로 예상된다. 또한 마찰교반용접방법 중의 하나인 마찰교반점용접(FSSJ; Friction Stir Spot Joining )이 현재 자동차 산업에서 각광을 받고 있다. 이 마찰교반점용접은 마찰교반용접 프로세스 중에 tool의 이송단계를 제외하고 삽입 후 용접 유지시간을 가진 후 원위치 하는 3단계의 프로세스를 가지는 용접 방법이다. 자동차 제조 산업에서 가장 많이 사용되어 지고 있는 spot(점)용접에서 변형된 이 프로세스는 lap joint에 적용되어진다. [그림2]는 FSSJ의 단면 외형을 보이고 있으며, probe에 의한 구멍(hole)이 분명히 보이고 겹치기 접합의 하단 시편(sheet)까지 접합이 되어 있음을 그림으로써 알 수 있다. 4) (2) 설비 및 기자재 마찰교반용접에 사용되는 주요 설비는 [그림3]에서 보는 바와 같이 크게 제어를 담당 하고 있는 제어반과 마찰교반용접을 위한 주축부 그리고 용접하려는 시료의 이송을 위한 테이블 및 모재의 종류에 적합한 JIG로 구성되어 있다. 주축부는 용접기라고 할 수 있고, [그림4]는 실제 피접합재에 마찰을 일으키는 용접용 공구(Tool)이며, 이는 마찰교반용접에 있어서 가장 중요한 장치라고 할 수 있다. 공구(Tool)는 모재에 직접 삽입이 되는 Probe 부분, 모재의 윗면에서 마찰이 되는 Shoulder 부분과 주축에 고정을 할 수 있는 Grip부분으로 구분할 수 있다. 또한 모재의 종류에 따라 각각 견고하게 고정을 할 수 있는 JIG가 필요하다. JIG는 기존의 용융용접에서는 그렇게 중요하지 않은 부분이지만 마찰교반용접에서는 공구의 삽입 시 모재가 밀리지 않도록 견고하게 고정하여야 한다. 현재 개발되어 있는 공구의 종류는 [그림5]에서와 같이 다양하게 개발되어 있다.6) 다양한 재료의 접합에 FSW 기술이 폭넓게 적용되기 위해서는 피접합재의 특성에 적합한 공구가 개발되어야 하며, 실제로 공구 재료의 개발과 열처리, 아울러 코팅 등에 관한 많은 연구가 활발히 진행되고 있다. [그림3] 마찰교반용접기 개략도(왼쪽) 및 본 센터가 보유한 장비(오른쪽) 공구의 개발과 함께 probe의 개발도 마찰교반용접의 용접성을 향상시키는 데 결정적인 역할을 한다. probe는 피접합재와의 직접적인 마찰이 일어나는 부분이기 때문에, probe의 치수나 형상에 따라 피접합재 간의 소성 유동이 다르게 나타날 수 있고, 이는 곧 접합 특성에 많은 영향을 끼칠 수 있는 요소로 작용을 하게 된다.  (3) 공정, Tool 영향, 공정조건의 영향 마찰교반용접은 [그림6]와 같이 크게 4단계로 구분할 수 있다. 첫째는 공구의 회전단계(Rotation)로서, 재료나 공구의 형상, 용접속도에 따라 회전속도를 다르게 할 수 있다. 둘째는 회전하는 공구를 접합면으로 삽입하는 단계(Plunging)로써, 공구의 삽입 시 모재가 밀리지 않도록 주의하여야 한다. 셋째는 삽입한 공구를 일정 시간 유지하는 것으로써, 용접하고자 하는 부위에 예열을 하는 단계(Heating)이다. 넷째는 충분히 예열된 모재에 전진을 하면서 용접을 하는 단계(Welding)로써 재료나 공구의 형상 및 회전속도에 따라 용접속도를 다르게 할 수 있다. 3) [그림 7]은 본 센터에서 보유하고 있는 장비로 실제 알루미늄 합금의 마찰교반용접 공정을 시연하고 있는 모습이다. 첫 번째 그림은 JIG를 통해 피접합재를 고정한 것이고, 이를 용접 공구(tool)를 이용하여 마찰교반용접을 진행하고 있는 사진이다. 공구의 삽입 시 가압하중도 재료에 따라서 달라지게 된다. 경량합금(Al, Mg 합금)의 경우와 탄소강이나 구리 합금의 경우에 각각 가압 하중이 다르게 된다. FSW 기술의 원리에서 살펴보았듯이 용접을 위한 마찰열을 발생하는데 있어 가장 중요한 요소 중 하나는 공구의 재질과 형상이다. 특히 공구의 선단 probe에는 높은 마찰열과 전단응력이 가해지기 때문에 내마모성, 인성과 함께 고온 전단강도가 매우 중요한 인자이다. 이에 FSW 기술을 개발한 영국의 TWI에서는 주로 알루미늄과 마그네슘 합금에 적용을 위한 합금 공구강제 공구를 사용하여 이것이 주요 연구대상이 되어왔다. 현재 경량합금의 마찰교반용접에 SKH계열의 합금 공구강으로 만든 공구가 많이 사용되고 있다. 공구의 재질과 함께 중요한 것이 probe의 형상이다. 공구 선단에 있는 probe의 길이, 즉 피접합재로 삽입되는 길이는 피접합재의 두께와 같거나 약간 짧은 것이 일반적이다. FSW 기술과 관련된 많은 특허가 probe의 형상 개발에 집중되고 있을 만큼 probe의 형상이 접합부의 특성에 큰 영향을 미친다. 일반적으로는 아주 단순한 직선형의 probe나 약간의 경사가 있는 probe가 이용되는데, 대개의 경우 나사산을 가공하여 이용하며, 특이하고 복잡한 형상으로 가공하는 경우도 있다. 6) 공구의 probe 주변 shoulder는 probe의 전방에서 피접합재에 공구의 진입 시 절삭물의 배출을 막고 예비적으로 열을 가하는 역할을 하기 때문에 필수적으로 존재해야 하는 부분이다. probe와 연결되는 shoulder의 면을 약간 오목하게 가공하거나 여러 가지 특수한 형태의 굴곡을 주기도 하는데, 이는 shoulder의 회전에 의해 접합부 표면직하에서의 소성유동을 촉진하고 교반의 효과를 증대시키기 위함이다. 그러나 shoulder 면의 최적 형상에 관해서는 아직 많은 연구가 필요하다. 한편 용접 시 공구는 대부분의 경우 진행방향에 대하여 약 2~5°정도의 전진각을 가지도록 설치한다. 전진각의 의미와 효과에 대해서는 아직까지 완전히 밝혀져 있지 않지만 공구의 수명 개선과 마찰에 의한 접합 과정에서의 소성유동을 촉진하기 위한 것으로 생각되고 있다. 공구의 전진각과 삽입깊이에 따라서 shoulder부분이 모재와 마찰되는 영역이 각각 다르기 때문에 전진각과 삽입깊이를 설정할 때에는 세심한 주의가 필요하다. 열원으로서의 공구의 역할을 고려할 때 재질과 함께 probe 및 shoulder의 형상은 매우 중요한 의미를 갖는다. 지금까지의 FSW 기술 개발동향이나 관련 특허들을 살펴보면 공구의 형상과 재질에 많은 노하우가 있음을 알 수 있다. 마그네슘 합금 중 알루미늄의 함량이 각 3%, AZ31과 9%, AZ91의 마크로조직을 [그림8]에서 보여주고 있는데, 교반 영역의 모양은 probe의 모양과 shoulder의 모양 및 회전속도와 용접속도 등의 용접조건 변수에 따라 달라질 수 있다. [그림9]에서는 5000계 알루미늄 합금에 대하여 마찰교반용접과 레이저용접 후, 용접부에 대한 단면을 비교하여 나타내었다. 앞서 언급하였듯이 마찰교반용접은 기존의 다른 용접법에 비해 낮은 입열로 용접이 진행되어 재료 자체의 고유 물성의 변화가 가장 적고, 또한 단면을 통해 재료가 용접 공정 중에 변형이 가장 적게 일어났을 것이라고 추측할 수 있다.  (4) 적용 사례 FSW 기술을 적용하는 제품이 늘어나고 적용하고자 하는 기업들이 늘어나면서 자동차, 선박, 우주항공, 철도 차량 등의 각 분야별로 다양한 용접공정 기술이 개발되고 있다. TWI에서 공개된 자료와 FSW 심포지엄 등에서 발표된 자료를 소개하고자 한다. 1,2,4,5) 가. 미래형 자동차용 현재까지 알려진 개발 현황을 보면 [그림10]과 같이 Ford GT에서 적용한 center tunnel의 FSW 기술과 the space frame의 접합(Tower Automotive사), aluminum wheel(Kuka 등), intake manifolder(Pipe & Die Cast사), 트럭용 유압 lift panel, seat frame(SAPA Volvo 등), engine supporter mount(Tower Automotive사 등), tailored blank(판 두께 차이 1:2), wheel rim, 로봇을 이용한 FSW 공정의 자동화(Neos, Giddings & Lewis, Hexapod, GKSS), [그림11]과 같이 아주 우수한 피로 특성을 나타내는 suspension links(Courtesy Tower Automotive) 등이 적용되고 있다. 또한, 자동차에서 많이 적용되고 있는 분야는 [그림12]와 같이 마찰교반점용접으로써 차문 내부 판넬, 차량 지붕 내부 판넬과 본넷트 내부 판넬 등에 적용되고 있으며, 앞으로도 확대 적용이 기대되는 분야 중 하나이다. [그림13]은 FSW를 적용 가능한 자동차 부품을 나타내고 있다. 나. 우주 항공항공기 분야는 용접부의 기계적 특성 향상이 이루어지면 경량화에 따른 탑재화물의 증가가 가능하므로 절대적인 경제적 효과가 기대되어 가장 많은 투자가 이루어지고 있다. 적용이 비교적 용이하다고 판단되는 독립 부품들에 대한 연구개발이 가장 활발히 수행되고 있으며 항공기 기체에 적용 을 위한 개발도 진행되고 있다. [그림14] 보잉사에서 Delta II 로켓의 중앙 동체부에 적용한 이후 Delta IV 로켓, space shuttle 등에의 적용이 예상되며, 착륙장치용 door에 7000계 알루미늄합금으로 리벳 접합을 대체할 수 있다. 또한, Eclipse 500은 FSW를 적용한 최초의 상업용 항공기이다. 다. 철도 차량에서의 현황을 살펴보면 [그림15]에서와 같이 Hitachi 신칸센과 경전철 객차의 벽체, roof 및 floor에 사용되는 알루미늄 double skin 구조"A-train"를 FSW 기술로 제작하고 있다. 또한, 유럽의 Hydro Aluminum사는 TGV 객차의 roof를 FSW 기술로 제작하고 있다. 선박해양 분야에서도 Marine Aluminum사는 FSW 기술을 상업적으로 적용한 회사로서 선박용 대형부품, deck, floor, helipot 등의 알루미늄 제품에 적용하고 있다. 이와 함께 고속 선박용 deck, 격벽, 어선용 냉동기의 냉각판 등이 FSW를 적용하여 개발되고 있다. 라. 해양 및 선박 분야는 Marine Aluminum사는 FSW 기술을 상업적으로 적용한 최초의 회사로서 선박용 대형부품, deck, floor, helipot 등의 알루미늄 제품에 적용하고 있으며, 이와 함께 고속 선박용 deck, 격벽, 어선용 냉동기의 냉각판 등이 FSW를 적용하여 개발되고 있다. [그림16]는 선박의 deck나 floor 등에 사용되는 알루미늄 panel로 사다리꼴 모양들 사이에 보이는 선들이 FSW 접합부이다. 마. 이미 기술한 분야 이외에 전자부품, 내외장용 panel, 교량, 건물 외벽, motor housing, portable cabin, speaker frame 등 많은 분야에서 적용을 위한 개발이 진행되고 있다. 앞으로는 FSW 설비기술의 발전에 따라 항공기 부품, 액체수소용 기, 자동차 분야 등에 본격적인 응용을 시도하는 등 현재까지는 용접이 어려웠던 분야에의 적용을 항한 연구개발이 계속될 것이다. 마찰교반용접은 기존 용접공정의 개념을 넘어선 획기적인 용접기술로 판재의 마찰 압접을 가능하게 하였으며 경제성, 환경 친화성 등의 측면에서 많은 장점을 가지고 있어 향후 활발한 응용이 기대되는 기술이다. 그러나 FSW 기술이 발표된 지 10년 이상 지났음에도 불구하고 아직 활발한 상용화를 위해서는 해결되어야 할 과제들이 많은 것도 사실이다. 또한, 마찰교반용접의 응용으로 겹치기 용접, 모서리용접, 및 마찰교반점용접 등이 산업 전반에 걸쳐서 확대될 것으로 기대된다. 특히 TWI가 순수 연구개발 기관인 대학이나 연구소에까지 연구 개발에 대한 막대한 특허사용료를 요구하는 등 매우 배타적으로 특허권을 행사하고 있어 FSW 기술 발전에 커다란 걸림돌이 되고 있지만, FSW 기술은 앞으로 다양한 산업 분야에서 사용될 것으로 기대되므로 향후에 많은 기술개발의 필요성이 있다. (5) 참고문헌 1) Friction Stir Welding - Process variants and developments in the automotive industry, By W M Thomas, S W Kallee, D G Staines and P J Oakley, TWI Ltd Paper presented at 2006 SAE World Congress, 3-7 April 2006, Cobo Center, Detroit, Michigan, USA. 2) 마찰교반용접기술의 개발과 응용, 김성준, 이창길, 김상식 한국기계연구원 외, 기계와 재료, 2004. 4 3) FSWの 基礎と ?用, 時末 光, 日本大學生産工學部機械工學 敎授, 2005. 4) Proc. of the 1st Friction Stir Welding Symposium, TWI, Thounsand Oaks, CA, USA (1999) 5) "Innovative Vehicle : the A-Train", Hideshi Ohba, Chiaki Ueda & Kouji Agatsuma, Hitachi, Review, Vol. 50, No. 4, 2001. 6) ADVANCES IN TOOLING MATERIALS FOR FRICTION STIR WELDING, Eur.Ing. C.E.D.Rowe. B.Sc.C.Eng.C.Sci.MIMMM SenMWeldI, Cedar Metals Limited. and Eur.Ing. Wayne Thomas MPhil. C.Eng. FWeldI, TWI Cambridge, TWI and Cedar Metals Ltd. 7) T. Ishii, M. Tsubaki, M. Fukumoto and T. Shinoda: International Institute of Welding Pre-Assembly Meeting on Friction Stir Welding, Nagoya University, Nagoya, Japan, 9 July 2004. 8) Y. Shimoda, M. Tsubaki, T. Yasui, M. Fukumoto and T. Shinoda: International Institute of Welding Pre-Assembly Meeting on Friction Stir Welding, Nagoya University, Nagoya, Japan, 9 July 2004. 9) The solid phase welding of metals, R. F. Tylecote. 1968. - Tel: 032-8500-136 - Fax: 032-8500-280 |
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