Welding Journal Korea for Monthly
Seoul Ra-11897(ISSN 2005-3339)



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    박판용 마이크로 마찰교반용접(μ-FSW) 장치 개발 및
    용접성 평가


    부산대학교 융합학부, 하이브리드 인터페이스기반 글로벌프론티어연구단
    강명창교수(kangmc@pusan.ac.kr), 박영찬연구원, 주영환연구원


    1. 마이크로 마찰교반용접 개요
    마찰교반용접(Friction stir welding) 기술은 1991년 영국 캠브리지 대학의 용접연구소(TWI, The Welding Institute)에서 개발된 새로운 고상용접기술이다. 이러한 마찰교반용접기술은 비소모식 공구를 이용해야 하며 비용융상에서 용접한다는 점이 타 용접과의 차이점이며, 또한 별도의 용접 재료가 필요 없으며 유해광선, 유해가스 등이 발생하지 않아 매우 친환경적인 공정이다.

    한편, 마이크로 마찰교반용접(Micro friction stir welding; μ-FSW)이라는 용어는 2014년에 Shuja Ahmed 에 의해서 최초로 용어개념을 보고하였다. 마이크로와 기존 마찰교반용접의 분류기준은 용접물 소재의 두께를 바탕으로 하여 1.0 mm 평판을 기준으로 정의하고 있다. 그림 1은 μ-FSW에서 용접물 두께와 공구틸팅각의 의미를 설명하고 있다.

    기본적인 원리는 동일하지만, 1.0mm 이하의 박판에서는 소재가 얇아 충분한 교반효과를 부여하기 위한 공구틸팅이 불가능하고, 용접 시에는 열 변형(Thermal deformation)에 따른 영향이 상대적으로 증가하여 용접공정 중 소재의 찢어짐이 많이 발생하고 마찰면적이 적어 충분한 입열량의 공급이 어려운 문제가 발생된다.

    또한 상대적으로 두꺼운 1.0mm 이상의 소재를 용접할 경우 공구에 밀착되어 있는 용접물 소재에 의해 떨림이 작지만, 1.0mm 이하 박판소재의 경우에는 공구와 밀착하게 되는 용접물 소재의 접촉면적이 적어서 FSW 툴의 진동현상이 커지므로 이러한 현상을 방지하기 위해 마이크로 마찰교반용접장치는 박판용접의 특성을 고려하여 설계 및 제작되어야 한다.



    2. 박판용 마이크로 마찰교반용접장치의 개발
    (1) 마이크로 마찰교반용접장치의 구조설계 및 제작
    일반적으로 마찰교반용접장치는 공작기계 중에서 머시닝센터의 구조를 기본적으로 채용하고 있다. 즉 마찰교반용접장치의 중요요소로는 본체와 구동부가 있다. 본체의 구조는 장치의 베드와 칼럼으로 구성되며, 각종 주요 운동요소를 단단히 지지함과 동시에 각종 운동의 기준이 된다.



    이는 공작기계의 모성의 원리(Copying principle)를 실현하는데 있어서 중요한 역할을 하는 것과 동일한 개념으로 설명할 수 있다. 그림 2와 같이 단일 컬럼구조인 경우 하중의 분포가 단순한 폐회로를 그리는 반면 갠츄리타입에 의한 더블 컬럼구조인 경우는 하중의 분포가 복잡하므로 고강성(High stiffness)효과를 가질 수 있다.

    그리고 구동부는 각 운동요소의 조합으로 용접물의 형상생성 역할을 담당한다. 특히, 1.0mm이하의 박판 소재를 마이크로 마찰교반용접 시에는 FSW 툴링부분의 강성부족에 의한 진동떨림 현상을 방지하는 것이 매우 중요한 요소기술 중의 하나임에는 틀림없는 사실이다.



    따라서, μ-FSW장치의 개발은 일반적으로 공작기계의 강성설계기준에 근거한 갠츄리타입(문형방식)과 칼럼부의 고강성 구조설계가 이루어져야 하며, 특히 구동부의 충분한 강성 및 토크에 의한 모터 선정이 매우 중요하다[그림 3].

    또한 μ-FSW 공정에 있어서 FSW tool이 소재에 처음 접촉하여 삽입되는 과정에서 큰 축 하중이 발생되며 삽입된 상태로 이송되는 과정에서 축 하중과 반경방향에서 동시에 큰 하중이 발생하므로 주축계 구성에 있어서 스핀들 내에 베어링 선정은 스핀들 수명과 고강성 관점에서 고려되어야 한다.

    (2) 고속 회전수의 고주파스핀들 채용
    기존 범용 마찰교반용접에 대한 학술적 및 기술적 관점에서 보고되고 있는 주요결과들은 용접물소재 재종과도 연관성이 있지만, 대부분 용접두께가 1mm이상이어서 용접조건에 있어서 주축 회전수 500rpm~1800rpm을 가진 10KW이상 고출력의 유도 인덕션모터(Induced induction motor)를 채용하고 있다.



    본 기고에서는 μ-FSW에 적합한 스핀들로서 FSW 툴의 회전속도를 높여 용접부하를 줄이고 입열량을 높이기 위해 기존 마찰교반용접장치와 비하여 표 1과 같이 3,000 rpm이상의 고속회전용 고주파 스핀들(High frequency spindle) 모터를 채용하여 주축계를 새로이 설계하였다.

    동력손실을 최소화하기 위해 모터 주축에 툴을 직접 장착하는 빌트인 방식(Built-in type)을 그림 4에 나타낸 것처럼 적용하였다. 또한, 고강성 스핀들 구조를 가지기 위해서 축 하중과 반경방향 하중에 동시에 작용할 수 있는 테이퍼 롤러 베어링을 사용하였다.

    마찰교반용접은 높은 수직하중을 필요로 하고 용접공정 중 툴을 통해 스핀들내부로 전달되는 열로 인하여 윤활제의 열화가 촉진되고 모터에 과열이 발생되어 장치고장의 원인으로 작용한다.

    μ-FSW 장치에서는 외부에 설치된 냉각칠러를 통과한 냉각수가 스핀들내부를 순환하도록 스핀들하우징 내부에 수로를 형성하여 스핀들의 온도가 20 ~25℃의 온도로 유지하여 고주파 스핀들의 정도유지와 내구성이 확보되도록 제작하였다.

    (3) 박판용 용접물 소재의 복합 지그시스템
    1.0 mm이하 박판소재의 μ-FSW에 있어서, FSW tool의 이송과 함께 용접물의 미세떨림과 열변형에 의하여 양호한 용접면을 얻기가 상당히 어려운 것이 현실적인 문제이다.

    기존 마찰교반용접에서 사용하고 있는 클램핑 지그에 의한 박판 용접물의 μ-FSW에서는 심한 용접물 변형이 발생하고, 심지어 용접물 소재가 찢어지는 현상을 관찰할 수 있다.

    이를 고려해 종래에 사용되고 있는 수동 또는 유압에 의한 클램프방법이 아닌 박판 용접물 소재 전체에 일정한 힘으로 고정할 수 있도록 진공척 및 롤러형태 지그를 설계 및 제작하였다.

    5 mm간격으로 Ø2 구멍을 가공하여 지그내부에 흡입통로를 형성하고 최대진공 2/20bar 성능의 진공펌프를 사용하여 흡입통로를 통해 진공 흡입력을 발생시킬 수 있도록 설계하였다.

    또한 시편의 크기에 따라 진공척 사용이 용이하도록 가변형태의 가이드(Guide)를 설치하였다. 또한 그림 5에서와 같이 용접물 소재의 미세한 변형정도도 방지하기 위하여 FSW tool의 선단에 롤러형태의 지그를 추가로 장착하였다.



    3. 박판용 마이크로 마찰교반용접의 용접성평가
    1mm 이하 박판 Al5052 H32소재에서 기존 클램핑 방식과 새로이 제안한 진공척과 롤러의 지그시스템을 적용하여 μ-FSW을 실시했을 때 클램핑에 비하여 진공척과 롤러를 사용한 경우가 그림 6과 같이 매우 우수한 용접 비드면을 얻을 수 있었다.

    또한 FSW tool의 회전수효과를 알아본 결과, 그림 7과 같이 3500rpm에서는 용접속도가 증가할수록 인장강도가 감소하였지만 6500rpm에서는 용접속도가 증가함에 따라 인장강도도 증가함을 보였다. 이는 회전수 증가에 따른 입열량의 증가효과로 사료된다.



    그리고 용접부의 인장강도 값은 Al5052 H32의 인장강도 대비 60~70%의 값을 보였고, 이러한 결과는 기존 1mm이상의 평판 결과와 매우 유사한 값을 얻었다. 그림 8은FSW tool의 회전수 6500rpm, 용접속도 400mm/min조건에서의 미세구조 사진을 나타낸 것으로서, 교반부(Stir zone)와 열영향부(Heat affected zone)의 경계가 뚜렷하게 나타남을 확인하였다.

    따라서, μ-FSW장치의 개발을 통하여 박판용 μ-FSW의 우수한 용접 비드면형상과 회전수 증가에 따른 입열량 효과에 의해 용접효율 향상의 결과를 얻을 수 있었다.

    그림 9는 μ-FSW 공정에서의 이종소재의 용접성을 조사하기 위하여 FSW tool 회전수 6500rpm, 용접속도 100mm/min에서의 Al 5052 H32소재와 Al 6061 T6소재의 용접 비드면형상을 나타낸 그림으로 이종소재에서도 양호한 비드면형상을 얻을 수 있었다.

    4. 결론 및 제언
    최근 전기, 전자, ICT/IoT 및 정밀기계 분야 등 첨단 제조업분야에서 초소형 부품용접에 관한 요구가 증가하고 있다. 초소형부품의 우수한 용접면 및 용접효율에 관한 대안으로서, 박판용 마이크로 마찰교반용접 장치 개발 및 그것의 용접성에 관하여 살펴보았다. 그 장치개발에 있어서 주요결과는 다음과 같다.

    1) 하중의 분산효과를 가지는 갠츄리타입 구조물에 더블 칼럼형태를 채용해서 고강성구조의 상세설계기술을 확보하였다.

    2) 박판형태 용접물에서 입열량의 부족을 해결하기 위하여 3,000rpm이상의 주축회전수를 가지는 고주파스핀들을 제안하였다.

    3) 마이크로마찰교반용접에서는 주축계의 강성보강이 매우 중요한 요소기술로서, 테이퍼 롤러 베어링을 적용하였다.

    4) 박판의 마이크로 마찰교반용접시 미세한 진동과 열변형을 최소화하기 위하여 진공척과 롤러를 동시 사용하는 복합 지그시스템을 새로이 제시하였다. 이를 통해서 실제 1mm이하의 알루미늄합금소재에서의 맞대기 용접을 통하여 다양한 고속조건에서의 테스트를 수행하여 용접성(Weld-ability)을 평가한 결과는 다음과 같다.

    5) FSW tool의 회전수 6500rpm과 용접속도 400mm/min에서 거시적관점에서 매우 우수한 용접비드면 형상을 보였다.

    6) FSW tool의 회전수와 용접속도의 증가에 따라 인장강도 값의 증가와 용접효율의 향상 효과를 얻었다.

    7) 이종 알루미늄합금소재 (Al5052-Al6061)의 마이크로 마찰교반용접에 있어서도 매우 우수한 용접 비드면형상을 얻을 수 있었다.

    현재 대외의존도가 심각할 정도로 높은 초소형부품의 용접기술을 대체할 수 있는 신기술로서 친환경적이고 용접성능이 매우 우수한 마이크로 마찰교반용접기술을 제시하였다. 이러한 용접기술은 점차 경쟁력을 읽어가고 있는 국내 중소제조업 현장에서 새로운 부가가치를 창출할 수 경량화제품과 이종소재제품에 있어서도 우월성을 가질 것으로 기대한다.

    5. 참고문헌
    1)“Weldability of Thin Friction Stir Welded Plate of Al5052-H32 using High Frequency Spindle”, Y H Joo, Y C Park, Y M Lee, K H Kim, M C Kang, KSMPE, Vol.16, No.1, pp.90-95, 2017.
    2)“Weldability evaluation of l5052-H32 alloy and manufacturing of micro friction stir welding machine,” Joo, Y. H, A Thesis for a Master, Pusan National University, Republic of Korea, 2017.
    3)“Mechanical Properties and Temperature Distributions of Thin Friction Stir Welded Sheets of AA5083,” Sattari, S., Bisadi, H. and Sajed, M., International Journal of Mechanics and Applications, Vol. 2, No. 1, pp. 1-6, 2012.
    4) “Development and Analysis of Butt and Lap welds in Micro Friction Stir Welding (μFSW)”, Shuja Ahmed1, Abhishek Shubhrant2, Akash Deep3, Probir Saha, AIMTDR, 2014.
    5)“A study on the Error Separation Method in Rotation Accuracy Measurement of High Precision Spindle Unit,” Kim, S. H., Kim, B. H. and Jin, Y. G., Journal of KSMPE, Vol. 13, No. 1, pp. 78-84, 2014.
    6)“Microstructure and microtextural studies of friction stir welded aluminium alloy 5052,” Kumbhara, N.T., Sahoob, S.K., Samajdarb, I., Deya, G.K., Bhanumurthy K., Materials & Design, Vol. 32, No. 3, pp. 1657-1666, 2011.
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