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마찰교반용접(Friction Stir Welding)미래 부품소재산업을 이끈다
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승인 2013.11.19  13:57:31
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산업정보분석실 선임연구원 김지희 (Tel: 02-3299-6293 e-mail: kjh@kisti.re.kr)

                                                         [요   약]
1. 최근 들어 제조업의 뿌리라고 할 수 있는 주조, 금형, 용접산업 등은 기존의 부정적 의미인 3D(Dirty, Difficult, Dangerous)업종에서 탈피하기 위해 신공법, 신기술 개발에 역점을 두고 있다.
2. 마찰교반용접(FSW)은 알루미늄합금과 구리합금, 알루미늄합금과 철강재료와 같이 용융용접이 곤란한 이종금속재료에 대한 접합이 가능하며, 용접공정 중에 유해광선이나 유해물질이 배출되지 않아 경제적이면서도 환경 친화적인 접합기술로 각광받고 있다. 
3. 세계 용접공정 시장은 2011년 약 123억달러에서 연평균 5% 성장하여 2014년에는 약 143억달러에 이를 전망이며, 그 중 마찰교반용접시장은 2010년 1.9억달러에서 2015년 2.4억달러까지 성장할 것이다. 향후 기술적 한계를 극복하고 장비/공정의 점진적 진보에 따라 응용분야가 확대되어 시장규모는 훨씬 커질 전망이다. 


1) 제품의 개요
마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 1991년에 TWI(The Welding Institute, 영국에 있는 공립 용접/접합연구소)에 의해 개발된 기술로, 두 개의 판을 겹친 후 강력한 힘을 가해 발생된 마찰열로 판을 접합시키는 기술이다. 이 기술은 최근 알루미늄, 마그네슘과 같은 경량합금 간의 용접, 철강합금-경량합금 간의 이종금속 용접을 가능하게 하여 자동차, 가전제품 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 마찰교반용접(FSW)의 원리(mechanism)를 <그림 1>에 나타내었다.

   
<그림 1> 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)의 원리
그림에서 보는 바와 같이 나사선 형태의 돌기(probe)를 가지는 비소모성 공구(tool)를 A와 B 접합된 부분에 고속으로 회전시키면서 삽입시킨다. 그렇게 되면 공구와 피접합체와의 상호마찰에 의해 열이 발생한다. 이 마찰열에 의해 공구 주변의 재료는 연화되며 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강제적으로 혼합되면서 피접합체의 용접이 이루어진다. 이 방법은 낮은 입열(접합용공구와 시편의 마찰열)에서 접합되기 때문에 기존의 용융용접에 비해 잔류응력 및 변형을 최소화할 수 있어 용접부의 기계적 특성을 향상시켜준다. 또한 마찰교반용접(FSW)은 충진재료(Filler material)가 필요 없어, 충진재료가 필요한 미그용접(Metal electrod Inert Gas Welding, MIG)에 비해 우수하고 양호한 용접형상을 보여준다. 따라서 기존 용융용접과 달리 별도의 열원, 용접봉, 용가제 등이 불필요하여 접합과정에서 유해광선이나 유해물질이 배출되지 않기 때문에 경제적이면서 친환경적인 접합기술로 각광받고 있다. 그러나 마찰교반용접의 장점을 극대화하여 다양한 응용분야에 적용하기 위해서는 복잡한 3차원 곡면형상의 접합이라는 한계점과 용도가 경금속 또는 저융점 금속에 한정된다는 단점을 해결해야 할 것이다.

   

 (a) MIG WELD                             (b) FSW WELD

<그림 2> 미그용접(MIG)과 마찰교반용접(FSW) 용접형상 비교

2) 마찰교반용접의 응용

마찰교반용접(FSW)은 경량합금의 용접을 가능하게 하여 자동차 산업에서 혁신의 바람을 일으키고 있다. 일본 자동차 메이커인 혼다는 “차체 경량화-연비향상”을 위해 강철과 알루미늄을 용접하는 마찰교반용접(FSW) 기술을 양산차인 신형 어코드(2.4 model) 서브프레임에 세계 최초로 적용하였다. 그 결과 미국에서 리터(ℓ)당 12.75km(30mpg)의 복합연비를 기록하여 11.9km/ℓ(28mpg)의 도요타 신형 캠리와 현대차 쏘나타보다 연료효율성이 뛰어난 것으로 평가 받았을 뿐만 아니라 종래의 강철제 프레임보다 강도를 20% 높이고, 무게는 25% 낮출 수 있었다.

   
<그림 3> 신형 어코드의 서브프레임 구조
그 동안 알루미늄은 차량 경량화 소재로 각광받아 왔으나 철강재료에 비해 가격이 비싸고 용접에 한계성이 있어서 실제 도입에는 제한적이었다. 특히 알루미늄과 강판을 용접할 경우 접촉 부분의 전해부식(electrolytic etching·이하 전식)으로 제품에 문제가 발생하여, 알루미늄 소재는 보닛과 도어, 아우터 패널 등 용접이 불필요한 부위에 제한적으로 사용되거나 주요 부품에 도금 형식으로 사용됐다. 물론, 일부 차량에 알루미늄 섀시가 통째로 사용되거나 아연 도금층과 스폿 접합하는 복잡한 방식으로 적용됐으나 가격 부담이 있었다. 하지만 혼다는 새로운 접합 방식인 마찰교반용접(FSW)을 통해 전해부식을 쉽게 막을 수 있었고 기존 아크 용접과 동일한 방식의 가공 속도를 발휘할 수 있어, 생산 공정 및 비용에 맞추어 강판 및 알루미늄 조합을 조정하여 자동차에 적용할 수 있었다.

마찰교반용접(FSW)은 자동차, 조선 등 기존 제조업부터 전자산업까지 응용범위가 확대되고 있다. 최근 애플(apple)은 세계에서 가장 얇은 올인원 PC인 애플 아이맥(iMAC)을 개발하였다. 이 제품에서 주목할 점은 PC 전체를 통째로 찍어낸 듯한 간단한 일체형 디자인과 최초로 가전제품에 마찰교반용접 기술을 적용하여 기존제품보다 두께를 최대 40% 이상 감소시켰다는 점이다. 아이맥(iMAC)은 레이저 용접과 접착제를 적용하던 기존 방식 대신 마찰교반용접(FSW)을 적용시킴으로써 두 장의 패널을 원래 한 장이었던 것처럼 완벽히 붙여 매끈한 외관을 만들 수 있었고, 두께 감소에 따른 경량화 효과도 얻을 수 있었다.

   
<그림 4> 아이맥(iMAC)의 5mm 두께패널
마찰교반용접 기술은 60년 가까이 된 오래된 기술임에도 불구하고, 아직 국내에서는 마찰용접기술이 신공업으로 인식되고 있을 만큼 국내 마찰용접산업은 열악한 상태이다. 최근 전 세계적인 경기불황으로 인해 원가를 절감할 수 있는 대책마련이 시급해지고 있는데 마찰용접기술은 이를 해결할 수 있는 효과적인 기술이므로 향후 국내에서도 산업적용이 늘어날 것으로 전망된다. <표 1>은 마찰교반용접이 주로 적용되고 있는 산업분야를 표시하였다.

   
 

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