[논문]마찰교반 점용접(FSSW)을 이용한 비철금속 접합기술의 연구 동향과 전망

김영식

doi:10.5781/kwjs.2012.30.3.202

마찰교반 점용접(FSSW)을 이용한 비철금속 접합기술의 연구 동향과 전망
Future of the Friction Stir Spot Welding Technology for Non-Ferrous Metal 원문보기

大韓溶接·接合學會誌 = Journal of the Korean Welding and Joining Society, v.30 no.3, 2012년, pp.4 - 14

김영식 (한국과학기술정보연구원 ReSEAT 프로그램)

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AI 본문요약
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대상 데이터

따라서 문헌 검색은 두 가지 용어 모두에 대해 실시하였다. 먼저 검색식 TI:(friction stir spot welding or fssw) AND PY:(2000-2011)에 의해 2000년부터 FSSW에 관한 학술정보를 검색한 결과 논문 150건, 특허 63건이 검색되었다. 또한 TI:(friction spot joining or fsj) AND PY:(2000-2011)에 의해 검색한 결과 논문 49건, 특허 36건이 검색되었다.

데이터처리

기술동향에 관한 학술정보 분석은 KISTI에서 제공되는 NDSL데이타 베이스를 이용하여 분석하였다. 마찰교반 점용접은 국제적으로 Friction Stir Spot Welding 약해서 FSSW 또는 Friction Spot Joining 약해서 FSJ의 두가지 명칭이 쓰이고 있다.

성능/효과

1) 마찰교반 점 용접(Friction Stir Spot Welding : 이하 FSSW라 함)은 재래의 저항 점용접과 비교하여 에너지효율이 높고, 흄(fume)발생이 적으며, 부재 겹침부의 표면 성상에 영향을 크게 받지 않는다. 또한 접합강도가 저항 점용접보다 높고 우수한 접합 품질을 얻을 수 있는 경제적이고 고효율의 용접법이다.
3) NDSL 데이터베이스에 의하면 세계적으로 2006년부터 FSSW에 관한 논문이 2008년을 제외하고 30건 이상씩 발표되고 있으며, 2000년 이후 특허 출원건수는 99건에 이른다. 이중 52%정도가 일본 출원 특허이며, 우리나라의 연구논문 발표건수나 특허출원건수는 전체의 10% 정도에 이른다.
5) 우리나라의 FSSW 연구개발 활동은 논문발표건 수나 특허 출원 건수에서 전체의 10% 수준으로 저조한 상태에 머물러 있고, 접합강도 수준도 외국에 미치지 못하고 있다. 또한 이 기술의 실용화 실적은 전무한 상태이다.
등은 AZ-31마그네슘합금과 Al 5754합금의 FSSW접합 시 알루미늄 합금 표면에 사전에 순수한 Sn, Cu-Sn합금, Al-Alumina로 냉간 코팅층을 다르게 제작하여 재래의 단순 툴을 사용한 경우와 리 필링(re-filling) 복동식 툴을 사용 했을 때 접합강도에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 AL-Alumina 코팅으로 단순 툴에서 220 Newton, 복 동식 툴에서 330 Newton의 인장 전단강도의 증가가 나타남을 확인하였다²⁴⁾.
복동식 툴을 이용하여 Uematse 등은 Al-Mg-Si 알루미늄합금에 대해 겹침이음 접합을 실시하고 프로브 구멍을 남기지 않은 접합부에 대해 전단인장강도와 피로 시험을 실시하였다. 그 결과 전단인장강도가 재래의 프로브구멍을 갖는 접합부보다 높게 나타남을 입증하였다. 그러나 피로시험에서는 거의 같게 나타났고, 저 싸이클 고응력 조건에서는 오히려 더 낮은 피로강도를 보였다¹⁷⁾.
그 결과 접합강도는 남아있는 도금층에 의해 좌우되며 따라서 도금층을 제거하기 위한 공정변수의 선택이 매우 중요하다는 결론을 도출하였다. 또한 강과 알루미늄합금과의 FSSW는 계면에서 생성되는 취약한 금속간 화합물 층에 의해 제한을 받으며, 금속간 화합믈 층이 불연속적으로 존재할 때에 높은 접합강도를 얻을 수 있다는 결론에 도달하였다.
그 결과 접합강도는 남아있는 도금층에 의해 좌우되며 따라서 도금층을 제거하기 위한 공정변수의 선택이 매우 중요하다는 결론을 도출하였다. 또한 강과 알루미늄합금과의 FSSW는 계면에서 생성되는 취약한 금속간 화합물 층에 의해 제한을 받으며, 금속간 화합믈 층이 불연속적으로 존재할 때에 높은 접합강도를 얻을 수 있다는 결론에 도달하였다. 그리고 이 방법을 2005 Mazda MX-5 스포츠카의 트렁크 뚜껑 제작에 응용하였다.
Zhang Z 등은 5052 알루미늄합금 판재 1mm 두께 겹침 이음부의 실험에서 툴의 회전속도와 툴의 압입 시간이 조직과 접합강도에 미치는 영향을 조사하여 툴 회전속도의 증가와 더불어 접합강도는 저하하고 툴의 압입시간은 접합강도에 크게 영향을 미치지 못함을 밝히고 있다⁵⁾. 이 실험에서 회전속도 1541rpm에서 최대 인장강도 2.8KN를 얻었다.

후속연구

6) 금후 FSSW기술은 비철재료와 철강소재와의 이종재료 접합기술, 장수명 고효율의 접합 툴 소재 및 형상 개발, 접합품질 보증을 위한 공정 모니터링 기술, 레이저 광원과의 하이브리드 기술, 로봇 시스템화 기술 등의 개발 방향으로 발전되어 갈 것이다.
이 회사에서는 이미 로켓 연료탱크와 항공기 부재에 FSW 기술을 적용하고 있다. 금후 FSW 기술의 연장 기술인 FSSW 기술은 항공기의 동체제작에 재래의 리벳접합을 대체 해 갈 만큼 크게 확산 되어갈 것으로 예상된다.
모니터링 방법이 확립되기 까지는 앞으로 이에 관한 많은 데이터가 축적되어야 할 것이다. 금후 이러한 음향방출법 이외에도 여러 가지 비파괴적으로 실시간 모니터링 기법 기술이 개발 확립될 것이다.
그러나 이들 시스템은 공정의 모니터링이나 대상소재와 두께의 변화에 따른 툴 의 자동교환 시스템 등에 미흡한 부분이 남아있는 것으로 파악되고 있다. 따라서 금후 이러한 시스템이 보완되고 보다 능률적인 로봇시스템이 개발될 것으로 예상된다.
이종재료 접합에서 계면에서 생성되는 금속간 화합물이 접합강도를 저해하는 요인으로 작용하고 있음이 밝혀지고 있다 ^21,25). 따라서 이의 제어방법이 확립되면 철강재료와 알루미늄합금, 또는 마그네슘합금 간의 접합방법이 확립되어 각종수송기계의 경량화에 크게 기여하게 될 것이다.
매우 고무적으로 생각된다. 모니터링 방법이 확립되기 까지는 앞으로 이에 관한 많은 데이터가 축적되어야 할 것이다. 금후 이러한 음향방출법 이외에도 여러 가지 비파괴적으로 실시간 모니터링 기법 기술이 개발 확립될 것이다.
신뢰성있는 FSSW 접합부를 얻기 위해서는 용접결함을 방지하고 고강도의 접합부를 위한 공정기준을 개발하여야 한다. 모델링과 시뮬레이션은 용접공정을 이해하는데 도움을 줄 수 있을 것이다. 이러한 결과를 통해 알루미늄이나 마그네슘 등 비철재료에 대한 FSSW공정의 가이드라인이 제시되어야한다.
또한 Co합금, Ir합금 등 새로운 소재가 개발되어 실용화에 단계에 이르고 있다. 앞으로 내열성, 내화성 등이 더욱 탁월한 새로운 툴 소재가 개발되어 스테인리스 강, Ti합금 등 고융점 재료의 접합이 가능하게 되고 또한 장수명화가 가능하게 될 것이다.
앞으로 선진국들과의 기술격차를 좁히고 중국, 인도, 브라질 등 후발국의 추격에 대응하기 위해서는 미래기술에 대한 중장기 개발과제를 도출하여 국내의 연구개발 역량을 집중시킬 수 있도록 산, 학, 관, 연이 협력하는 연구체제의 구축이 필요하다.
또한 접합부에 프로브의 흔적이 남게 되어 강도를 저해하는 단 동식 툴에서 흔적을 남기지 않는 복동식 툴이 개발되어 이의 신뢰성에 대한 검토가 진행되고 있다. 앞으로 접합부의 기계적 성질을 향상시키면서 더욱 장수명을 보장하는 새로운 형상의 툴이 등장하게 될 것이다.
FSW기술을 응용하여 철도차량을 제작하는 기술은 일본이 가장 앞서 있어, 차량의 알루미늄 패널제작에 FSW기술이 폭 넓게 응용되고 있다. 이를 FSSW기술로 대체하면 효율성과 경제성의 증진을 가져올 수 있고, 알루미늄과 마그네슘 등 이종재료 접합구조를 사용할 수 있어 강도나 내식성 등의 특성에 맞는 맞춤형 구조가 가능할 것으로 예상된다.
고속 선박 선체의 상부 구조, 선체 패널 등에 유럽에서는 현재 FSW기술이 적용되고 있다. 이를 FSSW기술로 대체함으로서 보다 효율성과 경제성을 증진할 수 있고, 이들 구조를 FSSW기술을 이용하여 알루미늄과 철강 또는 마그네슘 간의 이종 접합구조로 함으로서 경량화와 경제성을 동시에 만족하는 구조가 될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마찰교반 점용접은 어떤 기술의 응용기술인가?	마찰교반 점용접(Friction Stir Spot Welding : FSSW, 또는 Friction Spot Joining : FSJ, 이 글에서는 FSSW로 통일함)법은 FSW법의 응용기술로서 Mazda에서 개발되어 2003년 Mazda RX-8 자동차뒷 도어 패널 생산에 처음 응용한 기술이다1). 이 방법은 재래의 저항 점용접과 유사하나, 접합과정에서 용융을 동반하지 않아 응고, 수축에 따른 균열 발생이 적고, 기공 등의 결함 발생이 적으며, 이종재료의 접합이 용이한 점 등에서 저항 점용접보다 우수한 특징을 갖는다.
	마찰교반 점용접은 저항 점용접과 다르게 어떤 우수한 특징을 갖고 있는가?	마찰교반 점용접(Friction Stir Spot Welding : FSSW, 또는 Friction Spot Joining : FSJ, 이 글에서는 FSSW로 통일함)법은 FSW법의 응용기술로서 Mazda에서 개발되어 2003년 Mazda RX-8 자동차뒷 도어 패널 생산에 처음 응용한 기술이다1). 이 방법은 재래의 저항 점용접과 유사하나, 접합과정에서 용융을 동반하지 않아 응고, 수축에 따른 균열 발생이 적고, 기공 등의 결함 발생이 적으며, 이종재료의 접합이 용이한 점 등에서 저항 점용접보다 우수한 특징을 갖는다.
	마찰교반용접이란?	1990년대 초 영국 TWI(The Welding Institute) 에서 개발된 마찰교반용접 (Friction Stir Welding : FSW 이하 FSW라함)법은 마찰열만을 열원으로 한 고상접합법으로, 지금까지의 아크용접법과 비교하여 매우 작은 변형과 고강도의 양호한 접합품질, 그리고 숙련 기능을 필요로 하지 않는 탁월한 특징을 갖는 용접법이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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