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병길 공
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기술해설 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 김영식 한국과학기술정보연구원 프로그램전문연구위원 Future of the Friction Stir Spot Welding Technology for Non-Ferrous Metal Youngsik Kim*, *KISTI ReSEAT Program Corresponding author :

서론 년대초영국 에서개발된마찰교반용접 이하 라함 법은마찰열만을열원으로한고상접합법으로 지금까지의아크용접법과비교하여매우작은변형과고강도의양호한접합품질 그리고숙련기능을필요로하지않는탁월한특징을갖는용접법이다 마찰교반점용접 또는 이글에서는 로통일함 법은 법의응용기술로서 에서개발되어 년 자동차뒷도어패널생산에처음응용한기술이다 이방법은재래의저항점용접과유사하나

1 기술해설 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 김영식 한국과학기술정보연구원 프로그램전문연구위원 Future of the Friction Stir Spot Welding Technology for Non-Ferrous Metal Youngsik Kim*, *KISTI ReSEAT Program Corresponding author : yskim@hhu.ac.kr 1. 서론 년대초영국 에서개발된마찰교반용접 이하 라함 법은마찰열만을열원으로한고상접합법으로 지금까지의아크용접법과비교하여매우작은변형과고강도의양호한접합품질 그리고숙련기능을필요로하지않는탁월한특징을갖는용접법이다 마찰교반점용접 또는 이글에서는 로통일함 법은 법의응용기술로서 에서개발되어 년 자동차뒷도어패널생산에처음응용한기술이다 이방법은재래의저항점용접과유사하나 접합과정에서용융을동반하지않아응고 수축에따른균열발생이적고 기공등의결함발생이적으며 이종재료의접합이용이한점등에서저항점용접보다우수한특징을갖는다 법은현재유럽과일본에서자동차차체제작시알루미늄합금접합에응용되어시공성 가격 접합부의성능에서여타의접합법을능가하는접합법으로인정되고있으며생산공정에서에너지절약 환경부하저감의실현에공헌하고있다 법은현재는자동차의경량화목적으로알루미늄합금의차체제작에국한되어실용되고있으나알루미늄합금이외에마그네슘합금 티탄합금등비철재료의동종이나 이종재료 또는동종의강이나 강과비철재료간의이종재료의접합으로빠르게확대되고있 다 앞으로자동차이외에 조선 해양플랜트및철도차량과이미 가적용되고있는항공기분야와일반기기분야에도원가절감과제품의차별화도구로서그응용이크게기대되고있다 2. FSSW 의접합기구 는 와마찬가지로마찰교반현상을이용한점접합법으로접합에는 에나타낸것과같이선단에프로브 라고하는나사가공된돌기를갖는접합툴 이이용된다 툴형상의파라메타로서는 와같이프로브직경 프로브높이 숄더 직경및숄더각도가있어서접합하는부재의재질및상하의판두께에따라다르게설계된다 접합프로세스는 에나타낸것과같이툴을회전시켜압입시킴으로서마찰열을발생시켜재료를연화하여상하재료간에접합이이루어지게하고다음동작으로툴을위로뽑아올리는단순동작으로이루어져있다 이때문에접합툴의형상이피접합재료표면에흔적으로남게된다 dp as : 숄더각도 ds 접합툴의형상 접합툴의파라메타 접합툴 의형상과툴파라메타 hp dp : 프로브직경 hp : 프로브높이 ds : 숄더직경

마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 3500 접합프로세스 Tensile shear strength(n) 3000 2500 2000 1500 1000 50

0 Process time(s) 접합시간과인장전단강도의관계 접합부단면마크로사진이음부의내부에서는 에나타낸것처럼툴이압입된영역에서상하의판사이계면이없어지고 프로브구멍의주변에타원형의접합영역이형성되어있다 이영역은나사를갖는프로브의회전운동에의해툴외연부의재료가프로브외주를나선상으로아래판측으로이동하여나사선단으로부터배출됨으로서형성된다 3.

접합시간이짧은경우에는접합영역이충분히교반되지않아낮은강도를나타내지만접합시간이길어짐에따라접합영역이확대되어접합강도도높게된다 더욱접합시간이길어지면 접합강도가낮아지나이것은툴의압입깊이가크게되어윗판재가엷어지기때문이다 적정한접합시간일경우에약 의인장전단강도를얻을수있고이값은매우안정적이다 적정조건에서의 계열과 계열알루미늄합금에대한 접합부의접합강도를저항점접합부의강도와비교하면

2 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 3500 접합프로세스 Tensile shear strength(n) Process time(s) 접합시간과인장전단강도의관계 접합부단면마크로사진이음부의내부에서는 에나타낸것처럼툴이압입된영역에서상하의판사이계면이없어지고 프로브구멍의주변에타원형의접합영역이형성되어있다 이영역은나사를갖는프로브의회전운동에의해툴외연부의재료가프로브외주를나선상으로아래판측으로이동하여나사선단으로부터배출됨으로서형성된다 3. FSSW 접합부의특성 공정에서기본적인접합변수는접합시간 툴의회전속도 축하중 툴의압입깊이 툴의제원을들수있다 따라서접합재료에따른최적의접합조건을찾는것이중요하다 예로 계알루미늄합금인 재의판두께 의겹치기 이음부에대해접합시간에따른인장전단강도변화를평가한결과를보이면 와같다 접합시간이짧은경우에는접합영역이충분히교반되지않아낮은강도를나타내지만접합시간이길어짐에따라접합영역이확대되어접합강도도높게된다 더욱접합시간이길어지면 접합강도가낮아지나이것은툴의압입깊이가크게되어윗판재가엷어지기때문이다 적정한접합시간일경우에약 의인장전단강도를얻을수있고이값은매우안정적이다 적정조건에서의 계열과 계열알루미늄합금에대한 접합부의접합강도를저항점접합부의강도와비교하면 와같이나타난다 이그림에서보는바와같이 접합강도는저항점용접부의접합강도보다우수하다 이것은 의경우접합부에서용융이일어나지않고다만소성유동에의 Tensile shear strength(n) Resistance spot weld. (JIS Z 3140) FSSW Al 5052 Al 6061 Materials 저항점접합부와 접합부의강도비교 해서만접합이이루어지기때문이다 4. FSSW 의응용분야와연구과제 는재래의저항점용접과비교하여에너지효율 이높고 흄 발생이적으며 부재겹침부의표면 성상에영향을크게받지않는점에서가격경쟁력이 높다 또한접합강도가높은우수한접합품질을얻을 수있는점에서특히자동차의차체생산라인에서재래 의저항점용접공정의대체수단으로빠르게확산될 것으로기대되고있다 는고융점재료에적용할경우접합툴의수명 이짧아제한을받는다 현재로서는주로알루미늄합금 의차체조립수단으로응용되고있으나접합툴의재료 개발과병행하여철강소재특히스테인리스강에대한 적용 항공우주산업에서큰비중을차지하고있는 합 금에의적용 경금속재료와철강소재와의이종재접합 에의적용확대등에대한과제를안고있다 에관하여현재진행되고있는연구과제들을 열거하면 교반접합시의재료유동 툴의재질과그형

김영식 상 공작물의구속방법 기계운동학과로봇적용 마찰교반과정의모델링 야금학및역학적특성평가 비파괴검사 보수공정과그영향등이다 5. 연구개발동향 5.

이중에서앞서검색한것과중복된것과관련이없는것을제외하면논문 건 특허 건이검색되어합계논문이 건특허 건으로집계되었다 논문의연도별발표건수를분석한결과를 에보인다 년에처음으로 건이보고된이래 년부터는 년을제외하고 건이상의논문이발표되고있어최근 년전부터 에관한관심이커지고있음을알수있다 논문의연구내용을분석한결과를 에나타내었다 툴의회전속도 툴의압입깊이

5 0 Process parameter Metal flow or microstructure Fatigue or weld cracking Process monitoring 분야별발표건수 Simulation Robot system Al Alloy Dissimilar Materials Steel Mg Alloy Plastic 대상재료별분류 알수있다

3 김영식 상 공작물의구속방법 기계운동학과로봇적용 마찰교반과정의모델링 야금학및역학적특성평가 비파괴검사 보수공정과그영향등이다 5. 연구개발동향 5.1 학술정보분석 기술동향에관한학술정보분석은 에서제공되는 데이타베이스를이용하여분석하였다 마찰교반점용접은국제적으로 약해서 또는 약해서 의두가지명칭이쓰이고있다 따라서문헌검색은두가지용어모두에대해실시하였다 먼저검색식 에의해 년부터 에관한학술정보를검색한결과논문 건 특허 건이검색되었다 또한 에의해검색한결과논문 건 특허 건이검색되었다 이중에서앞서검색한것과중복된것과관련이없는것을제외하면논문 건 특허 건이검색되어합계논문이 건특허 건으로집계되었다 논문의연도별발표건수를분석한결과를 에보인다 년에처음으로 건이보고된이래 년부터는 년을제외하고 건이상의논문이발표되고있어최근 년전부터 에관한관심이커지고있음을알수있다 논문의연구내용을분석한결과를 에나타내었다 툴의회전속도 툴의압입깊이 압입시간등공정변수와관련한내용이 건으로가장많고그다음이접합툴의설계및마모와관련한내용이 건이며 특히후술하는새로이개발된복동툴로서프로브흔적을남기지않은 툴에관한논문이 여건발표되어있어이툴에관한관심이높아지고있음을 Tool design or tool wear Process parameter Metal flow or microstructure Fatigue or weld cracking Process monitoring 분야별발표건수 Simulation Robot system Al Alloy Dissimilar Materials Steel Mg Alloy Plastic 대상재료별분류 알수있다 그다음이조직과소성유동에관한내용으 로 건이 균열및피로거동관련논문이 건 공정 시뮬레이션논문이 건 로봇시스템에관한내용이 건 접합부건전성평가를위한공정의모니터링개발 에관한내용이 건이발표되어있다 인다 대상재료별연구건수를분석한결과를 에보 알루미늄합금에대한연구가 건으로가장많고 그 다음이알루미늄과강과의이종재에접합에관한건수 가 건 고장력강재를위시한강재에대한연구 건 마그네슘합금의동종접합에관한연구와알루미늄 과마그네슘이종재접합연구가각각 건이검색되었 고폴리에치렌 폴리프로필렌등플라스틱접합연구도 건으로검색되었으며 강과마그네슘과의이종재접합 연구도 건이발표되어있다 관련연도별발표건수 5.2 접합공정변수에관한연구개발앞서기술한바와같이최적의접합강도를얻을수있는툴의회전속도 툴의압입깊이 압입시간등의공정변수를확립하기위해많은연구들이수행되었다 그러나이들연구결과들은아직통일적인공정변수를확립하여접합공정의지침으로제시할단계에이르지못하고있다 등은 알루미늄합금판재 두께겹침이음부의실험에서툴의회전속도와

마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 툴의압입시간이조직과접합강도에미치는영향을조사하여툴회전속도의증가와더불어접합강도는저하하고툴의압입시간은접합강도에크게영향을미치지못함을밝히고있다 이실험에서회전속도 에서최대인장강도 를얻었다 신형섭등은 합금판재에대한 시양호한접합부및파단하중을얻기위해서는툴의회전및압입속도의제어를통해입열량의조절이필요함을밝혔다

미세조직과경도등기계적특성과의관계를 년까지발표된연구논문을토대로정리하여제시하고 이연구결과들이실용화단계까지와있음을보고하였다 5.

4 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 툴의압입시간이조직과접합강도에미치는영향을조사하여툴회전속도의증가와더불어접합강도는저하하고툴의압입시간은접합강도에크게영향을미치지못함을밝히고있다 이실험에서회전속도 에서최대인장강도 를얻었다 신형섭등은 합금판재에대한 시양호한접합부및파단하중을얻기위해서는툴의회전및압입속도의제어를통해입열량의조절이필요함을밝혔다 등은이종재알루미늄합금재에대해 시겹침부의표면처리와상하두판재사이에밀봉재를도포하여접합강도향상을시도하였다 그결과툴의형상에따라서는표면처리나밀봉재의효과가크게나타날수있음을보이고 의평균접합강도는리벳접합부에비해 배정도높다는결과를제시하였다 철계합금의 에대해서는이창용등이저탄소강 도금강 스테인리스강 강및마르텐사이트계 등에이르기까지거의모든철계합금에대해접합변수와미세조직의관계 미세조직과경도등기계적특성과의관계를 년까지발표된연구논문을토대로정리하여제시하고 이연구결과들이실용화단계까지와있음을보고하였다 5.3 접합툴의연구개발 등은 마그네슘합금 판두께의시험편을이용하여접합툴의프로브형태가나선형일경우와평활프로브인경우에그영향을조사하였다 그결과나선형일경우에굽은형태의접합계면을갖고더많은소성유동이생기며 결과적으로더높은인장전단강도를나타낸다고보고하고있다 등은 종류의툴형태 즉나선형의프로브와숄더를갖는툴 평활프로브와숄더를갖는툴 그리고숄더가없이평활프로브만갖는툴에대해조사하였다 그결과교반영역의형성에는단지매우작은에너지만소모되고대부분의에너지는툴부품 클램프 앤빌 공작물의가열에소모되기때문에클램프와앤빌의재질선택이접합시의에너지이용에매우중요하다고발표하고있다 또한프로브에서의나사존재는 공정의에너지발생에매우작은영향을미친다고보고하고있다 등은 알루미늄합금의마찰교반용접시툴의숄더부와프로브부에대하여최적의형태를조사하였다 오목한숄더부는편평하거나볼록한숄더부보다정적강도가상승하였으며 삼각형프로브부는실린더형프로브부에비해더 높은정적강도를나타내었다 등은입자측정법을이용하여테이퍼프로브 역테이퍼프로브 삼각형프로브 볼록형숄더 오목형숄더등툴의형상에따른재료유동과후크 형성에미치는영향을조사하였다 그결과오목형숄더를갖는삼각형프로브의형태가접합부의높은인장전단강도를나타낸다는사실을밝히고있다 등은프로브가없이숄더표면에소용돌이홈 을갖는툴을개발하였다 이툴을이용하여알루미늄합금 재료에대해접합시험을실시한결과공작물에프로브홈을남기지않고 의인장전단강도를얻음으로서프로브형의일반툴에서보다더높은강도를입증하였다 등은 합금접합툴을이용하여용접점수의증가에따른툴의마모현상을비접촉 측정방법으로모니터링하여툴의마모특성과접합강도의변화를연구하였다 그결과마모된툴의형태에따라접합강도가영향을받으며툴의마모는 원계화합물의생성과 의산화마모 바인더의피로에의해마모가진행된다고보고하고있다 등은 와같은복동식툴을개발하였다 이복동식툴은외측의숄더 직경 와내측의프로브 직경 를별도로구동하여프로브흔적을없게하는방식이다 이러한복동식툴을이용하여위의판이 의박판에서흔적구멍이나뒤말림 이없는충분한강도의겹침이음접합이가능하고 매의겹침이음접합이가능하다 복동식툴을이용하여 등은 알루미늄합금에대해겹침이음접합을실시하고프로브구멍을남기지않은접합부에대해전단인장강도와피로시험을실시하였다 그결과전단인장강도가재래의 Tool Plate Anvil Plunging Stirring Drawing out Probe Shoulder Clamp 재래의일체식툴 Plunging Stirring Re-filling 신개발의복동식툴 재래의일체식툴과신개발의복동식툴의공정비교

5 김영식 프로브구멍을갖는접합부보다높게나타남을입증하였다 그러나피로시험에서는거의같게나타났고 저싸이클고응력조건에서는오히려더낮은피로강도를보였다 5.4 이종재접합연구개발 법에의한이종재접합연구는자동차경량화를목적으로알루미늄과강과의접합연구가가장많이이루어지고있다 알루미늄과강과의 법은저항점용접법에비해보다안정적이고신뢰성높은접합부가얻어진다 등은두께 의 계 알루미늄합금과 의 연강과를겹치기 법으로용접하여툴의회전속도 에서인장전단강도 점을얻었다 이값은저항점용접의평균값 점보다훨씬높은값이다 년에 는 알루미늄 와 강과를 로접합을시도하여적정한접합강도를얻기위한툴의회전속도는 이라는결과를발표하였다 그리고접합조건으로서경계면에서의온도지배를받는확산시간을제시하였다 회사의 등은 과같은방법으로아연도금강판과 계알루미늄합금과의 를실시하였다 그결과접합강도는남아있는도금층에의해좌우되며따라서도금층을제거하기위한공정변수의선택이매우중요하다는결론을도출하였다 또한강과알루미늄합금과의 는계면에서생성되는취약한금속간화합물층에의해제한을받으며 금속간화합믈층이불연속적으로존재할때에높은접합강도를얻을수있다는결론에도달하였다 그리고이방법을 스포츠카의트렁크뚜껑제작에응용하였다 알루미늄과강과의 시금속간화합물의거동에관한유사한연구가다수발표되어있다 알루미늄합금과비코팅강과의이종재접합에대해서는 등이 계알루미늄과비코팅강과 의접합연구 등이 툴을이용하여 알루미늄합금과 연강과접합연구를수행한결과가발표되어있다 이들의연구는회전툴이강측에는접촉하지않고알루미늄측에서만교반이이루어지도록조건을설정하였다 또한알루미늄과강의접촉계면에서금속간화하물이아닌비정질층이관찰되었으며 이것은접합시고상의확산접합이이루어지기때문인것으로추정하고있다 알루미늄합금과마그네슘합금과의 에서계면에냉간용사코팅층을형성하여접합강도를높이는연구가발표되어있다 등은 마그네슘합금과 합금의 접합시알루미늄합금표면에사전에순수한 합금 로냉간코팅층을다르게제작하여재래의단순툴을사용한경우와리필링 복동식툴을사용했을때접합강도에미치는영향을조사하였다 그결과 코팅으로단순툴에서 복동식툴에서 의인장전단강도의증가가나타남을확인하였다 알루미늄합금과마그네슘합금간의 이종재접합에서접합계면에형성되는금속간화합물층이접합강도에크게영향을미친다는결과가발표되어있다 등은상기두재료의 시툴의회전속도와툴의압입시간의증가와더불어접합계면에서 등의금속간화합물층이두껍게되고이로인해접합강도는저하한다고보고하고있다 6. FSSW 의로봇시스템채용과과제 자동차생산라인에서의용접장치로서는산업용로봇과저항점용접건의조합이주류를이루고있다 공정은저항점용접에툴의회전동작을부가한것과동등하기때문에자동차생산라인에재래의저항점용접과거의동등한형태의시스템화가가능하다 은일본의 중공업에서개발한 Press Rotating tool Plastic flow of aluminum Robot Robot power source Coating Aluminum Anvil Steel Removal of coating Contact of Fresh surfaces 도금강판과알루미늄합금과의 공정 Tool 로봇시스템 Robot controller

6 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 로봇시스템을보인것이다 로봇시스템은 과같이로봇제어장치와로봇 그리고회전툴을장착한건 으로구성되어저항점용접에서의용접전원이나냉각장치가필요하지않다 이때문에접합에필요한에너지는매우작게되고시스템구성이단순하여고밀도의배치가가능하여생산라인에서부품의반송을최소한으로억제할수있어매우경제적이다 자동차에서는 년에하이브리드차생산에 로봇시스템을정식채용하였다 그후크라운 랙서스등주력차종의생산에적용되어누계생산대수가 만대를넘고있다 적용부위는프론트후드및백도어의외주부및보강부재의접합이중심이되어있다 이러한 로봇시스템은현재로서는주로자동차생산라인에채용되고있으나 항공기 철도차량 조선분야등제조업전반에걸쳐에너지절약 환경보호의차원에서그응용분야가급속히확대해갈것으로예상된다 제조업에서 로봇시스템의채용을확대해가기위해서는해결되어야할두가지문제점이있다 그하나는접합하고자하는판두께에따라프로브의길이를다르게해야하기때문에복수의툴을준비해놓고생산라인에서툴을효율적으로교환할수있도록툴자동교환기능을갖추어야한다 두번째는품질보증모니터링기능이다 이기능은이음부의품질에영향을미치는요인으로서남아있는판두께에착목하여접합중에남은판두께를제어하는기능이개발되어있다 7. 국내연구개발수준 7.1 국내연구개발동향의문헌정보분석 데이터베이스에의하면 에대해서 년연윤모등에의해처음으로대한용접학회지를통해소개되었다 그이후국내에서발표된논문은 건으로모두대한용접접학회지또는동학회의학술발표대회에서발표된논문들이다 그리고국제학술지에발표한논문이 외 인의팀이 건 외 인이 건으로검색되었다 따라서 년이후 에 또는 에관하여수록된총 건의논문중내국인이발표한논문은 건으로총발표건수의 에이른다 그내용을분석하면대상소재별로알루미늄합금 건 마그네슘 건 탄소강과알루미늄합금간의이종재 건 알루미늄과마그네슘합금간의이종재 건 스테인리스강을포함한철강재료 건 음향방출을이용한용접공정모니터링 건 으로나타났다 관련국내의연구개발활동은외국에비교적저조한현상에있으며보다활발한연구활동이요망되고있다 그러나알루미늄합금의경우에는외국과동등한연구수준에있으며 외국에서이루어지지않고있는스테인리스강의 연구 음향방출법을이용한 공정모니터링연구는괄목할만한연구성과로생각된다 한편 접합강도향상을위한공정변수또는표면처리기법개발이나외국에서매우활발하게이루어지고있는복동식툴 을포함한툴형상설계등에관한연구는전무한현상에있다 7.2 국내의특허정보분석 데이터베이스에서 년이후 및 관련특허는총 건이검색되었다 그대부분은접합방법과장치 접합툴에관련한내용이다 국가별로는일본에서출원한특허가 건으로 정도이며 미국특허가 건 유럽특허가 건 한국특허가 건으로나타나있다 출원업체또는기관별로는일본의 에서 건으로가장많고 건 에서 건 미국의 사 건 건 건 건 기타유럽과미국 일본의여러업체에서 건의특허등록또는출원이되어있다 국내의경우에는포항산업과학연구소에서 건과성우하이테크 건 외국업체에서출원한특허가 건으로검색되었다 특허출원기업체별특징은외국에서는자동차회사 항공업체 중공업업체가두드러지게나타나 기술을현장에서직접적용할목적으로특허출원이이루어지고있음을알수있다 이에비해우리나라의경우에는제조업체와는별개의산업과학기술연구소에서주로특허출원이이루어지고있다 이것은국내제조업체들의 에관한관심과인식이외국에비해매우희박한현상에있음을반영하는것이라고생각된다 7.3 국내의 FSSW기술현황과과제 년부터자동차생산라인에 로봇시스템을채용하여누적차량생산대수가 만대를넘어서고

7 김영식 있는일본과는달리우리나라의경우에는 기술의현장적용사례가없는실정이다 국내에서 의원천기술인 마찰교반용접 설비를처음도입하여개발한 주 윈젠의경우에도개발을시작한것은불과 년정도밖에되지않았으며 장비가개발되어시장에유통되기시작한것은이제 년에불과하다 이러한실정으로 의응용기술인 설비는아직국내에유통되고있지않다 이처럼국내에서의 기술이도입되지않고있는것은 가지요인을생각할수있다 그하나는 의 에대한로열티문제를들수있다 접합설비제작뿐만아니고그장비를이용하여제조되는제품에이르기까지모든단계에서 에로열티를지불해야하기때문에이것이장애요인으로작용할수있다 또하나는이기술에대한정보가부족하고기술필요성에대한인식이미흡하다는것이다 이때문에산업적용에필요한 장비 제품고정지그 접합툴 로봇시스템 의개발이현재전무한현상에있다 8. 향후 FSSW기술의전망 8.1 접합툴의개발 접합툴의장수명화는 공정의생산성향상과직결된문제로매우중요한문제이다 또한 는지금까지주로고강도알루미늄합금의접합에응용되어왔으나공업제품의 를차지하고있는소재인철강소재특히스테인리스강에대한적용 항공우주산업에서큰비중을차지하고있는 합금에의적용 이종재접합에의적용확대등에대한과제를안고있다 접합툴의장수명화와고융점재료에 적용확대를위해서는고온내마모성과고온내산화성 고온피로성등고온안정성이탁월한툴소재개발이필수적이다 현재까지는공구강 초경합금등기존의공구재료가툴재료로사용되고있으나새로운소재로써질화붕소다결정체 나 의복합재료가개발되어있다 또한 합금 합금등새로운소재가개발되어실용화에단계에이르고있다 앞으로내열성 내화성등이더욱탁월한새로운툴소재가개발되어스테인리스강 합금등고융점재료의접합이가능하게되고또한장수명화가가능하게될것이다 접합툴의형상설계에있어서프로브와숄더의형태에대한다양한검토가현재진행되고있다 또한접합 부에프로브의흔적이남게되어강도를저해하는단동식툴에서흔적을남기지않는복동식툴이개발되어이의신뢰성에대한검토가진행되고있다 앞으로접합부의기계적성질을향상시키면서더욱장수명을보장하는새로운형상의툴이등장하게될것이다 8.2 이종재료접합자동차 철도차량 선박 항공기등각종수송기계의경량화요구는더욱증대해가고있다 이들수송기계의경량화를달성하기위해서는철강소재와경금속합금간의이종재료또는알루미늄합금과마그네슘합금간 티탄합금간의이종경금속간의접합기술이필수적이다 또한금속재료와플라스틱소재와의이종소재간의접합이매우중요하다 이러한이종재료의접합은재래의저항점용접으로는재료마다고유저항값의차이로인해접합이어렵기때문에 공정이가장적합한대안으로떠오르고있다 현재이종재료간의접합은다양한연구가진행되고있으나실용화단계에는이르지못하고있다 이종재료접합에서계면에서생성되는금속간화합물이접합강도를저해하는요인으로작용하고있음이밝혀지고있다 따라서이의제어방법이확립되면철강재료와알루미늄합금 또는마그네슘합금간의접합방법이확립되어각종수송기계의경량화에크게기여하게될것이다 8.3 접합공정의모니터링기술 공정을생산라인에적용하기위해서는접합부의건전성과신뢰성을실시간으로모니터링하는기술이필요하다 그러나이러한기술은현재확립되어있지않다 현재이용하고있는방법은알루미늄합금의겹치기이음의경우에프로브의압입시위판의잔여두께가접합강도와직선적인관계가있음에착안하여잔여두께를제어하여접합부의강도를보증하는방법을취하고있다 그러나이러한방법은판재의두께 대상재료의변화에효율적으로대응할수없다 접합공정의모니터링방법으로음향방출법 에의한모니터링기법에관한연구가국내에서발표되고있어 매우고무적으로생각된다 모니터링방법이확립되기까지는앞으로이에관한많은데이터가축적되어야할것이다 금후이러한음향방출법이외에도여러가지비파괴적으로실시간모니터링기법기술이개발확립될것이다

8 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 8.4 FSSW-레이저하이브리드공정개발 마찰교반용접 방법의특징을살려고융점소재의 접합을위해현재 레이저하이브리드공정이다양하게연구검토되고있다 공정에있어서도이러한하이브리드시스템이개발되어고융점소재또는두꺼운판재의접합시매우유용하게쓰일것으로예측된다 8.5 로봇시스템화기술현재 의로봇채용은일본의 중공업에서개발되어 자동차 자동차등자동차생산라인에적용되고있다 그러나이들시스템은공정의모니터링이나대상소재와두께의변화에따른툴의자동교환시스템등에미흡한부분이남아있는것으로파악되고있다 따라서금후이러한시스템이보완되고보다능률적인로봇시스템이개발될것으로예상된다 8.6 향후 FSSW기술의응용전개현재 기술이적용되고있는분야는자동차분야에국한되고있는것으로파악되고있다 그러나 기술의원천기술인 기술이이미적용되고있는알루미늄고속선박 우주항공 철도차량분야에 기술이빠르게확산되어갈것으로예상된다 고속선박선체의상부구조 선체패널등에유럽에서는현재 기술이적용되고있다 이를 기술로대체함으로서보다효율성과경제성을증진할수있고 이들구조를 기술을이용하여알루미늄과철강또는마그네슘간의이종접합구조로함으로서경량화와경제성을동시에만족하는구조가될것으로예상된다 항공우주분야에서는미국의 사가 분야에서가장많은특허를등록또는출원하고있다 이회사에서는이미로켓연료탱크와항공기부재에 기술을적용하고있다 금후 기술의연장기술인 기술은항공기의동체제작에재래의리벳접합을대체해갈만큼크게확산되어갈것으로예상된다 기술을응용하여철도차량을제작하는기술은일본이가장앞서있어 차량의알루미늄패널제작에 기술이폭넓게응용되고있다 이를 기술로대체하면효율성과경제성의증진을가져올수있고 알루미늄과마그네슘등이종재료접합구조를사용 할수있어강도나내식성등의특성에맞는맞춤형구조가가능할것으로예상된다 소형휴대용기기 냉장고 등가전분야에서기존의저항점용접의대체기술로서 기술은경제성 효율성 외관의미려성을만족할수있기때문에이분야에서도매우많은가능성을지니고있다 9. FSSW기술의국내개발전략 9.1 FSSW기술의국내정착화와인식제고 기술이국내에서확산보급되지못한이유중의하나로 마찰교반용접 기술의 와의로열티문제에대한오해를들수있다 그러나 기술은 의범주에속하지않음으로로열티문제에서자유롭다 또한 의로열티문제는 년에는종료되기때문에국내에서도이에대응하여개발전략을세울필요가있다 또하나의문제는이기술에대한인식부족이다 이를극복하기위해서는이기술에관한산학 관연의연구개발위원회의활동을통해인식을확산시켜나갈필요가있다 현재대한용접접학회내에 연구위원회가결성되어매년정기적인활동이이루어지고있으나이의활동이보다활성화될필요가있다 국내에서 접합부의신뢰성향상을위한연구개발활동이보다활성화되어야한다 다양한소재를대상으로한접합성연구는국내에서이루어지고있으나접합강도를향상시키기위한연구활동이매우미흡한상황이다 외국에서이루어지고있는접합계면의사전처리나 복동툴 을이용함으로서신뢰성높은접합강도를얻기위한공정개발에관한연구는전무한상황이다 9.2 산학관연협력연구체제의구축앞으로선진국들과의기술격차를좁히고중국 인도 브라질등후발국의추격에대응하기위해서는미래기술에대한중장기개발과제를도출하여국내의연구개발역량을집중시킬수있도록산 학 관 연이협력하는연구체제의구축이필요하다 미국 독일 일본등의선진국들은고도의기술력과연구인력을갖춘대형제조업체가많고기업 대학 국공립연구기관들의협력연구가활성화되어연구투자 연구시설 연구인력등연구개발인프라에서한국을압도

9 김영식 한다 이에대하여국내의경우에는연구인력이중소기업체에소량으로한정되어있어연구의질과양에서선진국들보다매우취약한형편에있다 9.3 FSSW에관한규격화신뢰성있는 접합부를얻기위해서는용접결함을방지하고고강도의접합부를위한공정기준을개발하여야한다 모델링과시뮬레이션은용접공정을이해하는데도움을줄수있을것이다 이러한결과를통해알루미늄이나마그네슘등비철재료에대한 공정의가이드라인이제시되어야한다 의원천기술인 의경우에는 년부터 규격화가세계적인활동으로이루어지고있다 에관해서는일본에서위원회가결성되어가장적극적인활동이이루어지고있다 국내에서도이러한세계적인규격화움직임에능동적으로동참해야할필요가있다 10. 결론 마찰교반점용접 이하 라함은재래의저항점용접과비교하여에너지효율이높고 흄 발생이적으며 부재겹침부의표면성상에영향을크게받지않는다 또한접합강도가저항점용접보다높고우수한접합품질을얻을수있는경제적이고고효율의용접법이다 이접합법은 년에일본에서실용화된이래 등자동차회사에서자동차의차체생산라인에적용되어경량화와생산비절감을실현하고있으며 자동차누적생산대수가 만대가넘을정도로실용화가진척되고있다 데이터베이스에의하면세계적으로 년부터 에관한논문이 년을제외하고 건이상씩발표되고있으며 년이후특허출원건수는 건에이른다 이중 정도가일본출원특허이며 우리나라의연구논문발표건수나특허출원건수는전체의 정도에이른다 현재진행중인연구대상은알루미늄합금동종간 알루미늄과철강소재와의이종재료간접합을위한최적의접합공정변수개발에관한연구가가장많은비중을차지하고있으며 접합툴의형상설계에관한연구가그다음을차지하고있다 그러나실용화를위한접합공정변수의가이드라인을제시하는수준에는이르지못하고있다 우리나라의 연구개발활동은논문발표건 수나특허출원건수에서전체의 수준으로저조 한상태에머물러있고 접합강도수준도외국에미치 지못하고있다 또한이기술의실용화실적은전무한 상태이다 이것은 기술의인식부족에기인한 부분이크다고생각된다 금후 기술은비철재료와철강소재와의이 종재료접합기술 장수명고효율의접합툴소재및형 상개발 접합품질보증을위한공정모니터링기술 레이저광원과의하이브리드기술 로봇시스템화기술 등의개발방향으로발전되어갈것이다 현재 기술이적용되고있는분야는자동차 분야에국한되고있는것으로파악되고있다 그러나 기술의원천기술인 기술이이미적용되고 있는알루미늄고속선박 우주항공 철도차량분야에 기술이빠르게확산되어갈것이다 나아가기존 의철강소재의자동차 선박 가전등각종산업분야에 서재래의저항점용접의대체기술로서빠르게확산되 어갈것으로예견되고있다 후 기 본기술해설은한국과학기술정보연구원이교육과학기 술부의과학기술진흥기금으로수행하는 프로 그램의성과물입니다 참고문헌 대한용접접합학회 용접접합편람 공정및열가공

10 마찰교반점용접 을이용한비철금속접합기술의연구동향과전망 연윤모 이창용 이원배 마찰교반점용접법을이용한 합금의 접합 표성은 아창용 최돈현 계알루미늄합금의마찰교 반점용접시접합변수에따른삽입하중및접합강도의변화 권준모 박경채 고영봉 마찰점접합을이용한알루미늄 계 합금의 접합특성 조현진 김흥주 노중석 마찰교반점용접 을이용한 자동차용 합금의접합성평가 김특시 조현진 김흥주 마찰교반점용접 을이용한 합금접합 천창근 박인규 엄경수 알루미늄압출재의접합강도에영향 을미치는마찰교반점용접툴형상에관한연구 한국철도학 회 년도춘계학술대회논문집특별세미나 정윤철 박성수 신형섭 마그네슘합금판재의마찰교반점용 접시툴속도가접합특성및강도에미치는영향 이창용 이재홍 이원배 저탄소강과 알루미늄합금의 이종마찰교반점용접

11 김영식 이창용 이재홍 이원배 의마찰교반점용접 김영식 년생 한국과학기술정보연구원 용접부파괴와강도 용접공정 재료공학

DBPIA-NURIMEDIA

DBPIA-NURIMEDIA 23 특집 : 마찰교반접합 수송기용알루미늄합금의마찰교반점용접적용기술 Friction Stir Spot Joining on Aluminum Alloy for Transportation Chang-Keun Chun, Heung-Ju Kim and Woong-seong Chang 1. 서론 최근자동차나항공기, 철도차량, 선박과같은수송기산업에서차체의무게를감소시켜연비향상과배기가스의양을줄이려는목적으로고강도강판이나알루미늄,