DYETEC VISION 135 특집 : 자동차의차량 부품재경량화기술의최근동향 사례 8 : 경량화에공헌하는알루미늄합금의접합기술 UACJ 1) 田中晃司 1. 친환경자동차와환경 최근지구환경보호와에너지고갈위기의관점에서수송기기의경량화가더욱중요해지고있다. 그중에서도자동차의경량화

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영운 성
5 years ago
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1 특집 : 자동차의차량 부품재경량화기술의최근동향 사례 8 : 경량화에공헌하는알루미늄합금의접합기술 UACJ 1) 田中晃司 1. 친환경자동차와환경 최근지구환경보호와에너지고갈위기의관점에서수송기기의경량화가더욱중요해지고있다. 그중에서도자동차의경량화는경량소재의사용이가장효과적이며, 바디및부품철강에서알루미늄으로의전환이활기를띠고있으며, 또한수지와 CFRP 등으로대체하는것도검토되고있다. 한편, 알루미늄합금의특성을충분히살리는적용사례들과이종 ( 異種 ) 소재와의접합이큰과제가되고있다. 알루미늄합금의접합에관한새로운기술은그림 1 의마찰교반접합 (FSW; Friction Stir Welding) 1) 이나 FDS(Flow Drill Screw) 가대표적이며, 이방법들은기계적접합인고상접합이지만, 알루미늄과철강, 알루미늄과수지의이종금속 이종재료의접합기술도다종다양화되고눈부신발전을보이고있다. 또한자동차의구동시스템도진화되고하이브리드자동차, 전기자동차, 심지어연료전지차가대두됨으로서고전압배선과제어기기, 그 heat management 가중요해지고있다. 이분야에서도가볍고전도성이뛰어난알루미늄이구리에서대체되는큰수요가발생되고있으며, 향후고성능열교환기의조립이나구리와의접합이중요한과제가되고있다. 2. 접합방법의특성비교 표 1 에는자동차차체제조에사용되는대표적인접합방법의특성을나타내었다 2). 표에서와같이각접합방법에대한적용가능한두께, 설계자유도에영향을주는피팅형상, 간격이나거리에대한접합부의정확성, 텍트타임에따른접합속도, 로보트화나 line 화등의자동화로인한접합비용, 왜곡이나변형의요인에대한열영향, 내부결함및이종금속접합의가능성에대해비교하였다. 표 2 에는자동차알루미늄구성재료의조합 ( 적용부위 ) 에채용되는접합방법을정리한것이다 2). 적용부위를구성하는소재에따라최적의접합방법을선정하여경량화와비용의균형을유지하는것이중요하다. 또한구조에대해구체적인접합기술을정리한것은표 3 에나타내었다 2). 1) 타나카코우지 : 기술개발연구소나고야센터제 6 부수송재료개발실주사 나고야시미나토구 사례 8 : 경량화에공헌하는알루미늄합금의접합기술 - 35

2 표 1. 자동차의적용되는대표적인접합방법의특성비교 ( 접합및부착가능여부 ) 접합방법 적용재료두께 (mm) 적용계수형상 *1) 접합속도비용접합부의자동화정도 *2) (m/ *4) 맞대기구석용접겹침 min) 설비비시공비 열영향 ( 열변형연화 ) 내부결함 *5) 작업환경 *6) 이종금속 *7) 아크용접 미그용접 中中大 티그용접 小中大 저항용접 스팟용접 10 정도 X X 18 *3) 中大小 접착접합 10 정도 X X - 小中小 마찰접합 마찰교반접합 (FSW) 마찰교반점접합 50 X ~6.0 中小中 6.0 정도 X X 1.8 *3) 中小小 리벳 셀프피어싱리벳 6.0 정도 X X ~1.8 *3) 中大小 레이저단독 하이브리드레이저 10 X 10 大大小 10 A 5.0? 大大小 * 1) : 적용가능, : 일부가능, X 적용부가능 * 5) : 좋음, : 타공시주의필요 * 2) : 여유도높음, : 조금주의필요, X : 여유도낮음 * 6) : 좋음, : 타공시주의필요 * 3) : 1타점 /sec에서 30mm 피치접합을행한경우 * 7) : 적용가능, : 한정적가능 * 4) : 용이, : 가능은하나어려움, X 부적당 표 2. 알루미늄구성재료의조합 ( 접용부위 ) 와채용접합방법 단조재주물재압출재판재 호일프레임류, 호일, 바퀴부품프레임류판넬류 아크용접아크용접, 아크용접, 아크용접, 스팟용접, 접합용접, 마찰교반접합, 리벳용접, 프레임류프레임류, 바퀴부품프레임류, 범버 압출재 아크용접 아크용접, 마찰교반접합, 리벳용접, 아크용접, 스팟용접, 마찰교반접합, 프레임류, 바퀴부품 프레임류 표물재 아크용접, 마찰교반접합, 아크용접, 마찰교반접합, 상단 : 적용부위하단 : 접합방법 단조재 테마기획

3 표 3. 대표적인 All 알루미늄차체채용사례 구조 모노코크 스페이스프레임 자동차명 / 메이커 NSX/ 혼다 1990 XJ/Jaguar 2003 A8/Audi 1994 인사이트 / 혼다 1999 A2/Audi Modena/ 페라리 1999 New A8/Audi 2002 알루미늄구성재의비율 (%) 접합방법 판재 압출재 주물 아크 스팟 SPR 크린치 레이저 접착제 기타 SPR: 리벳 ( 셀프피어싱리벳 ) R8, S8, TT 등 /Audi - Audi 는자사스페이스프레임을채용 612 Scaglietti, F430 등 / Ferrari - Ferrari 는알코아스페이스프레임 그림 1. 마찰교반접합 (FSW) 의원리 3. 모노코크구조의알루미늄차체와접합기술 모노코크구조의대표적인 All 알루미늄차로서는 1990 년발매의혼다 NSX[ 그림 2(a)] 가있다 2). 구성하는재료로서차체성형시에부드럽고, 인화도장시에가열시키는것만으로높은강도를얻을수있으며, 베이크하드성 (bake harden able) 이뛰어난 6000 계알루미늄합금판을적용하고있어프레스성형된판재의조립에서는강판과같은저항스팟용접이많이이용되었다. 최근에는알루미늄합금의판프레스의접합에는그림 3 에나타난것과같은저에너지의마찰교반점접합 (Friction Stir Spot Welding) 3),4) 이이용되게되었다. 강철제품의회전공구를겹친알루미늄판에삽입 교반하여소성유동을발생시켜상하의판을일체화시키고서회전공구를제거하는접합법이며, 마쯔다, 토요타에서많이이용되고있다. 마쯔다는알루미늄합금제의트렁크리드와강판의경첩부의이종금속접합을마찰교반점접합으로진행하고있다 5). 사례 8 : 경량화에공헌하는알루미늄합금의접합기술 - 37

그림 2. All 알루미늄차체의외관 유럽에서는선환 ( 선타공 ) 이불필요하고강판과의접합도가능한이음새강도가높은셀프피어싱리벳 (Self-Piercing Rivet) 이

최근에는끝단이날카로운나사가고속회전하면서판을찢고마지막에는회전수를늦추면서체결하는플로우드릴스크류 ( 그림 4) 가 Audi 차종인 TT 와 R8

강판을이용한차체구조의각부분에는이이용되고있지만, 알루미늄합금인 Audi 차종인 A2 의필러부분에 YAG, A6 는도어이너의분할부에는반도체이사용되었다.

4 그림 2. All 알루미늄차체의외관 유럽에서는선환 ( 선타공 ) 이불필요하고강판과의접합도가능한이음새강도가높은셀프피어싱리벳 (Self-Piercing Rivet) 이 Audi 나 BMW 에많이이용되고, 이음새강도는약하지만제 3 의부품이불필요한클린치접착의조합도재규어 XJ 등에서이용되고있다. 최근에는끝단이날카로운나사가고속회전하면서판을찢고마지막에는회전수를늦추면서체결하는플로우드릴스크류 ( 그림 4) 가 Audi 차종인 TT 와 R8 의강판체결부위를포함하여많은차종에서이용되고있다 6). 또한최근의사례로그림 5 에나타낸것과같이못박기타입의기계적접합도일부적용되어오고있다 7). 강판을이용한차체구조의각부분에는이이용되고있지만, 알루미늄합금인 Audi 차종인 A2 의필러부분에 YAG, A6 는도어이너의분할부에는반도체이사용되었다. 기존의 YAG 레이저는알루미늄으로의에너지흡수율이낮기때문에고파워의기를필요로하였지만, 반도체레이저는알루미늄에의에너지흡수율이높은파장광을발진원 ( 發振原 ) 으로하기때문에에너지효율이좋은용접이가능하다. 또한여러차종에서트렁크리드의넘버프레임의상, 하를 6000 계합금으로별개의프레스로성형하고이것의이음새필러들은반도체을실시하여외관이분할되어보이지않으며수려한접합이된다. 한편 2 분할로프레스성형된트렁크리드의접합은외에보이지않는부분을클린치로보강된접착으로하고있는것도있다. 현재차체용알루미늄합금의은생산성과코스트의측면에서화이버레이저 (Fiber laser) 에의한리모트용접이주류가되고있다. 그림 3. 마찰교반점접합그림 4. 플로우드릴스크류 (ELOT 社 ) 38 - 테마기획

5 그림 5. 못박기식의기계적접합 ( 예 : 베르호프 (BOLLHOFF) 社 ) 최근에는차체의멀티메티리얼 (material) 화가진행되어차체의앞부분혹은상부를주로강판을이용하던것에서알루미늄합금판으로교체되어조종안정성을향상시키려는움직임이있다 년발매가처음이루어진 BMW 5 시리즈에는프론트멤버의알루미늄과후부의강판과의접합으로셀프피어싱리벳과트랜지션피스를채용한이종금속접합이행하여졌다. 알루미늄과강철의피복재료를통해알루미늄끼리는미그용접, 강철끼리는프로젝션용접으로접합하였다. 또한알루미늄합금과강철의접합으로는 2011 년시판된랜지로버이보크 (Range Rover Evoque) 와같이알루미늄합금의루프와강철의사이드멤버의전장을접착ㆍ접합하고있는예가있다. 일부셀프피어싱리벳을병용하고있지만, 대부분을구조용접착제의강도정도를가지게하고있다. 단, 열변형억제와부식방지를위한접착제의양이나성상의선정에상당한분석작업을필요로하고있다. 4. 스페이스프레임구조의알루미늄차체와접합기술 스페이스프레임구조의대표적인 All 알루미늄차로서는 1994 년발매된 Audi A8[ 그림 2(b)] 이있고, 고급차종에알루미늄압출형재료가많이이용되고있다 ( 표 2). 초기에는고품질주물이음새를삽입시켜미그용접으로조립되고있었지만, 최근에는형재료끼리직접미그용접하고있다. 압출에는압출성이좋은 6000 계합금이많이이용되고동종의용가재 ( 鎔加材, filler metal) 를필러로한미그용접이주류이지만, 안정된품질의이음새를얻으려면, 굴곡된형태의재료간에는갭이크고, 산화나오버랩등의문제가있다. 자동차의스페이스프레임구조로는압출성이좋은 6000 계합금이이용되지만, 강도를올리려고하면 Mg 2 Si 량을늘리지않으면안된다. 이러한합금으로는용가재의선정을잘하면용접금속에분열은생기지않지만, 용융부에인접한모재의열영향이있는부위에서는용접시응력이나입열과다에의해입계에서석출된저융점의 Mg 2 Si 이발생되어입계균열 (microfissure) 이발생할수있다. 압출재의결정조직을미세하고균일하게되면 microfissure 가생기기어려운용접구조용재료가얻어진다. 알루미늄합금의박판에적절한용접법으로서교류펄스미그용접법이개발되고있다. 교류펄스미그용접은산화가적고갭여유가뛰어나기때문에자동차의골격에판을용접하는등박판의접합에적합하다. 저주파펄스미그용접은수백 Hz 의펄스전류에 1~10 Hz 정도의저주파를중첩하여아크길이를변화시키면서용접하는것이가능하고, 용입의제어가용이하다. 비교적큰중첩필렛용접의갭에있어서도산화되지않게용접을할수있어복잡한형상의부재를자동용접할때, 부재의조립시에어느정도의틈새가있어도허용할수있다. 게다가용융지 ( 溶融池 ) 의교반작용으로인해블로홀 (Blowhole) 의발생이억제되어용접균열감수성도개선된다. 납땜하니컴패널 (Brazed Honeycomb Panel) 은육각형또는파형의판알루미늄제코어의양면에알루미늄제면판을진공납땜하여제작되는샌드위치구조의패널로가볍고강성이높아자동차의경량화에최적이다. 이납땜하니컴패널은 Al-Si 을클래드 (Clad) 한면판을이용하여진공납땜하고, 하니컴코어와면판은각장 ( 脚長 ) 을가진강고한접합이된다. 강성을일정하게한질량의비교에서는알루미늄판의약 1/6 의중량이다. 사례 8 : 경량화에공헌하는알루미늄합금의접합기술 - 39

6 또한납땜하니컴패널은 All 알루미늄이기때문에알루미늄의특성을그대로가지고있어용접이나휨가공도가능하고리사이클도용이하다. 과거의컨셉트카 (Concept Car) 중에는이러한패널을플로어나시트등받이등의언더바디에이용되어경량, 고강성의자동차바디의시작이이루어진예도있다 ( 그림 6) 8). 최근에는생산합리화로인해코스트가큰폭으로내리고있어광범위하게이용될것이라기대된다. 5. 구조부품의알루미늄화 미그용접은 BMW 나 Benz 의자동차하부의부품인서브프레임의용접에많이이용되고있으며, 분해조사의결과에따르면우수한용접상태인것이확인되고있다. Benz 의서브프레임은고주파용접을한 5454 합금을하이드로폼에의해이형단면의파이프로되어져, 동종의판프레스와함께미그용접에의해우물정자의무늬형상으로하고있다. 혼다의연료전지차의서브프레임은 6000 계합금을연결하기쉬운이음새형상으로서조합하여로봇을이용한 FSW 에의해사다리상으로조립하고있다. 최근에는도장한강판프레스부품과알루미늄주조부품을중첩하여 FSW 시킨혼다의 ACCORD 의서브프레임에적용되기도하였다 ( 그림 7) 9). 또한전해부식방지를위하여알루미늄과강철의사이에시일재를둔상태로 FSW 를실시하고있어회전공구는알루미늄측에서삽입하고, 강철의표면에닿을정도까지삽입한다. 접합상태는레이저조사 ( 照射 ) 를실시하여열전달의속도차를이용하는미접합부검지방법을개발하여품질을보증하고있다. 테일러드블랭크는판의두께또는재질이다른판들을접합하고나서프레스성형하는방법으로재료의수율이좋고다른부품으로금형과프레스성형으로접합하는수고를덜수있기때문에강판의에서많이이용되고있다. 알루미늄합금으로는을하게되면 porosity( 기공 ) 가발생하기쉽고, 또한맞댈시판간격의정도를엄격하게관리하지않으면이음새의성형성이안정되지않기때문에이러한이유들로도접합상태가안정되는 FSW 가적합하다. 그외에 FSW 를적용한부품의예로서바퀴부품의아암 (arm) 류에도적용되고있으며 10), 파이프의양측으로요크를연결하여워크를회전시키면서 2 개소가동시에 FSW 하고있다. 복잡한형상의접합을목적으로한 3 차원의로봇접합기도개발되고있으며 11), 12), FSW 는지금까지용해용접에있어서의여러가지의결점을불식시키는획기적인방법이며, 향후활발히활용될것이다. 그림 6. 경납땜알루미늄허니캠의적용예 ( 토요타 AXV-4) 그림 7. 알루미늄 / 철의하이브리드서브프레임구조 40 - 테마기획

6. 맺은말 여기에서밝힌것외에도초음파경납땜, 전자빔용접, 회전마찰용접등새로이개발된기술과기존기술을잘개량한접합방법이알루미늄합금의접합에실용화되고있다. 이러한접합기술을잘결합하면알루미늄차체및부품등의생산비용을대폭줄이고자동차의경량화및고성능화가크게될것이다. 참고문헌 1) C. J.

4 4) 川崎重工業 ( 株 ): フリクションスポット接合システムカタログより 5) 玄道, ほか : 日本金属学会誌, 70-11(2006), pp.870-873 6) EJOT 社 : ホームページより 7) B0LLH0FF 社 : ホームページより 8) 吉田, ほか : 住友軽金属技報, 38-1(1997), p.

7 6. 맺은말 여기에서밝힌것외에도초음파경납땜, 전자빔용접, 회전마찰용접등새로이개발된기술과기존기술을잘개량한접합방법이알루미늄합금의접합에실용화되고있다. 이러한접합기술을잘결합하면알루미늄차체및부품등의생산비용을대폭줄이고자동차의경량화및고성능화가크게될것이다. 참고문헌 1) C. J. Dawes : Welding & Metal Fabrication, 1(1995), p.13 2) 岡田 :Furukawa-Sky Review, 4(2008), pp ) 古賀 : 軽金属溶接, 42(2004), p.4 4) 川崎重工業 ( 株 ): フリクションスポット接合システムカタログより 5) 玄道, ほか : 日本金属学会誌, 70-11(2006), pp ) EJOT 社 : ホームページより 7) B0LLH0FF 社 : ホームページより 8) 吉田, ほか : 住友軽金属技報, 38-1(1997), p.69 9) 宮原, ほか :Honda R&D Technical Review, 25-1(2013), pp ) M.Enomoto : 3rd Int. Sympo. on Friction Stir Welding, Kobe, Sep.(2001), CD-ROM 11) R. Sakano et. al. : 3rd Int. Sympo. on Friction Stir Welding, Kobe, Sep.(2001), CD-ROM 12) 熊谷, 田中 : 軽金属学会第 102 回講演概要 (2002), p.247 출처 : 공업재료제공 : 김태규 사례 8 : 경량화에공헌하는알루미늄합금의접합기술 - 41

Microsoft Word - KSR2014S039

Microsoft Word - KSR2014S039 2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S039 LDSS 소재를 적용한 철도차량 루프 블록 제작 Fabrication of Rolling Stock Roof Block Using LDSS 정현승 *, 임재용 *, 김정국 *, 서승일 **, 원성연 ***, 최점용 *** Hyunseung Jung *, Jae Yong Lim *, Jeong-Guk