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, 마그네슘, 플래스틱등경량재료를이용한구조화기술에대한연구를활발히진행하고있다 1.2). 이러한경량화재료중알루미늄합금의사용이가장큰폭으로성장하고있다. 알루미늄합금은철강재료에비해비강성 (E/ρ) 은철과거의동등하나비강도 (specific strength) 가거의 2배이므로구조재로사용할경우경량화효과가크다. 하지만열전도도및전기전도도가철강재료에비해 3배정도높기때문에용접성에영향을미치게된다. 자동차산업에서알루미늄합금은엔진본체와휠, 서스펜션암, 범퍼빔등주조재로주로사용되다가최근에는차체, 후드, 트렁크리드등판재로그범위를확대하고있다 3.4). 알루미늄압연재의 5계열 (Al-Mg) 은성형성이우수하여내판재로주로사용하고 6계열 (Al-Mg-Si) 합금은열처리도장에의해강도를향상시켜외판재에사용한다. 항공기산업에서알루미늄합금은동체와부품등에사용되며강도가우수한 A224, A2524와같은 2계열 (Al-Cu) 합금과 7계열 (Al-Zn-Mg) 합금이주로사용된다. 철도차량용접구조용알루미늄재료는 6계열 (Al-Mg-Si) 및 A583합금이주로사용되는데 6계열은압출이용이하여압출재로사용되며압출하기어려운부분에는 A583 압연재를사용하는것이일반적이다. 국내철도차량에서사용하는알루미늄압출재는대부분 A65를 T6열처리하여사용하고있다. 한편이러한알루미늄합금판재에저항점용접과같은용융용접을적용할경우몇가지문제점이있는것으로알려져있는데저항점용접을사용하여알루미늄합금을접합할경우스틸에비해높은전류가필요하여 용접시스템의설비비와유지비가상승과산화피막과전극과의반응에의한잦은드레싱으로인한전극수명저하요인이있다. 또한용융응고과정에서수소가고용되지못하여발생하는기공, 과도한수축응력에의한응고결함등이있다 5.6). 그리고리벳과같은기계적인체결방법을적용할경우단가상승이문제가된다. 따라서최근에는일본의자동차사에서알루미늄이적용되는트렁크나본네트, 도어등차체의무빙파트에마찰교반점용접기술을일부적용하고있으며철도차량제작사에서도차체일부분인스커트등에적용하고있다고한다. 하지만이러한마찰교반점용접기술이아직국내자동차사나철도차량, 항공기회사에서적용하고있는실적은없다. 이에본지에서는마찰교반점용접기술에대한원리및시스템특징에대하여설명하고본기술을적용하고자할때필요한툴설계방법과공정인자의영향에대하여고찰한다. 그리고수송기용알루미늄합금소재에대한동종및이종용접에대한다양한연구결과를소개하고자한다. 2. 마찰교반점용접기술개요 2.1 접합공정및원리 마찰교반점용접의공정은그림 1에서와같이크게 4 구간으로나누어접합이진행된다. (1) 회전개시 (2) 압입개시 (3) 교반 일체화 (4) 개방그림 1 마찰교반점용접공정 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 567
24 (1) 접합툴이접합하려는모재의표면에수직부분에위치한후적절한속도로회전한다. (2) 회전하는접합툴이저절한하중을가지고모재표면을눌러마찰열을발생한다. 마찰열이발생하면모재는가열되어연해져툴프로브 (probe) 가재료속으로들어간다. (3) 툴프로브가완전히모재에삽입되면툴숄더 (shoulder) 에의해더많은마찰열이발생하고숄더직하및프로브주위에서는연화된소재가프로브의회전방향과수직방향으로소성유동이발생하여교반이이루어진다. (4) 일정시간이지나면접합툴이모재로부터빠져나오고접합이완료된다. 2.2 접합부조직마찰교반점용접의접합부는그림 2와같이마찰교반용접과유사하게교반부 (stir zone) A, 기계적열영향부 (thermo-mechanically affected zone) B, 열영향부 (heat affected zone) C, 모재부 (base meta) D로구분되어진다. 교반부는접합중모재와툴숄더의마찰로인해열이발생하고툴핀에의한기계적인교반으로소성유동에인한동적재결정이일어나미세한조직을형성한다. 기계적열영향부는툴의마찰열과핀의기계적인영향을간접적으로받아일부동적회복 (dynamic recovery) 이일어나는곳과회전하는방향을따라조직의일부가연신되어거동이갈고리형상을한 kissing bond 가관찰된다. 기계적열영향부바로옆에는타용접방법에서도흔히관찰할수있는열영향부가관찰되며마찰열에의한영향을받아모재에비해결정립이조대해져관측된다. 2.3 마찰교반점용접툴마찰교반점용접에사용되는일반적인툴의형상은그림 3에서와같이크게숄더 (shoulder) 와프로브 (probe) 로나누어지는데숄더는접합시발생하는마찰열그림 2 접합부조직 Shoulder angle Shoulder diameter Pin diameter 그림 3 마찰교반점용접툴 Pin L 의 8 9% 를발생시키며접합할때발생하는재료의상하유동시방출을막아교반이이루어지도록하는역할을수행한다. 접합하는소재의종류및두께에따라숄더각을조정하는데통상 5 12 정도로설계하면적절하다. 프로브의형상은접합시재료의상하및회전방향으로직접적인유동을발생시키는역할을수행하며다양한모양으로설계되어질수있다. 프로브의길이는소재의두께및종류에따라달리설계되지만동일한강종및두께의경우통상적으로두모재두께의 65 8% 정도로설계하여제작된다. 툴의소재선정은알루미늄이나마그네슘과같은비철금속에본접합방법을적용하는경우일반공구강 (SKD, SKH) 에열처리하여사용하는것이일반적이며스틸과같이융점이높고고강도소재의접합에는초경합금 (WC) 또는질화규소 (Si 3 N 4 ), PCBN(Poly Crystalli ne Boron Nitride) 등을사용하고있다 7). 2.4 마찰교반점용접시스템 소재를겹쳐놓고점접합하는방법은크게기계적인접합과용접두가지로나눌수있다. 일반적인기계적접합방법에는리벳이나셀프피어싱리벳, 클런칭등이있으며이러한기계적인방법의가장큰장점은접합부강도가매우크며접합할때작업환경이깨끗하다는것이다. 단점은접합비용이증가하며사전에접합부구멍을내야하는공정이있으므로작업시간이과도하다는것이다. 따라서이러한단점이장점보다크기때문에실제점접합을사용하는제조공정에는저항점용접을사용하는것이일반적이고이종용접과같이저항점용접의적용이어려울경우기계적인접합을사용한다. 저항점용접시스템의구성은그림 4에서와같이용접시발생하는높은전류를발생하는전원반과전극을가압하는압력조정기, 전극을냉각하기위한냉각수배관, 오염된전극을손질하는팁드레서 (tip dresser), C 프레임을이동시키는로봇등매우복잡한구조로연결되어있다. 568 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28
수송기용알루미늄합금의마찰교반점용접적용기술 25 Tip Dresser 타이머제어장치 Controller 용접가전원반저항용접기 전원반 냉각수배관 Air 배관 그림 4 저항점용접시스템 Controller 그림 5 마찰교반점용접시스템 유량압력조정기 전원반 경량금속과같이고전류및단시간조건에서용접이필요한경우용접전원장치가대형화되어야하며잦은드레싱으로인한전극수명저하등의문제점이있다 8.9). 반면에마찰교반점용접시스템은그림 5에서와같이 C 프레임을이동시키는로봇과는별도로접합툴회전을위한서보모터 1개와툴의축방향이동을위한서보모터 1개만용접장치에설치하고로봇제어기에서보모터제어기를추가설치하는매우간단한시스템구성이이루어진다. 또한접합에사용되는접합툴의수명이약 1,, 타점정도이가예상되므로툴을정비하기위한추가적인설비가필요없다. 따라서전체적인설비구성이간단하여향후예상되는정비수가줄어들뿐만아니라설비비용도저렴해지는장점이있다. 또한접합시소요되는에너지가마찰열이므로작업환경이양호하고접합비용이저항점용접에비해 1/2 또는그이하라고보고되고있다 8). 2.5 공정인자 마찰교반점용접에서접합부강도에영향을미치는공정인자는숄더직경이나프로브직경, 숄더각도, 프로브길이등과같이한번제작하면조절할수없는툴 사양과같은조절불가능공정인자와툴회전속도와접합시간, 삽입깊이등작업자가시험하면서조절할수있는조절가능공정인자, 접합시툴의표면온도나 Backing Plate 재질및표면온도, 스핀들축상태, 치구의견고성과같은노이즈공정인자로구분될수있다. 따라서사용용도에맞게프로세스를설계하여야한다. 그림 6은설계가능한다양한마찰교반점용접툴의프로브형상을보여주는것으로원통모양의 Regular 프로브에나사산을새겨사용하는것이일반적이지만 Square나 Delta 모양의프로브등을사용하는데 Regular 프로브에비하여한정된조건에서인장전단강도는높게발생할수있으나적절한공정인자의조정폭은좁은것이일반적이다. 그림 7은이러한프로브형상별로접합부십자인장강도를나타내는것으로본연구결과에서는 Triangular 형상의프로브를사용한결과십자인장강도가가장크다고보고하였다 1). 그림 8은숄더또는프로부의직경과숄더각변경에따른인장전단강도의변화를나타내는것으로툴사양변경에따라접합부인장전단강도가각각다르게나타나는것이관측되었다. 숄더직경의크기가변경되면발생하는마찰열과표면으로부터발생되는소성유동의양이달라져소재내부단면조직에영향을미치게되며프로부직경의변화도소재내부에서발생하는소성유동의크기를변화시키는역할을수행하므로교반영역의크기에영향을미치게되어접합부크기가달라진다. 또한숄더각변경은접합소재상판과하판계면에서나타나는 kissing bond 의형상및길이에영향을미쳐 Cross tension strength(n) 그림 6 마찰교반점용접툴핀형상 22 2 All tools have flat shoulder and pin length of 1.2mm 18 16 14 12 1 8 6 4 2 그림 7 툴핀형상에따른접합부십자인장강도 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 569
26 6xxx series ally 1t 4. 3.5 3. 2.5 2. 1.5 1..5. 그림 8 툴크기와숄더각에따른인장전단강도 Tensile shear strength (kn) 3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3. 2.9 회전속도 15rpm, Welding Time : 1.2sec 2.8 7 8 9 1 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Tool temperature(degree) 그림 1 툴표면온도변화에따른인장전단강도 접합부강도가다르게나타나는것으로설명된다. 그림 9는접합툴이만들어진후조절가능한대표적인공정인자인툴회전속도와접합시간, 삽입깊이가접합부인장전단강도에미치는효과를실험계획법 (DOE) 에의해정량적으로분석한결과를나타내는것으로툴회전속도가접합시간이나삽입깊이보다인장전단강도에미치는영향이상대적으로커서주요공정인자임을알수있다. 또한툴회전속도가증가하면인장전단강도가급격하게떨어지는현상이발생하는데이는접합시발생하는소재내부유동이 kissing bond 의형상을변화시켜접합부강도에영향을미친다. 두께가 1mm 정도얇은소재를마찰교반용접시소재뒷면에서소재를지지하는 Backing Plate 의소재종류가열전달특성때문에접합성에영향을미치는것으로보고되고있다. 마찰교반점용접도이와비슷한현상이발생하며 Backing Plate 온도와더불어툴의표면온도도접합부강도에영향을미친다. 그림 1은툴의표면온도변화에따른접합부인장전단강도를나타내는것으로툴의표면온도가 12 까지상승할때까지인장전 Tensile Shear Strength 의평균 3.5 3.25 3. 2.75 2.5 3.5 3.25 3. 2.75 2.5 Tensile Shear Strength 의주효과도 ( 데이터평균 ) 1 15 2 Plunging Depth 1.7 Rotation Speed 1.8 1.9 1. Welding Time 1.5 그림 9 인장전단강도의주효과도 2. 점유형구석가운데 단강도도증가하다가이후 12 이상구간에서는인장전단강도가감소하는것으로나타났다. 마찰교반점용접에서이와같이툴표면온도가인장전단특성에영향을미치는이유는툴에남아있는열량과새로이발생하는마찰열이동시에부재에가해져접합부에가해지는전체입열량을변화시키기때문인것으로사료된다. 일반적으로자동차제조공정에사용되는점용접시간간격은 1 3초주기로반복하는데마찰교반점용접에도동일한주기로점용접을실시하면툴의표면온도는약 18 정도일정하게유지되고접합부인장전단강도도최고점대비약 8% 떨어지는현상이발생한다. 따라서이를고려하여에어와같은툴냉각장치가동반된다면인장강도는조금상승시킬수있을것이다. 3. 마찰교반점용접시험결과 3.1 알루미늄압연재동종 자동차용알루미늄압연재는생산하는회사별로기계적특성을증가시킨다양한종류가생산되지만주로 5계열과 6계열합금이사용되고있다. 이중에서 A552 와 A622는내판재와외판재로사용되는대표적인소재이므로동종또는이종용접이필요하게된다. 그림 11은두께 1mm A552 와 A622 소재를마찰교반점용접을이용하여동종접합을실시한단면조직을나타내는것으로두소재모두회전속도 1, rpm, 삽입깊이 1.7mm, 접합시간 2sec로동일한조건으로실험한결과이다. 두경우모두접합부단면에서교반부와기계적열영향부, 열영향부가뚜렷하게관측되었으며내부및표면에크랙이나홀이없는양호한접합이이루어졌다. 또한 A552 소재접합이 A622 소재접합보다소성유동이더욱활발히일어난결과교반부면적이크게나타나있는것이관측되었다. 그림 12는동종접합부의인장전단강도를나타내는 57 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28
수송기용알루미늄합금의마찰교반점용접적용기술 27 45 4 35 3 25 2 15 1 그림 11 알루미늄압연재동종접합부단면 5 5 1 15 2 25 3 35 Rotational speed(rpm) A552(1t) A622(1t) 그림 12 알루미늄압연재동종인장전단강도 것으로두소재모두알루미늄합금의저항점용접강도표준규격 JIS Z 314에서제시한크기보다약 15 2% 높게나타났다. 모재강도가더높은 A622의접합보다 A552 접합부의인장전단강도가더높게나타나는조건구간이발생하였는데그이유는크게두가지로설명가능하다. 첫째열처리된 6계알루미늄합금이접합시발생하는온도상승및하강에의한열처리효과가사라져소재의기계적인물성이저하되기때문이다. 둘째는접합후접합단면형상때문인데그림 11의단면사진에서관찰한바와같이 A552 동종접합의경우접합이이루어지는온도에서의소성유동과소재의변형이 A622 동종접합에비하여작게발생하여접합부단면적이증가하기때문이다. 3.2 알루미늄압연재이종 그림 13은 A552와 A622 소재의이종마찰교반용접실시단면조직을나타내는것으로상판이 A552 일때와 A622 일때의결과를비교한것이다. 동종접합의 그림 13 알루미늄압연재이종접합부단면단면조직에서와같이상판이 A552 일경우 A622일때보다툴의압흔자국이더욱선명함과동시에열변형이심하게나타났다. 하지만두경우모두프로브주위에서교반영역이발생하는양호한접합부형상을보인다 11). A552 와 A622의이종접합의인장전단강도는그림 14에서와같이상판이 A622 인경우가반대의경우보다전반적으로높게나타났으며이는고온에서의소재변형이 A552 소재가 A622 보다많은것이직접적인원인인것으로판단된다. 3.3 알루미늄압출재동종국내수송기용알루미늄압출재는주로철도차량의차체제조에사용되며주요소재는 A65를 T6열처리하여사용하는것이일반적이다. 그림 15는두께 2.8mm A65-T6 소재를숄더직경 Φ15, 프로브직경 Φ5, 숄더각 6, 프로브길이 4.5mm의툴을이용하여마찰교반점용접한단면사진을나타내는것으로교반부는제법뚜렷하게관측되었으나기계적열영향부와열영향부는매우희미하게보이며자세히관측하면모재의결정립과교반부의결정립크기는제법차이가남을알수있 45 4 35 3 25 2 15 1 5 Upper A622(1t)+Bottom A552(1t) Upper A552(1t)+Bottom A622(1t) 5 1 15 2 25 3 35 Rotational speed(rpm) 그림 14 알루미늄압연재이종인장전단강도 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 571
28 Stir Zone Base Metal 그림 15 알루미늄압출재접합부단면 Koji 등은알루미늄합금을스틸상부에위치한후접합툴프로브가상부알루미늄합금두께의약 9% 만관통하게한후적절한툴회전속도를가하여시험하였다. 시험결과프로브직하두소재의표면에존재하는산화층이파괴되어원자간의확산이발생하여그림 18과같이동일한두께의알루미늄합금의저항점용접필요강도보다우수한 3.6kN/weld 의인장전단강도를얻었다고한다. 또한이종용접의접합계면에서흔히발생하는금속간화합물이발생하지않고 2 4nm의아몰퍼스층 (amorphous layer) 이발생하여양호한접합이이루어졋다고설명하였다 12). 었다. 압출재도압연재와같이접합부표면및내부에크랙이나홀은관측되지않는양호한접합이이루어졌다. 그림 16은접합부단면의경도분포를나타내는것으로상부와하부로나누어측정한것이다. 실험에사용된알루미늄합금이열처리한석출경화형합금이므로모재보다접합부경도가전체적으로떨어지는현상이발생되었으며열영향부는마찰열에의해조직이성장하여경도가많이떨어지나열영향부를지나교반영역에서의경도는모재경도의약 8% 로약간회복되었다. 3.4 알루미늄-스틸이종스틸은경제성은물론기계적성질이우수하여종래수송기용재료로많이사용되어지고있으므로이러한스틸과수송기용알루미늄합금의적절한조합을위한구조화기술이필요하다. 하지만스틸과같이강도가우수한소재에알루미늄합금과같은비철금속에적용하는마찰교반점용접기술을그대로적용하면접합툴의수명이매우짧아비경제적이다. 따라서최근에는 Koji 등과같이스틸을관통하지않고마찰교반점용접하는방법을제안하는사례가늘고있다. 그림 17과같이 4. 맺는말 최근국제학회나세미나등에마찰교반점용접기술에관한연구내용이나적용사례등이점차많이보고되고있을뿐만아니라국내자동차사와철도차량제작사에서도본접합기술에대한관심이고조되고있는것같다. 이러한사례로보아마찰교반점용접기술이종래의점용접기술에비해매력적인기술임이틀림없는것같다. 따라서본지에서는마찰교반점용접기술에대한전반적인특징과연구결과를고찰하였다. 검토결과마찰교반점용접기술은타용접방법또는기계적체결방법에그림 17 알루미늄과스틸의이종용접 Vickers hardness(hv) load :.3kgf 195 18 165 15 135 12 15 9 75 6 Upper plate Bottom plate -15-1 -5 5 1 15 Distance from weld center (mm) 5 4 3 2 1.15.2.25.3.35.4 Remainder thickness of Al sheet(mm) 그림 16 알루미늄압출재접합부경도 그림 18 알루미늄과스틸의이종인장전단강도 572 Journal of KWJS, Vol. 26, No. 6, December, 28
수송기용알루미늄합금의마찰교반점용접적용기술 29 비하여우수한경제성을보유하고있다고판단되었다. 접합성시험결과알루미늄압연재및압출재의동종과이종용접의접합성은타점용접방법에비하여우수한접합성이도출되었으며알루미늄과스틸의이종용접에대해서는추가적인연구가필요하지만비교적긍정적인결과가도출되었다. 한편현재마찰교반점용접기술이많은장점이있음에도불구하고아직폭발적으로보급되지못하고있는것은몇가지원인이있는데대표적인원인이알루미늄이나마그네슘같은경량합금의사용률이아직스틸에비하여현저히떨어지기때문인것같다. 또한이러한소재사용의비율이향후급격히변화되리라고도예측되지않으며한동안은알루미늄합금과스틸의공존이계속될것으로예측되므로본기술이지금보다더적극적으로실용화되기위해서는알루미늄과스틸, 알루미늄과마그네슘과같은이종소재용접기술에관한연구개발에초점이맞춰져야될것같다. 참고문헌 1. Woong-Seong Chang, Ki-Yong Choi, Sook-Hwan Kim and Young-Gak Kweon : Some Aspects of Friction Stir Welding and Its Application Technologies, Journal of KWS, 19-6 (21), 575-583 (in Korean) 2. Yun-Mo Yeon, Won-Bae Lee and Seung-Boo Jung : Microstructures and Characteristics of Friction-Stir- Welded Joints in Aluminum Alloys, Journal of KWS, 19-6 (21), 584-59 (in Korean) 3. Hyeon-Jin Cho, Heung-Ju Kim, Chang-Keun Chun and Woong-Seong Chang : Evaluation of Friction Spot Joining Weldability of Al Alloys for Automotive, Journal of KWS, 24-4 (26), 285-289 (in Korean) 4. Heung-Ju Kim, Chang-Keun Chun, Sook-Hwan Kim and Woong-Seong Chang : Microstructures and Mechanincal Properties of the Friction Stir Welded Dissimilar Joint of AZ31B/A661, Journal of KWS, 24-4 (26), 29-294 (in Korean) 5. Yun-Mo Yeon, Chang-Yong Lee, Won-Bae Lee, Seung- oo Jung and Keun Song : Joint Characteristics of Spot Friction Stir Welded A552 Alloy Sheet, Journal of KWS, 24-1 (26), 71-76 (in Korean) 6. Yun-Mo Yeon, Chang-Yong Lee, Won-Bae Lee, Seung-Boo Jung and Woong-Seong Chang : Spot Friction Stir Welding and Characteristics of Joints in Aluminum Alloys, Journal of KWS, 23-3 (25), 228-232 (in Korean) 7. Ryoji Ohashi, Mitsuo Fujimoto, Shinji Koga, Rinsei Ikeda and Moriaki Ono : Friction Spot Joining of Steel Sheets with Silicon Nitride Tool, Proceeding 7th International Symposium on Friction Stir Welding Conference, Kobe, Japan, 28 8. Kawasaki Robot : Introduction of Joining Process and Production Systems, 24, 1-13 9. R. Sakano, K. Murakami, K. Yamashita, T. Hyoe, M. Fujimoto, M. Inuzuka, Y. Nagao, H. Kashiki : Development of Spot FSW Robot System for Automobile Body Members, 3rd International Friction Stir Welding Symposium, September, 21, 27-28 1. H. Badarinarayan, Q. Yang, F. Hunt and K. Okamoto : Effect of Pin Geometry on the Joint Strength of Friction Stir Spot Welded Aluminum Alloys, Proceeding 7th International Symposium on Friction Stir Welding Conference, Kobe, Japan, 28 11. Chang-Keun Chun, Heung-Ju Kim, Teuk-Gee Kim and Woong-Seong Chang : Dissimilar Friction Spot Joining : A552-H32/A622-T4, Journal of RIST, 21-2 (27), 153-159 (in Korean) 12. Koji Tanaka, Masaki Kumagai and Hideo Yoshida : Dissimilar Joining of Aluminum Alloy and Steel Sheets by Friction Stir Spot Welding, Proceeding 7th International Symposium on Friction Stir Welding Conference, Kobe, Japan, 28 김흥주 1975년생 포항산업과학연구원 고상용접응용기술, 용접부구조해석 e-mail : welding@rist.re.kr 천창근 1968년생 포항산업과학연구원 마찰교반용접, 초음파, 용접공정기술 e-mail : ckchun@rist.re.kr 장웅성 1959년생 포항산업과학연구원 철강및비철용접성, 신용접응용기술 e-mail : wschang@rist.re.kr 大韓熔接 接合學會誌第 26 卷第 6 號, 28 年 12 月 573