이종 소재 접합 기술: 초고장력강과 알루미늄 다이캐스팅을 결합한 33% 차체 경량화 달성 방법
본 기술 요약은 Dr. Junya NAITO와 Dr. Reiichi SUZUKI가 KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW(2020)에 발표한 논문 "[Multi-material Automotive Bodies and Dissimilar Joining Technology to Realize Multi-material]"을 기반으로 작성되었습니다.
키워드
- Primary Keyword: 이종 소재 접합 기술
- Secondary Keywords: 자동차 경량화, 멀티 머티리얼, 초고장력강, 알루미늄 합금, 차체(BIW), 알루미늄 다이캐스팅, EASW
Executive Summary
- The Challenge: 강화되는 연비 규제와 전기차 전환으로 인해 자동차 경량화는 필수적이지만, 강도 높은 강철과 가벼운 알루미늄을 하나의 차체에 결합하는 것은 기술적으로 매우 어렵습니다.
- The Method: E-세그먼트 SUV를 기준으로, 초고장력강과 알루미늄 합금(판재, 압출재, 다이캐스팅)의 적용 비율을 달리한 4가지 멀티 머티리얼 차체 설계를 시뮬레이션하고, 신규 이종 접합 기술을 평가했습니다.
- The Key Breakthrough: 멀티 머티리얼 설계를 통해 기존 강철 차체 대비 최대 33%의 경량화를 달성할 수 있음을 입증했으며, 신규 접합 기술인 EASW는 기존 방식보다 월등히 높은 접합 강도를 보였습니다.
- The Bottom Line: 미래 자동차 경량화의 핵심은 멀티 머티리얼 설계에 있으며, 알루미늄 다이캐스팅 부품의 통합과 같은 전략을 현실화하기 위해서는 혁신적인 이종 소재 접합 기술이 반드시 필요합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals
글로벌 환경 규제와 CO2 배출량 감축 목표는 자동차 산업에 전례 없는 변화를 요구하고 있습니다. 특히 연비 향상은 모든 자동차 제조사의 최우선 과제입니다. 여기에 더해, 무거운 배터리와 수소 탱크를 탑재하는 전기차 및 수소차의 등장은 경량화의 필요성을 더욱 증대시키고 있습니다.
기존에는 단일 소재(주로 강철)로 차체를 제작했지만, 경량화와 충돌 안전성이라는 두 마리 토끼를 잡기에는 한계가 명확합니다. 이를 극복하기 위해 강성이 필요한 부분에는 초고장력강(UHSS)을, 경량화가 중요한 부분에는 알루미늄 합금을 적용하는 '멀티 머티리얼' 구조가 대두되었습니다.
하지만 근본적인 문제가 있습니다. 강철과 알루미늄은 물리적 특성이 달라 용접이 불가능하며, 접합 부위에서 부식이 발생하기 쉽습니다. 특히 알루미늄 다이캐스팅을 통해 여러 부품을 통합하여 경량화 효과를 극대화하려 해도, 이를 강철 프레임에 안정적으로 결합할 방법이 없다면 무용지물입니다. 이 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 실제적인 데이터에 기반하여 멀티 머티리얼 차체의 경량화 잠재력을 평가하고, 이를 구현할 핵심 기술을 제시합니다.
Method 1: 멀티 머티리얼 차체 설계 및 시뮬레이션 E-세그먼트 SUV의 순수 강철 차체(BIW, Body-in-white)를 기준으로, 다음과 같은 4가지 설계 케이스를 구성하여 무게 감량 효과를 분석했습니다. - Case 1: 초고장력강(UHSS)을 최대한 활용하여 경량화 - Case 2 & 3: 강철과 알루미늄 합금(판재, 압출재, 다이캐스팅)을 혼합하여 경량화 및 부품 수 감소 목표 - Case 4: 알루미늄 합금의 사용을 극대화하여 최대 경량화 목표
Method 2: 성능 평가 설계된 4가지 케이스는 주요 충돌 기준(J-NCAP, IIHS, EURO-NCAP 등)에 기반한 시뮬레이션을 통해 변형량이 "Good" 등급을 만족하는지 평가받았습니다. 또한, 차체 전체의 비틀림 강성과 굽힘 강성이 각각 50Hz, 40Hz 이상이라는 동적 강성 요구조건을 충족하는지 검증했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
시뮬레이션과 기술 평가는 멀티 머티리얼 전략의 놀라운 가능성을 수치로 증명했습니다.
Finding 1: 최대 33%의 경량화 달성 및 부품 수 감소
Figure 3의 결과에 따르면, 각 케이스별 경량화 효과는 명확한 차이를 보였습니다. - Case 1 (초고장력강 극대화): 기존 대비 12% (53.5 kg)의 무게를 줄였습니다. - Case 2 & 3 (강철-알루미늄 혼합): 22~24% (약 107 kg)의 무게를 줄였습니다. - Case 4 (알루미늄 극대화): 33% (142.8 kg)라는 획기적인 무게 감량을 달성했습니다.
특히 주목할 점은 알루미늄 다이캐스팅 등을 통해 부품을 통합함으로써, 기본 모델의 부품 수(243개)가 Case 4에서는 178개로 크게 줄었다는 사실입니다. 이는 경량화뿐만 아니라 공정 단순화의 가능성도 시사합니다.
Finding 2: 신규 접합 기술(EASW)의 압도적인 접합 강도
강철과 알루미늄을 접합하는 기존의 기계적 방법(SPR, FDS 등)은 강철의 강도가 높아질수록 적용이 어려워지는 한계가 있습니다. 본 논문에서 소개된 고베제강의 고유 기술인 "EASW (Element Arc Spot Welding)"는 이러한 한계를 극복합니다.
Figure 6은 EASW와 기존 기술의 접합 강도를 비교합니다. - 인장 전단 강도(TSS) 및 십자 인장 강도(CTS) 모두에서 EASW는 SPR, FDS, REW 등 기존의 모든 이종 소재 접합 방식보다 월등히 높은 수치를 기록했습니다. 이는 접합부의 내구성과 신뢰성이 매우 뛰어남을 의미합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
- For Process Engineers: EASW 기술은 한쪽 면에서만 접근하여 접합이 가능하므로, 양쪽 접근이 필요한 SPR 같은 공정에 비해 생산 라인 설계 유연성을 높이고 설비 투자를 최소화할 수 있는 잠재력을 가집니다.
- For Quality Control Teams: 접착제나 일부 기계적 체결의 약점으로 지적되는 십자 인장 강도(CTS)가 EASW에서 월등히 높게 나타난 점(Figure 6)은, 향후 멀티 머티리얼 차체의 핵심 품질 관리 지표가 될 수 있음을 시사합니다.
- For Design Engineers: 본 연구 결과(Figure 3, Table 1)는 무게, 비용, 소재 구성(다이캐스팅 포함) 간의 명확한 상충 관계를 보여주어 초기 설계 단계에서 최적의 의사결정을 내리는 데 중요한 데이터를 제공합니다. 특히 알루미늄 다이캐스팅을 통한 부품 통합이 부품 수 감소에 효과적이라는 점은 설계 자유도를 높이는 핵심 요소입니다.
Paper Details
Multi-material Automotive Bodies and Dissimilar Joining Technology to Realize Multi-material
1. 개요:
- Title: Multi-material Automotive Bodies and Dissimilar Joining Technology to Realize Multi-material
- Author: Dr. Junya NAITO, Dr. Reiichi SUZUKI
- Year of publication: 2020
- Journal/academic society of publication: KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW NO. 38
- Keywords: Multi-material, Automotive Bodies, Dissimilar Joining, Weight Reduction, Ultra-high strength steel, Aluminum alloy, EASW
2. 초록:
본 논문은 초고장력강과 알루미늄 합금을 사용한 멀티 머티리얼 차체 설계를 소개하며, 이를 통해 기존 강철 차체 대비 12%에서 33%의 예상 중량 감소를 실현한다. 또한, 멀티 머티리얼 차체 실현에 필수적인 이종 접합에 대한 설명과 함께 고베제강이 독자적으로 개발한 이종 접합 기술을 포함한다.
3. 서론:
지구 환경 보호를 위한 조치로서 CO2 배출량 감축을 목표로 하는 연비 규제가 각국에서 강화되고 있다. 자동차에 요구되는 연비, 환경 성능, 운동 성능, 안전 성능 수준은 나날이 높아지고 있다. 내연기관차(ICEV)의 효율 개선과 더불어, 하이브리드차(HEV), 플러그인 하이브리드차(PHEV), 전기차(EV), 연료전지차(FCV)와 같은 전동화 움직임이 가속화되고 있다. 이러한 전동 차량들은 배터리나 수소 탱크와 같은 무거운 부품을 추가로 장착하므로, 운동 성능과 충돌 성능을 고려할 때 파워트레인의 종류와 관계없이 차량 전체의 경량화 요구는 동일하게 유지된다. 최근에는 고급차를 중심으로 알루미늄이 광범위하게 사용되고 있으며, 경량화 및 충돌 안전 규제 강화를 위해 대중차의 차체 프레임에도 고장력강판이 사용되기 시작했다. 더 나아가 일부 고급차에서는 마그네슘 합금, CFRP와 같은 수지도 채택하여 차체 중량을 더욱 줄이고 있다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
강화되는 환경 규제와 차량 전동화 추세에 따라 자동차의 경량화 요구가 지속적으로 증대되고 있다. 단일 소재로는 경량화와 안전성능을 동시에 만족시키기 어려워, 초고장력강과 알루미늄 합금 등 다양한 소재를 조합하는 멀티 머티리얼 구조가 필수적인 해결책으로 부상했다.
이전 연구 현황:
유럽과 미국에서는 경량화 프로젝트를 통해 멀티 머티리얼 차체의 중량 감소 효과를 예비 계산한 바 있으나, 특정 차체에 대해 적용 소재의 비율과 경량화 효과 간의 관계를 구체적으로 추정한 사례는 거의 공개되지 않았다.
연구의 목적:
본 연구는 초고장력강과 알루미늄 합금을 활용한 멀티 머티리얼 차체 설계를 소개하고, 소재 적용 비율 변화에 따른 차체 중량 감소 효과를 시산(試算)하는 것을 목표로 한다. 또한, 멀티 머티리얼 차체 구현에 필수적인 기존의 이종 금속 접합 기술과 고베제강이 개발 중인 저비용 이종 금속 접합 기술의 사례를 소개한다.
핵심 연구:
E-세그먼트 SUV를 기본 모델로 하여, 소재 적용 방침이 다른 4가지 설계 케이스(초고장력강 극대화, 강재-알루미늄 복합화, 알루미늄 극대화)를 설정하고, 충돌 해석 및 강성 평가를 통해 각 케이스의 중량 감소 효과와 부품 수 변화를 정량적으로 계산했다. 더불어, 강철과 알루미늄 합금 접합 시 발생하는 문제점(금속간 화합물 생성, 이종 금속 부식)을 설명하고, 이를 해결하기 위한 기계적 접합 방법 및 고베제강이 독자 개발한 EASW(Element Arc Spot Welding) 기술의 메커니즘과 우수성을 제시했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
기준이 되는 E-세그먼트 SUV의 순수 강철 차체(Base model)를 설정하고, 이와 비교하여 각기 다른 소재 적용 정책을 가진 4개의 경량화 설계안(Case 1-4)을 제안하는 비교 연구 방식을 채택했다.
데이터 수집 및 분석 방법:
각 설계안은 충돌 시뮬레이션(J-NCAP ODB, IIHS small overlap 등)을 통해 안전 성능을 평가하고, 동적 강성 해석을 통해 차체의 비틀림 및 굽힘 강성을 평가했다. 이를 통해 산출된 차체 중량(BIW), 부품 수, 그리고 개략적인 비용을 비교 분석했다. 이종 접합 기술은 기존의 기계적 접합 방식들과 신규 EASW 기술의 인장 전단 강도(TSS) 및 십자 인장 강도(CTS) 데이터를 비교하여 성능을 평가했다.
연구 주제 및 범위:
본 연구의 범위는 E-세그먼트 SUV의 차체(BIW, Body-in-white)에 한정된다. 주요 연구 소재는 다양한 강도의 강철과 알루미늄 합금(판재, 압출재, 주조재)이다. 또한, 이들 이종 소재를 접합하기 위한 기계적 접합 및 하이브리드 접합 기술을 다룬다.
6. 주요 결과:
Key Results:
- 초고장력강을 최대한 활용한 설계(Case 1)를 통해 12%의 중량 감소를 달성했다.
- 강철과 알루미늄 합금을 복합적으로 사용한 설계(Case 2, 3)를 통해 22~24%의 중량 감소를 달성했다.
- 알루미늄 합금을 적극적으로 사용한 설계(Case 4)를 통해 33%의 중량 감소를 달성했다.
- 중량 감소 효과가 클수록 비용이 증가하는 경향을 확인했다.
- 새롭게 개발된 EASW 접합 기술은 기존의 이종 소재 접합 방식(SPR, FDS 등)에 비해 인장 전단 강도(TSS)와 십자 인장 강도(CTS) 모두에서 더 높은 값을 나타냈다.
Figure Name List:
- Fig. 1 Body-in-white, main specifications, and material constitution of base vehicle
- Fig. 2 Deformation of vehicle in typical cases of crash simulation
- Fig. 3 Results of light weight design
- Fig. 4 Practically applied methods of joining dissimilar metals for car body structure
- Fig. 5 Basic mechanism of EASW
- Fig. 6 Joining strength of EASW
- Fig. 7 Prototype robot system for EASW (right) and appearance of joining (left)
7. 결론:
CO2 배출 및 충돌 안전 규제를 고려할 때 자동차 차체의 무게를 줄이기 위한 지속적인 노력이 필요하며, 경량화를 위한 수단으로서 멀티 머티리얼화 추세는 불가피하다. 유럽과 미국에서는 멀티 머티리얼 차체의 실제 적용이 이미 진행되었으며, 일본에서도 각 회사가 이를 실현하기 위한 노력을 강화하고 있다. 자동차 산업은 국가 경쟁력을 대표하는 핵심 산업이므로, 산업-정부-학계 협력 및 다른 산업 및 공급망과의 협력을 포함하여 이전보다 더 큰 노력이 기대된다. 고베제강 또한 자동차 경량화를 위한 노력을 계속해서 이어나갈 것이다.
8. References:
- 1) M. Maeda et al. Knowledge creation and integration. April, 2017, pp.46-63.
- 2) H. Sakagami et al. Journal of the Society of Automotive Engineers of Japan. 2016, Vol.70, No.8, pp.42-44.
- 3) Jens Meschke. ALIVE Final publishable summary report. Nov. 2016.
- 4) Tim Skszek et al. Multi-Material Lightweight Vehicles. June 2015.
- 5) R. Suzuki. Welding technology. January 2017. pp.64-72.
- 6) R. Suzuki et al. International Institute of Welding. July 2018, Doc.XII-2390-18.
- 7) L. CHEN et al. R&D Kobe Steel Engineering Reports. 2018, Vol.67, No.1, pp.104-110.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 재설계된 차체들의 성능을 평가할 때 사용된 핵심 기준은 무엇이었나요?
A1: 논문에 따르면 두 가지 핵심 기준이 사용되었습니다. 첫째, 충돌 해석을 통해 각 부품의 변형량이 주요 충돌 기준(main collision criteria)에 따라 "Good"으로 평가되어야 했습니다. 둘째, 동적 강성 평가를 통해 차량 전체의 비틀림 강성이 50Hz 이상, 굽힘 강성이 40Hz 이상이어야 한다는 요구조건을 만족해야 했습니다.
Q2: 강철과 알루미늄을 직접 용접하는 것이 불가능한 근본적인 이유는 무엇인가요?
A2: 강철과 알루미늄을 고온에서 용접하면, 접합부에 극도로 취성(brittle)이 강한 금속간 화합물(intermetallic compounds)이 형성되기 때문입니다. 이 화합물 층은 매우 약해서 작은 충격에도 쉽게 파괴되므로, 구조적인 강도를 확보할 수 없어 용접 접합은 불가능합니다.
Q3: 신기술인 EASW는 기존 기계적 접합 방식이 가진 고장력강 적용의 한계를 어떻게 극복하나요?
A3: 기존의 기계적 접합 방식(SPR 등)은 강판을 소성 변형시키거나 관통해야 합니다. 하지만 강철의 강도가 높아질수록 이러한 변형이 점점 더 어려워집니다. 반면, EASW는 강판 자체를 변형시킬 필요가 없습니다. 대신 중공(hollow) 형태의 강철 부재(element)를 알루미늄 판에 삽입하고 그 내부를 아크 용접으로 채워 하부 강판과 용접하는 방식이므로, 핫스탬핑강과 같은 초고장력강에도 문제없이 적용할 수 있습니다.
Q4: 이종 금속 접합부에서 발생하는 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 방지하기 위한 실질적인 방법은 무엇인가요?
A4: 논문에 따르면, 가장 실용적인 방법은 접합부 표면에서 수분을 차단하는 것입니다. 이를 위해 기계적 접합을 수행하기 전에 접합 계면에 접착제를 미리 도포하는 하이브리드 접합 방식이 사실상의 표준(de facto method)으로 사용됩니다. 접착제가 수분 침투를 막아 국부 전지 형성을 방지하는 역할을 합니다.
Q5: 연구에서 상당한 경량화는 비용 증가를 동반한다고 했는데, 이를 완화하기 위해 논문이 제시하는 전략은 무엇인가요?
A5: 두 가지 주요 전략이 언급되었습니다. 첫째, 알루미늄 다이캐스팅이나 압출을 통해 여러 부품을 하나로 통합하여 전체 부품 수를 줄이는 것입니다. 둘째, 강재의 강도를 높여 기존에 필요했던 보강 부재(reinforcing members)를 생략하는 것입니다. 이러한 전략은 재료비 상승의 일부를 공정 및 조립 비용 절감으로 상쇄하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Q6: 논문에서 강조하는 EASW 기술의 핵심 장점 4가지는 무엇인가요?
A6: 논문은 EASW의 장점을 다음과 같이 요약합니다. (1) 전단 및 인장 모든 방향에서 기존 방식보다 높은 접합 강도, (2) 부재의 양쪽을 잡을 필요 없이 한쪽 면에서만 작업이 가능하여 적용 범위 확대, (3) 알루미늄/강철/강철과 같은 3층 구조 접합 가능, (4) 구조가 간단하여 수리 및 보수에도 적용 용이성.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
강화되는 환경 규제와 시장의 요구 속에서 자동차 경량화는 더 이상 선택이 아닌 필수입니다. 본 연구는 초고장력강과 알루미늄 합금을 결합한 멀티 머티리얼 전략이 최대 33%의 경량화를 달성할 수 있는 현실적인 방안임을 명확히 보여주었습니다. 그리고 이 모든 것을 가능하게 하는 열쇠는 바로 혁신적인 이종 소재 접합 기술에 있습니다. 특히 알루미늄 다이캐스팅을 통한 부품 통합과 EASW와 같은 신기술의 결합은 경량화, 부품 수 감소, 생산성 향상이라는 세 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 강력한 시너지를 창출할 것입니다.
"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 본 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper "Multi-material Automotive Bodies and Dissimilar Joining Technology to Realize Multi-material" by "Dr. Junya NAITO, Dr. Reiichi SUZUKI".
Source: KOBELCO TECHNOLOGY REVIEW NO. 38 MAR. 2020
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