ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING

본 소개 자료는 "International Congress Motor Vehicles & Motors 2024"에서 발표된 "ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

Figure 1 FSW process scheme (a), FSSW process stages (b) [8]
Figure 1 FSW process scheme (a), FSSW process stages (b) [8]

1. 개요:

  • 제목: ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING
  • 저자: Nada Ratković, Dragan Adamović, Srbislav Aleksandrović, Vesna Mandić, Dušan Arsić, Marko Delić, Živana Jovanović Pešić
  • 발행 연도: 2024
  • 저널/학회: 10th International Congress Motor Vehicles & Motors 2024
  • 키워드: welding, friction stir welding, welded joint, automotive manufacturing, steel

2. 초록:

차량의 구조 부재를 접합하는 공정은 자동차 산업에서 새로운 모델 개발에 중요한 역할을 합니다. 자동차 산업에 적용되는 다양한 기술 중에서도 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW) 기술이 최근 점점 더 많이 적용되고 있습니다. FSW는 고품질의 용접부를 제공하고, 에너지 효율이 높으며, 장비가 비교적 간단하고, 공정 자동화가 가능하다는 장점이 있습니다. 또한 유해 가스, 유해 방사선, 섬광, 보호 가스 분위기가 필요 없는 가장 환경친화적인 기술로, 현대 자동차 산업에 매우 중요합니다. 이 자동화된 마찰 용접 공정은 자동차 산업과 같이 대량 생산이 필요한 산업에 잘 맞습니다. 이 용접 공정의 적용 덕분에 자동차 산업에서는 이미 다양하고 새로우며 더 복잡한 제품들이 만들어졌습니다. 한편, 자동차 제조업체들은 차량의 무게를 줄이기 위해 강철과 알루미늄을 접합하는 등 완전히 다른 금속을 결합해야 하는 혼합 또는 하이브리드 소재로 만든 제품 설계에 점점 더 많은 노력을 기울이고 있습니다. 기존의 용접 방법으로는 다른 금속을 접합하는 것이 불가능했습니다. 또한, 산업용 로봇을 사용하면 복잡한 접합 라인 구성을 따라 재료를 접합하고 모든 용접 자세에서 판재를 접합하는 FSW 공정을 적용할 수 있습니다. 본 논문은 FSW 기술 공정의 기본 원리를 제시합니다. 그런 다음 이 용접 공정의 모든 기술적 구성 요소를 설명합니다. 공정 자체의 물리적 본질은 적절한 공구와 모재의 상호 작용에 기반합니다. 공구가 모재를 통과하며 회전하면 강한 마찰과 용접 재료의 혼합 결과로 기계적 에너지가 방출됩니다. 이 기계적 에너지는 열로 변환되어 접합부의 재료를 가열하고, 연속적이고 고품질의 용접부를 형성합니다. 본 논문은 선도적인 글로벌 제조업체들의 자동차 산업에서의 FSW 적용 사례를 제시합니다.

3. 서론:

현대 제조업은 더 빠르고 높은 품질의 용접 공정을 요구하며, 고품질 표준을 충족해야 하는 요구가 증가하고 있습니다. 자동차 및 항공우주 산업에서는 부품 무게를 줄이기 위해 알루미늄 및 마그네슘과 같은 경량 금속의 사용 필요성이 커지고 있습니다. 저항 점용접 및 레이저 점용접과 같은 기존의 접합 방법은 공구 마모, 열 변형 및 기공과 같은 결함의 한계를 가지고 있습니다. 이러한 과제들은 마찰 교반 용접(FSW)과 같이 혁신적이고 효율적이며 환경친화적인 용접 기술의 필요성을 부각시킵니다. FSW는 고상압력 용접 기술의 한 분야로, 최근 적용이 증가하고 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업은 연비를 개선하고 환경 기준을 충족시키기 위해 차량 무게를 줄이는 방안을 지속적으로 모색하고 있습니다. 이로 인해 알루미늄 합금 및 고장력강(AHSS)과 같은 경량 소재의 사용이 증가했습니다. 이러한 소재들, 특히 강철과 알루미늄 같은 이종 소재를 접합하는 것은 전통적인 용접 방법으로는 상당한 어려움이 있어 첨단 해결책이 필요합니다.

이전 연구 현황:

저항 점용접과 같은 기존의 접합 기술은 널리 사용되지만, 높은 에너지 소비, 공구 성능 저하, 열 변형과 같은 단점이 있습니다. 레이저 용접과 같은 다른 방법들도 결함을 유발할 수 있습니다. 이는 모재를 녹이지 않고 고품질의 접합부를 생산할 수 있는 능력 때문에 마찰 교반 용접(FSW) 및 그 점용접 변형인 FSSW와 같은 고상 접합 공정에 대한 연구 개발을 촉진했습니다.

연구의 목적:

본 논문은 마찰 교반 용접(FSW) 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공하는 것을 목표로 합니다. FSW 및 FSSW 공정의 기본 원리를 제시하고, 주요 기술 구성 요소와 매개변수를 설명하며, 선도적인 글로벌 제조업체들의 자동차 산업에서의 실제 적용 사례를 통해 그 유용성을 보여줍니다.

핵심 연구:

본 연구는 FSW가 비소모성 회전 공구를 두 공작물의 경계면에 삽입하여 접합하는 고상 접합 공정임을 설명합니다. 공구와 재료 사이의 마찰은 열을 발생시켜 재료를 가소화하며, 이 재료는 공구의 형상에 의해 기계적으로 교반되고 단조되어 높은 무결성의 결합을 형성합니다. 논문은 다음과 같은 여러 변형을 상세히 다룹니다:

  • 마찰 교반 점용접(Friction Stir Spot Welding, FSSW): 공구의 선형 이동 없이 국소적인 점용접을 생성합니다.
  • 리필 FSSW(Refill FSSW, RFSSW): 독립적으로 움직이는 두 부분(프로브와 슬리브)으로 구성된 공구를 사용하여 기존 FSSW 공구에서 남는 "이탈 홀(exit hole)" 없이 점용접을 생성하는 고급 변형입니다 (Figure 2, Figure 3).
  • 스웹트 FSSW(Swept FSSW): 공구가 원형 경로를 따라 복잡한 회전 운동을 수행하여 더 넓은 혼합 영역과 더 강한 접합부를 생성하는 공정입니다 (Figure 4, Figure 5).
    또한 이 연구는 공구 형상, 회전 속도, 삽입 깊이 및 유지 시간과 같은 중요한 공정 매개변수들이 용접된 접합부의 최종 품질을 결정한다고 명시합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 논문은 기술적 검토(descriptive review)로 설계되었습니다. FSW 기술의 기본 원리를 설명하고, 그 변형을 분류하며, 현재 적용 상태를 검토함으로써 기존 지식을 종합합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

이 연구는 저널 논문, 학회 발표 자료, 공개된 기술 보고서 등 기존 과학 문헌 검토를 기반으로 합니다. 저자들은 이 정보를 분석하여 FSW의 메커니즘을 설명하고, 다른 방법들을 비교하며, 자동차 분야의 산업적 적용 사례와 이미지를 제시합니다.

연구 주제 및 범위:

본 논문의 범위는 자동차 제조 맥락에서의 마찰 교반 용접(FSW) 및 그 변형에 초점을 맞춥니다. 기본 공정, FSSW 및 RFSSW, Swept FSSW와 같은 고급 방법으로의 진화, 핵심 공정 매개변수 및 공구 설계, 그리고 주요 자동차 제조업체에 의한 문서화된 적용 사례를 다룹니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • FSW는 알루미늄과 강철 같은 동종 및 이종 소재에서 고품질의 접합부를 생산할 수 있는 첨단, 에너지 효율적이며 환경친화적인 용접 기술입니다.
  • 마찰 교반 점용접(FSSW)과 같은 변형은 기존의 점용접을 대체하기 위해 개발되고 있습니다. 리필 FSSW(RFSSW)와 같은 고급 방법은 이탈 홀이라는 핵심적인 한계를 극복하여 매끄러운 표면 마감을 제공합니다.
  • 스웹트 FSSW 공정은 재료 혼합 영역을 넓히는 복잡한 공구 경로를 사용하여 더 크고 강한 접합부를 만듭니다.
  • 용접부의 품질과 기계적 특성은 공구 회전 속도, 삽입 깊이, 유지 시간 및 공구 형상 등 신중하게 선택된 공정 매개변수에 크게 의존합니다 (Figure 6, Figure 7).
  • FSW는 이미 Mazda, Toyota, Ford 등 주요 자동차 회사에서 후드, 리어 도어, 차체 패널과 같은 경량 부품 제조에 사용되고 있습니다 (Figure 9, Figure 10, Figure 11, Figure 12).

그림 제목 목록:

Figure 2 Schematic of the Refill FSSW process with indentation shoulder [10]
Figure 2 Schematic of the Refill FSSW process with indentation shoulder [10]
Figure 3 Schematic of the Refill FSSW process with an indentation probe [10]
Figure 3 Schematic of the Refill FSSW process with an indentation probe [10]
Figure 4 Scheme of the Swept FSSW welding procedure [6]
Figure 4 Scheme of the Swept FSSW welding procedure [6]
Figure 7 FSSW tool components: a) clamping ring, b) sleeve, c) pin [9]
Figure 7 FSSW tool components: a) clamping ring, b) sleeve, c) pin [9]
Figure 9 Example of FSW application in the automotive industry in Japan [12]
Figure 9 Example of FSW application in the automotive industry in Japan [12]
  • Figure 1 FSW process scheme (a), FSSW process stages (b) [8]
  • Figure 2 Schematic of the Refill FSSW process with indentation shoulder [10]
  • Figure 3 Schematic of the Refill FSSW process with an indentation probe [10]
  • Figure 4 Scheme of the Swept FSSW welding procedure [6]
  • Figure 5 Path of tool movement in the Swept FSSW procedure [6]
  • Figure 6 Tool model for FSSW in the joining process
  • Figure 7 FSSW tool components: a) clamping ring, b) sleeve, c) pin [9]
  • Figure 8 Robotic arm (a), tool (b), joint surface (c) [15]
  • Figure 9 Example of FSW application in the automotive industry in Japan [12]
  • Figure 10 FSW at the Lincoln factory [11]
  • Figure 11 Application of FSW for rear doors on the Mazda RX-8 [11]
  • Figure 12 Automotive components connected using the FSW procedure of the German company Inpro [11]

7. 결론:

FSW와 같은 첨단 용접 기술의 적용은 더 높은 품질, 더 효율적이고 비용 효과적이며 환경친화적인 제조에 대한 수요 증가에 부응하기 위해 자동차 산업에서 성장하고 있습니다. FSW 공정은 비선형적인 재료 유동과 열역학을 포함하여 과학적으로 복잡하지만, 높은 강도와 피로 저항성을 포함한 우수한 접합부 특성을 제공합니다. 최적의 매개변수와 공구를 선택함으로써 FSW는 탁월한 결과를 제공하며 자동차 부문 및 그 외 분야에서 성공적으로 적용되고 있습니다.

8. 참고 문헌:

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  • [3] Zou, Y., Li, W., Chu, Q., Wu, D., Su, Y., Shen, Z., Wang, F., Tang, H.: Formability and mechanical property of refill friction stir spot-welded joints. Welding in the World, vol. 65, 899-907, 2021.
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  • [8] Mukuna, P.M.: Current developments in friction stir welding (FSW) and friction stir spot welding (FSSW) of aluminium and titanium alloys, Engineering Proceedings, vol. 56, no. 1, 184, 2023.
  • [9] Zhikang. S., Yuguan. D., Wei. G., Wentao. H., Xiaochao. L., Haiyan. C., Fenjun. L., Wenya. L., Adrian. G.: Refill friction stir spot welding al alloy to copper via pure metallurgical joining mechanism. Journal of Mechanical Engineering, vol. 34. 75, 2021.
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  • [13] Andres. J., Wronska. A., Gałaczynski. T., Luty. G., Burek. R.: Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties of RFSSW lap joints of thin Al 7075-t6 sheets. Archives of Metallurgy and Materials, vol. 63, 39-43, 2018.http://dx.doi.org/10.24425/118906
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  • [15] Refill friction stir spot welding parameter development in transport industry aluminium alloys. TWI Core Research Project P31030.
  • [16] Ratkovic. N., Nikolic., R., Samardzic. I.: Structural, chemical and deformation changes in friction welded joint of dissimilar steel, Metalurgija, Vol.53, No. 4, ISSN 0543-5846, 2014. Pp 513-516.

9. 저작권:

  • 본 자료는 "Nada Ratković, Dragan Adamović, Srbislav Aleksandrović, Vesna Mandić, Dušan Arsić, Marko Delić, Živana Jovanović Pešić"의 논문입니다. "ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: [제공된 텍스트에는 DOI URL이 없습니다. 여기에 관련 DOI가 삽입됩니다. 예: 참고문헌 [1] https://doi.org/10.1155/2014/697170]

본 자료는 위 논문을 기반으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금합니다.
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논문 요약:

연구에 대한 주요 질문 및 답변:

본 논문은 자동차 산업에서 점차 많이 사용되는 첨단 고상 접합 기술인 마찰 교반 용접(FSW) 공정을 검토합니다. FSW 및 그 변형인 마찰 교반 점용접(FSSW)의 원리를 상세히 설명하고, 공정 매개변수와 공구 설계가 접합 품질에 미치는 영향을 강조합니다. 이 연구는 FSW가 경량의 고품질 차량 부품을 제작하기 위해 주요 제조업체에서 실제로 어떻게 적용되고 있는지 보여줍니다.

Q1.

자동차 산업에서 FSW가 기존 용접 방법에 비해 갖는 주요 장점은 무엇인가요?

A1.

FSW는 유해 가스, 방사선, 모재 용융 없이 고품질의 접합부를 생산하는 환경친화적인 고상 공정으로, 기존 방법에서 발생하는 기공이나 높은 열 변형과 같은 문제를 극복합니다. (출처: "INTRODUCTION", "ADVANCED WELDING TECHNOLOGIES: FSW IN AUTOMOTIVE MANUFACTURING")

Q2.

표준 마찰 교반 점용접(FSSW)의 문제점은 무엇이며, 어떻게 해결되나요?

A2.

표준 FSSW는 공구가 빠져나간 후 이탈 홀(exit hole)을 남깁니다. 이 문제는 리필 FSSW(RFSSW)라는 변형 기술로 해결되는데, 이 기술은 특수 2중 구조의 공구를 사용하여 구멍을 메워 매끄럽고 결함 없는 표면을 만듭니다. (출처: "THE FRICTION STIR WELDING PROCESS")

Q3.

스웹트 FSSW(Swept FSSW) 공정은 기존 FSSW 공정과 어떻게 다른가요?

A3.

스웹트 FSSW에서는 공구가 축을 중심으로 회전하면서 동시에 원형 경로를 따라 복잡한 움직임을 수행합니다. 이 작용은 더 넓은 영역에서 더 많은 양의 재료를 혼합하여 기존 FSSW에 비해 기계적으로 우수한 접합부를 만듭니다. (출처: "CLASSIFICATION OF FSSW WELDING PROCESSES AND THE SFSSW PROCESS", Figure 4, Figure 5)

Q4.

마찰 교반 점용접의 품질을 제어하는 핵심 매개변수는 무엇인가요?

A4.

핵심 매개변수에는 공구 삽입 깊이, 공구 회전 속도(rpm), 유지 시간(담금 시간), 공구 삽입 속도 및 공구에 가해지는 축 방향 힘이 포함됩니다. 결함을 방지하고 접합부의 무결성을 보장하기 위해 이러한 매개변수를 신중하게 선택하는 것이 중요합니다. (출처: "BASIC PARAMETERS OF THE PROCESS AND TOOL GEOMETRY")

Q5.

FSW를 이종(dissimilar) 소재 접합에 사용할 수 있으며, 이것이 자동차 제조에 왜 중요한가요?

A5.

네, FSW는 강철과 알루미늄과 같은 이종 소재를 접합하는 데 효과적입니다. 이는 차량 무게를 크게 줄여 연비를 향상시키고 배출가스를 줄이려는 자동차 산업의 목표에 매우 중요합니다. (출처: "ABSTRACT", "INTRODUCTION")

Q6.

어떤 주요 자동차 회사들이 이미 FSW 기술을 사용하고 있나요?

A6.

FSW와 그 변형 기술들은 Mazda, Kawasaki, Toyota Motor, General Motors, Ford Motor, Fiat Chrysler Automobiles, PSA Peugeot Citroen 등 여러 선도적인 글로벌 기업에서 알루미늄 후드, 리어 도어, 차체 패널과 같은 부품에 사용되고 있습니다. (출처: "APPLICATION OF FSW IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY")

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