“볼트도, 리벳도 필요 없는 고강도 접합 기술, FSW”

FSW(마찰교반용접, Friction Stir Welding)은 고체 상태에서의 용접 기술로, 기존의 융합 용접(fusion welding) 방식과는 전혀 다른 원리로 작동합니다. 1991년 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 이 기술은 특히 알루미늄과 같은 경금속을 정밀하고 강하게 접합할 수 있어, 항공, 자동차, 철도, 조선 등의 산업에서 각광받고 있습니다.
FSW는 용접부의 품질, 강도, 신뢰성이 매우 높은 차세대 정밀 접합 기술입니다. 특히 알루미늄처럼 기존 융합 용접에서 취약한 재료를 정밀하게 접합할 수 있다는 점에서, 친환경 경량화 기술이 중요한 현대 산업에서 매우 유망한 기술로 평가됩니다.

CASTMAN의 FSW 기술

CASTMAN은 FSW 장비를 운영하여 복잡한 3D 형상 제품의 정밀 용접을 가능하게 합니다. 시제품 제작 및 소량 생산부터 대량 생산까지 고객의 요구에 맞춘 종합적인 솔루션을 제공합니다.

당사는 알루미늄, 구리 등 비철금속의 고품질 용접을 전문으로 하며, EV 배터리 케이스, 냉각판(콜드플레이트) 및 다양한 전자 부품을 포함한 광범위한 적용 분야에 전문성을 갖추고 있습니다.

FSW에 대한 문의사항이 있으시면 언제든지 CASTMAN에게 연락 주시기 바랍니다.

1. FSW 기술 개요

마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 나사산 모양의 비소모성 공구를 고속 회전시키며 피접합재에 삽입, 마찰열로 재료를 연화시킨 후 공구의 교반 작용으로 재료를 혼합하여 접합하는 고상용접 기술임.
1991년 영국 TWI에서 개발 및 특허 등록.
기존의 용융용접 대비 낮은 열 입력, 높은 기계적 강도, 친환경성, 자동화 용이성 등 다양한 장점 보유.
적용 가능한 재료는 주로 알루미늄, 마그네슘 등의 경량합금이며, 최근에는 탄소강, 구리, 티타늄 등으로 확장 중.
단점으로는 공구 삽입 자국, 복잡한 형상 접합의 어려움, 뒷면 지지재(back-up) 필요 등이 있음.

2. 설비 및 기자재

FSW 설비는 제어반, 주축부, 이송테이블, 고정용 지그(JIG) 등으로 구성됨.
가장 핵심 장비는 공구(tool)로, 이는 probe(삽입부), shoulder(마찰부), grip(고정부)로 구성됨.
공구의 재질, 형상, 코팅 등에 따라 접합 품질에 큰 영향.
견고한 고정장치(JIG)가 필수적이며, 공구 설계와 함께 probe의 형상이 접합 품질을 좌우함.

3. 공정 및 공구 영향

FSW 공정은 ①회전(Rotation) → ②삽입(Plunging) → ③유지(Heating) → ④용접(Welding)의 네 단계로 구성됨.
공구 재질, 회전속도, 전진각(2~5°), 삽입깊이, shoulder 형상 등이 공정 변수로 작용.
Probe 형상은 나사산 구조 또는 복잡한 형상으로 가공되며, shoulder는 열 발생 및 혼합 유도 역할 수행.
공구 소재로는 주로 SKH계 합금공구강 사용.

4. FSW의 작동 원리 및 장점

작동 원리: FSW는 회전하는 비소모성 툴을 두 금속판의 접합부에 삽입해 마찰열로 소재를 연화시킨 뒤, 교반하여 고상 상태에서 접합하는 기술입니다. 용융이 일어나지 않고, 볼트나 리벳 등 별도의 체결재가 필요 없습니다 .
장점
- 고강도: 접합부의 결정립이 미세해져 기존 용접보다 강도가 높음 .
- 기밀성: 용접부에 기공이나 크랙이 적어 기밀성이 우수함 .
- 친환경: 가스, 연기, 플라즈마, 스퍼터 등이 발생하지 않아 친환경적임.
- 변형 및 왜곡 최소화: 소재를 녹이지 않기 때문에 뒤틀림과 변형이 적음.
- 이종 소재 접합 가능: 알루미늄-강, 알루미늄-구리 등 이종 금속도 접합 가능 .

5. 기존 용접 방식과의 비교

구분	FSW(마찰교반용접)	기존 용융용접(아크, TIG 등)
접합 방식	고상 상태(융점 이하)에서 교반 접합	소재를 녹여 접합(융점 이상)
강도	매우 높음(미세 결정립)	소재에 따라 다름(취약부 발생 가능)
기밀성	우수(기공·크랙 적음)	기공, 크랙 등 결함 가능성 존재
친환경성	가스, 연기, 스퍼터 無	가스, 연기, 슬래그 등 발생
변형/뒤틀림	매우 적음	열영향으로 인한 변형/뒤틀림 발생
이종소재 접합	용이	어려움 또는 불가

6. 적용 사례

알루미늄 및 산업 적용 사례

알루미늄 적용: FSW는 알루미늄 합금(Al5052, Al6061 등)에 널리 사용되며, 기존 용접법으로 어려웠던 고강도·고기밀 접합이 가능 .
항공 산업: 항공기 동체, 연료탱크 등 고기밀·고강도 구조물 접합에 적용.
- 보잉 Delta II/IV 로켓, Space Shuttle, Eclipse 500 등에 적용.
- 기체 경량화 및 기계적 특성 향상 목적.
전기차/자동차: 인버터 케이스, 배터리 케이스, 모터 하우징 등 경량화와 고강도, 기밀성이 필요한 부품에 적용.
- Ford GT의 center tunnel, seat frame, wheel rim, intake manifold 등 FSW 적용.
- FSSJ(Friction Stir Spot Joining) 방식은 도어, 루프, 본넷 내부 패널 등에 활용됨.
철도: 일본 히타치 신칸센, 유럽 TGV 등 객차의 roof, floor에 적용.
선박: Marine Aluminum사 등에서 선박 deck, 격벽, 냉각판 등에 FSW 상용화.
방열제품, 기타: 반도체 장비의 냉각 부품, 전자기기 방열판 등에도 FSW가 적용되어 열전도성 및 구조적 안정성 확보(전자부품, 외장 패널, 교량, 건축물 외벽 등으로 확대 중.)

7. 향후 전망

기존 용접이 어려웠던 재료 및 복합 형상에 대한 적용 확대 기대.
TWI의 특허 제약이 상용화 확산의 장애 요인 중 하나.
FSW는 환경 친화적이고 자동화에 유리하여 차세대 융합 제조기술로 주목받고 있음.

8. FSW(마찰교반용접) 관련 주요 논문 및 PDF 자료

번호	논문 제목	주요 내용	PDF 링크
1	마찰교반용접 툴 개발 및 현황	FSW의 개발 배경, 원리, 산업 적용 현황	[보기]
2	이종 알루미늄의 FSW에서의 물질혼합에 관한 연구	알루미늄 합금의 FSW 적용, 기계적 특성, 장점	[보기]
3	마찰교반용접 모니터링을 위한 실시간 무선 툴 온도 측정 시스템 개발	FSW 공정 모니터링, 온도 측정 시스템	[보기]
4	알루미늄 합금(Al5052) FSW T-joints 용접시 툴 형상이 용접성에 미치는 영향	알루미늄 T-joint FSW 사례, 툴 형상 영향	[보기]
5	인장속도에 따른 마찰교반용접된 Al6061 합금의 파단부 상태변화에 대한 연구	Al6061 FSW 적용, 인장특성, 파단 분석	[보기]