“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
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] |
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