마찰 교반 용접(FSW) 완벽 가이드: 원리, 공정 및 응용

마찰 교반 용접이란 무엇인가?

마찰 교반 용접(FSW)은 회전하는 공구에서 발생하는 마찰열을 사용하여 공작물 재료를 녹이지 않고 두 개의 마주 보는 공작물을 접합하는 고상 접합 공정입니다. 회전 공구와 공작물 재료 사이의 마찰로 열이 발생하여 FSW 공구 근처에 연화된 영역이 생깁니다.

공구가 이음선 따라 이동하면서 두 금속 조각을 기계적으로 혼합하고, 공구가 가하는 기계적 압력으로 뜨겁고 연화된 금속을 단조하여 점토나 반죽을 결합하는 것처럼 만듭니다.

주로 단조 또는 압출 알루미늄에 사용되며, 매우 높은 용접 강도가 필요한 구조물에 특히 적합합니다. FSW는 알루미늄 합금, 구리 합금, 티타늄 합금, 연강, 스테인리스강, 마그네슘 합금 접합이 가능합니다.

최근에는 폴리머 용접에도 성공적으로 사용되었습니다. 또한 알루미늄-마그네슘 합금 같은 이종 금속 접합도 FSW로 최근 달성되었습니다. FSW의 응용 분야는 현대 조선, 열차, 항공우주 분야에서 찾아볼 수 있습니다.

작동 원리

공구의 접합부 통과 진행 과정, 용접 영역 및 공구 숄더에 의해 영향을 받는 영역도 표시

FSW는 프로파일 핀이 있는 회전 원통형 공구로 수행되며, 핀 직경은 숄더 직경보다 작습니다. 용접 중 공구는 두 개의 고정된 공작물 사이의 맞대기 이음에 공급되어 프로브가 공작물에 관통하고 숄더가 공작물 표면에 닿을 때까지 진행됩니다.

프로브는 필요한 용접 깊이보다 약간 짧으며, 공구 숄더가 작업 표면 위를 탑니다. 짧은 체류 시간 후, 공구는 미리 설정된 용접 속도로 이음선을 따라 앞으로 이동합니다.

내마모성 공구와 공작물 사이에 마찰열이 발생합니다. 이 열과 기계적 혼합 공정에서 발생하는 열, 재료 내 단열열이 합쳐져 재료를 녹이지 않고 연화시킵니다.

공구가 앞으로 이동하면서 프로브의 특수 프로파일이 연화된 재료를 전면에서 후면으로 강제 이동시키고, 높은 힘이 용접의 단조 응결을 돕습니다.

플라스틱화된 금속의 관형 샤프트에서 공구가 용접선을 따라 이동하는 이 공정은 기본 재료의 동적 재결정을 수반하는 심각한 고상 변형을 초래합니다.

마찰 교반 용접 공정

마찰 교반 용접은 용접이 필요한 이음매 위를 고속으로 회전하도록 특별히 설계된 공구를 사용합니다. 공구가 금속 위를 회전하면서 그들 사이에 열이 발생합니다. 이 열로 금속이 가소화되어 서로 융합됩니다. 마찰 교반 용접은 두 가지 유형의 이음부를 용접할 수 있습니다:

• 랩 조인트
• 버트 조인트

마찰 교반 용접용 공구는 두 부분으로 구성됩니다. 이음매 위에서 회전하는 숄더라고 하는 원통형 부분과 숄더에서 연장된 프로파일 핀입니다.

핀이 먼저 이음매에 뚫고 들어갑니다. 그런 다음 숄더가 공작물 위에서 일정 시간 회전하여 최적 온도에 도달하고 재료에 흡수될 때까지 기다립니다.

그런 다음 공구가 이음매를 따라 이동하여 연속 용접을 만듭니다. 이는 공구가 생성하는 체적 가열과 프로파일 핀에 의한 금속 입자 혼합 덕분에 가능합니다. 핀이 작업 공간으로 들어가 연화된 입자를 저어 융합시키기 때문에 "교반(Stir)"이라는 이름을 얻었습니다.

마찰 교반 용접의 응용

FSW 공정은 처음에 TWI가 대부분의 산업화된 국가에서 특허를 받아 183개 이상의 사용자에게 라이선스를 부여했습니다. 마찰 교반 용접과 그 변형인 마찰 교반 스팟 용접, 마찰 교반 가공은 다음 산업 분야에 사용됩니다: 조선 및 해양, 항공우주, 자동차, 철도 차량, 일반 제조, 로봇, 컴퓨터.

마찰 교반 용접은 알루미늄을 사용하는 다양한 산업에서 응용됩니다.

조선: FSW는 처음에 어선용 중공 알루미늄 패널 용접에 사용되었습니다. 오늘날 이 용접 기술은 선체와 선체에 사용되는 알루미늄 냉동 패널 용접에 일반적입니다. FSW는 최소한의 변형을 생성하므로 알루미늄 패널이 긴 용접에도 형태를 유지합니다.

항공우주: 우주선의 극저온 산소 저장용 알루미늄 연료 탱크에 FSW가 활용됩니다. 이 접합 기술은 이 연료 탱크를 구성하는 원통형 구조물에 돔을 용접합니다. 보잉은 1999년 8월 성공적으로 발사된 델타 II 로켓의 인터스테이지 모듈에 FSW를 사용했습니다.

FSW는 항공기 동체에 보이는 경량 알루미늄 프레임 접합에도 사용됩니다. 이 기술이 볼팅이나 리벳팅보다 훨씬 가벼운 대안을 제공하기 때문입니다.

철도: 마찰 교반 용접은 중공 프로파일과 T-스티프너 압출물을 고속 열차 제조에 사용합니다.

자동차 산업: 자동차 산업은 자동차 섀시의 최적 재료로 알루미늄을 선택했습니다. 따라서 FSW 기술의 주요 채택자 중 하나입니다. 기존 용접 방법은 FSW처럼 높은 공차 부품을 재현할 수 없습니다. FSW의 빠른 용접 시간도 알루미늄에 대해 다른 용접 형태보다 더 매력적입니다.

마찰 교반 용접 vs 마찰 용접 - 차이점

마찰을 이용해 열을 발생시키는 여러 용접 기술이 있으며, 그중 가장 일반적인 것은 마찰 용접입니다. 일반적인 마찰 용접 방법에서는 이음매에서 한 공작물을 다른 공작물에 대해 이동시켜 두 공작물 사이에 열을 발생시킵니다.

두 표면 사이의 마찰로 인해 녹아 융합됩니다.

그러나 이는 공작물 설정에 있어 마찰 용접의 제한이 됩니다. 공작물이 선형 왕복 운동으로 고속 이동할 수 있어야 하기 때문입니다.

마찰 교반 용접은 공작물을 고정하고 공구를 이음매를 따라 이동시켜 용접을 생성함으로써 이 제한을 극복합니다.

마찰 교반 용접의 장점

마찰 교반 용접의 장점은 소모품이나 차폐 요소를 사용하지 않는 독특한 용접에서 나옵니다. 이는 용접에 다음과 같은 특성을 부여합니다:

• 완성된 용접이 심리스하고 미학적
• 알루미늄 2xxx 및 7xxx 시리즈처럼 그렇지 않으면 용접 불가능한 합금 용접 가능
• 완전 자동화 공정
• 어떤 형태의 플럭스나 차폐제도 불필요
• 낮은 피크 온도로 수축과 기공 균열 방지

마찰 교반 용접의 단점

• 복잡하거나 특수한 고정구 배치 필요
• 용접 판에 눈에 보이는 구멍 생성
• 높은 초기 또는 설정 비용
• 아크 용접 공정에 비해 덜 유연
• FSW는 필러 조인트 제작 불가
• 단조 불가능한 재료 용접 불가