마찰 교반 용접(FSW): 원리, 공정, 장단점 및 응용 분야

마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW)이란?

마찰 교반 용접(FSW)은 회전 공구가 일으키는 마찰열로 두 대향 공작물을 용융 없이(고체 상태) 접합하는 공정입니다. 회전 공구와 공작물 간 마찰로 열이 발생해 FSW 공구 근처 영역이 연화됩니다.

공구가 이음선(조인트 라인)을 따라 이동하면서 두 금속을 기계적으로 교반(Stir)하고, 공구가 가하는 기계적 압력으로 뜨거워진 연화 금속을 단조(Forging)하듯 접합합니다. 마치 찰흙이나 반죽을 섞는 것과 유사합니다.

주로 압연/압출 알루미늄 합금에 쓰이며, 초고강도 용접이 필요한 구조물에 적합. 알루미늄 합금, 구리 합금, 티타늄 합금, 연강, 스테인리스강, 마그네슘 합금 접합 가능. 최근엔 폴리머 용접에도 성공했으며, 알루미늄-마그네슘 합금 같은 이종 금속 접합도 달성했습니다. 현대 조선, 철도, 항공우주 분야에 적용 중입니다.

작동 원리(Principle of Operation)

공구 진행 방향, 용접 구역, 공구 숄더 영향 영역을 보여주는 도식.

FSW는 프로파일 핀(Profil Pin)이 달린 원통형 회전 공구를 씁니다. 핀 직경은 숄더 직경보다 작습니다. 용접 시 공구를 두 클램핑된 공작물의 맞대기 이음(Butt Joint)에 밀어 넣어 핀이 공작물에 관통되고 숄더가 공작물 표면에 닿을 때까지 진입시킵니다.

핀은 필요 용접 깊이보다 약간 짧게 설계되어 숄더가 공작물 표면을 타게 됩니다. 짧은 드웰 타임 후, 설정된 용접 속도로 공구를 이음선을 따라 전진시킵니다.

내마모성 공구와 공작물 간 마찰열, 기계적 교반 공정열, 재료 내 단열열이 합쳐져 용융 없이 교반 재료를 연화시킵니다.

공구가 전진하면서 핀의 특수 프로파일이 전면의 가소화된 재료를 후면으로 밀어내고, 높은 압력이 용접부를 단조하듯 밀착시킵니다.

공구가 용접선을 따라 가소화된 금속의 관형 샤프트를 지나며 교반하는 이 과정은 모재의 동적 재결정(Dynamic Recrystallization)을 수반하는 심각한 고체 상태 변형을 일으킵니다.

마찰 교반 용접 공정 상세

FSW는 특수 설계된 공구를 고속 회전시켜 접합부 이음새 위를 지나가게 합니다. 공구가 금속 위를 회전하며 열이 발생하고, 금속이 가소 상태가 되어 서로 융합됩니다. FSW는 두 가지 이음 유형에 적용 가능:

• 랩 조인트(Lap Joints)
• 맞대기 이음(Butt Joints)

FSW 공구는 두 부분으로 구성: 이음새 위를 회전하는 원통형 숄더(Shoulder)와 숄더에서 돌출한 프로파일 핀(Profiled Pin).

핀이 먼저 이음새에 관통 진입. 숄더가 공작물 위에서 일정 시간 회전하며 최적 온도에 도달해 열이 소재에 흡수되게 함. 이후 공구가 이음새를 가로지르며 연속 용접 형성. 이는 공구의 체적 가열과 프로파일 핀의 금속 입자 교반 덕분입니다. 핀이 공작물 속으로 들어가 입자들을 '교반(Stir)'하므로 'Stir'라는 이름이 붙었습니다.

마찰 교반 용접의 응용 분야

FSW 공정은 TWI가 주요 산업국에서 특허를 내고 183개 이상 사용자에게 라이선스 부여. FSW와 그 변형(마찰 교반 스팟 용접, 마찰 교반 가공)은 다음 산업에 적용:

• 조선·해양, 항공우주, 자동차, 철도 차량, 일반 제조, 로봇, 컴퓨터

알루미늄을 쓰는 다양한 산업에 FSW 적용 사례가 있습니다.

조선(Shipbuilding)

FSW는 중공 알루미늄 패널(어선) 용접에 처음 쓰임. 현재 선체와 선체 구조물용 알루미늄 냉동 패널 용접에 보편화. FSW는 변형이 최소라 장거리 용접에도 알루미늄 패널 형상 유지.

항공우주(Aerospace)

우주선 극저온 산소 탱크(알루미늄 연료 탱크) 돔과 원통 구조물 접합에 FSW 활용. 보잉이 델타 II 로켓 인터스테이지 모듈에 FSW 적용, 1999년 8월 발사 성공.

항공기 동체 경량 알루미늄 프레임 접합에도 FSW 활용. 볼팅/리베팅 대비 훨씬 가벼운 대안.

철도(Railroad)

고속 열차 제조용 중공 프로파일, T-스티프너 압출재에 FSW 적용.

자동차(Automotive)

차체 프레임 최적 소재로 알루미늄 채택 증가 → FSW 주요 도입 산업. 일반 용접으론 불가능한 고공차 부품 구현 가능. FSW의 빠른 용접 사이클도 알루미늄 양산에 매력적.

마찰 교반 용접 vs 마찰 용접 – 차이점

마찰열을 이용한 용접 기법 중 가장 흔한 건 마찰 용접(Friction Welding). 일반적인 마찰 용접에선 두 공작물 중 하나를 이음새에서 고속으로 상대 이동시켜 마찰열을 냅니다. 두 면 마찰로 용융·융합.

하지만 이는 공작물 셋업에 제약을 줍니다. 공작물이 고속 왕복 직선 운동 가능해야 하니까요.

FSW는 공작물을 고정하고 공구를 이음새 따라 이동시켜 용접하므로 이 제약을 극복했습니다.

마찰 교반 용접의 장점

소모품이나 차폐 기법 없이 독특한 용접 방식에서 나오는 이점들:

• 완성된 용접부가 이음매 없고 심미적
• 일반적으론 용접 불가능한 알루미늄 2xxx, 7xxx 계열 합금 용접 가능
• 완전 자동화 공정
• 플럭스나 차폐제 불필요
• 저피크 온도로 수축·기공·균열 방지

마찰 교반 용접의 단점

• 복잡하거나 특수한 고정 장치 필요
• 용접 판에 눈에 띄는 구멍(핀 관통 자국) 발생
• 초기/셋업 비용 높음
• 아크 용접 대비 유연성 낮음
• 필러 조인트 불가
• 단조 불가능 소재는 용접 불가