마찰 용접(Friction Welding): 작동 원리, 주요 응용 및 장단점

마찰 용접(Friction Welding)이란?

마찰 용접은 공작물 간 상대 운동으로 기계적 마찰열을 발생시키고, '업셋(Upset)'이라 불리는 측압력을 가해 소재를 소성 변위·융합시키는 고체 상태 용접(Solid-state Welding) 기법입니다.

용융이 없으므로 융합 용접이 아닌, 단조 용접과 유사한 고체 상태 용접에 속합니다. 금속과 열가소체 모두에 적용되며 항공우주, 자동차 등 다양한 분야에서 쓰입니다.

겉보기엔 매끄러워도 미시적으론 수많은 미세 돌기(Asperities)가 있습니다. 두 면이 상대 운동하면 이 돌기들이 상호작용하며 마찰(운동 저항력)을 만듭니다. 탄성/소성 항복을 거치며 열이 발생하는데, 마찰 용접은 이 현상을 접합에 이용합니다.

기계적 운동으로 열을 내 소재를 연화·점성 상태로 만들고, 기계적 운동으로 소재를 교반해 결합시킵니다. 마찰열 발생과 소재 교반 방식은 사용 공정에 따라 크게 달라지며, 대표 4대 공정은 FSW(마찰 교반 용접), FSSW(마찰 교반 스팟 용접), LFW(선형 마찰 용접), RFW(회전 마찰 용접)입니다.

마찰 용접은 어떻게 작동하나?

FSW: 소모되지 않는 공구를 회전·압입해 두 공작물 계면에 진입시키고, 공구를 계면 따라 이동. 마찰열로 소재 연화 → 회전 공구가 연화 소재 기계적 교반 → 결합.

FSSW: FSW 변형. 랩 조인트 구성의 두 공작물에 공구를 회전·압입·후퇴시켜 '스팟' 용접. 공구가 공작물을 관통 이동하지 않음.

LFW & RFW: 별도 공구 불필요. 공작물 자체가 마찰열과 교반 주체. LFW는 압축력 하에서 한 공작물을 다른 공작물에 대해 직선 왕복 진동. 진동 면 마찰로 열 발생 → 계면 소재 연화·기계적 교반.

RFW는 공작물이 주로 원형이며 서로 회전. LFW/RFW에서 공작물은 압축 방향으로 단축('번오프, Burn-off')되며 플래시(Flash) 형성. 번오프 과정에서 산화물·이물질 등 계면 오염물이 플래시로 배출. 오염물 제거 후 순수 금속 간 교반 → 완전한 결합. 마찰 용접 중 발생 온도는 매우 높으나 소재는 고체 상태 유지(용융 없음).

응용 분야(Applications)

산업용 롤러, 튜브, 샤프트 제조에 활용. 산업용 프린터, 물류 장비, 자동차, 항공우주, 해양, 오일 산업용 서브어셈블리 제작에 흔히 쓰임.

기타 부품 예: 기어, 액슬 튜브, 드라이브라인, 밸브, 유압 피스톤 로드, 트럭 롤러 부시, 펌프 샤프트, 드릴 비트, 커넥팅 로드 등.

마찰 용접의 장점

• 타 용접법으로 불가능한 이종 소재 접합 가능
• 좁은 열영향부(HAZ) 형성
• 완전한 금속 융합의 일관되고 반복 가능한 공정
• 최소한의 조인트 준비(톱 절단면 주로 사용)
• 단조 대비 획기적 납기 단축(단조 리드타임 6개월+ → 마찰 용접으로 대폭 단축)
• 설계 유연성 대폭 증대(블랭크 각 영역에 최적 소재 선정 가능)
• 소량 시제품부터 대량 생산까지 대응
• 플럭스, 필러, 가스 불필요
• 친환경 공정(흄, 가스, 연기 없음)
• 고체 상태 공정 → 기공/슬래그 포함 불가능
• 주조/단조급 블랭크 제작 가능(고가 금형/최소 주문량 불필요)
• 가공 공정 축소 → 소모 공구비 절감 및 생산능력 증대
• 전면 용접으로 임계 영역에 우수한 강도 확보
• 이종 금속 적용 시 고가 소재 최소화로 원자재 비용 절감

마찰 용접의 단점

• 동일 단면의 원형 봉재만 가공 가능(일부 공정 한정)
• 앵귤러/플랫 맞대기 이음으로 제한
• 셋업 비용 매우 높음
• 공작물 준비 어려움
• 단조 불가능 소재 용접 불가
• 소형 기계 부품만 가능, 대형 부품엔 부적합