마찰 교반 용접: 강판 등 고융점 재료를 저비용으로 용접

2025-06-11　·　武汉开明高新科技有限公司（Wuhan Kaiming High-Tech Co., Ltd.）

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2025-06-11

혼다는 양산품에 적용 가능한, 마찰 교반 접합 방식으로 강재와 알루미늄 합금을 용접하는 기술을 개발했고, 일본 도호쿠대학과 히타치는 강재와 티타늄 등 고융점 금속을 용접할 수 있는 코발트 합금 교반 툴을 개발했다. 이전에는 양산 수준에서 알루미늄 합금, 구리 합금, 마그네슘 합금 같은 저융점 금속의 마찰 교반 접합(FSW: Friction Stir Welding)에만 국한되던 용도가 강재 등 융점이 더 높은 금속으로 확대되기 시작했다*1.

*1 표준 대기압에서 알루미늄의 융점은 660℃, 구리는 1083℃, 마그네슘은 651℃입니다. 반면 철은 1539℃, 티타늄은 1727℃에 달합니다.

마찰열로 금속이 점액 상태로 연화됨

마찰 교반 용접(FSW)은 원기둥 끝에 돌기(교반 핀)가 있는 교반 툴을 사용하여, 맞대기한 두 장의 판(모재) 또는 겹친 두 장의 판의 용접이 필요한 부위 위에서 툴을 회전시키며 눌러 두 장의 판을 접합하는 기술입니다.

회전하는 교반 핀과 판재 사이에서 발생하는 마찰열은 교반 핀 주위의 금속을 점액 상태로 연화시키며, 회전하는 교반 핀은 이를 이용해 판재 속으로 삽입된다. 이렇게 하면 교반 핀 주위에서 연화된 금속이 서로 섞여(소성 유동 발생) 두 금속판이 하나로 융합되거나, 두 금속판의 접합면에 금속 결합이 형성되어 둘이 하나로 융합된다.

이전에는 내고온 교반 헤드가 없었습니다

마찰 교반 용접의 장점은 다음 네 가지입니다. (1) 모재를 용융시키지 않고 용접할 수 있으므로(고상 용접) 용접 후 변형과 용접 결함이 매우 적어 제품 품질을 높이고 비용을 낮출 수 있습니다. (2) 용융 용접보다 에너지가 절약됩니다. (3) 보호 가스가 필요 없습니다. (4) 소음이 작고 분진이 발생하지 않습니다. 또한 이 기술은 이종 재료 용접에도 매우 효과적이어서 업계의 주목을 받고 있으며, 부위별로 적절한 재료를 선택함으로써 경량화 등의 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대됩니다*2. 그러나 서두에서 소개한 것처럼, 지금까지 양산 수준에서 마찰 교반 용접을 사용할 수 있는 재료는 저융점 금속으로 한정되어 있었습니다.

*2 마찰교반접합은 모재를 용융시키는 액상 접합인 용융 용접에 비해 접합 온도가 낮아, 접합 조건 설정을 통해 접합 입열량을 제어하기 쉽습니다. 따라서 접합 강도 저하의 주범인 금속간화합물의 생성을 손쉽게 줄일 수 있습니다. 금속간화합물층의 두께를 줄이면 접합 부위의 강도를 높일 수 있습니다. 마찰교반접합을 할 때 교반이 과도하면 마찬가지로 다량의 금속간화합물이 생성됩니다.

마찰 교반 용접의 용도가 지금까지 저융점 금속으로 한정되었던 이유는 양산에 적합한 저가의 내열 교반 툴이 없었기 때문입니다. 알루미늄 합금에 마찰 교반 용접을 할 때는 일반적으로 공구강 등 철강 재료로 만든 교반 툴을 사용합니다. 이런 툴로 강철이나 티타늄 합금 같은 고융점 금속을 용접하면, 이 금속들이 연화되는 고온 영역에서 툴도 연화되어 마모가 심해 사용할 수 없게 됩니다. 세라믹이나 텅스텐-레늄 합금 등 비철강 재료의 교반 툴이 개발되어 있기는 하지만, 이러한 툴은 가격이 매우 높아 양산에는 적합하지 않습니다.

교반 없이 강재의 신생면을 노출시킨다

혼다가 개발한 마찰 교반 방식을 이용한 강재와 알루미늄 합금 용접 기술은 겹쳐진 강재와 알루미늄 합금 모재를 접합하는 데 사용된다. 가장 큰 특징은 알루미늄 합금만 교반하고 강재는 교반하지 않는다는 점이다(그림 1의 아래 그림). 이렇게 하면 교반 툴의 온도가 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있다.

강재를 교반하지 않고도 강재와 알루미늄 합금을 용접할 수 있는 것은 강재와 알루미늄 합금 사이에 금속 결합이 형성되기 때문이다. 즉, 이 기술은 강재를 교반하는 것이 아니라 강재 표면의 도막과 산화막을 제거한다. 이 방법으로 강재의 신생면을 노출시키고, 교반을 통해 활성이 높아진 알루미늄 합금과의 사이에 금속 결합을 형성시킨다. 이러한 금속 결합의 존재로 강재와 알루미늄 합금이 하나로 융합된다*3.

*3 강과 알루미늄 합금 사이에 물 등이 들어가면 이종금속 접촉 부식(갈바닉 부식)이 발생하는데, 이 기술은 강과 알루미늄 합금 사이에 실리콘 막을 삽입하여 이러한 현상을 방지합니다.

혼다는 북미 시장용 신형 '어코드'의 프런트 서브프레임에 이 기술을 적용하여 여러 효과를 얻었다(그림 2). 구체적으로, 기존 강재 서브프레임보다 무게가 25％ 줄었을 뿐 아니라 용접 시 소비 전력도 약 50％ 감소했다. 또한 이 기술을 이용해 서브프레임과 서스펜션 장착 부위의 구조를 변경하여 장착 부위의 강성을 20％ 높였으며, 이를 통해 차량의 주행 성능 향상에 기여했다.

신소재를 통한 응용 분야 확대

한편, 도호쿠대학, 히타치제작소 및 히타치금속정밀기기 회사는 고온을 견딜 수 있고 가격이 비교적 낮은 교반 툴(搅拌头)을 개발하여 마찰 교반 용접의 적용 범위를 넓혔습니다(그림 3). 이 교반 툴에 사용된 재료는 도호쿠대학과 히타치제작소가 공동 개발했으며, 이 재료와 교반 툴(주물)의 양산 기술은 히타치제작소와 히타치금속정밀이 공동으로 개발에 성공했습니다. 이 교반 툴은 강, 티타늄 합금 및 지르코늄 합금 등 고융점 금속의 마찰 교반 용접에 사용할 수 있으며, 2013년 가을 판매 개시가 예정되어 있습니다. 히타치금속정밀기기는 "가격은 앞으로 논의하겠다"고 밝혔으나, 양산 수준에서 사용할 수 있는 가격대로 책정될 것으로 추정됩니다.

동북대학 등이 마찰 교반 용접 교반 툴을 위해 개발한 재료는 코발트 합금이며, 그 내부에는 고온에서도 높은 강도를 유지할 수 있는 금속간 화합물이 분포해 있습니다. 구체적으로, 코발트 기반 합금에 Co3(Al, W)가 분포해 있습니다. 핵심은 Co3(Al, W)를 균일하고 미세하게 분포시키고, 분포량과 결정립계 형상을 원하는 상태에 가깝게 하는 방법입니다. 이를 위해 더욱 합리적인 성분과 열처리 방법을 채택했습니다.

현재 구상 중인 이 교반 툴(搅拌头)의 적용 재료는 탄소강, 고장력강, 티타늄 합금(Ti-6Al-4V 등), 순티타늄 및 구리 합금입니다. 강도와 두께 등의 이유로 이 교반 툴을 사용하기 어려운 재료도 있지만, 대체로 용접 대상은 마찰교반용접 시 교반 툴 온도(접합 온도)가 최대 1000℃ 정도인 재료입니다.

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