마찰교반용접

왜 배우는가: 마찰교반용접은 알루미늄 합금처럼 용융용접으로 접합하기 어려운 재료를 고상 상태에서 접합하는 공법이다. 항공·우주, 철도, 조선 분야의 구조물에 실제로 적용되므로 실무 이해가 필요하다. 원리와 특징을 묻는 시험 문항에서 자주 다루어지는 개념이다.

출제 이력: 제137회 1교시 2번, 제123회 2교시 1번, 제102회 2교시 1번, 제87회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

마찰교반용접(FSW)은 회전 툴의 마찰열로 재료를 용융시키지 않고 접합하는 고상접합법이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓴다. 정의의 핵심은 열원이 툴과 모재의 마찰이라는 점과 접합 과정에서 모재가 용융되지 않는다는 점이다. 아래 키워드는 원리, 장점, 절차를 설명할 때 공통으로 쓰는 어휘이므로 함께 익혀 둔다.

• 고상접합: 모재를 녹이지 않고 고체 상태에서 결합시키는 접합 방식이다. 용융과 응고 과정이 없으므로 기공과 응고균열이 줄어든다.
• 비소모성 툴: 접합 중 닳아 없어지지 않는 회전 공구이다. 용가재를 공급하지 않으므로 접합부는 모재만으로 형성된다.
• 숄더: 툴 상부의 넓은 원판 부분이다. 모재 표면을 누르며 마찰열을 만들고 접합부를 단조한다.
• 프로브: 숄더 아래로 돌출된 핀 부분이다. 모재 내부에 삽입되어 재료를 교반한다.
• 마찰열: 툴과 모재 사이의 상대 회전으로 발생하는 열이다. 주변 재료를 연화시켜 소성변형이 일어나게 한다.
• 소성유동: 재료가 용융 없이 고체 상태에서 변형되며 흐르는 현상이다. 두 모재가 섞이는 기본 메커니즘이다.
• 교반: 프로브의 회전으로 연화된 재료를 뒤섞는 작용이다. 접합 계면을 없애는 과정이 여기에 해당한다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 마찰교반용접은 회전하는 비소모성 툴을 맞댄 두 모재의 접합부에 삽입하고 접합선을 따라 이송하여, 재료를 용융시키지 않은 상태에서 접합하는 고상접합법이다. 툴의 회전과 이송이 동시에 이루어지는 것이 이 공정의 기본 구조이다.

툴은 숄더와 프로브로 구성되며, 프로브의 직경은 숄더 직경보다 작다. 프로브의 길이는 필요한 용접 깊이보다 약간 짧게 설계된다. 용접 시 숄더는 모재 표면에 접촉하며 압력을 유지하고, 프로브는 모재 안으로 파고들어 접합 영역을 교반한다.

원리는 마찰열과 소성변형의 두 단계로 설명된다. 툴을 모재에 압입하면 회전 마찰로 열이 발생하여 툴 주변의 재료가 연화된다. 연화된 재료는 프로브의 회전과 이송에 따라 툴 뒤쪽으로 이동하면서 두 모재가 서로 섞이고, 숄더가 가하는 압력으로 단조되어 금속학적으로 결합한다. 이 과정은 고상 상태에서 진행되므로 용융응고에서 생기는 기공과 응고균열이 발생하기 어렵다.

용접 순서는 다음과 같이 진행된다. 툴을 모재에 압입한 뒤 짧은 정지 시간을 두면 마찰열로 주변 재료가 충분히 연화된다. 이후 툴을 설정된 용접 속도로 접합선을 따라 전진시키면 연화 영역이 연속으로 형성되어 접합부가 완성된다.

접합 계면이 사라지고 재료가 고체 상태에서 섞이는 것이 마찰교반용접의 핵심 원리이다. 이 원리는 용접 온도가 용융점 미만의 온도에 머무는 조건에서 성립한다. 재료의 상태 변화 없이 소성유동만으로 접합이 이루어진다는 점이 용융용접과 구별되는 특징이다.

소성유동은 재료가 용융되지 않은 상태에서 외력에 의해 영구 변형되며 흐르는 현상이다. 프로브 주변의 연화된 재료가 회전 방향을 따라 흐르면서 접합 계면의 산화막과 결함이 분산되고, 결정 조직이 미세하게 재배열된다. 이 흐름이 접합부 품질을 좌우하는 기본 메커니즘이다.

마찰열은 툴 표면과 모재 사이의 마찰, 그리고 연화된 재료의 소성변형에서 발생하는 열이다. 열원이 외부 가열이 아니라 툴과 모재 사이의 상대운동이므로 열이 접합 영역에 국부적으로 집중된다. 이 때문에 열영향부의 폭이 상대적으로 좁게 형성된다.

3. 등장 배경과 필요성

마찰교반용접은 1991년 영국 용접연구소(TWI)에서 개발된 접합법이다. 개발 당시부터 기존 용융용접으로는 접합이 어렵던 알루미늄 합금을 주된 대상으로 하였으며, 이 점이 공법의 출발점이다.

알루미늄 합금은 산화막이 강하고 열전도도가 크며, 용융 상태에서 수소 기공이 쉽게 생긴다. 용융용접 시 기공과 고온균열이 발생하기 쉽고, 열처리형 합금은 용접열로 연화되어 열영향부의 강도가 떨어진다. 이런 한계 때문에 재료를 녹이지 않고 접합하는 방법이 요구되었다.

리벳 체결 구조는 무게가 증가하고 체결부에 응력이 집중되는 문제가 있다. 마찰교반용접은 이러한 구조를 연속 접합으로 바꿀 수 있어 리벳을 대체할 가능성이 제기되었다. 실제로 우주왕복선 외부연료탱크와 항공기 동체 패널 용접에 적용된 사례가 있다.