1. 서 론
마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 1991년 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 처음 제안되었다1). 알루미늄, 마그네슘 및 구리 합금 등의 연성소재2-4) 뿐만 아니라, 최근에는 철강 및 티타늄 합금과 같은 고온용 강성소재에 대한 용접공정 연구가 증가하고 있는 추세이다5,6). 마찰교반용접은 툴을 회전시킨 상태로 소재의 접합 계면에 삽입할 때 발생하는 마찰열을 이용하여 소재를 연화시키고, 연화된 소재는 툴의 회전 방향으로 소성 유동을 일으켜 접합계면과 주변부를 교반하여 접합이 이루어진다. 툴이 삽입된 상태에서 용접선을 따라 이동한 후 툴을 후퇴시키면 마찰교반용접이 되며, 툴을 소재에 삽입 후 이동하지 않고 일정 시간 머무른 뒤 툴을 후퇴하면 마찰교반점용접(Friction Stir Spot Welding, FSSW)이 된다7).
마찰교반용접에 사용되는 툴이 소재와 닿는 면은 숄더(Shoulder)와 핀(Pin)으로 구성된다. 숄더는 핀에 비해 넓은 면적을 가지고 있으며 소재의 표면과 접촉하여 마찰열을 발생시키고 소재의 유동을 원활히 하는 역할을 한다. 핀은 숄더에서 돌출되어있는 형태로 소재의 내부에 삽입되어 접합 계면을 직접 교반하여 접합하는 역할을 수행한다. 툴의 형상적 특징으로 인하여 마찰교반용접, 마찰교반점용접의 마지막 단계인 툴이 소재에서 빠져나올 때 소재에 삽입되어있던 핀이 제거됨으로써 소재내부에 핀이 있던 자리에 키홀(keyhole), 프로브홀(probe hole), 핀홀(pin hole), 익시트홀(exit hole)이라 불리는 빈 공간을 형성하게 된다. 마찰교반용접에서 이러한 키홀이 존재할 경우 기계적 물성을 확보하는 방법들이 많이 제안되었으나, 이와 별도로 용접부 외관상의 문제, 키홀하단부에서의 도장의 불균일성, 집중적 부식가능성에 대한 우려가 있어 키홀을 리필(refill)하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 특수한 형태의 툴을 사용하여 FSSW 단일 공정으로 키홀을 메우는 one-step FSSW 공정과, 용접 후 후공정을 조치하는 two-step FSSW 공정으로 구분하여 리필 마찰교반점용접공정의 기술동향을 파악하고자 한다.
2. One-step refilling FSSW 공정
용접부의 끝단에 형성된 키홀을 리필하는 방법으로, 1999년도에 R.Jeffrey에 의해 핀과 숄더를 독립적으로 구동하는 방법이 개발되었다 (Fig. 1)8). Fig. 1a에 나타낸 바와 같이 전통적인 툴의 형상처럼 핀이 숄더에서 돌출되어 있는 상태에서 회전한다. 이후 Fig. 1b와 같이 툴을 소재에 삽입하여 용접을 진행한다. 다음 단계 (Fig. 1c)에서는 핀이 숄더가 정치되어 있는 상태에서 운동을 통해 위쪽으로 이동하여 핀과 숄더의 높이를 일치시킨다. 마지막 단계 (Fig. 1d)에서는 평평한 툴의 하단부를 이용하여 키홀 주변의 소재를 키홀 내부로 소성유동시켜 키홀을 리필하게 된다.
Y. Uematsu 등에 의하면 해당 방법으로 FSSW에서 키홀을 성공적으로 제거할 수 있었으며 (Fig. 2), 키홀을 리필하여 접합부의 정적하중 및 피로하중이 증가시킬 수 있다고 보고하였다9). P. Li 등은 직선 FSW에서 용접부의 끝부분에서 핀을 서서히 후퇴시켜 키홀이 형성되지 않는 직선용접을 구현하였다10).
Fig. 2
Macroscopic appearance of FSSW joint with probe hole9): (a) top view of weld zone and (b) cross section of weld zone
2004년도에 C. Schilling 등에 의해 마찰교반점용접에 좀 더 특화된 형태로 핀, 슬리브, 클램프로 구성된 툴이 개발되었으며11), 개발된 툴의 예시는 Fig. 3 와 같다12). 저자는 두 가지 접합방법을 예로 들었는데 핀을 삽입하는 방법과 (Fig. 4) 슬리브를 삽입하는 방법이다 (Fig. 5). 핀 삽입의 경우 먼저 Fig. 4a와 같이 핀, 슬리브, 클램프의 높이를 일치시킨 상태에서 핀과 슬리브를 회전시킨다. 핀과 슬리브가 회전하는 상태에서 Fig. 4b와 같이 소재에 일정한 가압을 가한 후 Fig. 4c와 같이 핀은 소재에 삽입하고 슬리브는 후퇴하는 방향으로 상대적으로 구동한다. 이때 핀에 의해 밀려난 소재는 슬리브가 후퇴하면서 생긴 공간으로 이동하게 된다. 일정 시간 후 Fig. 4d와 같이 핀은 후퇴하고 슬리브는 전진하여 핀이 후퇴하면서 생긴 키홀을 리필하는 방식이다. 슬리브 삽입방식은 핀 삽입방식과 반대로 Fig. 5c와 같이 슬리브를 먼저 삽입하고 핀을 후퇴한 후 마지막 단계에서 슬리브와 핀의 구동을 반대방향으로 전환하여 Fig. 5d와 같이 슬리브의 후퇴로 생긴 키홀을 리필하는 방법이다.
이러한 독립적 구동방식은 기존 핀/숄더 구동방식에 비해서 클램프의 존재로 인하여 용접부 주변에 형성되는 버를 최소화할 수 있다. 다양한 연구자들에 의해 성공적인 키홀의 리필이 보고되었으나13-17), 이러한 구동 방식은 핀, 슬리브, 클램프가 독립적으로 구동 가능한 특수한 장비를 사용해야 하며, 툴의 형상이 복잡하여 전통적인 툴에 비하여 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다. 또한 최근 연구동향인 고강도, 고융점 소재에 적용하기 위해는 WC-Co, PCBN, Si3N4와 같은 소재를 사용해야 하지만18-20), 위에 언급된 소재들은 높은 강도와 경도로 인하여 복잡한 툴의 형상으로 가공이 어렵다.
3. Two-step refilling FSSW 공정
마찰교반용접공정에서 발생한 키홀을 후공정을 통해 리필하는 다단공정은 후공정에 마찰교반공정을 이용하는 방법과 저항점용접 등 다른 용접공정을 이용하는 방법 등으로 다시 세분될 수 있다.
Fig. 6에 1차 용접공정이 끝난 후 형성된 키홀을 핀이 없는 툴로 한 번 더 교반하여 키홀을 리필하는 방법의 모식도를 나타내었다21). 이 방법은 하나의 마찰교반용접 시스템에서 툴만 교체하여 키홀을 리필할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 one-step refilling FSSW 공정에 비해 압흔 및 버의 발생이 증가되고 공정시간이 길어지는 단점을 가지고 있다. 이 공정을 수정하여 Fig. 7과 같이 후공정 중 삽입금속을 추가로 공급하여 키홀을 리필하는 방법이 제안되었다22,23). 제살용접을 수행하는 Fig. 6의 공정에 비하여 삽입금속이 제공되기 때문에 압흔 및 버의 발생이 감소된다는 장점이 있으나 공정시간이 길어지는 단점이 남아있다.
후공정으로 마찰교반용접보다 속도가 빠르고, 경제적인 공정을 검토하기 위하여 저항점용접을 이용한 리필공정이 최근에 제안되었다24). Fig. 8과 같이 용접 후 형성된 키홀에 저항점용접전원을 이용하여 가압과 통전을 가하는 방법으로써, 통전에 의해 발생하는 저항열로 소재를 연화시킨 상태에서 가압을 가하면 키홀 주변 소재가 키홀 내부를 채우게 된다. 5083-O재를 대상으로 시험평가하였을 때 성공적인 키홀 리필이 가능함을 Fig. 9의 단면을 통하여 확인할 수 있다. 1, 3번 조건의 경우 keyhole 내부에 용융된 흔적이 보였으나 2, 4, 5번의 조건에서는 키홀 내부에 용융된 흔적이 관찰되지 않았다. 용융이 발생되지 않았다고 추정되는 2, 4, 5번 조건의 평균 통전시간은 388 ms로 FSW를 사용하는 것보다는 훨씬 빠르게 리필이 가능하다.
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