마찰교반용접 (Friction Stir Welding)

한 줄 정의: 회전하는 공구를 접합부에 삽입하여 마찰열로 재료를 연화시키고 기계적으로 교반해 고체 상태에서 두 재료를 접합하는 용접 기술입니다.

쉽게 풀면

마찰교반용접(FSW)은 재료를 녹이지 않고 접합하는 특별한 용접 방법입니다. 빙글빙글 돌아가는 공구가 두 재료가 맞닿은 이음선을 따라 이동하면서 마찰열로 재료를 말랑말랑하게 만들고, 동시에 이 부드러워진 재료를 휘저어 섞으면서 서로 결합시킵니다. 마치 반죽 두 덩이를 이어 붙일 때 그 경계를 손으로 문질러 섞어 하나로 만드는 것과 비슷한 원리입니다. 재료가 녹지 않기 때문에 일반 용접보다 결함이 적고 접합부 물성이 우수한 경우가 많습니다.

왜 중요한가

FSW는 알루미늄 합금처럼 용융 용접 시 기공이나 균열이 생기기 쉬운 재료를 안정적으로 접합할 수 있어 항공우주, 선박, 철도차량 산업에서 널리 활용됩니다. 고체 상태에서 접합이 이루어지므로 용융 용접 대비 잔류응력과 변형이 적고, 이질 재료 접합에도 유리해 경량화 설계 연구에서 중요하게 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"Friction stir welding was used to join dissimilar aluminum alloys without the porosity typically seen in fusion welding."

용융 용접에서 흔히 나타나는 기공 없이 이종 알루미늄 합금을 마찰교반용접으로 접합했다는 내용입니다.

"The tool rotation speed and traverse speed in friction stir welding strongly affected the grain refinement in the stir zone."

마찰교반용접의 공구 회전 속도와 이동 속도가 교반부의 결정립 미세화에 크게 영향을 미쳤다는 내용으로, 공정 변수와 미세조직 사이의 관계를 다루는 문장입니다.

조금 더 깊게 보면

FSW로 접합된 부위는 일반적으로 교반부(nugget), 열역학적 영향부, 열영향부, 모재로 구분되며 각 영역마다 결정립 크기와 물성이 다르게 나타납니다. 공정 변수 중 공구 회전 속도, 이동 속도, 삽입 깊이가 발열량과 재료 유동을 결정하며, 이 조합이 부적절하면 터널 결함이나 미접합 결함이 발생할 수 있습니다.

주의할 점

FSW는 고체 상태 접합이라 열영향부는 존재하지만 일반 용융 용접에서와 같은 용융부는 형성되지 않으므로, 두 접합 방식의 미세조직 차이를 혼동하지 않아야 합니다.