마찰교반용접 (FSW;Friction Stir Welding), 마찰용접(Friction Welding), 마찰교반점용접 (FSSJ), 컨벤셔널 마찰용접, 플라이휠 마찰용접

<용접 분류>

• 납땜 및 테르밋 용접
• 가스용접
• 전기저항용접 
  • 맞대기저항용접
    • 업셋 맞대기 용접 (Upset Butt Welding) 
    • 플래시 맞대기 용접 (Flash Butt Welding)
  • 겹치기 저항용접
    • 점용접 (Spot Welding Process)
    • 심용접 (Seam Welding Process)
    • 프로젝션 용접 (Projection Welding Process)
• 아크용접
• 특수용접
  • 전자빔용접
  • 레이저빔용접
  • 일렉트로 슬래그 용접
  • 플라즈마 용접
  • 저온용접(공진용접)
  •  플라스틱용접
    • 열풍용접
    • 열기구용접
    • 마찰용접
    • 고주파용접
  • 폭발용접
  • 확산용접
  • 마찰용접 (플라이휠형, 컨벤셔널형, 마찰교반용접) ★
  • 초음파용접
  • 냉간압접
  • 고주파용접 (High Frequency Welding) 

 

<기출>

• 17-2-3 마찰교반용접(FSW : Friction Stir Welding) 시 용접과정과 툴(Tool)을 각각 그림으로 도시하고, FSW의 원리, 장점 2가지, 단점 2가지를 설명하시오.
• 금속 15-4-5 마찰용접(FRW;Friction Resistance Welding)의 원리와 특징 설명 

 

1. 개요

 

1) 마찰교반용접 (FSW; Friction Stir Welding) 정의

 마찰교반용접은 나사산형태의 돌기 (Probe)를 가지는 비소모성 공구 (Tool)를 고속으로 회전시키면서 피 접합재에 삽입하면 공구와 피 접합재와의 상호마찰에 의해 열이 발생하며, 이러한 마찰열에 의해 공구 주변의 재료는 연화되어 공구의 교반에 의한 재료의 소성유동으로 접합면 양쪽의 재료들이 강재적으로 혼합되는 원리로 피접합재의 용접이 이루어지는 용접법 

좌측은 마찰교반용접 (FSW), 우측은 마찰교반점용접 (FSSJ)

 

2) 마찰교반용접 원리, 용접 순서

원자간 상호인력이 작용할 수 있게 표면이 가까이 접촉해있어야함
변형공정, 표면 막과 오염물질 제거, 그리고 압력의 확산 등의 기본 인자들에 의하여 용접이 이루어짐 

1. 공구가 회전을 시작 (재료 및 공구에 따라 회전 속도 조절)
2. 회전 공구를 용접면에 삽입
3. 삽입된 공구가 회전하며 용접부을 가열
4. 모재가 충분히 가열되면 이동하며 용접

마찰교반용접 순서

마찰교반용접 공구 형상, 돌기가 눈에 띈다

 

 

2. 특징

단점도 있지만, 장점이 훨씬 많은 용접 방법으로 단점도 지속적으로 해결 / 보완되고 있음 
마찰 교반 용접방법 중 하나인 마찰교반점용접 (FSSJ; Friction Stir Spot Joining)이 자동차산업에서 각광받는 중

 

1) 장점

• 용융상태의 용접이 아닌 고상용접 → 용접 변형이 적다
• 경량합금 (Al, Mg, Ti 합금) 등으로 제조된 주조제품, 금속기지 복합재료 등 기존 용접 기술의 적용이 거의 불가능했던 재료의 접합이 가능하여 이종 재료의 용접에도 적합함
• 기존 용접과 달리 별도의 열원 발생 장치(아크, 전기저항 등), 용접봉, 용가제, 분위기 가스 등을 사용할 필요가 없어서 간편하고 용접 부위 전처리도 불필요함
• 용융용접에 비해 변형이 적어 용접부의 기계적 강도가 우수함
• 마찰열을 이용하여 기존 용융 용접에 비해 낮은 입열로 용접이 이루어짐  → 적은 잔류응력, 적은 변형
• 용융 용접에서 발생하기 쉬운 기공, 균열 등의 결함이 거의 없음
• 접합 중 유해 가스나 유해 광선이 거의 없어 작업이 친환경적임 
• 작업자의 숙련도나 기량에 크게 의존하지 않아 표준화나 자동화가 용이함

2) 단점

• 용접 끝 부분에 공구 돌기부 (Probe) 구멍이 남음
• 복잡한 3차원 곡면 형상의 접합이 어려움
• 접합부 뒷면에 마찰 압력에 견딜 수 있는 백업 재료가 필요
• 접합용 공구 재료의 제한으로 피접합 재료가 아직 경금속 or 저융점 금속에 한정되어있음 

 

3. 마찰용접 (Friction Welding)

 

1) 마찰용접 정의

용접하고자 하는 2개의 모재를 맞대어 가압하면서 접촉면에 상대운동을 시켜 접촉면에서 발생하는 마찰열을 이용하여 이음면 부근이 압접온도에 도달했을때 회전을 멈추고 가압력을 증가시켜 압접하는 원리 

자동차 부품, 항공기, 공작기계부품, 공기류 등에 많이 사용(각종 rod류 접합)

 

 

2) 마찰용접 특징 

구분	내용
장점	용접하는 재질에 큰 영향을 받지 않음
	용접작업이 쉽고 숙련이 불필요
	작업능률이 높음
	용제나 용접봉이 필요 없음
	용접물의 치수정밀도가 높고 재료가 절약됨
	이음면의 청정이나 특별한 다듬질이 불필요함
	용접작업이 비교적 안전함
	철강재의 접합시 탈탄층이 생기지 않음
	마찰열에 의해 가열되므로 전력소비가 적음
단점	고속회전이므로 용접재료의 형상치수가 제한을 받음 (like선반)
	상대각도를 갖는 용접은 곤란함

 

3) 마찰용접 종류 

(1) 플라이휠형 (Fly Wheel Type)

• 플라이휠의 회전력을 이용하는 방식
• 한쪽 재료를 지지하는 회전축에 적당한 증량의 플라이휠을 달아 고속 회전시켜 필요한 에너지를 줌
• 다른 재료를 일정한 압력으로 접속시켜 마찰열을 압접온도까지 상승
• 이후 플라이휠에 축적되어있는 회전에너지를 소비시키면서 정지할때까지 가압 용접
• 압접조건의 인자 : 회전축의 초기회전수, 투입에너지, 가열압력

(2) 컨벤셔널형 (Conventional Type)

• 구동축 모재를 고속회전시키고 다른쪽 모재는 일정한 압력으로 접촉시킨 후 접촉면에 마찰열을 발생시켜 압접온도에 달했을 때 회전을 급정지시키고 가압하면서 용접
• 보통 구동 회전수는 3000rpm 이상, 접촉 압력 3kg/mm2 이상, 용접시간을 6초 이상 제어 
• 재료에 따라 가열시간을 제어하여 업셋량을 조

마찰 용접의 원

마찰 용접의 원리