마찰교반용접 FSW

FSW(Friction Stir Welding, 마찰교반용접)는 회전하는 비소모성 툴(Tool)을 접합부에 삽입하여 마찰열과 기계적 교반으로 금속을 접합하는 고상(Solid-State) 용접 프로세스입니다.

핵심 원리: 원통형 숄더(Shoulder)와 하부의 핀(Pin/Probe)으로 구성된 툴이 고속 회전하면서 접합선을 따라 이동합니다. 숄더와 재료 사이의 마찰열이 재료를 연화(softening)시키고, 핀의 회전이 연화된 재료를 기계적으로 교반(stirring)하여 접합부 양쪽 재료를 혼합합니다.

가장 중요한 특징: 재료가 용융점 이하에서 접합됩니다. 즉, 용융(Melting)이 일어나지 않는 고상 접합이므로, 기공, 고온 균열, 용융 관련 결함이 원천적으로 발생하지 않습니다.

FSW의 열기계적 영향 구역(Thermomechanical Zones)

1. 교반부(Nugget Zone / Stir Zone): 툴 핀에 의해 직접 교반된 영역. 미세한 등축 재결정 조직이 형성되어 우수한 기계적 성질. 가장 심한 소성 변형과 열을 받음

2. 열기계적 영향부(TMAZ, Thermo-Mechanically Affected Zone): 교반부 바깥 영역. 열과 소성 변형을 동시에 받았으나 재결정은 불완전. 결정립이 툴 회전 방향으로 신장(elongated)

3. 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone): 열만 받고 소성 변형은 없는 영역. 아크 용접의 HAZ와 유사하지만, 최고 온도가 낮아 조대화가 적음

4. 모재(Base Metal): 열이나 변형의 영향을 받지 않은 원래 재료

전진측(Advancing Side)과 후퇴측(Retreating Side): 툴 회전 방향과 이동 방향이 같은 쪽이 전진측, 반대쪽이 후퇴측입니다. 두 측면의 재료 유동 패턴이 다르므로 조직과 성질에 비대칭성이 존재합니다.

FSW의 장단점과 적용 분야

장점:
- 용융이 없으므로 기공, 고온 균열 등 용융 결함이 없음
- 용가재, 보호가스 불필요 — 친환경, 저비용
- 연기, 흄, 스패터 없음 — 작업 환경 우수
- 잔류 응력과 변형이 아크 용접 대비 매우 적음
- 알루미늄 합금(2xxx, 7xxx 계열 등 아크 용접 곤란 합금)의 접합에 탁월

단점:
- 높은 장비 비용과 큰 가압력 필요 — 대형 장비
- 접합부 뒷면에 키홀(Exit Hole) 생성 — 별도 처리 필요
- 판재 고정(Clamping)이 견고해야 함
- 3차원 곡면 접합에 제한
- 강(Steel) 등 고융점 재료에는 툴 수명 문제

적용 분야:
- 항공우주: 로켓 탱크(NASA 스페이스 셔틀 외부 연료 탱크), 항공기 패널
- 철도: 고속열차 차체 패널(알루미늄 압출재)
- 조선: 알루미늄 선체 패널
- 자동차: 알루미늄 서브프레임, 도어 패널