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자동차에 알루미늄 적용을 향한 접합기술

* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 김유상(kiysjnsc@reseat.re.kr)
* 출처: 岡田俊哉, “自動車へのアルミニウム適用に向けた接合技術(日本)」, 輕金屬溶接,
47(11), 2009, pp.513~523

1. 개 요

세계적인 환경대응, 특히 지구온난화 방지 대책의 움직임이 산업계로부터 개인적인 수준까지 범위를 넓혀가고 있다. 일본에서는 전체 이산화탄소배출량의 약 20%가 자동차 때문이라 한다.연비 향상 기술은 엔진성능의 향상과 차체의 경량화, 특히 알루미늄으로의 재료전환이 효과적이다. 본고에서는 상기와 같은 배경을 토대로 알루미늄 재료를 많이 사용하는 자동차 접합기술에 대하여 기술하였다.

2. 알루미늄의 접합 방법

가. 알루미늄 접합의 특징(용융용접에서 철강재와의 비교)
알루미늄은 철강재에 비하여 용융온도가 낮기 때문에 용융하기 쉽다고 생각된다. 하지만 용융잠열, 비열, 그리고 열전도율이 높기 때문에 열이 쉽게 방출되어 국부가열이 어렵게 되므로 용융시키기 위해서는 다량의 열을 급속히 공급할 필요가 있다.또한 전기전도도도 높기 때문에 저항점용접을 할 때 수시로 큰 에너지가 필요하다. 특히 선팽창계수도 높기 때문에 용접 변형의 발생에도 주의가 필요하다.철강 재료에 비해 내식성이 양호하게 되는 이유는 재료 표면에 생성된 강고한 산화피막이 존재하기 때문이다. 그러나 이 산화피막은 일종의 세라믹스이고 융점이 2,000℃ 이상으로 매우 높은데 용접할 때 제거를 등한시하면 결함이나 불완전부의 요인이 된다.용융한 알루미늄은 수소를 매우 잘 흡수하며 수소의 최대용해량과 융점에서의 용해량의 비는 강재에 대하여 매우 높다. 그 때문에 냉각할 때 수소가스가 탈출하기 어려워 응고 후 기공(Porosity) 상태로 된다.알루미늄은 Si, Mg, Cu 등 여러 가지 원소가 첨가되어 합금을 구성하고 있기 때문에 첨가원소의 특성이 용접할 때 응고균열 등으로 영향을 미치는 경우가 있다.

나. 접합방법의 분류
알루미늄에 적용되고 있는 대표적인 접합방법을 투입하는 주요 에너지원별로 분류하면 전기적 에너지, 화학적 에너지, 기계적 에너지, 초음파 에너지, 광 에너지 등이 있다.현재 공업적으로 제어 가능한 에너지원은 모두 접합을 위한 에너지원으로 활용할 수 있다. 특히 전기적 에너지는 다른 것에 비해서 현격히 접합열원으로서의 제어가 용이하고, 또 에너지 집중화를 나타내기 쉬운 장점을 겸비하고 있다.화학적 에너지는 주로 화학반응을 이용한 접합방법으로서 폭발용접, 브레이징 접합, 접착접합이 있다. 기계적 에너지의 경우는 용융을 수반하지 않는 접합법이다. 스크루, 리벳, 볼트 등을 사용한 체결접합이나 클린치도 이 분류에 속한다. 초음파 에너지는 초음파의 진동을 이용하여 접합계면에서 국소적 유동마찰열에 의하여 접합한다. 광 에너지는 집속제어특성이 우수하기 때문에 전기적 에너지 이상으로 고에너지밀도의 접합열원을 얻을 수 있다.

3. 접합 방법의 개요

가. 아크용접
알루미늄에 적용되는 아크용접은 아르곤이나 헬륨 등의 불활성 보호가스를 이용한 미그(MIG: Metal Inert Gas)용접 및 티그(TIG: Tungsten Inert Gas)용접의 2종류가 있고, 피용접재에 용접기기류가 비접촉으로 용융 접합한다.미그용접은 코일 상으로 감긴 전극와이어를 연속적으로 용접부에 이송하여 와이어 선단과 피용접재 사이에 아크를 발생시켜서 전극와이어를 용융하여 용접한다. 열영향부가 넓고, 변형의 발생이 쉽기 때문에 박판의 용접에는 바람직하지 못하며 내부결함에 대한 주의가 필요하고 이음부 형상이나 설계의 자유도에는 제약이 있다. 티그용접은 외관과 내부품질이 양호하고 용접토치의 취급이 용이하여 다양하게 사용되고 있다. 텅스텐전극과 피용접재 사이에 아크를 발생시켜 피용접재와 용가재를 용융하여 접합한다. 작은 물품이나 보수 등에 적용한다.

나. 저항용접
저항용접은 저항발열을 이용하는 방법으로서 일반적으로 점용접이 가장 널리 이용되고 있다. 2매 이상의 용접재료를 상하의 전극사이에 넣어 가압하고 큰 전류를 순간적으로 통하여 전기저항에 의한 발열을 이용하는 공법이다. 단시간에 접합이 가능하고 자동화, 로봇화가 용이하기 때문에 대부분의 강재 차체의 제조에 사용되고 있다. 알루미늄에 적용하는 경우, 열전도율 및 전기전도율이 높기 때문에 구조부재에 필요한 이음부강도를 얻기 위해서는 강재
의 경우와 비교하여 2배 정도의 압력과 2~3배의 전류를 필요로 한다.알루미늄 표면에 형성되는 강고한 산화피막의 영향, 전극재료와 알루미늄의 합금화가 원인으로 전극이 빨리 소모되고, 통전저해에 의하여 이음부 강도의 편차가 발생하며, 불균일한 너깃의 생성, 강재에 비하여 연속타점성이 뒤떨어지는 등의 문제점이 있다.최근 점용접은 감소하고 있지만 보조재를 필요로 하지 않고, 강재를 사용한 차체의 제조에서 오랜 세월에 걸쳐 시공기술이나 품질관리의 노하우가 응용될 수 있는 등 많은 이점이 있는 중요한 접합방법의 하나임은 변함이 없다.

다. 마찰접합
마찰교반 접합(FSW: Friction Stir Welding)은 1991년 영국의 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 비교적 새로운 접합기술이다. 일본에서는 철도차량이나 선박을 시작으로 알루미늄의 각종 구조물에 사용되어 일반적인 접합기술로 사용되고 있다.마찰교반 점접합은 마찰교반접합을 응용한 것으로서 겹침 이음부에 사용되는 점접합이다. 종래의 점용접을 대체하여 일부의 양산 차에도 적용되고 있다. 점용접과 동등한 이음부 강도특성이 얻어지며 접합할 때에 사용되는 소비전력은 작다. 용접 흄과 빛이 발생하지 않아 작업환경이 양호하며 뒷면이 평활하게 유지되는 등의 이점이 있다.

라. 리벳
자동차 차체에 사용되고 있는 리벳접합 중에는 셀프 피어싱 리벳(SPR: Self Piercing Ribet)이 있다. 피접합재에 원통형의 리벳을 두들겨 넣어 다리를 넓혀 체결한다. 이종금속재료와 접합도 가능하고 양산 차에 적용한 사례도 있다. 알루미늄재도 일부 있지만 일반적으로 강재가 사용되기 때문에 전위차 부식에 주의를 필요로 한다. 타점 수는 리벳수로 되기 때문에 적용할 때는 중량증가 등 접합강도 이외에도 고려할 점이 있다. 특히 장래 재활용 관점에서
알루미늄과 강재의 혼합재가 문제될 가능성도 있는 것으로 사료된다.

마. 레이저용접
종래의 레이저용접은 아크용접과 같은 비접촉식의 용융접합이었다. 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 매우 깊은 용접두께를 얻을 수 있고, 아크용접에 비해서 약 2배 이상의 고속 용접이 가능하며 열영향부, 열변형이 작은 이점이 있다.파이버 레이저는 광파이버를 매체로 하고 있는 레이저이다. 빔 품질과 효율이 좋고 장치가 콤팩트한 이점이 있다. 디스크 레이저는 YAG 막대를 얇은 디스크로 가공한 매체를 사용한 방법이며 고출력 레이저이다. 반도체 레이저는 반도체소자에 전류를 흘려서 레이저를 여기시키고 있다. 하이브리드 레이저는 레이저용접과 아크용접을 복합화한 공법이며 하이브리드 용접이라고도 부른다.

4. 자동화에 알루미늄 접합기술의 적용

가. 알루미늄 차체에 적용사례
경량화한 알루미늄 차체는 주로 판재를 많이 사용한 종래 강판인 모노요크 구조와 알루미늄의 특징인 압출형재를 골격부재로 사용한 스페이스 프레임 구조의 2종류가 있다.스페이스 프레임 구조는 구성부재에 압출형재, 주물재를 적재적소에 넣어 부품수를 저감하고, 접합방법도 점용접을 줄여서 열영향이 작은 레이저용접, 셀프 피어싱 리벳 등을 채용하고 있다.

나. 자동차구성 재료의 조합과 접합방법
알루미늄구성 재료의 종류 형태에 대응하여 복수의 접합방법을 채용하여 각사 최적공법이나 생산형태를 모색하고 있는 상황이다. 향후 부품수의 삭감이나 모듈화 등이 추진되고 다이캐스트를 포함한 주물재의 적용 증가 및 그들을 조합시킨 접합제품도 증가할 것으로 사료된
다.

다. 테일러드 블랭크(Tailored Blank) 기술
부품수의 삭감, 금형코스트의 저감, 재료보전의 향상 등의 이점 때문에 철강 재료에서는 도어 등에 사용된다. 알루미늄의 경우는 부분적으로 두껍게 하여 단면적을 증가시켜 강도에 차이를 만든다.접합요구특성은 프레스성형에 영향을 작게 주고 국부변형이나 파단이 발생하지 않게 하기 위해서도 열영향부를 매우 작게 하는 것이 필요하다.

5. 결 언자동차 차체에 적용되는 접합기술의 개요를 설명하였다.

판재, 압출재, 주단재 등과 같은 형상, 특성을 갖는 알루미늄재료를 적재적소에 활용하고 최적인 접합방법을 선정하여 경량화와 코스트를 조화시키는 것이 중요하다.
알루미늄 외에 고강도의 철강재료 혹은 마그네슘, 수지 등의 복수재료를 사용한 차체도 검토되고 있기 때문에 이종재료의 조합이 가능한 접합방법도 필요하다.

6. 전문가 제언
종래의 자동차부품은 일반적으로 재료를 가열 용융시켜서 이종재료를 접합하여 왔다. 최근 세계적으로 전자빔 및 레이저빔을 사용한 이종재료 접합연구와 함께 고밀도 고속 용접기술이 개발되고 있다. 특히 철강과 알루미늄의 이종재료 접합기술 개발이 활성화되는 추세이다.마찰교반 점접합은 회전공구를 겹친 피접합체에 삽입하여 이동시키지 않고 일정시간 경과 후 그대로 인발하여 접합하는 공법이다. 하지만 이접합기술은 판 두께 감소에 의한 강도저
하나 내식성이 문제가 되고 있다. 또 리벳접합의 경우 알루미늄과 철의 이종재료를 사용할
경우 전위차에 의한 부식이 발생하고 있다.

최근 Furukawa-Sky Aluminum의 Toshiya Okada는 자동차 부품에 알루미늄 적용을 향한 각종 접합기술의 특성과 동향을 종합적으로 상세하게 보고하였다. 세부적인 자동차부품 접합방법으로서는 미그 티그방식의 아크용접, 저항용접, 마찰교반접합, 마차교반 점접합, 리벳, 레이저용접, 판 두께나 강도가 다른 판재를 프레스성형을 하여, 소정의 형상을 얻는 테일러드 블랭크(TB: Tailored Blank) 접합기술이 있다. 미국에서는 PNGV (Partener-ship for New Generation Vehicle) 차세대 프로젝트를 추진하면서 두께가 다른 3매의 판을 접합하여 도어를 제조하고 있다.

국내에서 2008년부터 포스코(POSCO)와 현재제철 당진공장에서는 창원의 한국기계연구원(KIMM)과 손을 맞잡고 총 7년 동안 차세대 자동차용 초고강도강판(UAHSS: Ultra High Strength Steel)을 개발 중에 있다. Honda 자동차에서는 Mono Yoke 부품에 알루미늄판재를 88%, Audi사는 스페이스 프레임에 알루미늄판재를 57% 사용하고 있는 것으로 조사되었다. 향후 미래 자동차 차체와 프레임, 구조용 멤버, 범퍼 관련 알루미늄합금 부품 증가가 예
상되며, 이종재료 용접기술 개발이 더욱 심화될 것으로 사료된다.