마찰교반용접 Friction Stir Welding

기술산업정보분석

한국과학기술정보연구원 <목 차>

제 1 장 서 론 ·································································································1

제 2 장 기술개발 동향 ················································································3 1. 마찰교반용접 기술 개요 ······································································· 3 2. 마찰교반용접의 특징 ············································································· 6 3. 마찰교반용접의 공정기술 ····································································· 1 0 4. 마찰교반용접 접합부 온도분포와 조직 ············································· 1 2 5. 마찰교반용접부 기계적성질 ································································· 2 0 6. 마찰교반용접과 구조화 기술 ······························································· 24

제 3 장 마찰교반용접 산업계 적용현황 ··············································28 1. 국내외 Al 산업현황 ·············································································· 2 8 2. 수 송 기계 산업에 있 어 서 F S W 적 용 현황 ··········································· 3 0 3. 토목산업에 있어서 FSW적용 현황 ··················································· 3 5 4. FSW적용 재료의 확대 현황 ······························································· 3 6

제 4 장 국내외 연구동향 ·······································································39 1 . 국 내 동 향 ································································································· 3 9 2 . 해 외 연 구 동 향 ························································································· 3 9

제 5 장 마찰교반용접 기술․특허정보 분석 ······································46 1. 문헌정보분석 및 기술개발 동향 ························································· 4 6 1.1 정보분석 대상 DB··········································································· 4 6 1.2 분석범위 및 방법············································································· 4 7 1.3 마찰교반용접 문헌정보분석 ··························································· 4 7 2. 마찰교반용접 특허정보분석 및 기술개발동향 ································· 5 5 2.1 정보분석 대상 DB··········································································· 5 5 2.2 분석범위 및 방법············································································· 5 7 2.3 마찰용접 기술 전체 특허출원동향 ··············································· 5 9 2.4 마찰교반용접 기술 국가별 특허출원동향 ··································· 6 3

제 6 장 결 론 ····························································································82 참고문헌 ········································································································84 제 1 장 서 론

최근 들어 지구환경보호와 에너지절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 자동차, 항공기, 철도차량, 선박 등 각종 수송기기의 경량화를 위한 기 술 개발이 활발히 진행되고 있으며 이를 위해 Al, Mg 등 경량합금 부 재의 적용이 빠른 속도로 확대되고 있다. 이들 외에도 건축, 토목분야 에서도 경량합금의 도입이 증가하고 있다. 이러한 각종 기기 및 구조 물의 조립은 용접 공정에 의해 이루어지는데 Al합금의 용접은 기술적, 경제적 그리고 환경적 측면에서 개선해야할 많은 문제점을 지니고 있 다. 이러한 Al 합금의 용융용접시 문제를 해결할 수 있는 새로운 기술 로서 비용융 고상접합공정인 Friction Stir Welding(이하 FSW) 기술이 최근 들어 다양한 산업분야에서 광범위하게 적용이 확대되고 있다. 지 금까지 FSW 기술 개발이 Al 합금에 제한되어 왔으나 최근에는 Al 합 금에 이어서 Ti, Mg, Cu 합금 등이 FSW 기술 개발의 대상이 되고 있 으며 이 기술이 개발되면 탄소강 및 스테인리스강, Ni기 합금 그리고 금속간화합물에 역시 적용이 고려될 것이다. 이 기술은 1991년 영국 TWI에 의해 특허가 출원된 이래 90년대 중 반부터 산업 적용이 시작되었다는 점에서 가장 짧은 기간에 새로운 용 접 공정의 실용화가 이뤄진 기술로 간주된다1). TWI의 최초 특허는 이 기술의 원리와 개념만을 정의한 것으로 구체적인 접합 인자나 기기의 구성, 그리고 각종 응용기술에 대해서는 TWI가 주관한 3차례의 FSW symposium2-4)과 경금속 관련 국제회의5-7), 각종 용접학회 발표대회8-9) 등을 통해 많은 연구결과들이 발표되고 있으며 국내에서도 기초 연구 결과들이 용접학회10)를 통해 발표되고 있으며 이 기술의 응용 가능성 에 대해 산업계의 관심도 점차 높아지고 있는 실정이다. FSW기술은 기본적으로 에너지 절약 및 작업환경의 개선이라는 이 점도 있어 향후 자원의 보존 및 지구온난화 문제 등으로 환경규제가 더욱 강화되어 갈 것이라고 본다면 이 기술은 고상접합기술로서 사용 이 증대될 가능성이 매우 높은 기술이라고 생각된다. 본 특집 기사는

- 1 - 지금까지 발표된 연구논문 등을 중심으로 이 기술의 원리 및 특징, 그 리고 현재의 기술개발현황에 대하여 기술한다.

- 2 - 제 2 장 기술개발 동향

1. 마찰교반용접 기술 개요

FSW 공정은 <그림 2-1>에 나타나듯이 매우 간단하면서도 독특한 일종의 연속공정으로서 접합모재를 고정시킨 후 이음부의 맞대기 면을 따라 특수 형상을 지니고 접합모재에 비해 경한 재질을 지닌 비소모식 회전 tool(또는 stir rod)의 일부분이 삽입되어 tool과 접합모재의 상대 적 운동에 의해 마찰열을 발생시켜 모재의 변형저항을 낮추어 연화시 키기에 충분한 온도로 인접한 접합부를 가열시킨다12). 이로 인해 tool 의 삽입된 부분(pin) 주위로 연화된 소위 ‘third-body'영역이 생기게 된 다. 기계적 힘을 가하여 pin이 접합선을 따라 이동함에 따라 가열된 부위가 pin의 앞부분(Advancing side)에서 뒤쪽(Retreating side)으로 압출되게 되고 마찰열과 기계적 가공의 조합에 의해 고상접합부가 만 들어진다.

<그림 2-1> FSW접합공정에 대한 개념도

Sufficient downward force to maintain registered contact

Joint

Advancing side of weld

Leading edge of the rotating tool Shoulder

Probe

Retreating side of weld Trailing edge of the rotating tool

이 접합공정의 순서는 <그림 2-2>에 모식적으로 나타낸 순서에 의 해 진행되는데 먼저 tool을 모재에 삽입하기 전에 회전을 시키고 난 후 tool이 모재와 접촉하여 열을 발생시킨다. 이어서 shoulder 부분이

- 3 - 접촉하여 가열 영역을 확대시키고 난 후 tool 또는 모재의 이동으로 tool 아래 부분의 소재가 유동하여 FSW nugget을 형성함으로써 접합 이 이루어지게 된다.

<그림 2-2> FSW 공정의 진행 순서

FSW 용접부에서는 용융은 일어나지 않으므로 미세한 결정립의 압 출조직이 남아 있고 액상에서 고상으로의 변태에 따른 기공, 응고균열, 잔류응력 등과 같은 문제가 해결된다. 이외에도 낮은 입열량과 미용융 특성으로 기계적성질이 개선되고 용접전 처리기준이 덜 엄격하며 공정 인자 역시 아크용접에 비해 단순한 점 등 많은 이점들이 얻어진다. Tool은 일반적으로 큰 직경의 shoulder부와 이보다 적은 직경에 특 수한 형상으로 가공된 pin(또는 probe)부로 구분되며 pin 부분이 이음 부로 삽입되면서 접합모재와 먼저 접촉하게 된다. Tool의 shoulder부 와 접합모재의 접촉 역시 상당량의 마찰열을 발생시킬 뿐만 아니라 연 화된 재료의 방출을 막아준다. Tool이 접합선을 따라 상대적으로 이동 함에 따라 연화된 재료를 tool 후면에서 합체시켜 고체상태 이음부를 형성시키는 것이다. 이때 접합모재는 pin이 이음선을 따라 지나갈 때 맞대어진 이음면이 떨어지지 않도록 고정되어야한다. 접합할 때 penetration 깊이는 tool의 shoulder 아래에 위치한 pin의 길이에 의해 조절되는데 맞대기 용접이 경우 pin의 길이는 대략 부재의 두께와 유 사하다. 초기의 삽입시 마찰접촉에 의해 pin 인근의 재료가 가열되지

- 4 - 만 일단 shoulder부가 접합모재의 표면과 접촉이 시작되면 상당한 추 가적인 열이 용접부에 가해지게 된다. 게다가 접촉하는 shoulder는 적 절한 형상으로 가공하여 연화된 재료가 밖으로 빠져나가는 것을 방지 한다. FSW tool은 고온에서 정적, 동적 성질이 우수한 내마모재료를 사용하여 제조되는데 특히 pin 부근의 고온전단강도가 중요한 인자이 다. 지금까지 TWI에서는 Al, Mg 등 저융점 합금 접합용 tool은 공구강 (AISI H13)을 사용하고 있다. 이외에도 마르텐사이트계 스테인리스강 (STS440C), 공구강(SKD61) 등을 이용한 경우도 보고되고 있다. 그 성 능 기준을 예를 들면 5mm 두께의 6xxx 계열 Al 합금 용접시 tool 교 환 없이 1000m의 용접이 가능하도록 제조한다. 접합하고자 하는 부재 는 backing bar 위에서 수직 및 측면방향으로 발생하는 힘에 대해 견 딜 수 있도록 고정시켜야 한다. Tool의 shoulder부는 <그림 2-3>에서 나타나듯이 평면이 아니고 약간 오목한 형상을 하고 있다. 이는 shoulder부의 회전에 의해 접합모재의 표면 바로 아래에서의 소성유동을 촉진하고 혼합교반의 효과를 증대 시키기 위함이다. 그러나 표면형상의 최적화에 대해서는 검토가 진행 되고 있는 과제이기도 하다. 한편, 75mm 정도의 극후판에 대한 FSW 개발은 pin 표면에 나사산형의 나선홈을 파서 접합금속의 교반력을 증가시키도록 하였다.

- 5 - <그림 2-3> FSW용 tool의 전형적인 형상

2. 마찰교반용접의 특징

FSW는 기존의 용융용접에 비해 다양한 특징을 나타내는데 <그림 2-4>에는 이러한 FSW의 특징을 정리하였다. 접합분위기는 Al의 경우 차폐가스가 필요하지 않고 용가재 역시 요구되지 않는다. 게다가 매우 특징적인 것은 접합에 따른 변형이 없거나 있어도 용융용접에 비해 무 시할 정도로 적다는 점이다. 접합 중에 흄의 발생도 없고 적외선, 자외 선 등의 유해광선도 발생하지 않는 환경친화적 접합공정이다. 또한 기 계적 에너지 효율이 높아서 판두께 12.5mm의 6000계 Al합금에 대해 3kW의 에너지면 충분하다고 한다13).

- 6 - <그림 2-4> FSW 접합법의 특징

Work Environment Energy Savings • No Fume • No Groove • Less Emissions/Waste • No Filler • Less Noise • No Shielding Gas • Less Electricity Quality • Less Defect Lightness • Less Distortion Less Inspection • No Skill Less Repair

본 기술의 단점은 접합부 종단에 tool 돌기부의 구멍이 남는다는 점 이다. 이로 인해 제품의 보수 혹은 end-tab을 부착하여 종단부를 제품 의 바깥쪽에 위치하도록 할 필요가 있다. 또한 비소모식 환봉인 tool을 이용하므로 여성을 형성할 수 없다. 이로 인해 지금까지의 설계기준을 만족하기 어렵고 필릿용접은 원리적으로 불가능하다. 그러나 이 새로 운 접합법의 이음부 형성의 가능성에 대해서는 여러 종류의 형상이 제 안되어 맞대기용접은 물론 필릿이음부, lap 이음부 등도 가능하여 특 히 열용량 차이가 큰 대단면 부재의 접합이 가능하다는 사실이 흥미 깊은 점이다. <그림 2-5>는 FSW특징과 관련하여 동일한 구속조건으로 용접한 경 우 FSW, GMAW 및 YAG laser 용접의 각변형량을 비교한 것이다11). 재질, 두께 및 접합재료에 따라 달라지지만 FSW의 각변형은 GMAW 의 1/20~1/30 수준으로 적다.

- 7 - <그림 2-5> 용접법에 따른 용접길이 1m당 각변형량 비교 (재료: Al 6061, 길이 1m, 두께 3mm)

10 Distortion (H), mm 0 FSW MIG YAG Laser

Weld

3 H 0mm 2 100 00

최근 들어 FSW 공정에 대한 경제성 검토 결과들이 다양한 전제조 건하에서 기존의 GMAW 공정과 비교하여 발표되고 있는데 <표 2-1> 은 두 접합공정에 대한 원가 비교 결과를 나타낸다14). 여기서 용접은 Al 6000계 합금으로 2m 길이의 double skin형 panel을 제작하는 것을 기준으로 하였으며 FSW와 GMAW의 접합속도는 각각 1500mm/min, 540mm/min이었다. 그리고 직선 용접이므로 별도의 lining check이 요 구되지 않음을 전제로 하였다. 이 경우 1년에 50,00m 용접을 한다고 가정하였을 경우 두 공정에 대한 원가계산 결과를 비교하였는데 FSW 가 GMAW에 비해 단위길이당 원가가 약 10% 적게 소요되는 것으로 계산된다. 이 경우, 검사, 보수 비용이나 홈 가공 비 등이 계산에 반영 되지 않았다. 이러한 FSW의 경제성은 적은 양의 용접에서는 기대할 수 없으며 년간 용접길이가 일정한 수준을 초과할 때부터 GMAW를 추월할 수 있다는 것을 <그림 2-6>을 통해 알 수 있다.

- 8 - <표 2-1> 년간 50,000m 용접시 용접법별 원가 비교

Unit FSW MIG

Machine cost EUR/m 0.84 0.53 Weld length m/yy 50000 50000 Weld speed m/min 1.50 0.54 Arc time h/m 0.0111 0.0309 Duty cycle - 0.24 0.34 License cost EUR/m 0.86 0.00 Labor wages EUR/m 1.16 2.27 Tool cost EUR/m 0.05 0.00 Filler cost EUR/m 0.00 0.26 Energy cost EUR/m 0.00 0.01 Shielding cost EUR/m 0.00 0.19 Total cost EUR/m 2.92 3.25

<그림 2-6> 단위 길이 당 용접원가 비교

- 9 - 3. 마찰교반용접의 공정기술

FSW에서는 피접합재에 외부로부터 주어지는 에너지는 기게적인 회 전력뿐이므로 관리해야할 변수는 아크용접에 비해 작지만 아크용접에 서는 용융금속이 포함되므로 이음부 정도는 FSW에 비해 여유가 있 다. 따라서, 기존의 아크용접과는 다른 주의를 필요로 한다. <표 2-2> 에 접합변수를 나타낸다. 기본적인 접합조건변수는 tool 형상, tool 회 전수, 접합속도 및 접합재의 구속방법이다. 이러한 조건은 접합재의 재질, 형상 및 두께 등에 의해 적절히 선택되어야 한다. FSW 공정에 서 tool의 회전속도와 접합속도는 재질에 따라서 차이는 있지만 비교 적 넓은 범위에서 선택이 가능하다. 이 두 인자는 아크용접에서 용접 전류/아크전압과 용접속도와 유사한 접합변수이다. 그러나 이들 변수 의 조합에 의해 정의되는 아크용접 입열량에 필적하는 FSW의 열량은 현재까지 정의되지 못하고 있으며 향후 과제로 남아 있다.

<표 2-2> FSW공정의 주요 접합인자

접합인자 내용 Tool 형상 재질, 형상, 두께 Pin 접합재 두께와 동일하게 삽입 Tool 삽입깊이 Shoulder 접합재 표면에서 약간 삽입 Tilting 각도 전진각 적용 Tool 회전수 재질, 두께, pin 형상 접합속도 tool 회전수와 조합하여 결정 구속 이음부 정도 보증을 위해 구속부재의 Jig 설계

시공조건 중 접합속도는 tool 형상 및 접합재의 재질에 의존하므로 간단히 결정하기는 어렵지만 Al합금의 경우 일반적으로 GMAW와 동 일하거나 약간 상회하는 수준이다. 따라서, 300mm/min~1000mm/min 범위의 속도 적용이 많은 편이다. 접합재의 재질에 따른 최고가능 접합 속도의 계산 예를 <그림 2-7>에 나타낸다15). 계산에 이용된 식은 다소

- 10 - 애매하지만 아래와 같다.

VFSW = φFSW․ψFSW․1/t

여기서 φFSW는 재료상수이고 ψFSW는 tool 상수로서 일반적으로 1을 적용하고 고능률 tool 개발시 2를 적용한다. t는 mm 단위의 두께이다.

φFSW값은 Pb의 경우 3700이고 Al합금은 6000계가 1200으로 가장 높고 5000, 7000계는 각각 700, 600으로 주어지며 Mg, Cu, Ti은 각각 400, 300, 100의 상수를 적용한다. 판두께 5mm의 부재를 비교하면 Pb의 경우 700mm/min, Cu의 경우 100mm/min가 최고접합속도이다. Al합 금은 합금종류에 따라서 500mm/min~150mm/min 범위의 최고접합 속도를 보인다.

<그림 2-7> 합금 종류 및 두께별 접합속도 의존성

1200 Pb Pb 1000 Al experiments Al 6xxx 6xxx Al 5xxx 800 5xxx Al 7xxx 8xxx & 2xxx 7xxx 8xxx 600 2xxx Cu Cu Ti Speed (mm/min) 400 Ti Dissimilar Al Mg 200

0 0 5 10 15 20 25 30 Thickness (mm)

<그림 2-8>에 Al 합금 6000계 및 5000계의 경우 건전한 접합부가 얻어지는 접합속도와 tool 회전수와의 관계를 나타낸다16). 6000계의 경우 5000계에 비해 건전한 접합부가 얻어지는 조건범위는 매우 넓다. 단, 제품에 적용하는 경우의 조건은 접합결함 뿐만 아니라 접합부의 각종 특성, 신뢰성, 작업관리기준 등도 포함하여 엄밀한 선정이 필요 하다. 이러한 적정접합조건을 벗어난 경우 접합부에서는 교반부족이나 교반과잉에 의해 결함이 발생하게 된다.

- 11 - <그림 2-8> Al 합금의 최적 FSW 조건 범위

4000

Excessive Stirring 3000 Defects

2000 6000 series Defects Free

Rotation Speed, rpm 1000

Insufficient Stirring 5000 series Defects 0 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Travel Speed, mm/min

4. 마찰교반용접 접합부 온도분포와 조직

FSW 접합시의 온도이력에 대해서는 다양한 결과들이 발표되고 있지 만 그 측정은 간단하지 않다. 그 이유는 접합재의 강한 소성유동에 의 해 열전대 선단의 파손이 생기기 때문이다. 따라서, 접합부 근처나 경 계부의 측정값이 많은 편이다. Backlund는 tool 직경 15mm의 경우 판 두께 4mm의 6063 Al합금-T6재의 접합선 중앙에서 2mm 떨어진 지점 에서 500℃를 초과하는 값이 기록되고 있다17). 순Al의 경우 접합부 최 고온도는 약 450℃로서 Al의 융점 660℃에 비해 융점 이하의 소성유 동을 일으키는 온도라는 것이 밝혀져 있다. 또 다른 실험결과에 의하 면 FSW 접합을 시작할 때에는 비소모식 tool이 모재에 마찰발열을 일 으키면서 횡방향 이동이 없는 공회전 상태를 유지하는데 이 경우 공회 전 시간과 그 주위의 최고도달온도를 계측한 결과에 의하면 최고 350~400℃가 되어 위의 결과와 유사한 값을 보인다. TWI의 실험결과 에 있어서도 거의 용융점의 70% 정도가 최고온도로서 Al의 경우 55 0℃를 넘지 않는다고 하여 접합시의 최고온도는 500℃ 내외라고 생각 된다. 한편, 6N01 합금에 대해 FSW와 GMAW의 용접입열량을 측정하여 비 교한 실험에 따르면 동일한 용접속도에서 FSW가 GMAW에 비해 절

- 12 - 반정도의 입열이 소요되며 이 경우 용접이음부 강도는 GMAW에 비해 FSW가 높고 게다가 연성도 같거나 그 이상으로 얻어진다고 보고되었 다13). FSW부의 온도측정결과를 GMAW 경우와 비교한 결과를 <그림 2-9>에 나타낸다16). FSW의 최고가열온도는 480℃로 GMAW 용접부의 온도(>660℃)에 비해 매우 낮다.

<그림 2-9> 동일한 용접속도에서 GMAW와 FSW의 용접입열 비교

Measuring point

FSW 접합시의 온도이력에 대해서는 다양한 결과들이 발표되고 있지 만 Backlund는 tool 직경 15mm의 경우 판 두께 4mm의 6063 Al합금 -T6재의 접합선 중앙에서 2mm 떨어진 지점에서 500℃를 초과하는 값 이 기록되고 있다. 순Al의 경우 접합부 최고온도는 약 450℃로서 Al의 융점 660℃에 비해 융점 이하의 소성유동을 일으키는 온도라는 것이 밝혀져 있다. 또 다른 실험결과에 의하면 FSW 접합을 시작할 때에는 비소모식 tool이 모재에 마찰발열을 일으키면서 횡방향 이동이 없는 공회전 상태를 유지하는데 이 경우 공회전 시간과 그 주위의 최고도달 온도를 계측한 결과에 의하면 최고 350~400℃가 되어 위의 결과와 유 사한 값을 보인다. TWI의 실험결과에 있어서도 거의 용융점의 70% 정도가 최고온도로서 Al의 경우 550℃를 넘지 않는다고 하여 접합시 의 최고온도는 500℃ 내외라고 생각된다.

- 13 - 한편, 6N01 합금에 대해 FSW와 GMAW의 용접입열량을 측정하여 비 교한 실험에 따르면 <그림 2-10>에서 나타나듯이 동일한 용접속도에 서 FSW가 GMAW에 비해 절반정도의 입열이 소요되며 이 경우 용접 이음부 강도는 GMAW에 비해 FSW가 높고 게다가 연성도 같거나 그 이상으로 얻어진다고 보고되었다.

<그림 2-10> 동일 용접속도하에서 GMAW와 FSW의 용접입열량 비교

600 6N01 Alloy 4mm 500

400 GMAW

300

200

Heat Input, J/mm Heat Input, FSW 100

0 0 200 400 600 800 1000 Welding Speed, mm/min

TWI에서는 접합이음부의 단면 마크로 조직을 <그림 2-11>에 개념적으 로 도시한 바와 같이 구분하여 정의하였다18). 가장 뚜렷한 특징은 접 합부 중앙에 잘 발달된 nugget(D)이 존재하는 점인데 이 영역은 동적 재결정영역이고 Al 합금 접합부에서는 뚜렷한 onion ring 형의 내부구 조를 지니는 경우가 많다. Nugget의 전체적인 형상은 사용 재료와 공 정조건에 따라 매우 가변적이다. 일반적으로 복잡한 형상을 지닌 nugget 부착물이 용접부 위 표면에서 자주 관찰되며 이는 tool shoulder의 끝단부까지 이어질 수 있다. Nugget의 직경은 pin의 직경 보다 약간 큰 것이 일반적이며 shoulder 직경보다는 훨씬 적다. 현재 로서는 nugget 형상에 대한 예측은 불가능하다. 이는 tool 설계, 접합 조건 그리고 접합모재의 고온강도 등 다양한 인자에 의해 지배된다.

- 14 - Nugget 외부의 마크로조직 역시 매우 독특한데 nugget에 바로 인접해 서는 소재의 극심한 소성변형이 일어나 연신된 결정조직이 90o까지도 회전할 수 있는 영역이 존재한다. 이 영역은 FSW 고유의 열-기계적영 향역(C), TMAZ (thermomechanically affected zone)이라 부르며 소성 변형에 의해 부분적인 재결정이 일어나는 곳이다. 이외에도 열영향부 (B)는 변형이 가해기지는 않지만 접합부의 열이 이 영역의 성질에 영 향을 미친다. 가장 외각의 모재부(A)는 열이나 기계적변형의 영향을 받지 않은 영역을 나타낸다. 이상과 같이 열과 기계적변형이 복합적으 로 영향을 미치는 복잡한 FSW 접합부 미세조직 특징에 대해서는 보 다 깊이 있는 연구가 필요한 부분이다.

<그림 2-11> FSW접합부 미세조직 영역 구분

Stir Rod of Shoulder width

C C A D 7075-T7351 B B A

W.N.

TMAZ x100 Parent Material x100 Thermomechanically Affected Zone Weld Nugget x200

A: Unaffected material B: Thermally affected C: Thermomechanically affected(plastically deformed, with partial recrystallization) D: Dynamically recrystallized weld nugget

이러한 4가지 조직영역은 접합재의 재질에 따라서 차이가 나타나는데 <그림 2-12>는 Al합금과 탄소강 FSW 접합부 마크로조직 특성을 비교

- 15 - 하여 보여준다.

<그림 2-12> FSW 접합부 미세조직 영역 구분 (a) Al 6061, (b) C-Mn steel

C B D B A A (a)

C B D B A A

(b)

FSW 용접부 열분포 특성을 이해하기 위한 다양한 simulation시험이 진행되어 왔다. 지그까지의 연구 결과에 따르면 shoulder와 pin을 고 려하여 열흐름 및 잔류응력을 해석하였으나, FSW 접합부의 열분포 및 역학적 특성에 관한 연구내용이 아직까지는 정확한 이론으로서 정립이 되지는 않은 상태이며, 접합부의 소성유동에 의한 재료의 역학적 특성 의 변화 등은 고려하지 않은 가정을 전제로 하고 있기 때문에 향후 이 에 대한 지속적인 연구가 필요한 실정이다. 대표적인 선행 연구 결과 의 FSW 접합부의 열분포 특성에 대하여 보고된 내용은 다음과 같다.

<그림 2-13> 접합부재와 shoulder 계면에서 생성되는 열을 재현하기 위한 열분포 특성

q(r)

- 16 - FSW 열전도 해석시, <그림 2-13>과 같이 tool의 shoulder와 pin 부근 의 접촉면에서의 마찰열을 주 열원으로 고려하였으며, 이에 대한 입열 식은 다음 식(1)과 같이 가정되어졌다. 식(1)로부터 하중, 회전속도, 마 찰계수를 변수로 하여 시편의 Heat input 비율은 식(2)와 같이 나타 내어질 수 있다.

3Qr q(r)= 3 3 2π( r 0 - r i ) (1)

πωμF( r 2 + r r + r 2) Q = 0 0 i i 45( r 0 + r i ) (2) F: Downward force(Mpa)

ω: Tool rotational speed(rpm)

μ: Friction coefficient

<그림 2-14>는 Paul Colegrove의 FSW 접합부의 온도분포에 관한 결 과로서 최고온도분포는 460℃의 온도분포를 보이며, Al 융점이하에서 접합을 이루어지고 있다.

<그림 2-14> 실측치 및 비교치 접합부 온도 비교

500

▲ ▲ Test 450 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ FEM

▲ C) ▲ ° 400 ▲

▲ 350 ▲ ▲ ▲ 300 ▲ Temperature( 250

200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Distance from the center of the weld(mm)

FSW 접합부의 최고온도는 <그림 2-15>에 보이는 것처럼 tool의 shoulder외부 원주 주위(2∼4mm)에서 최고 온도를 보이며, 실험에 의

- 17 - 한 온도값과 유한 요소법에 의한 수치해석 결과 값이 거의 유사함을 알 수 있다. 또한, 식(2)와 같이 시편의 입열 비율은 tool의 중심으로 부터의 거리에 비례하며, 시편의 최고 입열은 모재와 마찰을 일으키 는 shoulder의 외부 원주와 pin에 따른다. 결과적으로 접합부의 중심 인 pin 부근에서 최고온도 분포를 보이지 않고, shoulder부의 접촉면 에 의해 최대 온도가 나타남을 기술하고 있다. 또한, 접합과정동안 기 계적 교반으로 인한 변형은 미세 조직의 형성에 크게 영향을 미친다. 즉, 접합 시작 후 초기 온도분포는 모재와 tool이 맞닿는 부분에서 마 찰에 의한 고온을 형성하고 있으며 이는 tool의 회전력에 의해 모재에 서 마찰열이 발생함을 나타내며, 열전도가 큰 Al 합금의 고유 특성에 따라 시간에 의한 고온역에서 급격한 냉각 온도구배가 나타남을 알 수 있었으며, 전술한 연구의 내용과 동일한 현상을 보여주고 있다.

<그림 2-15> FSW 접합부 온도분포

600

500

400

TM AZ 300

TEMP (IP) HAZ 200

100 BM SZ

0 -1 0 -5 0 5 10 X

1.5 mm

(a ) (b ) (c )

FSW 접합부에 잔류응력에 대한 분포 특성은 <그림 2-16>과 <그림 2-17>에 나타난 것처럼 다음과 같은 결과를 보이고 있다.

<그림 2-16> FSW접합부 3축 잔류응력 거동(판두께 1.5mm)

- 18 - <그림 2-16> FSW접합부 3축 잔류응력 거동(판두께 1.5mm)

350

σxx after fixture release 300 σyy after fixture release σxx before fixture release σyy before fixture release 250

200

150

100 Residual stress Residual

-50 0 10 20 30 40 50 60 Position away from the weld(mm)

위의 FSW 접합부의 응력해석 결과에서 보면 σ yy는 Jig에 의한 구속 지점과 접합부에서 최고값을 보이며, 구속을 해방한 후에는 감소하는 특성을 보인다. <그림 2-17> 또한, FSW 접합부의 잔류응력 분포를 나타내고 있으며, 접합부 중앙에서 압축 잔류응력이 작용하고 있음을 알 수 있다. 한편,

응력의 크기는 σ x > σ y > σ z 순으로 나타났으며, 위의 수치 해석 에 의한 결과를 통해 볼 때 각종 공정변수들 중 회전속도와 접합속도 의 공정변수에 의해 응력값이 크게 좌우되고 있다. 또한, FSW 접합 후의 변형을 각종 해석 및 실험을 통해 고찰해 본 결과 용융 용접에 비해 작게 나타나는 특성을 보였다.

<그림 2-17> 3축 방향 FSW 잔류응력 비교

40 sgm-y sgm-z sgm-x 30

0 g-,g-,sgm-x sgm-y,sgm-z,

-10

-20 -1 00 0 100 Y

- 19 - 5. 마찰교반용접부 기계적성질

접합부 기계적성질은 기기나 tool 형상에 의존하는 경우가 많으므로 각종 연구결과들에 대한 직접적인 비교는 어렵다. 지금까지의 연구결 과를 종합하면 대략 FSW 접합부 기계적성질은 모재와 GMAW 용접 부의 중간 수준이므로 기존 용접공정을 FSW로 교체하는 것이 비교적 용이하다고 생각된다. 2000계, 5000계, 7000계 등 Al합금의 FSW 이음 부의 정적 강도특성은 모재와 동등한 수준이거나 경우에 따라서는 40% 정도까지 저하하는 것을 나타낸다. 설계기준으로서 모재의 인장 강도 또는 항복강도를 적용하더라도 모재보다 약간 낮은 FSW 접합부 는 설계기준의 소성변형에 충분히 견딜 수 있음을 시사하고 있다. 지 금까지 발표된 Al합금의 FSW 접합이음부의 인장시험결과는 <표 2-3> 에 나타낸다19). 일본에서는 철도수송기기 및 선박분야를 중심으로 FSW기술의 적용예 가 증가하고 있다. 1997년 가을부터 700계 신칸선의 floor판넬의 접합 에 적용된 이래 지하철 신차량의 측면부재의 접합 및 선박용 부재의 접합 등에 적용시키고 있다. 대표적 용접구조용 Al재료인 6N01 및 5083합금을 FSW에 의해 접합하여 철도차량 및 선박용 광폭 형재를 제작 700계 신칸선(1300mm W, 5000mm L)의 floor판넬(6N01-T5, 4t) 및 선박판넬(5083-H112, 4t)로 공급하고 있다22). 이 방법은 종래의 MIG 용접방법에 비하여 변형이 적고 평탄하므로 조립시의 용접시공성이 양 호하여 1997년 가을부터 주행되기 시작하여 현재까지 문제가 생기지 않고 있다23). <그림 2-18>에는 6N01 합금을 기존의 MIG 용접과 FSW 용접에 의해 접합한 경우 기계적성질을 비교한 결과를 나타내는데 FSW 접합부가 MIG 접합부에 비해서는 모든 기계적 성질이 우수하게 얻어지며 모재에 비해서 인장강도는 약 80%수준이 얻어진다. <그림 2-19>는 두께 5mm의 6N01-T5재의 피로시험 결과를 나타내는 데 전 시험범위에 걸쳐서 FSW 이음부는 GMAW에 비해 높은 피로강 도를 나타낸다20). 한편, 액체수소 저장용기용 합금 후보로 고려되는 Al 합금 5083-O재의 2층 FSW 이음부에 대한 극저온 특성을 평가한 결과

- 20 - <표 2-3> Al합금 FSW 이음부의 인장성질

Travel Yield Tensile Elongation Fracture Materials speed Strength, MPa Strength, MPa % location 2014-T6 - 247 378 6.5 HAZ 5083-O - 142 299 23 PM 5083 9.2 144 - 16.2 WM 5083 13.2 141 - 13.6 WM 5083 6.6 156 - 20.3 WM 5083 9.2 154 - 18.8 WM 5083 4.6 143 - 19.8 WM 5083-H112 15.0 156 315 18.0 HAZ/PM 6082 75.0 136 - 8.4 HAZ/PM 6082 26.4 132 - 11.3 WM 6082 37.4 144 - 10.7 HAZ 6082 53.0 141 - 10.7 HAZ 6082 75.0 - 254 - HAZ 6082-T5 - - 260 - - 6082-T4 aged - 285 310 9.9 - 6082-T6 150 145 220 7 - 6082-T6 aged 150 230 280 9 - - 6005-T4 94 175 22 - Plasma 6005-T4 107 194 20 - welding 6005-T4 104 179 18 - GMAW 6N01 199 133 12 HAZ/PM 25.0 7075-T7351 - 208 384 5.5 HAZ/PM 7108-T79 90 205 317 11 -

- 21 - <그림 2-18> FSW와 GMAW 접합부 기계적성질 비교

가 최근에 발표되었는데 <그림 2-20>에는 충격시험 결과를 나타낸다 21). FSW 접합은 판두께 30mm인 소재를 접합속도 40mm/min로 적용 하였다. Charpy 시험에 의한 충격흡수에너지는 액체질소 및 액체헬륨 온도에서 모재값을 상회할 정도로 우수하며 전 시험조건에서 연성파면 을 보인다. 이에 비해, GMAW에서는 상온이외의 온도에서 모재값에

미치지 못한다. 이 연구에서 파괴인성을 KIC에 평가하였는데 FSW이음 부가 충격시험과 마찬가지로 모재보다 높은 값을 지니고 인장강도 역 시 GMAW에 비해 매우 높은 값이 극저온 환경에서 얻어진다. 이러한 극저온 기계적성질의 개선은 조직 미세화와 합금원소 편석 저감에 기 인한 것으로 보인다.

- 22 - <그림 2-19> 모재 및 용접부 피로한 시험 결과

160 140 Base Metal 120 100 FSW 80 60 MIG 40 Stress Range (Mpa) 20 0 104 105 106 107 108 Endurance

<그림 2-20> 모재 및 용접부 충격시험 결과

20 BM 10 FSW

Absorbed Energy (J) MIG 0 0 100 200 300 Temperature (K)

- 23 - 6. 마찰교반용접과 구조화 기술

FSW는 온도상승이 적으므로 접합에 따른 재료에의 영향이 적어서, 용접변형도 적다. 6000계 Al합금(Al-Mg-Si계)를 탱크에 적용하는 경우 열처리형 합금이므로 아크용접에서는 용접열에 의한 이음부강도, 즉 이음부 효율의 저하가 커진다. 따라서, 용접이음부 부근의 판두께를 증 가시킨다. 그러나 FSW에서는 강도저하가 적어서 이음부 부근에서의 두께 증가, 즉 이음부 이외 부위의 연삭량을 적게 할 수 있으므로 원 가 절감이 가능하다. Al합금은 철강재료와 달리 복잡형상의 형재 제조가 용이하므로 FSW 적용에 따라서 설계, 조립하는 방법이 크게 달라진다. 기존의 Al고속선도 MIG용접에 의한 박판골조 구조가 이용되어 왔지만 시공 공수가 매우 많고 용접변형의 교정에도 시간이 많이 소요된다. 또한 객선의 상부구조(객실부)에는 중량 경감을 위하여 Al 합금이 사용된다. <그림 2-21>에는 Al 형재에 의한 보강 panel의 예를 보여준다. 강선 의 경우 대형 skin plate의 보강판을 필릿용접으로 조립하지만 Al합금 의 경우 폭 500mm 정도의 입체형상을 지닌 압출재가 제작 가능하므 로 이들을 단순히 맞대기 용접하여 대형 보강 파넬을 완성한다. 이와 같이 구조화 공정이 완전히 변화되지만 이 공정이 조선소에서 할지 소 재업체에서 할 지는 또 다른 문제이다.

<그림 2-21> FSW법에 의해 조립한 Al 선체 보강 panel

- 24 - 선체구조, 교량, 철도차량, 항공기 등 각종 구조물에 있어서 그 기본 구조는 skin plate에 보강재를 붙인 보강 panel 이므로 인장응력에 대 해서는 재료의 강도에서 파단을 방지하고 압축응력에 대해서는 보강재 에서 좌굴을 방지한다. 특히 철도차량, 항공기에서는 응력외피 구조이 다. 어떤 경우에도 외판과 보강재가 견고히 접합되어 있다는 것을 전 제로 한다. 형상의 변화가 용이한 Al합금의 경우 특히 철도차량의 구 조는 상당히 변화되었다. <그림 2-13>은 최근의 철도차량 구조로서 압 출재에 의한 double skin 구조로 되어 있으며 이를 접합함으로서 구체 화된다. 제진 등의 부가가치를 얻는 것도 용이하다. 재료특성과 용접∙ 접합기술의 상호 조합의 좋은 예이다. 한편 FSW에 의한 필릿용접이 실용화되면 적용범위는 한층 확대될 것으로 기대된다.

<그림 2-22> 철도차량용 전 알루미늄 2중 skin 구조체

<그림 2-23>은 기존의 MIG 용접용 이음부 형상에 비해 FSW 접합을

위한 압출재 이음부 형상의 특징을 나타낸다24). 이 경우 이음부 설계 는 접합시 가해지는 하중에 견딜 수 있는 강도와 강성을 지녀야 하며 최소한의 gap과 smooth한 형상이 요구된다. 최근 일반 철도차량(지하

- 25 - 철 및 기타의 객차)의 경우에도 경량화를 위해 구조재로서 Al합금이 많이 사용되고 있다. 어떠한 경우도 종래의 아크용접(MIG용접)으로 조 립된 차량에 비하여 접합부뿐 만 아니라 차량 전체의 변형량이 약 1/5이하로 감소하여 미관이 좋은 차량의 제작이 가능하다고 알려지고 있다.

<그림 2-23> FSW와 GMAW용 Al압출재 형상 비교

또한, FSW방법으로 접합한 선박용 대형 π섹션(5083-H112)은 접합부에 결함도 없고 이면이 평탄하므로 덧살 및 변형의 제거가 필요치 않아 현장시공성이 양호하여 1997년부터 중형선박의 상부구조에 사용되고

있으며 대폭적인 공정 단축이 가능하게 되고 있다22). 이들 이외에도 FSW는 대형 열교환기(6063), 파라볼라 안테나용 광폭판(1100-0) 및 평 탄도가 요구되는 교량상판(6N01)의 접합에 적용되고 있다. Al합금은 용접이 불가능한 것도 있어 현재도 리벳에 의존하고 있지만 최근 판 이음 공정에 FSW가 적용 가능하다고 보고되고 있으며 실용 화되고 있다. <그림 2-24>는 항공기용 부재에 FSW공정을 적용시 기존 의 리벳 공정에 비해 부재 형상 및 조립의 단순화가 획기적으로 이루

- 26 - 어질 수 있음을 보여 준다. 한편 접합기구면에서 FSW는 변형이 적어 서 박판의 판이음용접에 적합하지만 현재 안정적으로 시공 가능한 재 료는 Al,합금, 동합금에 한정되고 빠른 시간 내에 박판 철계재료에 적 용이 기대된다. 또한 FSW는 이종재 접합에도 적용이 기대되어 설계의 자유도가 큰 폭으로 향상된다.

<그림 2-24> FSW를 적용한 항공기 부재의 설계 변경 개념도

- 27 - 제 3 장 마찰교반용접 산업계 적용현황

철도차량과 항공기 등 대형 수송기계는 대부분 얇은 외판과 그 보강 재를 조립한 판넬이 기본적인 구조요소이고, 외판과 외판의 맞대기이 음부, 그리고 외판과 보강재의 lap 이음부가 주된 용접∙접합대상이 된다. 여기에는 낮은 변형과 고능률인 박판용접시공법이 바람직하지만, 치열한 원가 경쟁 하에 있는 제조업계에서는, 새로운 용접∙접합공정 으로서의 가치를 결정하는 최대의 요소는 설비투자액을 합한 전체적인 시공 원가와 얻어지는 품질의 균형, 이른바 원가 성능이라는 것은 말 할 필요가 없다. 이 장에서는 수송기계산업을 중심으로 다양한 산업분 야에서 최근 들어 크게 주목을 집중하고 있는 FSW 공정의 적용동향 과 금후의 전개 방향에 관해 조사하여 보고하고자 한다.

1. 국내외 Al 산업현황

FSW기술은 주로 Al을 소재로 하는 구조부재를 중심으로 산업계에 서 적용되고 있는 실정이다. 물론 적용 소재의 확대를 위한 기술 개발 이 활발히 이루어지고 있지만 산업계 적용 실적은 대부분 Al소재를 중심으로 이루어지고 있다. 따라서, FSW적용 현황을 살펴보기 위해서 는 우선 Al소재의 소비현황에 대해 살펴보는 것이 중요한 시사점을 제공할 수 있다. <표 2-4>에는 1999년 기준 세계 각국의 Al 소비량을 철강소비량과 함께 비교하였다. 철강소비량은 중국이 최근의 급속한 산업성장과 인프라 확충을 통해 단연 선두의 위치를 점하고 있으며 그 뒤를 이어 미국, 일본, 독일 순이며 한국은 세계 5위의 철강소비국가로 서의 위치를 점하고 있다. 이에 비해 Al 소비량은 우주항공산업과 군 수산업의 중심에 있는 미국이 단연 선두에 있으며 그 뒤를 이어 중국, 일본, 독일 순이고 놀랍게도 한국이 다섯번째 소비국의 위치를 점하고 있다.

- 28 - <표 2-4> 세계 각국의 철강 및 Al 소비량 (1999년, 단위 1000톤)

국 가 철강 Al 중국 130,800 2,925.9 미국 109,800 6,203.3 일본 69,000 2,099.7 독일 34,100 1,520.0 한국 33,600 814.0 이탈리아 29,400 735.3 인도 23,500 548.0 러시아 16,900 556.0 프랑스 16,500 785.9 캐나다 16,100 773.7 영국 13,300 581.0 합계 705,300 23,408.6

<그림 2-25>에는 세계 Al 소비현황에 대한 통계를 나타낸다. 2000년 기준으로 세계 Al 소비량은 총 2,846만톤 규모이고 이 중 가장 소비량 이 많은 분야는 수송기계용으로 전체 소비량의 약 30%를 점하고 있 다. 그 다음은 건축용, 캔용 순으로 소비되고 있다. 전체 Al 중 용접 가공의 대상이 되는 압연재는 약 43%인 1,233만톤 수준을 보인다. 압 연재의 경우 캔으로의 소비가 가장 많고 수송기계, 건축용 소비량도 높은 편이다. 이러한 세계 Al 소비 추세에 비해 한국의 Al 소비구조는 대부분 새시 등 건축자재 중심의 소비로서 고부가가치 수송기계 구조 재나 부품산업에 대한 소비량은 상대적으로 미약한 실정이다. 따라서 FSW기술의 연구개발과 산업계 적용이 Al 소비선진국들에 비해 상대 적으로 뒤쳐져 있는 실정이다. 그러나 최근 들어 국내 중공업, 철도차 량, 자동차업계 등에서는 Al 구조재의 신접합공정으로서 FSW기술의 도입을 매우 적극적으로 검토하고 있는 단계에 와 있다.

- 29 - <그림 2-25> 세계 Al 소비 현황(2000년)

GlGlobalobal GlGlobalobal Aluminum Consumption Rolled Products 2000 2000

Electrical Can Stock Machinery Electrical Machinery 9% 12% 9% 5% 10% Durables Can Stock 30% Durables 7% 6% Other Pack 5%

Other Transport 10% 16%

Transport 30% Bldg Bldg Other Pack Other 18% 16% 13% 4%

Total: 28,465 Kt Total: 12,333Kt (43%)

2. 수송기계산업에 있어서 FSW적용 현황

철도차량 동체는 Al 합금제와 스테인리스 강제로 나누어져 있지만, Al 제 구조체에서 특히 일본, EU에서는 FSW가 본격적으로 적용되고 있 으며 STS강제에는 laser용접의 적용이 여명기를 각각 맞이하고 있다고 말할 수 있다. <그림 2-26>에는 철도차량에 사용되는 재료나 구조특성 의 발전 추세를 나타낸다. 재료는 일반강에서 스테인리스로 그리고 최 근들어서는 경량화 추세에 따라서 대형 Al압출재를 이용한 2중 skin 구조에 접합방법은 FSW를 적용하는 추세로 가고 있다. Al제 차량은 그 경량성이 최대의 특징이고, 고속차량 외에 통근차량과 지하철차량에도 많이 채용되고 있다. 구조체의 재질은 6N01등의 6000 계 합금이 주종이고 다양한 단면형상의 압출형제가 이용되고 있다. 용 접방법으로서는 지금까지 MIG 용접과 TIG용접이 사용되어 왔지만 최 근에는 이들을 대신하여 FSW가 본격적으로 채용되고 있다. 이런 움직

- 30 - 임은 일본의 차량업계가 선도적 역할을 하고 있다. 일본에서는 철도수 송기기 및 선박분야를 중심으로 FSW기술의 적용예가 증가하고 있다. 1997년 가을부터 700계 신칸선의 floor판넬의 접합에 적용된 이래 지 하철 신차량의 측면부재의 접합 및 선박용 부재의 접합 등에 적용시키 고 있다. 대표적 용접구조용 Al재료인 6N01 및 5083합금을 FSW에 의 해 접합하여 철도차량 및 선박용 광폭 형재를 제작 700계 신칸선 (1300mm W, 5000mm L)의 floor판넬(6N01-T5, 4t) 및 선박판넬 (5083-H112, 4t)로 공급하고 있다22). 이 방법은 종래의 MIG용접방법에 비하여 변형이 적고 평탄하므로 조립시의 용접시공성이 양호하여 1997 년 가을부터 주행되기 시작하여 현재까지 문제가 생기지 않고 있다23). FSW는 압출재를 길이방향으로 접합하여 판넬화 하는 데 사용된다. FSW적용의 최대의 장점은, 종래의 아크용접에는 필히 발생하는 용접 변형 교정작업이 필요치 않다는 점이고 이로 인해 구조체의 제작공수 가 대폭 저감하게 되는 것과 동시에 제품품질(판넬의 평면성)이 개선 된다.

<그림 2-26> 철도차량 제조기술의 발전 추세

1960 1970 1980 1990 2000

Steel

Skin Stainless

All Stainless

Lightweight Stainless

Large Extruded Panel

Double Skin

FSW

- 31 - 이에 비해 유럽에서는 FSW에 의한 선박 판넬제작을 하고 있는 Hydro Marine Aluminium사가 독일 Alstom LHB사에 FSW법으로 제조한 지 붕 판넬을 공급한 예가 있지만 일본에서의 활발한 적용에 비하여 실적 은 아직 많지 않다. 그러나, 차량구조체제작에 MIG용접을 대신하여 FSW를 적용하는 경우의 환경 면에서부터의 정량적인 비교를 하면 에 너지 소모 측면과 기타 FSW의 우위성이 지적되어지는 등 환경 측면 에서도 FSW는 환영되어지고 금후 유럽차량업계에서 FSW의 적용이 확산될 것은 두말할 필요 없는 분명한 추세이다. 지금까지 항공기는 일부의 군용기를 제외하고 용융용접이 채용되어지 지 않고 리벳구조가 이용되어지고 있다. 특히 2000계, 7000계 Al 합금 에서부터 기체 주 구조에의 용융용접법의 적용은 불가피하게 발생하는 용접결함과 용접변형 등의 이유에서 실질적으로 금지되어 있다고 말할 수 있다. 이 상황을 타개한 리벳을 대신하여 기체구조에서 야금학적 접합을 적용하는 길을 연 것이 바로 FSW 기술이다. 항공우주분야에서 세계를 주도하는 구미에서는, FSW의 기체적용에 대 해 검토가 활발하게 행하여지고 있다. 유럽에서는 몇 개의 FSW적용 연구프로젝트가 EU차원에서 진행되고 있는데 항공기에의 적용을 목표 로 한 WAFS(Welding of Air Frames using Friction Stir)는 2001년부 터 3년의 기간에 13개의 기업연구기관이 체계적인 적용기술개발을 수 행하는 프로젝트로서 접합기술과 이음부평가에 국한되지 않고 비파괴 검사와 보수기술, 규격화도 포함한 본격적인 적용개발이 진행되고 있 다. 또 TWI를 중심으로 30개 이상의 기업연구기관이 참여하는 FSW개 발프로젝트 EuroStir에서도 항공기에의 적용에 관한 공동연구가 행하 여지고 있다. 영국 British Areospace Airbus사에서는 자동화가 어려운 현행 리벳접 합을 대신하여 FSW를 강력한 대체수단으로 적용하고 있다. 또 독일은 Daimler Chrysler Aerospace Airbus 사는 여객기 동체 외판의 다양한 판넬접합에 FSW 적용을 제안하고 있다. 한편 미국에는 항공기에 앞서 로켓트의 부재에 FSW가 실용화되고 있 다. 가장 잘 알려진 예는 Boeing사의 Delta 로켓트 연료 탱크에 대한

- 32 - FSW 적용일 것이다. 이 회사 Delta2의 2014합금제 탱크의 길이방향 용접에 FSW를 처음 적용하였다. 또 최신의 Delta4에는 액체산소, 액체 수소 탱크의 조립에 수직형 접합장치를 스웨덴 ESAB사로부터 도입하 여 FSW를 전면 적용하여 조립 원가의 60%, 공기는 74%를 감소하는 성과를 얻고 있다. 게다가 항공기 분야에서는 소형자가용 제트기 메이 커 Eclipse Aviation사가 업계를 놀라게 하는 발표를 하였는데 이 회사 의 Eclipse 500의 기체 판넬제작에서 외판과 스티프너의 lap 이음부를 리벳접합을 완전히 배제하고 대신에 FSW를 채용하였다. 이러한 공법 변경은 미국연방항공국(FAA)의 승인을 얻었고 시험제작 기는 성공적인 시험비행을 종료하였다. FSW의 채용 등에 의해 동급 항공기에서 상당한 가격 절감을 이룬 Eclipse500은 현시점에서 선택사 양을 포함하여 약 2000기 수준의 대량 수주를 달성하고 있다. 스웨덴, 노르웨이 등 북유럽 국가에서도 주로 Al 선박제조에 FSW를 적용하고 있다14). 예를 들어 13x16m, 12.5x2.8m 등과 같은 다양한 크 기의 미리 제작한 정형화된 Al 판넬을 선박 제조에 사용함으로서 높 은 완성도를 갖춘 상업적 생산과 사용성능의 안정적 보장이 가능해진 다. 또한 환경친화적이고 패널의 높은 직진성은 현장에서의 조립을 용 이하게 하고 이로 인해 수동작업이 적어지게 된다. 현재 이러한 선박 제조기술은 DNV, RINA, Lloyds 등과 같은 선급협회로부터 인증을 받 은 상태이다. 미국에서는 항공우주산업이 높은 관심을 나타내어 지금까지 용융용접 이 불가능하다고 간주되어온 duralumin에 대해서도 적용이 가능하여 항공관계자의 재료 선택시 용접성을 고려할 필요가 없어졌다고 까지 단언하고 있는 실정이다. 예를 들어 Boeing사의 경우 항공기용 연료탱 크를 FSW 기술만으로 제작하고 있으며 각종 패널의 조립에도 기존의 riveting 방식을 대체하는 접합기술로서 이미 상업적 생산에 적용하고 있다13). Boeing사에 따르면 결함발생율은 GMAW의 경우 용접길이 840cm 당 1개인데 비해 FSW 적용시 1/10 수준인 7,620cm 당 1개로 감소하였다. 유럽의 경우 EU 차원에서 항공산업에 있어서 FSW 응용기술 개발을

- 33 - 추진하고 있다25). 민간항공기 제작에 있어서 FSW는 원가, 중량, 이음 부 품질과 관련하여 큰 이점이 있는 것으로 판단되며 특히 동체의 길 이 및 원주용접에 대해 개발이 진행 중에 있으며 이외에도 door reinforcement 등에 tailored blank 용접에도 적용을 검토 중이다. 지금 현재 길이 방향 용접은 overlap connection 방식으로 매우 복잡한 riveting에 의해 이루러지며 rivet을 이용한 제조 방식(Airbus A340에 약 1백만 rivet 사용)은 이미 검증된 제조방식이므로 FSW가 위에서 언 급한 장점들을 확인할 수 있어야 하고 또한 충격흡수력이나 내식성에 대한 기준도 만족해야 한다. 이를 위해 European project인 WAFS(Welding of Airframes using Friction Stir)를 통해 FSW에 대한 표준화, 박판 접합기술, 중후판 및 단조재 접합기술, 공정 modelling 등에 대한 연구를 진행 중에 있다. 항공기 동체 제작시 FSW를 적용하 는 경우 기대되는 이점은 매우 다양한데 원가 절감과 관련하여 riveting보다 빠르고 조립이 단순하며 부품 재고를 줄일 수 있다. 이외 에도 제작공정이 단순해지고 설계 허용도가 높아진다. 이러한 저원가 이점 외에도 FSW 이음부는 fastener, butt strap, doubler, bonding, rivet 등이 필요 없어지므로 동체 중량이 가벼워진다. 이러한 장점을 살리기 위해서는 이음부 품질이 모재와 유사한 수준의 강도를 얻으면 서도 우수한 내식성을 지닐 수 있도록 현 수준보다는 개선되어야 한 다. 또한 전체 구조에 있어서 피로나 내충격성 향상을 위해 낮고 균일 한 응력분포가 이루어지도록 해야 한다. 마지막으로 FSW 적용시 다양 한 소재에 대한 용접이 가능하므로 용접구조물의 새로운 설계가 가능 해진다. 대표적인 예를 들면 신, 구 항공재료(6013/6056, 2024, 2524, 7050, AlMgSc)용접, 이종합금(2524/7349. 6013,6056/2024) 용접, 다양한 두께 범위의 박판, 후판, 압출재 용접, tailored blank 용접 등이 가능 하다. 자동차 산업에 있어서도 FSW의 응용이 활발히 진행되고 있다14). 노르 웨이에서는 차 wheel의 두 부분을 FSW로 접합하는 기술을 개발하여 prototype 제작에 성공하였다. 기존의 wheel assemblies에 비해 용접 전후 처리가 단순하고 설계 자유도를 높여주고 치수 안정성과 관련한

- 34 - 문제를 향상시켜 준다. 또한 Al을 이용한 prototype 자동차 설계자들 은 tailored Al blank를 고려하고 있는데 현재까지는 대부분 laser 용 접에 의해 tailored blank 용접이 이루어지고 있으나 FSW를 이용한 이 종두께간 접합이 개발되어 적용을 검토하고 있는 단계이다. 이 경우 낮은 입열량과 용접부 전반에 걸쳐 우수한 기계적성질로 인해 양호한 성형성을 나타내고 경사진 tool이 단차가 있는 이음부 쪽으로 삽입시 킴으로서 완만한 두께 변화를 얻을 수 있다.

3. 토목산업에 있어서 FSW적용 현황

Al합금은 초기 원가가 높기 때문에 지금까지 실험적인 용도, 재료특 성을 활용한 특수 용도 외에는 토목구조물의 강도부재로서 이용된 예 는 거의 없다. 그러나 초기 원가만이 아니라 사용년수를 고려한 life cycle 원가를 중요하게 여기는 최근의 경향에서 보면 유지관리 원가가 적게 드는 Al합금의 이점을 토목구조물에 적극적으로 활용하려는 움 직임이 일고 있다. 현재 미국에서는 상당수의 교량이 대대적인 보수나 내하력 향상을 필요로 하고 있다. 따라서 그 실시에 즈음하여 기초나 그 외의 지지구조를 바꾸지 않고 문제를 해결할 수 없는가하는 요망이 있어 이에 대처하기 위하여 기존의 콘크리트 상판을 경량 Al 상판으 로 교체하는 시도가 이루어지고 있다. 일본에서는 설계자동차하중이 196kN에서 245kN으로 변경되어 교량의 콘크리트상판이나 강형의 보 강이 시급한 실정이다. 이에 대해 미국과 같이 Al상판의 도입에 의해 상판 자체의 중량을 낮추어 대처할 수 있지 않겠나 하는 요망이 나오 고 있다. 한편 최근에는 보도용 Al상판, Al보도교의 제작에 FSW를 적 용하기에 이르렀다. FSW가 사용된 보도용 Al 상판은 일본 山形懸飽海君遊佐町 내의 국도 7호선에 설치되어 있다. Al6061S-T6 및 A6061S-T5를 재질로 하는 기존의 Al 합금제 방호책(防護柵)이 A6N01S-T6로 변환되어 Al 상판의 소재로 재활용되었다. Al 상판은 압출형재를 FSW로 연결하는 방식으 로 제작되었다.

- 35 - Al 보도교(다리길이 36.4m, 유효폭 2.5m, 2002년 완성)는 일본 長崎懸 내의 JR 大村선의 JR 川柵역에 설치되어 있다. 압출형재를 FSW로 연결하여 판넬을 제작하고, 판넬과 판넬은 MIG 용접과 TIG 용접으로 연결하여 箱裄이 제작되었다. FSW로 제작된 판넬은 변형이 매우 적다 는 것이 확인되었다. 사용된 주요 Al합금은 A6N01S-T5 와 A5083P-O 이다. 이와 같이 일본에서는 이미 보도용 Al 상판과 Al 보도교의 제작에 FSW가 사용되어지고 있다. 이는 보도교용 구조물에는 피로의 문제가 없기 때문이다. 현재까지 세계적으로 Al교량 제작에 FSW를 적용한 사례는 보고된 바 없다. 현재, FSW로 제작되는 Al교량의 품질보증에 관한 기준작업이 일본 Al 협회에서 행하여지고 있다.

4. FSW적용 재료의 확대 현황 이미 언급하였듯이 FSW는 피접합재의 용융점 이하의 온도에서 작동 되는 고상접합공정이므로 우주항공산업에서 널리 사용되는 Al 합금, 예를 들어 2014, 2219, 7050 및 용융용접이 불가능한 Al-Li합금 등에 대해 매우 용이하고 경제적으로 고품질의 용접부를 구현할 수 있다. 또한, FSW에 의한 저변형 고상접합부는 아크 공정에 의해 이루어지는 용융용접부에 비해 우수한 금속학적, 기계적 특성을 나타낸다. 이종 Al 합금간의 용접, 예를 들어 2xxx/7xxx, 5xxx/6xxx 조합도 가능하다. Al 합금 용접에 있어서 차폐가스는 필요하지 않다. FSW 공정은 Al 이외에도 다양한 저융점재료 접합에 적용이 가능한데 여기에는 Pb, Zn, Cu, Mg 그리고 Mg/Al간 이종접합 등이 포함된다. 저융점재료의 접합을 위해서는 몇 가지 아래와 같은 재료적 인자들을 고려해야 한다. 1)재료의 연화온도: 재료의 연화온도로부터 tool의 작업온도와 응력 조 건을 정할 수 있다. 즉, tool의 적정성을 결정할 수 있다. 2)재료의 열전달 특성: 열전달특성을 알면 접합을 위한 공정조건을 결 정할 수 있다. 이는 열전도도, 열용량, 열확산도 등이다. 예를 들어 열

- 36 - 확산도가 낮으면 일반적으로 열전달 속도가 감소하므로 느린 회전/이 동속도와 큰 tool shoulder 직경이 필요하다. 3)재료의 유효 소성역: 좁은 소성역(재료가 소성상태를 유지하는 온도 구간)은 공정의 경직성에 대한 대략적인 척도가 된다. 좁은 소성역을 지닌 재료는 필연적으로 FSW의 공정조건이 좁은 범위를 지닌다. 특히, 최근에는 Ti 합금과 Mg 합금에 대한 적용성 검토가 활발히 이 루어 지고 있는데 이스라엘에서는 Mg 주조합금인 AZ91D에 대해 FSW를 적용한 결과 결함 발생이 거의 없이 용접이 가능하다는 것을 다양한 조직 특성과 함께 발표한 바 있으며26) 독일에서는 <그림 2-27> 에 나타내듯이 복잡한 형상의 Mg 자동차 부품을 로봇을 이용한 자동 FSW 용접으로 접합하는 기술을 개발 중에 있다27).

<그림 2-27> FSW 로봇을 이용한 자동차용 Mg 주조합금 부품

이 공정은 Al외에도 다양한 저융점재료 접합에 적용이 가능한데 여기 에는 Pb, Zn, Cu, Mg 그리고 Mg/Al간 이종접합 등이 포함된다. 최근 에는 철강재료 및 금속기 복합재료에 대한 적용 가능성이 검토되고 있 는 단계이다. 고온재료에 대한 FSW 역시 많은 연구가 진행되고 있다. 예를 들어 Ti 과 그 합금, 철강, Zr 합금 등을 들 수 있다. 이 경우 가장 큰 문제는 tool의 열적 안정성이다. 저융점재료에 비해 이들 재료 접합용 tool은 1000℃ 이상 고온에서 작동한다. 이러한 온도에서는 tool과 관련한 아

- 37 - 래의 특성들이 고려되어야 한다. 1)작업온도에서의 tool의 기계적 안정성: 고온에서 tool은 적절한 접합 을 위한 형상을 유지해야 한다. 적절한 tool은 접합온도에서 변형에 견 디고 마모를 최소화해야 한다. 2)금속적 공격에 대한 저항능: 선택된 tool은 접합과정에서 모재와 해 로운 쪽으로 금속적 반응을 일으키면 안 된다. 이는 tool attack을 촉 진할 수 있는 취약한 금속간화합물상이나 저융점화합물 형성을 포함한 다. 이외에도 저융점재료에서 검토한 모든 재료인자들이 여기서도 고 려의 대상이 되어야 한다. 마지막으로 이들 고온재료들은 필연적으로 모재와 tool의 산화를 방지하기 위한 차폐가스가 필요하다.

- 38 - 제 4 장 국내외 연구동향

1. 국내 동향

활발한 개발과 관심에도 불구하고 FSW는 여전히 새로운 접합공정 이다. 이러한 관점에서 이 공정을 충분히 활용하기 위해서는 상당한 개발이 추가적으로 요구된다. 국내에서는 아직 FSW 공정을 상업적으 로 활용한 사례는 없는 실정이며 RIST, 성균관대, 조선대, 수원과학대 등 연구기관을 중심으로 Al, Mg, Cu 합금 등 비철합금의 공정 개발, 접합부 열 및 응력 해석 등 기초적인 연구개발에 한정되어 있다. 이러 한 연구는 이 공정의 접합기구를 이해하고 정량화하며 증명하기 위해 서 수행되고 있으며 접합소재와 FSW tool과의 상호작용 기구에 대한 이해 증진과 함께 온도 의존적인 열적, 기계적성질에 대한 정도 높은 process modelling이 필요하다. 이 기술을 보다 넓은 제조분야에 확 대 적용하기 위해서는 공정 개선이 필요한데 특히, 생산성 향상을 위 한 접합속도 향상에 큰 관심이 집중되어 있다. 이를 위한 tool 재질 및 설계기술 개발이 뒷받침되어야 하며 복잡 형상의 부품 및 구조물 제작 에 적용하기 위한 비선형 3차원 접합 시스템의 개발도 필요한 과제이 다. 최근에는 Al 합금에 이어서 Ti, Mg, Cu 합금 등이 FSW 기술 개 발의 축이 되고 있는데 이 기술이 개발되면 철강, Ni기 합금 그리고 금속간화합물에 역시 적용이 고려될 것이다. FSW기술은 기본적으로 에너지 절약 및 작업환경의 개선이라는 이점도 있어 향후 자원의 보존 및 지구온난화 문제 등으로 환경규제가 더욱 강화되어 갈 것이라고 본 다면 이 기술은 고상접합기술로서 사용이 증대될 가능성이 매우 높은 기술중의 하나라고 생각된다.

2. 해외 연구동향

<그림 2-28>은 일본에 있어서 laser용접과 마찰용접에 대한 최근 연 구동향을 나타내는데 지난 10년간 두 분야의 연구가 매우 급속히 증가

- 39 - 하고 있음을 보여준다11). 특히, 지난 2년간의 연구결과에서는 마찰용접 연구의 40%가 FSW 기술 관련된 것으로 향후 이 분야 기술개발의 열 기를 가늠할 수 있다.

<그림 2-28> 최근 일본에서의 용접관련 연구동향

150 Friction Welding (Including FSW) 125 Laser Welding

100

25 Numbers of published papers Numbers of published FSW 0 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 00 Published Year

Al 합금의 생산가공 공정에 있어서 FSW 기술의 개발이 가져 온 가 장 큰 기술적 효과는 이 공정이 피접합재의 용융점 이하의 온도에서 작동되는 고상접합 공정이므로 지금까지 고온균열 등의 문제로 인해 용융용접의 적용이 불가능하였던 고강도 시효경화형 Al 합금에 대해 리벳팅 대신 접합이 가능하게 된 점을 들 수 있다. 이들 합금은 1930 년대 이후로 항공기 및 방탄용 소재로 사용되어 왔으며 최근에 이르기 까지 이들 합금의 특성은 괄목할만한 발전을 이루어 왔다. 그러나, 실 질적인 관점에서 이들 합금은 통상의 아크나 빔을 이용한 용접이 불가 능하다는 한계로 말미암아 구조 경량화를 위한 적용에 많은 제약이 따 라왔다. 이러한 상황은 FSW 기술의 개발로 인해 거의 완벽하게 반전 되어 실로 항공우주 산업에 있어서 생산가공기술의 paradigm이 바뀔 정도의 파급효과를 나타내고 있다. 최근 들어 FSW기술 개발과 실용화와 관련한 선진각국의 연구개발 활동은 치열하게 전개되고 있다. 따라서, 본 보고서에서는 일본을 비롯

- 40 - 하여 미국, EU 등 선진국에서 진행되고 있는 연구개발 동향을 전체적 으로 정리하고 그 중에서 특히 주목의 대상이 되는 몇 가지 연구 결과 에 대해서 상세히 정리하였다. 먼저 FSW접합부의 특성을 개선하기 위한 연구개발 활동과 관련하 여 Al 합금의 FSW 이음부 강도 면에서는 접합이음부 정도의 영향, tool 전진각도의 영향, tool 형상의 영향, lap 이음부, 후판이음부의 성 능, 이음부 변형거동과 방지법 검토, 저온에서의 기계적성질, 응력부식 균열성, 결함생성시 강도 특성, Al계 이종접합이음부의 특성 등에 대 한 연구가 진행되어 결과가 보고된 바 있다. 실제 시공시 5000계, 6000 계의 강도 특성 및 초전도 코일도체, 전자기기의 heat sink, 수냉 동 패널 적용, 3차원 FSW기 개발, 철도차량에의 적용, 자동차 주요부재에 의 적용. 항공기 부재에의 적용 등도 보고되었다. 새로운 시도로서 가 압력 제어방식 및 spot FSW가 개발되었다. FSW 접합현상에 대한 연 구로서는 tool 온도분포의 직접측정, FSW 입열의 직접측정, pin과 shoulder부를 구분하여 열량측정을 시도한 결과도 보고되고 있다. FSW 접합부의 미세조직 형성기구가 1000계, 5000계, 6000계 합금을 중심으로 조사되어 재결정거동, 초미세조직의 ECAP재 조직형태, 접합 계면의 산화막 거동도 미세관찰에 의해 조사되고 있다. Mg이음부에 있어서 조직 분석과 Al/Mg 이종접합부 조직 분석, 접합부 조직제어 등이 시도되고 있다. 재료의 FSW 접합성이란 관점에서 이종 Al합금, 다이캐스트 Al재의 FSW 접합성, 입자분산Al합금, 휘스크강화 Al합금, Al합금과 이종재 접합, Mg합금의 용접성이 평가되었다. 주조재에 대 한 적용의 경우 Al 다이캐스트재의 기계적성질, Mg단조재 및 주조재 의 강도 및 충격특성, Al과 강의 lap 이음부에 대한 시도도 행해지고 있다. Mg합금의 용접성, 동합금에의 적용성이 검토되고 있다. 기초적 연구로서는 잔류응력의 생성기구 및 변형거동에 대한 검토되 고 있다. FSW 현상을 이용한 표면개질 또는 강과 Al 합금의 기계적접 합 등도 시도되고 있다. 미국과 EU에서는 우주항공 분야에서 FSW 기술과 관련한 대형 프로 젝트를 진행하고 있는데 가장 최근에 EuroStir라는 프로젝트가 약 80

- 41 - 억 예산 규모로 EU 여러 나라가 공동으로 참여하여 FSW의 상업화 기 술을 개발하고 있으며 WAFS, TANGO 등과 같은 대형 프로젝트가 우 주항공 관련 대형사업으로 추진 중에 있다. 미국에서도 보잉사를 중심 으로 Delta IV 로킷관련 프로젝트를 추진 중에 있고 일본도 최근에 국 가 프로젝트로 채택하여 연구개발을 확대해가고 있다. 이러한 연구개 발 활동을 통해 FSW에 대한 표준화, 박판 접합기술, 중후판 및 단조 재 접합기술, 공정 modelling 등에 대한 연구를 진행 중에 있다. 항공 기 동체 제작시 FSW를 적용하는 경우 기대되는 이점은 매우 다양한 데 원가 절감과 관련하여 riveting보다 빠르고 조립이 단순하며 부품 재고를 줄일 수 있다. 이외에도 제작공정이 단순해지고 설계 허용도가 높아진다. 이러한 저원가 이점 외에도 FSW 이음부는 fastener, butt strap, doubler, bonding, rivet 등이 필요 없어지므로 동체 중량이 가 벼워진다. 이러한 장점을 살리기 위해서는 이음부 품질이 모재와 유사 한 수준의 강도를 얻으면서도 우수한 내식성을 지닐 수 있도록 현 수 준보다는 개선되어야 한다. 또한 전체 구조에 있어서 피로나 내충격성 향상을 위해 낮고 균일한 응력분포가 이루어지도록 해야 한다. 마지막 으로 FSW 적용시 다양한 소재에 대한 용접이 가능하므로 용접구조물 의 새로운 설계가 가능해진다. 대표적인 예를 들면 신, 구 항공재료 (6013/6056, 2024, 2524, 7050, AlMgSc)용접, 이종합금(2524/7349. 6013,6056/2024) 용접, 다양한 두께 범위의 박판, 후판, 압출재 용접, tailored blank 용접 등이 가능하다. 철도차량 관련분야는 일본이 가장 활발한 기술개발과 상업화를 이루 고 있는데 특히, 700계의 신간선 투입시기와 FSW의 개발시기가 거의 일치하였고 일본 정부와 관련업계의 과감한 정책적 판단에 의해 성공 적으로 이 기술의 상업화가 이루어졌다. 1997년 가을부터 700계 신칸 선의 floor판넬의 접합에 적용된 이래 지하철 신차량의 측면부재의 접 합 및 선박용 부재의 접합 등에 적용시키고 있다. 대표적 용접구조용 Al재료인 6N01 및 5083합금을 FSW에 의해 접합하여 철도차량 및 선 박용 광폭 형재를 제작 700계 신칸선(1300mm W, 5000mm L)의 floor 판넬(6N01-T5, 4t) 및 선박판넬(5083-H112, 4t)로 공급하고 있다22). 이

- 42 - 방법은 종래의 GMAW 용접방법에 비하여 변형이 적고 평탄하므로 조 립시의 용접시공성이 양호하여 1997년 가을부터 주행되기 시작하여 현 재까지 문제가 생기지 않고 있다23). <그림 2-29>는 일본 히타치사에서 25m 길이의 double skin형 body shell에 편면 FSW가 가능한 이음부 설계를 개발한 예를 보여준다20). 이러한 경우 접합재의 회전이 필요가 없으므로 상당한 생산성 향상을 기대할 수 있다. 이외에도 FSW 접합 을 위한 압출재 이음부 형상은 의기존의 GMAW 이음부 형상에 비해 접합시 가해지는 하중에 견딜 수 있는 강도와 강성을 지녀야 하며 최 소한의 gap과 smooth한 형상이 요구되는데 이에 대한 이음부 설계 및 제조기술 개발이 진행되고 있다.

<그림 2-29> 차량용 동체 2중 skin 구조용 편면 FSW이음부 형상

선박관련 분야에서는 FSW방법으로 접합한 선박용 대형 π섹션 (5083-H112)은 접합부에 결함도 없고 이면이 평탄하므로 덧살 및 변형 의 제거가 필요치 않아 현장시공성이 양호하여 1997년부터 중형선박의 상부구조에 사용되고 있으며 대폭적인 공정 단축이 가능하게 되고 있 다22). 이들 이외에도 FSW는 대형 열교환기(6063), 파라볼라 안테나용 광폭판(1100-0) 및 평탄도가 요구되는 교량상판(6N01)의 접합에 적용되 고 있다. 스웨덴, 노르웨이 등 북유럽 국가에서도 주로 Al 선박제조에 FSW를 적용하고 있다24). 예를 들어 13x16m, 12.5x2.8m 등과 같은 다 양한 크기의 미리 제작한 정형화된 Al 판넬을 선박 제조에 사용함으

- 43 - 로서 높은 완성도를 갖춘 상업적 생산과 사용성능의 안정적 보장이 가 능해진다. 또한 환경친화적이고 패널의 높은 직진성은 현장에서의 조 립을 용이하게 하고 이로 인해 수동작업이 적어지게 된다. 현재 이러 한 선박제조기술은 DNV, RINA, Lloyds 등과 같은 선급협회 인증을 받은 상태이다. 자동차 산업에 있어서도 FSW의 응용이 활발히 진행되고 있다25). 노 르웨이에서는 차 wheel의 두 부분을 FSW로 접합하는 기술을 개발하 여 prototype 제작에 성공하였다. 기존의 wheel assemblies에 비해 용 접 전후 처리가 단순하고 설계 자유도를 높여주고 치수 안정성과 관련 한 문제를 향상시켜 준다. 또한 Al을 이용한 prototype 자동차 설계자 들은 tailored Al blank를 고려하고 있는데 현재까지는 대부분 laser 용접에 의해 tailored blank 용접이 이루어지고 있으나 FSW를 이용한 이종두께간 접합이 개발되어 적용을 검토하고 있는 단계이다. 이 경우 낮은 입열량과 용접부 전반에 걸쳐 우수한 기계적성질로 인해 양호한 성형성을 나타내고 경사진 tool이 단차가 있는 이음부 쪽으로 삽입시 킴으로서 완만한 두께 변화를 얻을 수 있다. FSW 공정은 Al 이외에도 다양한 저융점재료 접합에 적용이 가능한 데 여기에는 Pb, Zn, Cu, Mg 그리고 Mg/Al간 이종접합 등이 포함된 다. 특히, 최근에는 Ti 합금과 Mg 합금에 대한 적용성 검토가 활발히 이루어 지고 있는데 이스라엘에서는 Mg 주조합금인 AZ91D에 대해 FSW를 적용한 결과 결함 발생이 거의 없이 용접이 가능하다는 것을 다양한 조직 특성과 함께 발표한 바 있으며26) 독일에서는 복잡한 형상 의 Mg 자동차 부품을 로봇을 이용한 자동 FSW 용접으로 접합하는 기술을 개발 중이다27). Al 합금의 FSW 이음부 강도 면에서는 접합이음부 정도의 영향, tool 전진각도의 영향, tool 형상의 영향, lap 이음부, 후판이음부의 성 능, 이음부 변형거동과 방지법 검토, 저온에서의 기계적성질, 응력부식 균열성, 결함생성시 강도 특성, Al계 이종접합이음부의 특성 등에 대 한 연구가 진행되어 결과가 보고된 바 있다. 일본에 있어서 시공 개발 된 예의 소개, 실제 시공시 5000계, 6000계의 강도 특성 및 초전도 코

- 44 - 일도체, 전자기기의 heat sink, 수냉 동 파넬 적용, 3차원 FSW기 개발, 철도차량에의 적용, 자동차 주요부재에의 적용. 항공기 부재에의 적용 등도 보고되었다. 새로운 시도로서 가압력 제어방식 및 spot FSW가 개발되었다. FSW 접합현상에 대한 연구로서는 tool 온도분포의 직접 측정, FSW 입열의 직접측정, pin과 shoulder부를 구분하여 열량측정을 시도한 결과도 보고되고 있다. FSW 접합부의 미세조직 형성기구가 1000계, 5000계, 6000계 합금을 중심으로 조사되어 재결정거동, 초미세조직의 ECAP재 조직형태, 접합 계면의 산화막 거동도 미세관찰에 의해 조사되고 있다. Mg이음부에 있어서 조직 분석과 Al/Mg 이종접합부 조직 분석, 접합부 조직제어 등이 시도되고 있다. 재료의 FSW 접합성이란 관점에서 이종 Al합금, 다이캐스트 Al재의 FSW 접합성, 입자분산Al합금, 휘스크강화 Al합금, Al합금과 이종재 접합, Mg합금의 용접성이 평가되었다. 주조재에 대 한 적용의 경우 Al 다이캐스트재의 기계적성질, Mg단조재 및 주조재 의 강도 및 충격특성, Al과 강의 lap 이음부에 대한 시도도 행해지고 있다. Mg합금의 용접성, 동합금에의 적용성이 검토되고 있다. 기초적 연구로서는 잔류응력의 생성기구 및 변형거동에 대한 검토되 고 있다. FSW 현상을 이용한 표면개질 또는 강과 Al 합금의 기계적접 합 등도 시도되고 있다.

- 45 - 제 5 장 마찰교반용접 기술․특허정보 분석

본 장에서는 마찰교반용접 기술에 관련된 기술문헌 및 특허정보 분 석을 통해 연구개발 현황 및 기술의 발전 추이를 분석하고자 한다.

1. 문헌정보분석 및 기술개발 동향

1.1 정보분석 대상 DB

1.1.1 COMP

공학․기술분야의 대표적인 데이터베이스인 COMPENDEX는 공학분 야의 국제적인 출판사인 Engineering Information, Inc의 The Engineering Index Monthly(Ei)지를 컴퓨터 가독형으로 만들어 데이 터베이스화한 것이다. COMPENDEX의 가장 큰 특징은 현재 세계 각국에서 만들고 있는 4,000여종의 온라인 데이터베이스 중에서 공학전반에 관하여 수록한 몇 종 안되는 DB중의 가장 대표적인 DB라 할 수 있는데, 특히 건설공학, 기계공학, 재료, 플랜트 등에 관련된 정보는 타 DB보다 광범위하고 많 은 양의 데이터를 수록하고 있으며 특정주제와 관련하여 폭넓게 각 분 야에 대해 정보를 검색할 수 있는 장점이다.

<수록분야> COMPENDEX는 전세계에서 발표되는 공학분야의 자료 중 기술적 으로 중요한 자료를 수록하며 주요분야는 <표3-1>과 같다.

<정보원> - 세계 약 40여개국에서 수집된 자료이고 26개의 언어로 기록되고 있다. COMPENDEX DB 수록정보의 70%는 영어로 구성되어 있고, 정보 원의 50%는 미국 이외의 국가에서 출판된 자료이다.

- 46 - <표 3-1> COMPENDEX 수록분야

토목공학 환경공학 지질공학 생물공학

광산․금속공학 석유공학 화학공학 전기․전자공학

농업공학 기계공학 제어공학 산업공학

핵기술 우주공학 열역학 컴퓨터․데이터처리

해양학 음향기술 철도 광학

통신공학 응용수학 응용물리 법과 규제조치

건설경영 식품기술 소비자행동

<문헌형태> - 잡지(Journal) : 53% - 학회출판물 및 보고서(Conference Proceeding or Article) : 35% - 단행본(Monograph Chapters, Book) : 6% - 보고서(Report) : 5% - 기 타 : 1%

<정보 규모> - 수록기간 : 1970∼현재 - 갱신주기 및 건수 : 약 8,000건 /월 - DB제작기관 : 미국 Engineering Information Inc.

1.2 분석범위 및 방법

본 문헌분석에서는 BIST DB의 마찰교반용접 기술에 대한 정보량이 얼마 되지 않아 분석대상 DB의 검색의 범위를 COMP DB로 한정하 고, COMP DB 검색은 1995년부터 2003. 3월까지로 하였다.

1.3 마찰교반용접 문헌정보분석

1.3.1 연도별 문헌정보 발표 동향

- 47 -

<그림 3-1>은 마찰교반용접에 대하여 COMP DB에서 검색된 관련 문헌의 연도별 수록건수와 누적건수를 나타낸 것이다. 마찰교반용접 기술과 관련하여 검색된 건수는 130여건정도로 그리 많지 않은 정보가 수록되어 있어 이 분야에 대한 연구가 그리 활발하지 않다라는 것을 알 수 있다. 하지만 조사기간 초반인 1990년대 중반부터 일정 사이클 을 유지하면서 꾸준한 증가를 이루고 있다. 마찰교반용접 관련 정보문 헌이 많이 발표되지는 않았으나 지속적인 관심을 나타내고 있음을 말 해주고 있다 하겠다. 수록된 자료들을 수록 년도-수록건수별로 동향을 살펴보면 2001년 42건으로 조사 범위내에서 가장 많은 건수를 기록하였다. 전체적으로 동향을 보면 1995년 2건을 시작으로 점차 증가하다가 1999년 잠시 주 춤하는 경향을 알 수 있다. 하지만 2000년도에 들어와 다시 문헌건수 가 증가하였고 그 다음해인 2001년도엔 42건으로 폭발적인 증가를 보 이고 있다. 그 이후 2002년도 부터는 다시 발표자료가 다소 둔화되는 경향을 볼 수 있겠다.

<그림 3-1> 연도별 문헌수록 동향(마찰교반용접/COMP)

45 140

40 논문건수 120 35 누적건수 100 30 논 누 25 80 문 적 건 건 20 수 60 수 15 40 10 20 5

0 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 발행년도

1.3.2 연도별 국가 문헌건수

- 48 - <그림3-2>는 COMP에 등재된 년도-국가별 문헌정보 동향을 나타낸 그림이다. 마찰교반용접 기술 분야에서 연구가 가장 활발하게 일어나 고 있는 나라는 미국으로 나타났다. 미국은 이 분야에서 1995년부터 2003년 3월까지 조사된 전체 등록건수 중에서 약 50% 이상의 연구논 문을 발표하며 가장 활발한 활동을 하고 있는 것으로 나타났다. 미국에 이어 이 분야에서 연구가 활발하게 진행되고 있는 나라는 영 국이 차지하였으며, 논문 수록은 약15%정도를 차지하고 있다. 세 번째 로는 일본으로 전체 건수의 9%를 기록하였다. 이들 세 나라가 마찰교 반용접 분야에서 세계를 선도하고 있음을 확인할 수 있었다. 그 뒤를 잇고 있는 나라로는 독일, 중국, 노르웨이, 프랑스, 스웨덴 순이며 한국 은 스위스, 캐나다 등과 같이 9위를 기록하고 있다. 한국은 2001년 이 전까지는 발표된 정보가 없다가 2002년 들어와 마찰교반용접 분야에 관심을 가지기 시작하였다. 마찰교반용접에 있어서는 문헌수록동향만 을 살펴보면 1위에서 3위까지가 전체 논문수록 건수의 절반이상을 차 지하여 압도적 우위를 나타내고 있다.

<그림 3-2> 연도별-국가별 문헌정보동향(마찰교반용접/COMP)

25 미국 20 영국 일본 독일 논 15 스웨덴 문 중국 국 노르웨이 건 가 수 10 캐나다 프랑스 한국 5 스위스 이스라엘 오스트리아 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 발행년도

- 49 - 1.3.3 발간형태별 문헌정보 동향

<그림 3-3>은 년도별 문헌형태 비율을 나타낸 것이다. 이 분석은 연 구과제의 성숙도 등을 나타내는 그림으로 문헌형태에 따라 해당기술의 현 수준을 판단해 볼 수 있다. 그림에서도 알 수 있듯이 대부분의 자 료들이 저널형태 혹은 conference 형태로 발표되고 있다. 순수논문의 성격을 갖고 있는 conference 자료가 많은 경우, 해당기술의 수준은 연 구실 단계로 볼 수 있으며, 리뷰 기사의 저널 자료가 많을 경우는 기 술수준이 보편화되고 있다는 것을 짐작할 수 있다. 마찰교반용접기술에 대한 문헌형태 비율은 저널이 70%이고, conference 자료가 29%를 나타내고 있다. <그림 3-3>에서 (b)를 보면 저널의 경우는 1990년대 중반부터 꾸준히 나타나기 시작했으며, Conference는 2000년도에 들어 나타나는 것을 알 수 있다. 이렇듯 1990년대 중반을 기점으로 저널과 Conference가 나타나는 것을 알 수 있는데 그 이전에는 마찰교반용접 관련한 분야에 대한 기술분야가 활 발하지 않았음을 보여준다.

<그림 3-3> 연도별 문헌형태 동향(마찰교반용접/COMP)

Report Review 1%

Conference 29%

Jou rnal Artic le 70%

(a)마찰교반용접의 문헌형태별 비율

- 50 - 25 20 논 Journal Article 자 문 15 료 건 Conference 10 형 수 5 태 Report Review 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 발행년도

(b)마찰교반용접 년도별 문헌형태 동향

1.3.4 년도-저자 문헌정보 동향

<그림 3-4>은 년도-저자별 논문건수 동향을 나타낸 것이다. 미국의 Murr, L.E는 마찰교반용접과 관련한 논문을 총 19건을 발표하였다. Murr, L.E는 주로 2000년대 초반에 마찰교반용접에 관한 논문을 발표 하였는데 이를 통해 2000년대 초반에 마찰교반용접 기술에 대한 연구 가 활발했음을 알 수 있겠다. 다음으로 많은 논문을 발표한 McClure, J.C. 역시 미국국적으로 11건의 논문을 발표하였다. McClure, J.C.의 경 우 1990년대 후반에 활발한 연구활동을 한 것을 보이고 있고, 다음으 로 Reynolds, Anthony P. 전반적으로 몇몇 저자를 제외하고는 비교적 최근에 마찰교반용접에 대한 많은 기술 논문을 발표하고 있다.

<그림 3-4> 연도-저자 문헌정보 동향(마찰교반용접/COMP)

- 51 - Murr, L.E. 5 McClure, J.C. 4 Reynolds, Anthony P. 논 3 Mahoney, Murray W. 저 문 자 건 Sato, Yutaka S. 2 수 Kokawa, Hiroyuki

1 Trillo, E.A. Jata, K.V. 0 1997 1998 1999 2001 2002 2003 2000 발행년도

1.3.5 년도-기술분류 문헌정보 동향

<그림 3-5>는 년도-기술분류 문헌정보 동향을 나타낸 것이다. 먼저 가장 많이 다루어진 분야는 마찰교반용접 기술에서 전체동향을 나타내고 있는 마찰교반용접의 일반적인 분야라 할 수 있는 알루미늄 합금용접으로 86건의 문헌이 조사되었다. 이 분야는 1995년부터 등록 된 문헌으로서 2000년대 들어오면서 건수가 크게 증가했음을 알 수 있 다.

- 52 - <그림 3-5> 연도-기술분류 문헌정보 동향(마찰교반용접/COMP)

알루미늄 마찰용 수정격자 접 3% 알루미늄 합금용 4% 접 용융마찰용접 20% 5% 재료의 성질 6%

판의 마찰용접 8%

용접프로세스 18% 기계적성질 9%

일반 10% 용접장치 17%

25 알루미늄 합금용접 용접프로세스 논 20 용접장치 문 일반 기 15 건 기계적 성질 술 판의 마찰용접 분 수 10 재료의 성질 류 용융마찰용접 5 알루미늄마찰용접 수정격자 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 발행년도

1.3.6 포트폴리오 맵 분석

<그림 3-6>은 마찰교반용접 기술에 대한 포트폴리오 맵을 나타낸 것 이다. 이 분석은 연구과제의 성숙도 등을 나타내는 그림으로 문헌형태 에 따라 해당기술의 현 수준을 판단해 볼 수 있다.

- 53 - <그림 3-6> 포트폴리오 맵(마찰교반용접/COMP)

300

250 2001

200

150 1997

신 장 100 율 2000 1996 50

1998 0 -10 01995 10 20 30 40 50 1999 -50 2002 2003

-100 논문건수

본래 포트폴리오맵은 일정투자에 따른 최대 수익을 얻기 위한 수익 성분석의 경제용어이나 여기서는 이것을 정보분석에 활용하였다. 횡축 인 x축은 1년간의 논문건수를 나타내고, 종축인 y축은 논문을 신장율 로 나타낸다. 즉, (당해년도 논문건수 - 전년도 논문건수)/전년도 논문 건수 * 100)을 나타내고, 누적논문건수를 원의 형태로 크기에 따라 표 시하였다. 이렇게 하면 좌우측 변수에 따라 해당기술의 라이프사이클 에 대하여 어떠한지와 현재 그 기술의 발전형태는 어떤 상태인지가 가 능하게 된다. 이것을 어떤 기술에 대해 한 사이클로 표현하면, 탐색기 -> 성장기 -> 발전기 -> 성숙기 -> 쇠퇴기 등으로 나타낼 수 있다. 이 사이클을 특징별로 설명하면, 탐색기(신기술의 탄성)에서 논문의 발생 건수는 적지만 신장률이 매우 높지만, 탐색기 이후 성장기(신기술성장 기)는 발전기 성숙기에는 논문의 발생건수와 신장률 감소하고, 성장률 이 거의 이루어지지 않는다. 산업용 특수차량인 마찰교반용접의 기술 문헌에 대하여 포트폴리오맵의 분석 결과는 그림에서도 알 수 있듯이 2사이클이 진행중이며, 현재상태는 2사이클의 마지막 단계, 즉 기술의 성숙기를 지나 쇠퇴단계에 진입하고 있다.

- 54 - 2. 마찰교반용접 특허정보분석 및 기술개발동향

본 절에서는 마찰교반용접에 관해 조사된 특허정보를 중심으로 특 허맵핑(Patent Mapping)을 통해 과거의 기술흐름 추이와 최근 기술동 향, 출원인 분석을 통한 기술 우위현황, 기술 주요 분포 등을 국가 및 기술분야별로 세분화, 체계화하여 다각적으로 분석함으로써 도식화된 그래프를 이용하여 특허의 동향을 분석하고 이를 통해 산업용 특수차 량 마찰교반용접 기술의 기술개발 동향을 파악하는데 주안점을 두었 다.

2.1 정보분석 대상 DB

특허자료의 정보분석을 위한 DB로는 한국과학기술정보연구원(KISTI) 에서 제공하고 있는 EUPA, KUPA, JEPA, USPA, 를 선택하였다. KISTI에서 제공하고 있는 특허정보의 일반 사항은 다음과 같다.

2.1.1 KUPA

한국과학기술정보연구원(KISTI)는 특허청과 긴밀한 협조하에 산업재 산권정보 전량을 데이터베이스화하여 일반이용자에게 서비스하고 있 다. 산업재산권 데이터베이스 제작은 1986년부터 시작되었으며, 그 당 시에는 한국공고특허(이후에 한국등록특허라고 함) 데이터베이스가 처 음으로 제작되었다. 대외적으로 서비스를 개시한 이후로 자료의 축적 량과 범위를 연차적으로 확대하고 있으며, 한국공개특허 KUPA(Korean Unexamined PAtent)는 현재 3회/월 단위로 갱신되어 서비스하고 있다.

2.1.2 JEPA

일본 특허청으로부터 데이터를 제공받아 1976년부터 공개된 특허를 중심으로 서지사항, 초록을 수록하고 있다. 특히 각 국가의 특허번호와

- 55 - 출원번호를 표준화 및 통일화시켜 국가코드와 번호만 입력하면 손쉽게 검색할 수 있도록 하였다. 한국과학기술정보연구원(KISTI)는 현재 JEPA 특허를 WEB으로 서비스하고 있다.

<수록기간> 1976 ∼ 현재

<정보원>

일본 특허청 ( www.jpo-miti.go.jp )

<정보 수록량 및 갱신주기> 500만건(1976-현재)이상의 자료가 수록되어 있으며, 매월 신규특허가 갱신된다.

2.1.3 USPA

미국 특허청으로 부터 데이터를 제공받아 1976년부터 공고된 특허 를 중심으로 서지사항, 초록, 청구범위를 수록하고 있다. 특히 각 국가 의 특허번호와 출원번호를 표준화, 통일화시켜 국가코드와 번호만 입 력하면 손쉽게 검색할 수 있도록 구성되었다.

<수록기간> 1976 ∼ 현재

<정보원> 미국 특허청 (www.uspto.gov)

<정보 규모> 222만건(1976-현재)이상의 자료가 수록되어 있으며, 매주 신규특허가 갱신된다.

- 56 - 2.1.4 EUPA

유럽 특허청과 국제특허청으로부터 들어오는 데이터를 가공 구축한 데이터베이스로 1976년부터 공개된 특허를 중심으로 서지사항, 초록을 수록하고 있다. 특히 각 국가의 특허번호와 출원번호를 표준화 및 통 일화시켜 국가코드와 번호만 입력하면 손쉽게 검색할 수 있도록 하였 다. EUPA는 현재 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 정보서비스를 하고 있다.

<수록기간> 1976 ∼현재

<정보원> 유럽 특허청 (www.epo.co.at)

<정보 수록량 및 갱신주기> 136만건(1976-현재)이상의 자료가 수록되어 있으며, 매월 신규특허가 갱신된다.

2.2 분석범위 및 방법

마찰용접 기술에 관한 특허정보분석을 위하여 선정 DB(KUPA, JEPA, USPA, EUPA)를 활용하여 검색하였으며, 특허검색 범위는 출 원연도를 기준으로 하여 1974년부터 2002년 3월까지로 하였다. 분석대 상국가는 한국, 일본, 미국, 유럽 등으로 하였고, 마찰용접 기술에 대한 분류는 특허분류인 IPC를 이용 검색된 데이터를 재분류하였다. 상기의 방법으로 조사된 마찰용접 기술의 관련 특허정보는 한국공 개특허(KUPA)가 112건이었고, 미국특허(USPA)가 256건, 유럽 및 국제 특허(EUPA) 257건, 일본 654건 등이었다. 특히 분석대상으로 한 특허 데이터 중에서 미국특허(USPA)의 경우 는 특허 등록된 데이터이고, 일본특허(JEPA), 한국특허(KUPA)의 경우

- 57 - 는 조기공개신청을 요구하지 않는 한 통상적으로 출원일로부터 18개월 이 경과해야만 일반에게 공개하게 되어있기 때문에 2000년 이후 특허 출원분은 당해 년도의 전체적인 정보를 반영하지 못하므로 분석에 큰 영향의 변수역할을 하지 못함을 밝혀둔다.

<표 3-2> 검색 결과 내용

DB명 수록내용 검색건수 USPA 1974년부터 공고된 미국특허 DB 256건 KUPA 1980년부터 공개된 한국특허 DB 112건 JEPA 1975년부터 공개된 일본특허 DB 654건 EUPA 1980년부터 공개된 일본특허 DB 257건

<표 3-3> IPC에 대한 마찰용접의 기술분류

기 술 IPC 내 용

가열하던가 또는 가열함이 없이, 충격 또는 기타의 압력 B23K-020 을 가하는 것에 의한 비전기적 접합, 예. 클래드(clad)법 또는 피금법

B23K-009 아아크 용접 또는 절단

선행하는 메인 그룹의 하나만으로 커버되는 한개의 공 B23K-037 정에 특히 적합하지 않는 보조 장치 또는 방법

B23K-103 납땜, 용접 또는 절단되는 재료

B29C-065 예비 성형된 부품의 접합; 그것을 위한 장치 마찰 이 서브그룹에 관련되는 방법에 있어서 특수한 물품 또 용접 는 목적을 위하여 특히 적합하지만, 선행하는 메인 그룹 B23K-031 의 1개만에 의해 카바(cover)되지 않는 것(납땜 또는 용 접 이외의 기타의 조작을 포함하는 관의 제조 및 봉의 가공 B23K-011 저항 용접; 저항 가열에 의한 절단 분리

납땜, 용접 또는 절단을 위하여 사용되는 용접봉, 용접 B23K-035 전극, 재료, 매제

B23K-101 납땜, 용접 또는 절단에 의해 제조되는 물품

B61D-017 차체 구조의 세부

- 58 - 2.3 마찰용접 기술 전체 특허출원동향

2.3.1 마찰용접 전체 특허출원 동향

마찰용접 기술에 대한 국가별 특허출원 동향을 보면, 한국공개특허 (KUPA)가 112건이었고, 미국특허(USPA)가 256건, 유럽 및 국제특허 (EUPA) 257건 그리고 가장 많은 특허를 출원한 일본이 654건으로 압 도적이다. 여기서 일본 특허와 한국특허의 경우, 특허공개자료이므로 미국특허등록 자료와 산술적 비교는 의미가 없겠지만, 이러한 점을 감 안하더라도 일본이 다른 나라에 비해 높은 특허출원을 보이며, 이 분 야의 기술을 이끌어가고 있음을 파악할 수 있다.

<그림 3-7> 출원 년도별 특허동향(마찰용접/전체)

160 1400

출원건수 140 1200 누적건수

120 1000

100 출 800 누 원 적 80 건 건 수 600 수 60

400 40

20 200

0 0 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

<그림 3-7>에서 보는 바와 같이 1970년대 중반부터 마찰용접 관련 특허 출원이 조금씩 증가하여 온 가운데, 1981년과 1987년에 마찰용접 관련 특허 출원이 순간 증가하였으며 1990년대 후반 이후 특허 출원이 급속도로 증가하여 2000년대 초 146건으로 정점에 이르렀다.

- 59 - 하지만, 1999년엔 105건으로 특허출원이 1997년 대비 16%나 줄어들 었다. 2000년부터 마찰용접 기술과 관련된 특허출원이 146건으로 최대 특허출원을 보인 후, 관련 특허출원 비율이 계속 하강하여 2002년에는 1999년에 비해 70%이상 줄어들어 겨우 26건의 특허가 출원되었다.

2.3.2 국가별 특허출원동향

마찰용접 기술의 국가별 특허출원 동향을 <그림 3-8>에 나타내었다. 마찰용접 기술에 대한 국가별 특허출원동향을 살펴보면, 일본은 전체 의 과반수 이상을 차지하는 가장 높은 출원비율을 보이고, 그 뒤를 이 어 유럽, 미국, 한국의 순으로 나타나 마찰용접 기술에 대한 일본의 선 도적인 기술 역량을 짐작할 수 있다. 일본이 마찰용접 관련 특허 출원건수가 전 세계적으로 가장 많은데 이는 한국, 미국, 유럽의 전체 특허건수를 합친 건수와 비슷한 수준이 다. 일본은 특히 1990년대 초반부터 이 기술에 대한 활발한 특허출원을 나타내었다. 특히 2000년에 74건의 특허를 출원하며 가장 활발한 개발 이 이루어 졌음을 알 수 있다. 1990년대 들어와 1994년에는 17건으로 마찰용접에 대한 특허출원이 감소하였으나, 1995년부터 다시 출원건수 가 증가하는 경향을 나타내고 있다. 반면, 미국은 1990년대 중반 이후부터 꾸준한 특허출원을 보이고 있 으며, 유럽은 1997년 50건의 특허출원 후 점차 감소하는 경향을 볼 수 있다. 한국은 1970년 후반까지는 마찰용접 기술에 대한 특허출원이 전 혀 없었지만 1980년대 들어서면서부터 매년 꾸준한 특허출원을 보이다 1990년대 후반부터 특허출원건수가 증가함을 볼 수 있다.

- 60 - <그림 3-8> 출원년도-국가별 특허출원 동향(마찰용접/전체)

80 70 60 출 50 원 40 건 30 수 일본 출 20 유럽 원 10 미국 국 한국 가 0 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

2.3.3 출원년도-기술(IPC)별 특허출원동향

<그림 3-9>는 마찰교반장치 기술을 국제특허분류(IPC)에 의거, 기술 분류하여 출원 년도별로 특허동향을 나타낸 그림이다. 각 IPC분류에 대한 기술내용은 <표3-4>를 참고하길 바란다. 그림에서 B23K-020은 가열하던가 또는 가열함이 없이, 충격 또는 기타의 압력을 가하는 것에 의한 비전기적 접합으로 예를 들어 클래드(clad)법 또는 피금법을 말한다. 1980년대 후반까지 평균 20여건에 지나지 않았던 특 허출원이 1990년대 초반 들어 서서히 증가하기 시작하여 1990년 중반 이후부터 연간 100여건 이상의 특허가 출원되었다.

- 61 - <그림 3-9> 출원년도-IPC별 특허출원동향(마찰용접/전체)

140

120

100 출 B23K-020 원 80 B23K-009 건 B23K-037 60 B29C-065 I 수 B23K-103 P 40 B23K-031 B23K-011 C 20 B23K-035 B23K-101 0 B61D-017

1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

이 그림에서 특이 할 사항은 B61D-017과 B23K-101이다. 먼저 B61D-017은 차체 구조의 세부를 나타내는 분야이고, B23K-101은 납땜, 용접 또는 절단에 의해 제조되는 물품을 말한다. 이 두 기술분야 모두 1990년 중반을 처음 시작으로 2000년까지 특허 출원이 되었다. <그림 3-10>은 IPC분류에 대해 국가별 특허출원동향을 나타낸 그림 이다. 일본의 경우를 보면 전 세계적으로 B23K-020에서의 특허 출원이 독보적이라 할 수 있겠다.

- 62 - <그림 3-10> 국가-IPC별 특허출원동향(마찰용접/전체)

600

500

400 출 원 일본 300 건 출 수 유럽 200 원 국 한국 가 100 미국 0 B23K-101 B23K-035 B23K-011 B23K-031 B23K-103 B23K-037 B23K-009 B23K-020 B61D-017 B29C-065 IPC

2.4 마찰교반용접 기술 국가별 특허출원동향

2.4.1 한국 특허출원 동향

<그림 3-11>은 마찰교반용접 기술에 대한 한국의 특허출원을 연도별 로 나타낸 것이다. 1990년대 후반 이전에는 한국에서 마찰교반용접 기 술 특허가 한 건도 출원되지 않아서 1990년대 후반부터의 특허출원을 참고로 동향을 조사하였다. 한국은 전체 출원건수 234건 중 약 9%인 22건의 특허를 출원하였다. 2000년도까지 매년 3건씩 꾸준히 출원되었던 마찰교반용접에 대한 출 원건수가 2001년에 들어 10건으로 증가되었다가 다시 2002년에 들어 3 건으로 감소되는 것을 볼 수 있다.

- 63 - <그림 3-11> 출원년도별 특허동향(마찰교반용접/한국)

12 25

출원건수 10 22 10 누적건수 20 19

8 15 출 누 원 적 6 건 건 수 수 10 9 4 333 3 6 5 2 3

0 0 1997 1999 2000 2001 2002

출원년도

마찰교반용접 기술에 대한 출원인-기술별 특허동향을 살펴보면 <그 림 3-12>와 같다. 히다치가 전체 출원건수 22건 중 70%이상인 17건을 출원으로 하였고 다음으로 보잉사가 3건의 출원건수를 보이고 있다. 그러나 한국기업은 단 한 건의 출원건수도 없다는 것을 볼 수 있는데 이는 우리 나라의 마찰교반용접 기술을 일본으로부터 많이 의존하고 있다는 것을 직접적으로 나타낸다.

<그림3-12>출원인특허동향(마찰교반용접/한국)

출 10 원 건 수 8

0 마츠다 보잉 이에스에이비 아베 히다치 출원인

- 64 - <그림 3-13>은 마찰교반용접 기술에 대한 한국에 출원된 출원인-년 도별 특허출원동향을 나타낸 그림이다. 가장 많은 출원건수를 낸 시기 인 2000년대 초반에는 히다치가 10건으로 가장 많은 기술특허를 출원 하였다.

<그림 3-13> 출원인-년도별 특허동향(마찰교반용접/한국)

10 9 8 출 7 원 6 히다치 건 5 4 이에스에이비 아베 출 수 3 원 보잉 2 인 1 마츠다 0 1997 1999 2000 2001 2002 출원년도

<그림 3-14> 국적별 특허출원 동향(마찰교반용접/한국)

미국 14% 스웨덴 5%

일본 81%

- 65 - <그림 3-15>출원년도-출원인국적별 특허출원동향(마찰교반용접/한국)

10 9 8 7 출 6 일본 원 출 5 건 원 수 4 스웨덴 인 3 국 2 적 1 미국 0 1997 1999 2000 2001 2002 출원년도

<그림3-14>를 통하여 알 수 있듯이 한국특허임에도 불구하고 내국인 의 특허출원건수는 한 건도 없다. 반면 일본은 80% 이상으로 가장 많은 출원건수를 보이고 있으며 그 다음으로 미국이 14%의 점유율을 나타내고 있다. <그림3-15>는 출원년도-출원인국적을 나타낸 그림으로 미국과 스웨 덴의 경우 1990년대 후반에만 특허출원을 하였지만 일본은 1990년대 후반부터 2002년까지 꾸준히 출원을 하고 있는 것을 알 수 있다.

2.4.2 일본 특허출원 동향

마찰교반용접 기술에 대한 일본의 특허출원 동향을 보면, 1997년부 터 현재까지 63건의 특허가 출원되었다. 1997년에 11건의 특허출원을 시작으로 매년 조금씩 감소하는 추세를 보이다가 2000년도에 들어서 출원건수가 28건으로 급증함을 알 수 있다. 이 시기가 일본내의 마찰 교반용접 기술부분에 대한 연구가 가장 활발하게 이루어졌음을 짐작할

- 66 - 수 있겠다.

<그림 3-16>은 마찰교반용접 기술에 대하여 일본에 출원된 출원 년 도별 특허출원동향을 나타내고 있다. 조사년도 중에서 2000년도에 가 장 많은 출원건수를 기록한 후, 2001년 이후 점차 감소하고 있는 추이 를 나타내고 있다. 이것은 마찰교반용접에 대한 기술개발이 어느 정도 성숙기에 와 있음을 말해주고 있다고 하겠다. 전반적으로 일본에 출원된 마찰교반용접 기술에 대한 특허출원 동향 을 분석해 보면, 1990년대 후반부터 출원된 특허가 초반에는 점차 감 소하는 경향을 보이다가 2000년에 출원건수가 급증함으로 보아 이때 마찰교반용접에 대한 기술개발이 활발하게 진행되었음을 말해준다. 그 러나 최근에는 다시 그 건수가 줄어드는 경향으로 이것은 성숙기를 지 나 안정기에 들어섰음을 의미한다고 할 수 있다.

<그림 3-16> 출원년도별 특허출원 동향 (마찰교반용접/일본)

30 70

출원건수 60 25 누적건수

50 20

출 40 누 원 적 15 건 건 수 30 수

10 20

5 10

0 0 1997 1998 1999 2000 2001 출원년도

- 67 - 일본의 마찰교반용접 기술에 대한 출원인별 특허출원 동향을 살펴보 면 <그림 3-17>과 같다. 히타치가 전체 출원건수의 20%이상인 20건으 로 최대 출원을 기록하였다. 2위는 토요타 모터가 12%로 10건의 특허 를 출원하였다. 다음으로 카와사키 중공업과 니폰경금속이 각각 9건의 출원으로 공동 3위를 차지하였다.

<그림 3-17> 출원인 특허출원 동향(마찰교반용접/일본)

20 20

출 15 원 건 10 수 10 99 88

5 4 22

0 HITACHI KASADO HEAVY HEAVY BOEING HITACHI KAWASAKI HITETSU HANBAI METAL METAL NISSHO IWAI NISSHO NIPPON LIGHT KOBE STEELKOBE SHOWA ALUMSHOWA SHOWA DENKO DENKO SHOWA 출원인

<그림 3-18>는 마찰교반용접 기술에 대해 일본에 출원된 출원인-년 도별 특허출원동향을 나타낸 그림이다. 히타치는 1998년 2건의 출원을 시작으로 꾸준히 증가해 오다가 2000년도에 10건의 출원으로 가장 많 은 출원 건수를 보이고 있다. 이 그림에서 주목할 만한 사실은 마찰교 반용접 특허가 처음 출원된 1997년에 소와 알루미늄과 보잉사가 각각 8건, 2건의 특허출원을 보였으나 1997년 이후론 단 한 건의 출원도 하 지 않았다는 점이다. 이와는 달리 일본경금속은 1997년 이후 꾸준한 특허 출원을 보이고 있다.

- 68 - <그림 3-18> 출원인-년도별 특허동향(마찰교반용접/일본)

HITACHI 10 HITACHI KASADO KIKAI 9 8 NIPPON LIGHT M ETAL 7 KAWASAKI HEAVY 출 출 6 원 SHOWA DENKO 원 5 인 건 SHOWA ALUM 수 4 3 KOBE STEEL 2 NISSHO IWAI HITETSU HANBAI 1 BOEING 0 1997 1998 1999 2000 2001 출원년도

<그림 3-19> 출원인-IPC별 특허동향(마찰교반용접/일본)

20 18 16 출 14 B23K-020 12 원 10 기타 건 I 8 수 B23K-103 P 6 C 4 E04C-002 2 B23K-031 0 BOEING HITACHI NISSHO IWAI NISSHO KOBE STEELKOBE NIPPON LIGHT SHOWA ALUM SHOWA SHOWA DENKO DENKO SHOWA HITACHI KASADO HITACHI KAWASAKI HEAV Y 출원인

<그림 3-19>는 일본에 특허 출원된 마찰교반용접 관련 출원인을 IPC로 분류하여 살펴본 것이다. B23K-020분류에서 최다 출원인은 히 타치로 20건의 특허를 출원하였다.

- 69 - <그림 3-20>은 일본에 출원된 마찰용접 기술과 관련하여, IPC분류를 출원 년도에 대해 그린 그림이다. 가열하던가 또 가열함이 없이, 충격 또는 기타의 압력을 가하는 것에 의한 비전기적 접합을 나타내는 기술 인 B23K-020가 전체 출원 건수의 약 70%를 차지하고 있으며 이 특허 는 2000년 들어와 크게 증가함을 알 수 있다.

<그림 3-20> 출원년도-IPC별 특허동향(마찰교반용접/일본)

30 B23K-020

25 B23K-009 출 원 20 I B61D-017 P 건 15 수 C 10 B23K-103 5 B23K-037 0 1997 1998 1999 2000 2001 출원년도

B23K-009 2% B61D-017 기타 6% 10% B23K-103 6% B23K-037 6% B23K-020 70%

- 70 - 일본에서 출원된 마찰용접 기술관련 63건의 특허 중에서 내국출원인 과 외국출원인의 비율을 보면 내국 출원인이 97%로 압도적인 기술특 허를 내고 있다. 외국 출원인의 출원건수를 보면 미국 2건의 특허를 출원하고 있다.

<그림 3-21> 국적별 특허출원 동향(마찰용접/일본)

미국 3%

일본 97%

2.4.3 미국 특허출원 동향

<그림 3-22>은 마찰교반용접 기술에 대한 미국의 연도별 특허출원동 향을 나타낸 것이다. 앞서 분석한 한국과 일본의 특허자료는 모두 특 허공개자료이지만, 미국 특허출원 분석자료는 모두 등록된 특허들이며, 따라서 미국 특허자료와 한국 및 일본 공개특허를 단순 건수 비교는 무의미한 일임을 밝혀둔다. 마찰용접에 대한 미국의 특허출원은 <그림 3-22>에서도 보듯이 1998 년부터 특허가 출원되기 시작하여 특허출원건수의 증가와 감소를 반복 하다 2000년도 18건의 가장 많은 출원건수를 보이다 2001년부터 서서 히 감소하는 경향을 나타내고 있다.

- 71 - <그림 3-22> 출원년도별 특허동향(마찰교반용접/미국)

20 60 출원건수 18 18 누적건수 50 16 14 14 40 출 12 누 원 적 10 9 30 건 8 건 수 8 수 20 6 5

4 10 2 1 1

0 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

<그림 3-23>은 마찰용접 기술에 대한 미국의 특허출원인의 특허출원 동향을 나타낸 것이다. 미국에 특허 출원되어 등록된 출원인 동향을 살펴보면 특이할 사항은 일본 기업인 히타치가 16건의 특허출원으로 미국내 특허출원에서 1위를 차지한 점이라고 할 수 있다. 미국의 보잉 사는 특허출원 15건으로 히타치에 이어 2위를 차지하고 있다. 이밖에 도 록히드마틴과 나사가 각각 4건의 출원으로 공동 3위를 차지하고 있 다.

<그림 3-23> 출원인 특허출원동향(마찰교반용접/미국)

18 16 16 15

12 출 원 10 건 8 수 6 44 4 33 22 2

0 NASA Hitachi Boeing Martin Martin Douglas Lockheed ESAB AB AB ESAB McDonnell Rockwell

출원인 General Tool International

- 72 - <그림 3-24> 출원인-년도별 특허동향(마찰교반용접/미국)

7 Hitachi Boeing 6 Tower Automotive The Welding Institute 5 Honda 출 General Electric 출 Lockheed Martin 원 4 원 건 Boeing North American 3 BAE Systems 인 수 Rockwell International 2 General Tool McDonnell Douglas 1 ESAB AB 0 NASA 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

<그림 3-24>는 마찰교반용접 기술에 대해 미국에 출원된 출원인-년 도별 특허출원동향을 나타낸 그림이다. 미국의 마찰교반용접 기술에 대한 특허출원 건수는 1990년대 중반부터 증가하기 시작되었다. 특히 일본 국적의 히타치가 한국과 일본에 이어 가장 많은 출원건수를 보이 고 있는 점에 주목할 만하다. 그리고 1990년대 후반과 2000년대 초반 에 가장 많은 출원건수를 보이고 있는 점으로 봐서 이 시기가 미국에 서 마찰교반용접에 대한 연구가 가장 활발하게 이루어졌음을 알 수 있 다. <그림 3-25>는 미국에 특허출원된 마찰교반용접 기술관련 특허 출원 인을 IPC로 분류하여 살펴본 것이다. 미국의 마찰용접 기술의 IPC 분 류에 대한 출원동향을 보면 일본, 한국과 마찬가지로 B23K-020에 대한 출원건수가 가장 많은 것으로 확인된다. 일본의 히타치는 미국 내 전체 B23K-020 기술에서 총 16건으로 30% 이상의 높은 비중을 차지하고 있음을 알 수 있다. 그 뒤를 이어 미국 의 보잉사가 15건의 출원건수를 나타내고 있다.

- 73 - <그림 3-25> 출원인-IPC별 특허동향(마찰교반용접/미국)

16 14 12 출 10 원 8 건 수 6 B23K-020 I 4 P 2 B23K-031 C 0 NASA Hitachi Boeing Martin Martin Lockheed ESAB AB AB ESAB Douglas McDonnell Rockwell International General Tool 출원인

<그림 3-26>은 미국에 출원된 마찰용접 기술과 관련하여, IPC분류를 출원년도 특허출원동향을 나타낸 그림이다. 연도별 마찰용접 기술관련

특허 건수를 보면 B23K-020이 대부분이다.

<그림 3-26> 출원년도-IPC별 특허동향(마찰교반용접/미국)

18 16 14 B23K-020 출 12 원 10 I B64C-003 P 건 8 C 수 6 4 B23K-031 2 0 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

- 74 - B64C-003 B23K-031 2% 2%

B23K-020 96%

<그림 3-27>은 미국에 출원된 마찰용접 기술에 대한 내국인과 외국 인 출원인을 비율로 나타낸 그림이다.

<그림 3-27> 국적별 특허출원 동향(마찰교반용접/미국)

일본 29%

미국 기타 62% 38%

영국 2%

스웨덴 노르웨이 5% 2%

그림에서도 알 수 있듯이 미국에 출원되어 등록된 마찰용접 기술관 련하여 내국인과 외국인의 특허출원비율을 보면, 62%와 38%로 내국인 출원이 외국인 출원보다 조금 많은 것으로 나타나고 있는데 외국인 출

- 75 - 원인 가운데는 일본이 28%인 16건으로 가장 높고, 그 다음으로 스웨 덴이 3건을 차지하였으며, 그 외 노르웨이 영국이 각각 1건씩의 특허 출원을 보이고 있다.

2.4.4 유럽 특허출원 동향

마찰교반용접 기술에 대한 유럽의 특허출원 동향을 보면, 유럽역시 1990년대 중반부터 현재까지 93건의 특허가 출원되었다. 1995년 2건의 시작으로 꾸준히 증가하다 2001년 가장 많은 건수인 25건의 특허출원 을 하였다. 유럽 역시 한국, 일본, 미국과 동일하게 1990년대 후반에서 2000년대 초반까지 마찰교반용접 기술부문에 대한 연구가 가장 활발하 게 이루어졌음을 짐작할 수 있다.

<그림 3-28>은 마찰용접 기술에 대하여 유럽에 출원된 출원년도별 특허출원동향을 나타내고 있다. 전반적으로 유럽에 출원된 마찰용접 기술에 대한 특허출원은 1999년 이전까지 비교적 안정된 성장세를 보 이다가 2001년엔 큰폭의 증가를 기록하기도 하였다.

<그림 3-28> 출원년도별 특허동향(마찰교반용접/유럽)

30 100 출원건수 90 누적건수 25 80

70 20 60 출 누 원 적 15 50 건 건 수 수 40 10 30

20 5 10

0 0 1995 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

- 76 -

<그림 3-29>는 마찰교반용접 기술에 대한 유럽 특허출원인의 특허출 원동향을 나타낸 것이다. 유럽에 특허 출원된 출원인 동향을 살펴보 면 상위에 랭크되어 있는 기업 중에는 역시 일본 국적의 회사인 히타 치가 38건으로 1위에 올라와 있으며, 스웨덴 국적의 회사인 ESAB가 9건의 특허출원으로 2위를 차지하고 있고, 보잉사가 그 뒤를 이어 8건 의 특허출원을 하고 있다.

<그림 3-29> 출원인 특허출원동향(마찰교반용접/유럽)

40 38

출 25 원 20 건 수 15 9 10 8 6 5 444 5

0 Hitachi Esab AB Esab BOEING BOEING UNIVERSITY OOSTERKAMP GKSS- NORSK HYDRO

BRIGHAM YOUNG EADS Deutschland Deutschland EADS GEESTHACHT

출원인 FORSCHUNGSZENTRUM

<그림 3-30>은 마찰교반용접 기술에 대해 유럽에 출원된 출원인-년 도별 특허출원동향을 나타낸 그림이다. 유럽의 마찰교반용접 기술에 대한 특허출원의 동향을 보면, Easb사의 경우 초반에 9건의 특허출원 을 한 후 2002년 까지 단 한 건도 출원하지 않음을 알 수 있다. 가장 많은 출원건수를 보이고 있는 히타치의 경우 1997년 처음 10건의 특허 출원을 보인 후 점차 감소하는 경향을 보이다 2001년에 14건으로 가장 많은 출원 건수를 나타내는 것을 알 수 있다.

- 77 - <그림 3-30> 출원인-년도별 특허동향(마찰교반용접/유럽)

14 Hitachi 12 Esab AB 10 BOEING 출 원 8 NORSK HYDRO 출 원 건 6 BRIGHAM YOUNG UNIVERSITY 수 인 4 OOSTERKAMP GKSS-FORSCHUNGSZENTRUM 2 GEESTHACHT EADS Deutschland 0 1995 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

<그림 3-31>는 유럽에 특허 출원된 마찰교반용접 기술관련 특허 출 원인을 IPC로 분류하여 살펴본 것이다. 유럽의 마찰용접 기술의 IPC 분류에 대한 출원동향을 보면, 한국, 일본 그리고 미국에서처럼 B23K-020의 기술개발이 가장 활발하다. 유럽 특허에서 주목할 만한 점으로는 시트(sheet), 패널(panel) 또는 이와 유사한 것들을 조합한 구조물인 F16S-001 기술분야가 유럽특허에서만 나타난 점이다. 이는 10건으로 11%를 차지하며 B23K-020과 B29-065에 이어 3위를 차지하고 있다. 이 분야는 일본 국적의 히타치가 참여하여 기술개발에 힘쓰고 있다.

- 78 - <그림 3-31> 출원인-IPC별 특허동향(마찰교반용접/유럽)

B23K-020 40 B29C-065 35 F16S-001 출 30 B23K-033 I 원 25 B23K-037 P 건 20 B61D-017 C 15 수 B23P-006 10 B23B-003 5 기타 0 Hitachi Esab AB Esab BOEING BOEING UNIVERSITY OOSTERKAMP GKSS- NORSK HYDRO BRIGHAM YOUNG EADS Deutschland Deutschland EADS FORSCHUNGSZENTRUM 출원인

<그림 3-32>은 유럽에 출원된 마찰교반용접 기술과 관련하여, IPC분 류를 출원 년도 특허출원동향을 나타낸 그림이다. 그림에서도 알 수 있듯이 1990년대 중반부터 특허 출원하기 시작하다 1997년도에 출원건 수의 급증을 보이다 다시 점차 감소하는 경향을 볼 수 있다. 그러다 다시 2000년도부터 조금씩 증가하다 2001년도에 최고 정점인 41건의 특허출원을 보이고 있다. 유럽특허 역시 한국, 미국, 일본과 같이 B23K-020의 기술 개발위주로 이루어지고 있음을 알 수 있다.

- 79 - <그림 3-32> 출원년도-IPC별 특허동향(마찰교반용접/유럽)

B23K-020 30 F16S-001 25 B29C-065 B23K-037 I 출 20 B23K-033 원 P 15 B61D-017 건 C B23P-006 수 10 B23K-026 5 B23B-003 기타 0 1995 1997 1998 1999 2000 2001 2002 출원년도

B23K-026 1% B61D-017 2%

B23P-006 B23B-003 B23K-033 기타 1% 1% 4% 4% B23K-037 4%

F16S-001 7%

B29C-065 B23K-020 9% 67%

<그림 3-33>는 유럽에 출원된 마찰교반용접 기술에 대한 출원인을 비율로 나타낸 그림이다. 그림에서도 알 수 있듯이 유럽에 출원되어 등록된 마찰용접 기술관 련하여 출원인의 국적을 보면 일본이 43%로 41건의 가장 많은 특허를 출원하였고 미국이 그 뒤를 이어 26%로 24건의 특허를 출원하였다. 유럽내에서는 스웨덴이 10%로 9건, 독일이 9%로 8건의 특허를 출원하 고 있음을 알 수 있다. 유럽내에서도 비유럽권인 일본과 미국의 특허

- 80 - 출원인들의 특허 출원이 활발하게 이루어지고 있다는 것을 짐작 할 수 있다.

<그림 3-33> 국적별 특허출원 동향(마찰교반용접/유럽)

미국 26% 독일 노르웨이 9% 8%

기타 30% 네덜란드 2% 영국 일본 1% 43% 스웨덴 이스라엘 10% 1%

- 81 - 제 6 장 결 론

활발한 개발과 관심에도 불구하고 FSW는 여전히 새로운 접합공정이 다. 이러한 관점에서 이 공정을 충분히 활용하기 위해서는 상당한 개 발이 추가적으로 요구된다. 가장 두드러진 점은 이 공정의 물리현상은 가장 일반적인 용어로 정의되어 있을 뿐이다. 따라서 이 공정의 접합 기구를 이해하고 정량화하며 증명하기 위해서는 많은 연구가 수행되어 야 한다. 이러한 작업은 FSW 기술이 다른 재료 시스템에 효율적으로 이전되려면 반드시 필요한 부분이다. 이를 위해서는 FSW tool과의 상 호작용 기구에 대한 이해 증진과 함께 온도 의존적인 열적, 기계적성 질에 대한 정도 높은 process modelling이 필요하다. 이 기술을 보다 넓은 제조분야에 확대 적용하기 위해서는 공정 개선이 필요한데 특히, 생산성 향상을 위한 접합속도 향상에 큰 관심이 집중되어 있다. 이를 위한 tool 재질 및 설계기술 개발이 뒷받침되어야 하며 복잡 형상의 부품 및 구조물 제작에 적용하기 위한 비선형 3차원 접합 시스템의 개 발도 필요한 과제이다. 최근에는 Al 합금에 이어서 Ti, Mg, Cu 합금 등이 FSW 기술 개발의 축이 되고 있는데 이 기술이 개발되면 철강, Ni기 합금 그리고 금속간화합물에 역시 적용이 고려될 것이다. FSW기 술은 기본적으로 에너지 절약 및 작업환경의 개선이라는 이점도 있어 향후 자원의 보존 및 지구온난화 문제 등으로 환경규제가 더욱 강화되 어 갈 것이라고 본다면 이 기술은 고상접합기술로서 사용이 증대될 가 능성이 매우 높은 기술 중의 하나라고 생각된다. TWI가 개발한 FSW 기술은 지금까지의 고정관념을 탈피하여 판재의 마찰압접이 가능한 획기적 접합법이다. 새로운 용접기술은 때때로 그 기술과 관련한 물리, 화학적 규명을 위한 기초과학이 발전하기도 전에 상업화되기도 하는데 FSW 기술이야말로 이러한 용접기술 발전의 전 통에서 벗어날 수 없을 듯 하다. 게다가 발표된 지 몇 년 지나지 않았

- 82 - 는데도 불구하고 다양하게 실용화되고 있으며 적용 소재도 경량합금계 의 복합재료나 철강부재의 접합에도 적용을 검토할 만큼 활발한 개발 환경이 조성되고 있다. 현재 국내에서는 TWI가 특허로서 원천기술에 대한 권리를 보호하고 있는 상황이라서 자유로운 연구가 이루어지지는 못하는 실정이지만 앞으로 이 기술의 유용성이 널리 인식되기 시작하 면 광범위한 공업분야에서 사용이 기대되므로 동향을 주의 깊게 지켜 볼 필요가 있다.

- 83 - 참고문헌

1. W. M. Thomas et al.: Friction Stir Butt Welding, International Patent Application No. PCT/GB92 Patent Application No. 9125978.8, 1991 2. TWI, Proceedings of Friction Stir Welding Symposium, Thousand Oaks, USA, 14-16 June 1999 3. TWI, Proceedings of the 2nd Friction Stir Welding Symposium, Gothenburg, Sweden, 26-28 June 2000 4. TWI, Proceedings of the 3rd Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27-28 September 2001 5. TWI, Proceedings of the INALCO Conference, Cambridge, UK, 16 April 1998 6. Proceedings of the Aluminium '97 Conference, Essen, Germany, Sep 1997 7. Proceedings of the 3rd World Congress on Aluminum, Limassol, Cyprus, 15-19 April 1997 8. Proceedings of 79~82 American Welding Society Annual Meeting, 1998-2001 9. 溶接學會全國大會講演槪要第62集-68集, 1998-2001 10. 대한용접학회 학술발표대회개요집, 제37, 38권, 2001 11. T. Shinoda et al., Recent Trends of Research and Development of FSW Technology in Japan, Proceedings of the 3rd Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27-28 September 2001 12. W.M. Thomas: Friction Stir Welding of Ferrous Materials;A Feasibility Study, Friction Stir Welding Symposium, Thousand Oaks, USA, 14-16 June 1999 13. T. Shinoda: Friction Stir Weldingの皺勢, 輕金屬溶接, 37-9(1999) p.406 14. J. Mononen et al., Cost Comparison of FSW and MIG Welded Aluminium Panels, Proceedings of the 3rd Friction Stir Welding

- 84 - Symposium, Kobe, Japan, 27-28 September 2001 15. S. Kallee et al., Knowledge-Base Software package for FSW, Proceedings of the INALCO Conference, Cambridge, UK, 16 April 1998, p.209 16. 岡村久宣, 溶接學會誌, 69-7(2000) p.565 17. J. Backlund et al., Proc. of INALCO, Cambridge, May 1998, p.171 18. P. Threadgill, Friction Stir Welds in Aluminium Alloys-Preliminary Microstructural Assessment, TWI Bulletin, Mar/April 1997 19. T. Shinoda, Friction Stir Weldingの基礎と實際第4回機械的性質, 溶接技術, 2001. 9, p.128 20. H. Takai et al., Application of FSW to Rolling Stock Body Shell, Proceedings of the 3rd Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27-28 September 2001 21. M. Hayashi et al., Mechanical Properties of Friction Stir Welded 5083 Aluminium Alloy at Cryogenic Temperatures, Proceedings of the 3rd Friction Stir Welding Symposium, Kobe, Japan, 27-28 September 2001 22. 熊谷正樹, 田中直, 溶接學會全國大會槪要, 第65集, 1999, p.554 23. 古賀信次, 溶接學會誌, 69-3(2000) p.17 24. O.T. Midling et al.: Industrialization of the Friction Stir Welding Technology in Panels Production for the Maritime Sector, Friction Stir Welding Symposium, Thousand Oaks, USA, 14-16 June 1999 25. S. Kallee, D. Nicholas: Application of Friction Stir Welding to Lightweight Vehicles, Proc. of IBEC 98, Detroit, USA 29 Sept-1 Oct 1998 26. G. Kohn et al.: Friction Stir Welding Magnesium Alloys, Proceedings for the symposium Automotive Alloys 1999 from the 1999 TMS Annual Meeting, San Diego, CA, March 1-4, 1999.

- 85 - 27. A.V.Strombeck et al.:Robotic Friction Stir Welding-Tool Technology and Applications, The 2nd Friction Stir Welding Symposium, 27-28 June 2000, Gothenburg, Sweden

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