1. 서론 및 연구배경

1.1 FSW 기술의 개요

마찰교반용접(friction stir welding, FSW)은 금속을 고상 상태에서 접합하여 열변형과 미세 결함을 최소화하는 고상 접합 기술로, 고강도와 고내구성이 요구되는 항공우주 부품 제조에 적합한 방식으로 알려져 있다. 본 논문에서는 고정밀 치공구 설계 및 제작을 통한 FSW 공정 효율성 향상에 대해 연구하고자 한다.

1.2 고정밀 치공구의 필요성

전통적인 용접 작업에서는 용접기기, 용접봉, 접합 위치의 준비를 바탕으로 작업자의 숙련도에 의존하여 용접이 이루어진다. 이 경우 용접 품질은 작업자가 처한 작업장의 환경적 조건과 작업자의 기술 숙련도에 따라 크게 좌우된다. 최근 기계화된 전통 용접 장비와 로봇을 활용한 자동화 용접 시스템이 도입되면서 일정한 품질 개선이 이루어 졌으나, 여전히 용접 중 발생하는 용접 흄(fume)과 열 변형 등 다양한 환경적 제약으로 인해 대형 구조물의 용접 작업에서는 여전히 한계가 존재하고 있다[1].

특히, 대형화되고 복잡한 형상을 지닌 항공우주 산업과 같은 분야에서는 용접 작업의 정밀성 및 일관성이 핵심 조건으로 요구되고 있다. 이러한 제품들은 용접 결합부의 치수 안정성과 열 변형 제어가 필수적임으로 통상적인 용접 작업 방식에서 벗어나 용접 변형을 제어하고 위치를 정확하게 유지할 수 있는 고정밀 치공구가 필요하다.

항공우주 산업의 전통적인 용접방식인 FSW 공법은 이러한 요구사항을 충족하는 대표적인 기술로 기존 용융 접합과 달리 재료의 용융 없이 고상 상태에서 결합이 이루어 진다. FSW는 용접 과정에서 발생하는 열적 변형을 최소화하여 치수 안정성을 확보하며, 용접 부위의 기게적 특성을 향상시킨다. 그러나 FSW 공법에서도 용접 중 발생하는 잔류 응력과 미세한 열 변형은 구조물의 형상 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 특히, 대형 구조물의 경우 열변형과 용접 변형을 효과적으로 제어하지 않으면 결함이 발생할 가능성이 매우 높아진다.

따라서 FSW 공법의 성공적인 적용을 위해서는 고정밀 치공구가 필수적으로 사용이 된다. 고정밀 치공구는 용접 중 발생하는 응력을 균일하게 분산시키고 작업 중 구조물의 형상 유지를 가능하게 한다. 이를 통해 대형 구조물에도 용접 품질의 일관성을 유지하고 조립 효율성을 극대화 할 수 있다.

고정밀 치공구 제작에 있어서는 재료의 열적 특성 및 용접 부위의 미세 구조 변화를 고려해야 하며, FEM(유한요소해석)과 같은 시뮬레이션 기술을 통해 사전에 용접 중 발생할 수 있는 변형을 예측하고 설계 단계에서 이를 최적화하는 것이 중요하다[2].

결론적으로 고정밀 치공구는 항공우주 산업과 같은 고성능 대형 구조물의 FSW 공법에 있어 필수적인 역할을 하며, 용접 변형을 최소화하여 치수 안정성을 확보하고 품질을 향상시키는 핵심 기술로 자리 잡고 있다.

2. 연구 목적 및 방법

본 논문에서 연구된 기술은 스페이스 파이오니어 프로젝트의 일환으로, FSW 공법을 활용한 공통 격벽 추진제 탱크 제조 과정에서 발생하는 열변형 및 기계적 결함을 최소화하고 고정밀 치공구 설계를 통한 조립 효율성을 극대화 하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 고정밀 치공구 설계 과정에서 회전 공구의 진입 압력을 견디는 구조 강성을 확보하는 것이 핵심적으로 고려 되었으며, FEM을 통한 사전 시뮬레이션을 통해 용접 중 발생할 수 있는 변형과 응력을 예측, 최적화된 설계를 도출하였다.

고정밀 치공구 설계에 있어서 FSW 공정 중 발생하는 진입 압력과 열적 영향을 효과적으로 견딜 수 있는 구조 강성을 확보해야 한다. 특히 회전 공구의 진입 시 발생하는 국부적인 열팽창과 잔류 응력은 치공구의 변형을 유발할 수 있으며, 이를 방지하기 위해 본 연구에서는 치공구의 설계 시 재료의 열적 특성 및 구조적 안정성을 고려한 설계 최적화를 진행하였다.

또한, 치공구의 고온 및 고압 조건에서 안정성을 유지할 수 있도록 설계 단계에서부터 FEM을 통해 용접 중 발생할 수 있는 응력 분포와 변형 거동을 검증 및 예측하고, 이를 기반으로 치공구의 재질과 구조를 최적화하였다. 그로 인해 본 연구에서 개발한 치공구는 일정한 압력을 유지하면서도 용접 중 발생하는 변형을 최소화하는 구조적 특성으로 설계되었다[3].

Fig. 1, Fig. 2는 실린더형 용접 구조물을 대상으로 하는 직선 용접 치구(straight welding fixture)의 설계를 보여준다. 이 치공구는 용접 구간을 안정적으로 고정하여 회전 공구에 의해 가해지는 진입 압력과 용접 시 발생하는 열적 변형을 견딜 수 있는 구조로 설계 되었다. 구조적 강성은 용접 중 발생하는 열팽창을 최소화함으로써 용접부의 형상 왜곡을 방지하고 균일한 용접 품질을 유지할 수 있도록 최적화되었다.

Fig. 1.

Straight welding fixture.

Fig. 2.

Straight welding fixture.

본 연구에서 개발된 치공구는 대형 구조물의 FSW 공정에 적합하도록 설계되었으며, 이를 통해 조립 효율성을 향상시키고 용접 품질의 일관성을 보장할 수 있는 설계를 제공하였다.

이러한 구조의 치공구 FEM 해석에서는 회전 공구의 진입 압력을 고려하여 엔빌(anvil)구간의 설계 요구조건을 충족시키는 것이 핵심이었다. 특히 엔빌 구간에서 발생할 수 있는 변형과 응력 집중을 최소화하기 위해 해석을 통한 적절한 재료 선택과 구조 강성 확보를 목표로 하였다.

Table 1에서처럼 치공구 설계 시 적용된 기준은 FEM 해석 결과를 바탕으로 도출되었으며, 최대 응력, 처짐, 안전율을 포함한 기준들이 충족될 수 있도록 설계되었다.

Fig. 3, Fig. 4의 경우 직선 용접부에서 발생할 수 있는 하중 집중 부위의 변형을 최소화 하기 위해 수행된 FEM결과를 보여주고 있다. 해석을 통하여 하중 집중에 의한 변형 거동과 응력 분포를 정량적으로 분석하였으며, 구조적 보강이 필요할 수 있는 취약 부위를 식별할 수 있었다. 표시된 색상 그래프는 변형량과 응력 집중 영역을 시각적으로 표현한 것으로 각기 다른 하중 조건하에서 발생하는 변형 분포를 보여주고 있다.

Fig. 3.

FEM analysis.

Fig. 4.

FEM analysis.

해석 결과 치공구의 특정 부위에서 국부적으로 발생하는 응력 집중을 확인하게 되었고 이를 기반으로 변형을 0.08 mm 이하로 유지하기 위한 구조적 보강 설계가 필요함을 도출하였다. 좌측은 응력분포, 우측은 변형량을 나타내는 것으로 고응력 영역에서의 변형이 보강 설계를 통해 효과적으로 완화되었음을 확인할 수 있다. 이러한 해석 결과를 바탕으로 치공구 설계에서 하중 집중에 대한 저항성과 구조적 안정성을 확보할 수 있는 최적의 설계안을 도출하였다.

FEM을 통하여 응력과 변형의 분포를 확인 후 치공구 설계를 이해 훅의 법칙(hooke’s law)을 기반으로 응력과 변형률의 관계를 분석하였다. 용접 품질을 유지하는 중요한 요소로 구조물의 변형량을 예측 할 수 있었다. 훅의 법칙에 따른 응력과 변형률의 관계는 아래와 같다.

𝜎 : 발생한 응력(N/m2)

E : 재료의 탄성계수(young’s modulus, N/m2)

𝜀 : 변형률(strain, 무차원)

본 연구에서 적용한 재료의 탄성계수를 고려하여 각 하중 조건에서 발생할 수 있는 최대 변형률을 계산하였다. 또한, 설계 안전성을 확보하기 위해 안전율(safety factor)을 평가하였다. 안전율은 구조물의 설계 시 내구성을 판단하는 중요한 지표로, 항복강도와 작용 응력의 비율로 정의된다. 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

SF : 안전율(무차원)

σy : 재료의 항복강도(yield strength, N/m2)

σmax : 최대 작용 응력(maximum applied stress, N/m2)

Table 1에서 제시된 바와 같이, FEM 해석 결과로 도출된 최대 작용 응력과 재료의 항복강도를 비교하여 안전율이 12.11로 산출되었으며, 이는 치공구 설계가 충분한 구조적 안전성을 제공함을 나타낸다.

3. 가공 제품 및 결과

개발된 치구를 활용하여 FSW 공정을통해 생산된 제품은 Fig. 5와 같으며 해당 제품의 경우 4개의 조각 패널을 용접하여 제작된 제품이다. 대량생산 및 원활한 용접을 위해 Tooling Loactor Hole을 치구의 엔빌 위치부에 반영하여 각 조각 패널이 항상 정확하게 정렬되도록 하였다. 위 방법을 통하여 조각 패널이 항상 동일한 위치에 반복적으로 장착 될 수 있었다. 또한 Fig. 6과 같은 Laser Tracker AT960을 활용하여 패널의 위치를 정밀하게 추적하고 조립을 진행함으로, 용접부 위치 편차 문제를 효과적으로 해결하였다(Fig. 7).

Fig. 5.

Products manufactured.

Fig. 6.

Laser tracker.

Fig. 7.

Laser tracker measurement.

Laser Tracker AT960의 경우 그 재원은 아래와 같다.

Reflector : U(x,y,z)=±15 ㎛+6 ㎛/m

ALFM Absolute Distance Performance : ±0.5 ㎛/m

Absolute Angular Performance : ±15 ㎛+6 ㎛/m

Dynamic lock on : ±10 ㎛

Orient to Gravity (OTG) Uz (OTG) : ±15 ㎛+8 ㎛/m

위와 같은 공정을 통하여 용접 작업 중 발생할 수 있는 불량률이 크게 감소하였으며, 전체 공정의 정확성과 효율성이 향상되었다.

FSW 공정은 금속 재료를 접합하는 특수 용접 기술로 치구의 설계 및 조립은 용접의 성공 여부에 중대한 영향을 미친다. 본 논문에서는 주요 기술적 요소와 이러한 과정들이 품질에 미치는 영향을 연구 하였다.

FSW 공정 과정에서 사용되는 치구는 마찰 과정에서 발생하는 열과 힘을 견디며, 용접 부품을 일정한 위치에 유지하는 역할을 한다. 이는 용접 부품의 변형을 최소화하고 용접 깊이(weld penetration)가 균일하게 유지되도록 하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 치구가 불량일 경우 기능적 요구를 충족하는 부품들의 치수관리 및 고정밀 가공이 이루어지지 않아 품질 저하가 될 수 있다.

치구에 사용되는 부품들은 기능적 요구를 충족시키기 위해 각 부품의 직교좌표(orthogonal coordinates)가 정밀하게 제어되어야 한다. 이를 위해 가공된 부품에 OTP (optimized tool part)가 부여된다. OTP는 3D 모델링을 통해 부품의 위치를 정확히 시뮬레이션하고 최적화된 경로를 설정한 기술로, 용접 중 발생하는 미세한 변형까지 예측, 보정 할 수 있도록 돕는다.

이 과정을 통하여 고정밀 가공에서 흔히 발생하는 오류를 최소화 할 수 있었다.

마찰용접 치구의 조립 공차(assembly tolerance)는 ±0.127 mm로 관리된다. 이러한 정밀 공차는 용접 부품의 위치를 정밀하게 고정하기 위해 필요하며, 부품 간의 적합성을 유지하는 데 중요한 요소이다. 특히, 조립 공차가 넓어지면 부품 간의 적합성이 떨어져 용접 중 변형이 발생할 가능성이 커진다.

정밀 공차는 용접 과정에서 발생하는 열변형(thermal deformation)을 최소화하는 데 중요한 역할을 한다. 따라서, 조립 공차를 엄격하게 유지하는 것은 용접 품질을 확보하는 데 필수적이다.

정밀 가공과 조립 공차 관리의 최종 목표는 용접 과정에서 발생하는 열변형과 용접 깊이(weld penetration)를 균일하게 유지하는 것이다. 용접 깊이는 용접 품질을 결정짓는 중요한 요소로, 치구가 부품을 일정한 위치에 고정할 수 있어야만 일정한 깊이로 용접이 이루어질 수 있다. 정밀 가공과 조립 공차가 적절히 관리되지 않으면 용접 깊이가 불균일해져 접합 강도가 저하될 수 있다.

또한, 용접 중 발생하는 열변형을 최소화하는 것도 매우 중요하다. 열변형은 재료의 물리적 성질을 변형시키며, 용접 후 변형된 부품은 접합 강도가 낮아질 수 있다. 이를 방지하기 위해 조립 공차를 엄격하게 관리하고, 부품 간의 정밀한 맞춤이 이루어지도록 해야 한다.

마찰용접 치구의 정밀 가공과 조립 공차 관리는 용접 품질에 직결되는 중요한 요소이다. 고정밀 기계가공을 통해 치구의 부품들이 기능적으로 요구되는 치수를 충족해야 하며, 3D 모델링과 OTP를 활용한 좌표 제어가 필요하다. 또한, 조립 공차를 ±0.127 mm 수준으로 유지함으로써 용접 중 발생할 수 있는 열변형과 용접 깊이의 불균일성을 최소화할 수 있다. 이를 통해 용접 품질을 향상시키고, 치구의 내구성을 높일 수 있다.

4. 결 론

4.1 고정밀 치구의 설계시 고려사항

본 논문에서 제작된 용접 치구는 마찰교반용접(friction stir welding, FSW) 공정을 통해 대형 돔형 구조물의 용접을 정밀하고 안정적으로 수행하기 위한 중요한 요소이다. 복잡한 곡면 구조를 가지고 있는 제품으로 인하여 용접 과정에서 형상 유지와 균일한 품질 확보를 위해 다양한 설계 조건을 충족하는 치구를 제작 하였으며 해당 치구는 다양한 설계 조건을 충족하여야 했다.

첫째 정밀한 패널 고정 능력은 용접 치구의 핵심 요구 사항 중 하나이다. 본 연구에서 제작하는 제품은 3차원 곡면으로 이루어져 있기 때문에 패널을 정확하게 고정하는 것은 용접 품질에 직접적인 영향을 미친다. 그로 인해 치구는 패널을 변형 없이 정밀하게 고정할 수 있어야 하며, 용접 중 발생할 수 있는 진동이나 외부 힘으로부터 패널이 흔들리거나 움직이지 않도록 설계되어야 한다[4].

둘째 균일한 용접 압력의 유지가 필수적이다. FSW 공정은 공구와 접합 표면 사이의 마찰열로 접합이 이루어지므로, 용접 공정 중 일정한 압력이 유지되어야만 균일한 용접 품질을 보장할 수 있다. 치구는 구조물 전체에 걸쳐 일관된 압력을 제공할수 있도록 설계되어야 하며, 용접 공정에서 발생하는 압력의 변동을 최소화 해야 한다.

셋째 열 변형 방지가 필요하다. FSW 공정에서 발생하는 열로 인해 구조물에 변형이 발생 할 수 있다. 치구는 용접 과정 중 발생하는 열 변형을 최소화 할 수 있는 설계가 요구된다. 또한 고온에서 안정적인 특성을 유지하는 재료로 제작 되어야 하며, 열 전도를 제어하는 설계 기법이 필요하다.

넷째 치수 정밀도는 용접이 완료된 후에도 돔 구조물의 요구되는 치수를 유지하는데 중요한 요소이다. 돔형 구조물의 정밀한 형상을 유지하기 위해 치구 자체의 제작 단계에서부터 높은 정밀도가 요구되며, 용접 공정 중에도 구조물이 왜곡되거나 변형되지 않도록 설계되어야 한다. 이를 통해 최종 제품의 일관된 품질을 보장 할 수 있다.

다섯째 반복 사용 가능성이 고려되어야 한다. 치구는 대량 생산 또는 반복적인 용접 작업에서 활용될수 있어야 함으로 내구성이 뛰어나고 유지보수가 용이해야 한다. 장기간 사용 시에도 치구의 성능 저하 없이 안정적인 품질을 유지할 수 있다.

여섯째 치구의 조립 및 분리 용이성이다. 대형 돔형 구조물의 용접 작업은 작업 공간이 제한적일 수 있기 때문에, 치구의 조립과 분리는 간편하고 효율적으로 이루어져야 한다. 전체 용접 공정의 효율성을 극대화 하기 위해 작업자가 신속하게 치구를 설치하고 해체할 수 있도록 설계하여야 한다.

일곱째 진원 유지 장치의 설계가 요구된다. 돔형 구조물의 경우, 용접 과정에서 내부 진원을 유지하는 것이 품질 확보에 중요한 요소이다. 치구는 돔의 대칭성을 유지하고 용접이 완료된 후에도 구조물이 변형 없이 동일한 형상을 유지할 수 있도록 돕는 장치가 포함되어야 한다.

여덟째 모듈화 설계가 필요하다. 다양한 크기와 형태의 돔 구조물에 적용할 수 있는 치구를 설계하기 위해서는 모듈화된 설계가 필수적이다. 이를 통해 치구는 여러 프로젝트에서 크기나 형상이 다른 구조물에도 유연하게 적용될 수 있으며, 비용 효율성과 작업 효율성을 동시에 달성할 수 있다.

이와 같은 돔 구조물의 용접 치구의 설계 조건들은 용접 공정의 안정성과 품질을 보장하는 중요한 역할을 한다. 특히, FSW 공법과 같은 정밀한 용접 방식에서 이러한 치구의 역할은 성공적인 용접 결과를 확보하는 데 필수적이다.

4.2 돔 구조 용접 및 성능개선

용접치구의 고려사항을 적용한 결과, 돔 구조물의 용접 치구는 복잡한 구조물의 형상 유지 및 균일한 용접 품질을 달성하는 데 성공적으로 기여하였다. 내부 진공 고정과 외부 유압 클램프의 조합을 통해 균일한 압력이 유지되었으며, 열 변형을 최소화하는 재료와 설계 기법을 적용하여 치수 정밀도를 보장할 수 있었다. 또한, 모듈화 설계를 통해 다양한 크기와 형상의 구조물에 유연하게 대응할 수 있었으며, 반복 사용 가능성과 작업 효율성도 크게 향상되었다.