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[Monthly Focus] 경량 자동차용 이종소재 접합기술 개발 동향 로봇기업들이 알아야 될 자동차 접합 기술의 변화 임진우 기자입력 2019-03-29 10:13:31

자동차 경량화를 위한 자동차 업계의 노력은 다양한 형태로 발현되고 있다. 그중 기존 스틸 수준의 물성을 보유하면서 무게가 가벼운 새로운 소재 발굴 및 이를 연결하기 위한 접합기술은 로봇 업계에서도 중요한 화두로 떠올랐다. 본지에서는 한국생산기술연구원 김영민 수석연구원, 한국산업기술평가관리원 뿌리기술PD실 김희국 PD가 저술한 경량자동차용 이종소재 접합기술 개발 동향 보고서를 통해 이 분야의 기술동향을 소개한다. 

 

SPR을 이용한 접합(사진. 로봇기술)

 

1. 국내외 경량화 기술정책 및 개발동향


자동차 산업의 경우 연비/환경 규제와 충돌 안전성 규제가 동시에 강화되고 있어 차량 경량화를 위한 적용 소재의 다변화가 추진되고 있다. 이에 따라 초고강도강, 알루미늄 합금, 섬유강화플라스틱 등의 다종소재(Multi-Material) 적용을 통한 경량화 기술개발 경쟁이 치열한 상황이다. 

 

2020년 국가별 자동차 연비 및 배출가스 규제현황(자료. 한국산업기술평가관리원)


자동차 산업에서 초기 경량화 기술은 기존의 철강 소재 차체를 알루미늄 및 마그네슘 소재로 대체하는 기술과, 철강 소재의 강성 향상에 따른 두께, 형상 및 제조 공법 변경을 통한 경량화로 모두 단일 금속 소재를 중심으로 경량화 기술개발이 진행됐다.
그 후 제조단가와 생산성 및 충돌 안정성 확보 측면에서 단일 소재가 아니라 다중 금속 소재의 적용 필요성이 대두됐다. 특히 자동차에서 경량화 요구가 기존 내연기관보다 더 큰 전기 자동차 및 고급 자동차의 경우에는 기존의 다중 금속 소재 경량화만이 아니라, 고분자 소재까지 적용한 MMI 기술이 필요하다. 기술 선진국의 MMI 경량화 연구핵심은 다양한 소재간의 접합성(접합 시 변형 및 부식) 문제 해결이며, 이를 위해 다양한 접합공법과 접착제가 개발되어 있고, 국내의 MMI 경량화 기술은 선진국 대비 후발주자인 상황이다. 국내의 자동차 경량화 관련 기술개발 지원은 단품 및 모듈 단위의 경량화를 위한 소재, 성형 공정을 중심으로 지원되고 있다.

 

기존의 스틸(Steel) 차체에서는 고전적인 용접법인 저항용접 및 아크용접이 주를 이루었지만, 비철 또는 고분자 소재의 사용이 증가함에 따라 각 소재들에 대한 새로운 용접 및 접합 기술 개발이 필요하다. 스틸 소재는 고강도 박육화되고 있어 박판 용접기술에 대한 공정 확보가 중요하며, 알루미늄의 경우 저항용접을 대체할만한 강력한 접합/체결 기술이 개발 중이다.
기존 스틸 부품에서 알루미늄으로 대체 시 기존 스틸 부위와의 연결부(이종소재 연결부)에 대한 접합/체결기술을 적절히 선정하는 것은 차체의 생산성 및 안정성 측면에서 매우 중요하다. 스틸 재료와 고분자 소재 부품을 연결해야 되는 경우에는 원자 간의 금속결합을 유도해 접합하는 전통적인 용접방식으로는 접근이 불가해 기계적 체결 및 새로운 접합기술이 사용돼야 한다.

 

2. 이종소재 접합기술 개발동향

 

1) 아크용접을 이용한 이종소재 접합기술
이종소재 접합을 위해서 소재에 따라 아크용접, 저항 점용접, 레이저용접, 마찰교반용접, 기계적 체결, 접착 본딩 등 다양한 형태의 이종소재 접합기술에 대한 연구가 진행되고 있다.


아크용접은 자동차 섀시 부품에 많이 사용되는 조립기술로 Al/Fe 접합에 사용될 때는 알루미늄계 와이어를 주로 이용함으로써 알루미늄 부품에는 용접이 되고 스틸 부품에는 브레이징이 되는 용접-브레이징 형태로 적용된다.


스틸 부품에 용융된 알루미늄이 브레이징돼야 하므로 표면 상태에 따라 젖음성이 달라지기 때문에 무도금강판, GA강판의 경우 플럭스를 적용해 산화막을 제거한 후 공법을 적용한다. GI강판과 알루미늄도금강판의 경우 플럭스 없이 적용이 가능하다.


이때 FeAl3(Fe4Al13)이나 Fe2Al5와 같이 경하고 연성이 없는 Al/Fe 금속 간 화합물(IMC, Inter-metallic Compound)이 성장해 접합부 파단을 야기하기 때문에 IMC층의 두께를 10㎛ 이내로 제어할 필요성이 있으므로 IMC의 두께를 제어하기 위해 용접재료의 선정과 저입열의 구현이 중요하다.

 

아연도금강판과 6xxx계 알루미늄 합금의 아크접합 시 IMC층의 형성(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

알루미늄도금강판을 이용할 경우 알루미늄 도금과정에서 형성된 IMC가 용접초기에 금속확산을 방해하는 역할을 수행하기 때문에 최종적 IMC 두께를 감소시킬 수 있어 아연도금강판에 비해 접합강도 확보에 유리하다.

 

도금종류와 사용 용접와이어별 접합강도 및 IMC 두께(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

저입열 구현을 위해 단락모드 아크용접 적용의 검토가 활발히 진행되고 있다. 다양한 파형제어 및 와이어 송급제어 용접전원이 양산공정에 이용되고 있으며, 섀시부품에 발생할 수 있는 갭에 대한 대응력이 뛰어나므로 적용성이 높을 것으로 판단된다.
Al/Fe 이종소재 접합 적용의 가장 큰 걸림돌은 용접부의 전위차부식현상으로 용접부가 부식에 취약해서 염수분무시험을 통해 평가하면 시간에 따라 용접부가 부식되고 접합강도가 감소하는 경향을 나타낸다는 점이다. 그러나 특정접합조건에서는 2,000시간 염수분무시험에서 리벳접합부보다 높은 강도 확보가 확인됐다.

 

Al/Fe 아크 용접부의 염수분무시험 결과(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

2) 마찰교반용접을 이용한 Al/Fe 이종재료 접합기술
마찰교반용접은 고상용접으로 저입열 구현이 가능하므로 이종재료 접합에 활발히 적용되는 공정이다. 특히 2013년 혼다 어코드 서브프레임의 Al/Fe 이종재접합부에 마찰교반용접이 최초로 양산적용이 됨에 따라 기술적 관심이 높은 상황이다.

 

이종재 적용 서브프레임(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

마찰교반용접의 경우 최근까지 원천기술에 대한 지적재산권이 유효해 연구 및 적용에 한계가 있었으나 기본적인 기술에 대한 특허가 하나씩 만료됨에 따라 기술적용이 보다 활발해 질 것으로 예상된다.
한편 Al/Fe 이종재의 마찰교반용접 기술을 공정 적용 시 철강재 적용이 가능한 수준의 용접 공구(Tool)의 개발이 필요하다. 초경합금, 세라믹 등 다양한 공구 소재가 검토됐으며 최근에는 국내사에서 개발을 통해 품질이 우수한 공구를 공급하고 있다.

 

ESABs 마찰 교반 용접 로봇 Rosio(사진. ESABs) 


마찰교반용접을 적용할 경우 IMC층이 거의 형성되지 않아 접합강도 확보가 용이하며 일정두께를 가진 알루미늄 판재를 적용할 경우 염수분부시험을 통한 부식평가에서도 강도저하가 거의 발생하지 않는다. 그러나 전위차부식에 의한 알루미늄 판재부식이 진행되기 때문에 미관상 문제와 도장을 할 경우 도장박리 가능성이 있으므로 부식에 대한 대응책이 필요하다.

마찰교반용접공정이 이종소재 용접에 강점을 가짐에도 불구하고 1.0㎜ 이하 두께를 가지는 박판의 용접이나 아연도금강판 적용 시에는 적정한 조건 선정에 주의가 요구된다. 최근 연구에서는 공구의 경로를 제어할 경우 0.65㎜ 두께의 강판의 경우에도 접합이 가능하다고 발표된 바 있다.
겹치기용접부에서는 하판의 스틸에서 상판 알루미늄 방향으로 고리모양의 소재유동이 발생해 후크(Hook)가 형성되는데, 이는 소재접합강도에 주는 영향이 크기 때문에 공정변수를 최적화해 하중전달에 유리한 후크형상을 구현하는 것이 중요하다.

 

겹치기 용접부에 형성되는 후크 형상(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

3) 이종소재 저항 점용접 기술 개발 동향
자동차 차체 용접은 주로 저항 점용접으로 수행되고 있고, 차량 1대당 약 4,000~6,000점의 저항 점용접 점이 필요하다.
자동차 경량화 요구로 인해 강에 대한 고강도화뿐만 아니라 강에 비해 상대적으로 가벼운 알루미늄 합금과 마그네슘 합금에 대한 적용 요구가 증가하고 있으며, 특히 알루미늄 합금인 경우 지속적으로 적용이 확대되고 있는 상황이고 이에 따라 동종 간의 접합뿐만 아니라 강판과 알루미늄 합금과의 이종접합의 필요성이 증가하고 있다.
최근에 국내 완성차 업체인 경우에 자동차 경량화 요구로 인해 일부 차종의 후드 부품에 알루미늄 합금을 적용하고 있고, 알루미늄 단부품사이의 접합에 델타 스팟(Delta Spot)이라는 선진사의 특수 저항 점용접 방법을 적용해 오다가 최근에는 고전류/고가압을 이용한 저항 점용접 방법으로 변경하고 있는 상황이다.
강판과 알루미늄 합금/마그네슘 합금과의 이종 금속에 대한 저항 점용접인 경우 아래와 두 금속 사이의 물성차이 때문에 양호한 용접품질 확보가 어렵고, 두 소재 사이의 전위차 부식이라는 문제가 있어 자동차 차체 부품에 이종금속을 직접 점용접해 적용하고 있는 사례는 없다.

 

소재별 물리적, 기계적, 화학성 특성(20℃)(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

이처럼 강판과 알루미늄 합금과의 이종 금속 저항 점용접이 매우 어려운 상황에서 관련 연구는 지속적으로 진행되고 있다. 무도금강판과 알루미늄 합금 사이의 저항 점용접은 이종금속 사이의 아연 부재로 인해 금속 간 화합물(Intermetallic Compound) 형성이 어려워 용접부 강도 확보가 어렵고, GA 또는 GI 도금 강판과 알루미늄 합금 사이의 저항 점용접인 경우는 수 마이크로미터의 금속 간 화합물 형성으로 인해 용접부 강도는 어느 정도 확보할 수 있다는 연구 결과가 발표됐다.
현재까지는 최종 제품의 품질을 보증하는 알루미늄과 강판 두 금속 간의 저항 점용점 기술은 확보되지 않은 상황이며, 자체부품 접합에 가장 효율적이고 자동화하기 용이한 저항 점용접법을 활용한 이종금속 접합기술 개발이 필요하다. 

 

이종 금속의 저항 용접부 및 금속간 화합물(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

4) 이종소재 기계적 체결 기술개발 동향
난용접성 이종소재 접합을 위해 접착제 접합과 더불어 기계적 체결이 가장 현실적인 대안으로 평가되며 다양한 기계적 체결 공법이 제안되고 있다.
기계적 체결은 열변형이 없고, 이종 소재 및 코팅 소재의 접합이 가능하며 상이한 강도의 소재 접합이 가능하다. 또한 짧은 공정 및 자동화가 가능하고 리벳 홀 아래에 센터링이 필요하지 않으며 환경 친화적이라는 장점이 있다.

 

SPR에 사용되는 리벳(사진. 아트라스콥코 핸롭)


전통적인 방식인 볼트/너트와 블라인드 리벳 등은 미리 가공된 홀을 통해 체결이 이루어지는 방식이다. 이러한 방식은 사전 홀 가공으로 인해 공정이 추가되고 생산성이 낮아지는 단점이 있어 사전 홀 가공이 없는 기계적 체결 기술이 확대 적용되고 있다.

 

기계적 체결 분류(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

기계적 체결 기술은 대표적으로 플로우 드릴 스크루(Flow Drill Screw, FDS), 셀프 피어싱 리벳(Self Piercing Rivet, SPR)과 클린칭(Clinching)이 있다.

 

• 플로우 드릴 스크루(FDS)
 체결부를 짧은 시간에 펀칭해 홀을 형성하고 그 후 나사산을 형성하면서 결합된다. 이 체결 방법은 단면 체결방식으로 접근성이 좋고 다양한 이종소재의 접합이 가능하지만 모재 강도의 제약이 있다. 주로 얇은 판재에 적용된다.

 

FDS 체결 모식도(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

• 셀프 피어싱 리벳(SPR)
상부 판재를 피어싱해 뚫고 하부 판재와 성형기반 소성변형으로 체결(Interlock)하는 공정이다. 사전 홀 가공이 필요하지 않고, 공정이 단순하면서도 짧아 생산성이 높으며, 자동화가 용이하다. 기존 저항 점용접 대비 동등 이상의 체결강도를 확보할 수 있고 이종접합이 가능하므로 현재 다종소재 차체 일체화에 광범위하게 적용된다. 다만 성형기반 기계적 접합인 SPR은 비철금속/철강의 이종소재 공정에 일부 적용 중이나 고강도강이나 CFRP 적용에는 한계가 있으며, 충돌 흡수능 저하, 상이한 열변형 특성, 전위차 부식 등의 문제점들이 존재한다.

 

SPR 체결 모식도(자료. 아트라스콥코 핸롭)

 

• 클린칭
상하부 판재의 성형기반 소성변형을 통해 기계적으로 체결되는 방식으로, 공정이 단순하고 짧아 생산성이 높고 자동화가 용이하다. 특히 SPR 접합과 달리 리벳과 같은 별도의 소모재를 필요하지 않으므로 생산원가 측면에서 유리하지만, 섬유강화 플라스틱이나 초고강도강과 같이 연신율이 낮은 소재의 경우 적용이 불가하며, 접합강도는 타 공정 대비 낮은 단점이 있어 적용 범위가 제한적이다.

 

클린칭 체결 모식도(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

5) Al/Fe 접착본딩 기술 동향
접착본딩은 주로 에폭시, 우레탄 등과 같은 유기계 접착제를 사용해 도포→밀착→경화과정을 통해 피착재들을 영구적으로 결합시키는 공법으로, 공정온도가 상온~200℃ 정도로 비교적 낮고 조절이 용이하며, 피착재 재질 및 치수에 대한 자유도가 높고, 면 접합을 형성해 응력분산에 유리하다는 특징이 있다.


접착제는 경화되기 전에는 액상이기 때문에 자체만으로 구조물 형체를 유지할 수가 없고, 경화된 후에는 박리응력에 취약하고 연신율이 거의 없는 파단거동을 보이기 때문에 차체 조립공정에서 접착본딩 단독으로는 사용되지 않고 저항 점용접이나 기계적 체결과 함께 하이브리드 접합공법으로 사용되고 있다. 웰드본드는 저항 점용접 접착본딩 하이브리드 접합공법을 의미하는 용어로, 판재 접합면에 접착제를 도포한 다음 저항 점용접을 수행하고 이후 도장공정을 거치면서 접착제를 경화시킴으로써 두 접합공법의 시너지효과로 인해 각각의 단독 공법보다 높은 접합강도와 피로강도, 향상된 충돌성능과 NVH 특성 등의 장점들을 나타낸다.


국내에서 웰드본드 공법은 제네시스 차체의 스틸 접합부에 C-type 접착제를 사용해 적용했으며, 현재는 충격성능이 향상된 D-type 접착제를 사용하고 있고, 초고장력 강판 적용비율과 함께 구조용 접착제의 적용여부를 신차 홍보에 활용할 정도로 적용 차종을 확대하고 있는 추세이다. 


스틸 알루미늄 이종접합에 차체 구조용 접착제를 적용하는 방법에 있어서, 웰드본드 공법은 스틸 대비 알루미늄 저항 점용접시 발생되는 여러 문제점이 더욱 심각해져서 적용이 곤란하므로 클린칭이나 SPR과 같은 기계적 체결 접착 하이브리드 접합공법이 주로 고려되고 있다.


스틸 알루미늄 이종접합에 기계적 체결 접착 하이브리드 접합공법을 적용하는 데에도 몇 가지 제약사항이 있는데, 먼저 강도가 약한 스틸의 경우에는 클린칭이나 셀프 피어싱 리벳팅이 가능하지만, GPa급의 초고장력강 재질인 경우에는 변형제어가 곤란하므로 초고장력 강판에 미리 홀을 가공하는 등의 추가공정이 필요하다.


알루미늄 루프와 같이 큰 부품의 경우에는 스틸 알루미늄 이종접합부 양단 간의 거리가 멀리 떨어져 있을 수 있는데, 상온에서 기계적 체결된 부위가 도장공정에서 180~200℃로 가열됨에 따라 스틸의 열팽창계수(13ppm/℃)와 알루미늄의 열팽창계수(23ppm/℃)의 차이로 인해, 휘어진 상태로 접착제의 경화가 완료됨으로써 다시 상온으로 냉각되어도 휨변형 상태가 유지되는 문제가 발생한다.


스틸과 알루미늄이 전기적으로 접촉되면 갈바닉 부식(Galvanic Corrosion)이 발생하게 되는데, 기계적 체결 접착 하이브리드 접합에 금속재질의 툴이 사용되면 스틸과 알루미늄을 전기적으로 연결시키는 역할을 하게 되므로 이를 방지할 수 있는 대책이 필요하다.

 

6) FRP/metal 접착본딩 기술 동향
최근 BMW 7시리즈, i3 등과 같이 고급 차종 및 전기자동차를 중심으로 차량 경량화를 위해 비강도가 극히 우수한 탄소섬유강화플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP) 소재를 차체 조립에 사용하는 사례가 증가하고 있으며, 국내에서도 CFRP를 양산차에 적용하기 위한 시도가 진행되고 있다.


CFRP는 국내에서 주로 PCM(Prepreg Compression Molding)과 RTM(Resin Transfer Molding) 두 가지 공법으로 제조되고 있으며, 바인더수지의 특성에 따라 에폭시계 및 폴리우레탄계 열경화성 CFRP와 주로 폴리아마이드계인 열가소성 CFRP가 사용된다.


열경화성 CFRP는 높은 비강도를 얻을 수 있는 반면에 성형시간이 길고 급격한 충격에 의해 파괴될 가능성이 높으며, 열가소성 CFRP는 Tg와 Creep 저항성은 낮지만, Toughness가 우수하고 고속성형, 단순한 제조공정, 재작업 및 재활용이 용이하며 다양한 물성의 바인더 수지 등의 장점이 있다. CFRP와 금속 간의 이종접합은 CFRP의 비금속적인 특성상 용접이 곤란하기 때문에 주로 블라인드 리벳, SPR 등의 기계적 체결 접착 하이브리드 접합공법을 통해 수행된다.


PCM CFRP의 열팽창계수는 UD(uni-directional)의 경우 탄소섬유 길이방향으로는 거의 0ppm/℃, 수직방향으로는 11~17ppm/℃, 두께방향으로는 약 50ppm/℃이며, 0, 90, ±45°로 적층한 경우에는 약 5ppm/℃로 나타난다.

 

200℃ 오븐 경화시 온도 프로파일(자료. 한국산업기술평가관리원)

 

CFRP 스틸 이종접합의 경우 CFRP와 스틸 모두 차체 구조용 접착제에 대한 접착성은 양호하지만, 스틸의 열팽창계수(13ppm/℃)와의 차이 및 접착제의 경화시점으로 인해 스틸-알루미늄 이종접합의 경우와 동일하게 휨 변형이 발생한다.


CFRP 알루미늄 이종접합의 경우에는 알루미늄의 열팽창계수가 23ppm/℃로 보다 큰 열팽창계수 차이를 보이므로 보다 심각한 휨 변형이 발생하게 되며, 특히 알루미늄은 표면의 안정한 산화피막으로 인해 스틸이나 CFRP에 비해 접착력이 약 70% 정도 낮기 때문에 잔류응력에 의해 접합부 파괴가 일어난다. 


CFRP-metal 이종접합시 열팽창계수 차이와 접착제 경화시점으로 인해 발생하는 잔류응력의 영향을 완화시켜 휨 변형 및 접합부 파단을 방지하기 위한 방안으로써 국외에서는 접착제에 연신율을 부여하는 방법이 연구되고 있다.
기존 차체 구조용 접착제의 경우 연신율이 거의 0인데 반해 CFRP-metal 이종접합용으로 개발되고 있는 접착제의 연신율은 100%에서 최대 300% 수준까지 이르고 있는데, 연신률의 증가는 접착강도를 저하시키는 경향을 나타낸다.


전단 접착부에 있어서 접착제의 두꺼운 도포두께와 경화 후 높은 연신율은 도장라인에서 승온 및 냉각 온도프로파일의 연장과 함께 고온에서 접착제 경화 후 냉각되면서 수축률 차이로 인한 잔류응력을 완화시켜 접합부 파단을 억제하는 데에 효과가 있는 것으로 알려져 있다.


인장 접착부의 경우에는 이종재질의 불균일한 열팽창으로 인해 접착면간 거리가 멀어진 상태에서 경화가 완료되므로 피착재 길이 대비 접착제 도포두께가 얇은 경우에는 실 접착면적이 감소되어 접합부 접착강도가 설계치보다 크게 저하되는 상황이 발생한다.
열팽창계수 차이로 인해 접착본딩 공정에 어려움이 있는 CFRP-metal 이종접합 문제를 해결하기 위한 방안으로써 최근에는 접착제 도포 후 도장라인 진입 전에 상온에서 경화가 완료되는 상온경화형 차체 구조용 접착제를 개발하고자 하는 연구가 시도되고 있다. 

 

참고자료. KEIT PD Issue Report(저자. 한국생산기술연구원 김영민 수석연구원, 한국산업기술평가관리원 뿌리기술PD실 김희국 PD)

임진우 기자
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