자동차나 전차 등의 경량화를 위하여 여러 가지 제품들이 그 소재를 철에서 경합금으로 전환하고 있는 추세에 맞추어 가와사키중공업이 유연한 발상으로 전혀 새로운 접합법을 탄생시켰다.
이에 ‘New Style Joining!’으로 이목을 끌고 있는 가와사키로봇이 제안한 신 경합금 접합법 ‘Friction 스폿 접합시스템’을 본 내용에서 구체적으로 살펴보도록 하겠다.
1. 종래 경합금 접합법의 문제점
자동차나 철도차량 차체 등 대표적인 알루미늄합금의 박판 구조에서는 조립공정에서의 왜곡 최소화나 시공능률의 관점 때문에 겹치기 접합법이 많이 사용되고 있다.
종래의 점 접합법이라는 저항스폿용접이나 Rivet로 하는 기계적 접합이 채용되고 있지만 이러한 접합법은 생산효율이나 내환경성, 에너지소비나 설비비 등의 경제성 면에서도 많은 문제를 안고 있는 것이 사실이다.
1) 저항스폿용접의 문제점 
경합금의 점접합에서는 현재 저항스폿접합이 많이 채용되고 있다. 저항스폿용접은 상하의 동 합금제의 전극으로 워크를 눌러 수천 암페어 이상의 고전류를 흘려 주울 발열로 판간의 경계면을 용착시켜 일체화시키는 방법이다. 이 용접 접합법은 탄소강이나 스테인리스강의 용접에서는 우수한 시공성과 이음매 특성을 발휘하지만 알루미늄합금의 경우는 다음과 같은 각종 문제가 야기되고 있다.
- 알루미늄은 전기 전도도가 높기 때문에 충분한 저항발열을 일으키기 위해서는 <그림 1>과 같이 동의 약 3배 정도의 높은 전류가 필요로 하여 용접시공에 많은 전력코스트가 소요된다.
- 대용량으로 고가인 알루미늄 전용 저항스폿용접 장치가 필요로 하며 이 경우에는 공장의 수배전 신설 또는 증설할 필요가 발생한다.
- 대전류 통전으로 용접용 전극 표면의 소모가 심하고 최대 10여점에서 백점정도에서 전극 표면을 연마하거나 전극을 교환할 필요가 있다.
2) 기계적 접합법 
그런데 저항스폿용접법을 대신하는 알루미늄합금 점접합법에는 Self-piercing Riveting과 Clinching이라 하는 기계적인 감합법이 주로 유럽의 자동차 메이커에서부터 사용되어 최근에는 일본에서도 자동차 바디 프레임 등에 적용된 예가 보고되고 있다.
그러나 이런 접합법에도 다음과 같은 문제가 있어 아직 폭넓게 실용화되지 못하고 있는 것이 현실이다.
① Self-piercing Riveting
- 워크의 두께에 따라 사이즈가 다른 Rivet라는 부자재가 필요하고 재료비가 증가한다.
- 접합부의 부자재가 철재계통의 이물질이 남아 있기 때문에 전기부식의 위험이 있으며, 제품사용 후에는 해체 및 부원자재 재활용시 별도 분리작업이 필요로 하며 작업에 코스트가 소요된다.
- Rivet Gun은 구조가 복잡하고 대형이다.
- Parts-feeder의 Miss로 인해 가동 중지가 자주 발생한다.
② Clinching 접합법
- Clinching 접합이기 때문에 이음매부의 강도에 제한이 있다.
- 하중의 부하 상태에 따라 접합부가 흔들리거나 경우에 따라서는 빠지는 위험도 있다.
3) Friction 스폿접합의 연생
가와사키중공업이 제안하는 신 경합금접합법 ‘Friction 스폿접합 시스템(FSI; Friction Spot Joining)`은 이러한 알루미늄합금 접합법이 안고 있는 다수의 문제들은 한 번에 해결한 전혀 새로운 프로세스로 개발된 것이다.
2. FSJ의 기본 프로세스
신 경합금 접합법이라 명명된 ‘FSJ(Friction 스폿 Joint)’는 종래의 저항 스폿(스폿)용접을 뛰어넘는 접합강도를 실현하면서도 소비전력은 1/20 이하라는 획기적인 에너지절약형 접합법이다.
게다가 각종 주변기기나 냉각수, Air 등도 필요없기 때문에 기계구성이 아주 심플하며 설비 코스트와 런닝 코스트(Running Cost)도 대폭적으로 줄일 수 있다.
핸들링 로봇과 조합이 가능한 정치식 시스템이나 다관절로봇과 일체화시킨 유연한 접합시스템도 완성하여 경합금의 세계에 새로운 꿈을 넓혀가고 있다.
1) Tool과 기본 Process
FSJ는 ‘접합 Tool’이라고 하는 독특한 공구를 사용하는 접합법이다. 이 접합 Tool은 기계가공의 Tool처럼 쓰이며 기본적으로 비소모품이며, 이 접합 Tool은 전체적으로 보면 원주형상이고 선단부의 단면에는 나사가공을 한 작은 돌기를 가지고 있는데, 이 작은 돌기를 「Pin」이라고 부른다.
Tool의 원주부분 단면의 외연을 ‘Shoulder’라고 부른다. Tool의 형상이나 치수는 접합하는 Work의 판 두께나 매수에 요구되는 강도 레벨에 따라 적정한 것을 선정한다. 또 재질에는 통상의 공구강 사용하고 내마모성을 높이기 위해 표면에는 담금 처리가 되어 있다.
① 접합 Tool 축이 Work 표면에 대해 가압하려는 위치를 정하고 소정의 회전수로 회전을 개시한다.
② 접합 Tool을 회전시키면서 소정의 가압력으로 Work표면을 누른다. 이것에 의해 Work와 Pin 사이에 마찰열이 발생하고 Work가 연화하여 Pin이 Work안으로 압입되기 시작한다.
③ Pin이 Work 안에 완전히 매몰되고 Shoulder가 Work에 접촉한 후 접합 Tool의 가압력을 소정기간 유지하며, 이 사이 Pin 주변 재질은 소성유동현상을 일으키고 상하의 판이 각반, 일체화된다.
④ 그 후 접합 Tool을 복귀시키고 Pin을 떼어내며 접합을 종료한다.
이처럼 FSJ는 접합 Tool의 회전과 축 방향이동, 가압만의 매우 단순한 동작에 의해 겹치기 이음매의 점 접함을 행하는 Process이다.
2) Process Parameter
FSJ의 중요한 Process Parameter로서는 접합 Tool의 회전수, 가압력, 가압시간의 세 가지가 있다.
접합 Tool의 회전수는 원칙으로 접합 과정을 통해 일정하게 보전되지만 Pin의 압입시에는 회전수를 올리는 등의 필요에 대해 접합 도중에 접합 Tool의 회전수가 소정치에 이른 후, 접합 Tool이 하강해서 Work 표면에 접촉한다.
이 시점부터 접합 Tool의 가압이 개시되고 Pin이 Work 안에 압입되기 시작하는데, Pin은 시간이 흐르면 Work 안에 깊숙이 들어가지만 Shoulder의 접촉과 함께 압입 깊이는 거의 한계에 이른다.
그 후에도 소정시간 가압이 유지되고 이 광정에서 재료가 각반되어 접합 범위가 확대되며, 이 가압시간은 재질과 판의 두께에 의해 0.5초~수초의 범위에서 변화한다.
소정시간 경과 후, 가압이 종료하고 드디어 Pin이 Work로부터 빠져나와 접합 Tool이 Work로부터 이탈하며, Pin 압입 깊이는 직접적인 Process Parameter는 아니지만 접합 과정을 통해서 모니터 되고 이것에 의해 Pin 구멍 깊이(구멍 밑의 판의 남은 두께) 등의 품질관리에 이용할 수 있다.
이 접합과정을 조금 더 상세하게 살펴보면, <그림 2>는 Pin이 재료 안에 압입되면서 부터 단면 매크로 조직의 변화를 시간 경과와 함께 나열한 것이다. 여기에는 6000계의 알루미늄 합금(두께 1mm) 2매를 겹쳐서 공시재료로써 이용하고 있다.
먼저 가압시간 0.4초에는 Pin의 압입은 거의 끝나고 접합 Tool의 Shoulder가 Work 표면에 접합하는 것을 알 수 있지만 Pin의 구멍주변에는 소성 변형에 의해 원래의 판간계면의 이동을 볼 수 있을 뿐이다. 가압시간이 0.8초에 이르면 판간계면의 Pin 구멍에 접합하는 영역에 약간의 색이 진한 영역이 단면에서 보면 마치 ‘귀’ 같은 형태가 형성되고 있다.
그 외측의 판간계면은 상판측에 밑에서 부터 올라와 있고 Pin 구멍 주면에 생긴 ‘귀’ 영역에 위에서 부터 돌아서 들어가는 것 같이 연결되어 있다. 그 후 가압시간이 1.2~2.0초로 증가함에 의해 Pin 구멍 주변의 ‘귀’ 영역은 점차 크게 성장합니다. 그것과 함께 접합 Tool Shoulder의 상판으로 파고드는 량이 조금씩 증가하고 상판의 실효두께가 감소해 가는 것을 알 수 있다.
이 ‘귀’ 영역의 성장과 상판 실효두께의 감소는 접합부의 강도에 중요한 영향을 미친다.
3) 소성유동현상
그렇다면 전항의 ‘귀’ 영역은 어떻게 형성되는가?
이 영역의 형성에는 접합 Tool에 의해 소성유동현상이 관여하고 있는 것이 확인되었다.
FSJ의 각반, 일체화 과정에 의한 Pin 주변 재료의 소성유동현상을 모식적으로 보여주면 FSJ 과정에 있어서 접합 Tool Shoulder와 Pin의 근접 재료는 고온에 가열되어 연화되고 접합Tool의 회전에 의해 소성유동이 되고 각반된다.
이 소성유동은 접합 Tool의 회전에 끌려지는 형태로 판표면과 평행한 면에 회전하는 방향 및 판 표면과 직교하는 면안에 Pin의 나사의 회전에 의해 대류상에 회전하는 방향의 2개의 성분이 조합된 것으로 생각 할 수 있다.
Pin 주면의 영역에는 이 소성유동이 특히 심하게 행해져서 고온에의 가열과 더해져서 재료에 동적 재결정이 일어나고, 전 항의 ‘귀’ 영역은 이 동적 재결정영역에 닿는다.
3. FSJ 도입의 이점
1) 에너지 절약
FSJ의 주된 소비에너지는 접합 Tool을 구동하는 2대의 서버모터의 전력뿐으로 저항스폿용접과 비교하면 소비전력은 1/20 이하이다. 또 대용량의 수전설비가 불필요함으로 설비 Cost가 줄어드는 것도 FSJ의 커다란 이점 중의 하나이다.
2) SIMPLE
FSJ시스템은 아주 단순한 구성으로서 예를 들면 저항스폿용접처럼 여러 가지의 주변기기류를 필요로 하지 않는다.
또 냉각수나 압축공기 등도 기본적으로 불필요하여 설비나 운전 코스트의 대폭적인 삭감이 가능하다. 시공 프로세스 자체도 기계가공에 준한 완전자동이고 작업자에게 숙련이나 경험을 요구하지도 않는다. Rivet 접합 등에 비해 부자재가 불필요하고 구멍 뚫음이나 선 맞춤의 전처리도 필요하지 않다.
3) 고품질, 고신뢰성
재료를 녹이지 않기 때문에 접합에 따른 재료에 가하는 입열량이 적어서 저항스폿용접에 비해 열 변형이 적다. 이음매의 강도는 저항스폿용접과 비교해도 전혀 손색이 없다.
Process가 단순하고 관리해야 할 Parameter의 수가 적고, 이음매의 신뢰성(강도, 품질의 재현성)이 높은 것도 FSJ의 장점이다.
4) 장수명
FSJ에 이용되는 접합 Tool은 알루미늄합금을 대상으로 하는 한 기본적으로 비소모라고 생각해도 좋고, 수십만점 시공 후에도 문제되는 손마모 없음은 사용자의 실적도 있다.
수십~수백점 정도에서 전극의 손질이 필요로 하는 저항스폿용접에 비해 유지의 Loss가 없다.
5) 클린
저항 스폿용접에 의해 Chip이나 흄의 발생이 없어 청결한 작업현장을 만들어주고, 대전류의 통전이 없기 때문에 전자기 소음도 발생하지 않는다.
4. FSJ시스템
1) FSJ Gun
가와사키중공업은 FSJ를 실제품에 효율적으로 적용하기 위해 시스템 개발에 몰두해왔고, 그 중심을 이루는 것이 바로 FSJ Gun이다.
FSJ Gun에는 접합 Tool을 회전시켜 Work에 압입, 유지, 적출이라는 FSJ의 기본동작을 정도 높게 행하는 기능이 요구된다. 이것을 실현하기 위해 가와사키중공업은 설계와 시험을 통해 2대의 서보모터를 갖춘 FSJ Gun을 개발했고, 서버모터는 상부의 모터 케이스에 격납되고 접합 Tool의 회전용과 축방향이동, 압압용의 각각 1대가 할당된다.
접합 Tool은 Gun의 Tool 홀더에 설치하고 Work를 끼워 넣는 반대편의 C형 프레임 끝에 Backing Bar가 고정되어 있다. Tool의 회전, 이동, 압압은 디지털신호로 정밀제어 된다.
또 Tool의 회전 토크와 압입량, 압압력 등의 각 Parameter는 바로 모니터링 되고 필요에 따라서는 디지털 레코드에 기록할 수도 있다. 이 FSJ Gun에서 특징적인 점은 저항스폿 용접용 Gun에 필요한 냉각수나 Air Hose도 없고 Gun으로 가는 하네스는 서버 모터용의 동력 신호 케이블 뿐 매우 단순하다는 점이다.
2) FSJ 로봇 시스템
위에서 기술한 FSJ Gun을 6축 다관절로봇에 탑재하고 3차원 Work에 플렉시블하게 대응할 수 있는 것이 FSJ 로봇 시스템이다. 로봇은 적용대상 Work에 따라 가와사키로봇의 Line-up에서 선택할 수 있고, FSJ Gun의 2개의 서버모터는 로봇 컨트롤러로 제어된다.
Gun의 2개의 제어축은 로봇의 6축 동작플러스 외부 2축으로써 로봇 컨트롤러 내부로 취급되는 것이다. 따라서 FSJ 로봇 시스템에서는 FSJ Gun을 구동하기 위해서 부가적인 동력원이나 제어장치는 필요하지 않고 FSJ Gun을 취부하는 로봇과 로봇 컨트롤러뿐인 아주 단순한 구성으로 되어 있다. FSJ Gun의 소비전력 또한 적어 배전반이나 수전설비의 증강 등도 당연히 필요하지 않다.
3) FSJ 정치식 시스템
소형부품 등 반드시 로봇 시스템이 필요하다고 볼 수 없는 적용 대상 Work의 설비나 FSJ를 적용을 위한 시작시험에 대해서도 FSJ 설비제공을 위해 정치식의 FSJ 장치를 개발했다. 이 장치는 전술한 FSJ Gun(C형 프레임을 제외)을 전용 고정가대에 탑재한 것이다.
Backing Bar는 가대에 설치되 있고 Work는 치구에 고정되거나 다관절 로봇로 Gripping하여 작업을 할 수 있다. 또 Work를 작업자가 직접 수작업으로 시공하는 것도 가능해 말하자면 간단판 FSJ 장치라고 말할 수 있다. 그러나 FSJ Process는 전용 시퀀스에 의해 정밀하게 디지털 제어되고 FSJ 설비의 능력은 로봇 시스템에 비해 전혀 손색이 없다.
각각 작업 파라미터의 설정은 조작반의 전면에 있는 터치패널로 용이하게 할 수 있으며 Work(재질, 판두께)의 작업조건 데이터를 Real Time 보존, 재생할 수도 있다.
작업 시작은 1점씩 스위치로 할 수 있지만 Work를 파지하는 로봇의 연동을 행하는 경우나 자동화 라인에서 가동시키는 경우에는 외부신호 스위치로 제어할 수도 있다.
5. FSJ의 적용대상
1) 자동차부품
FSJ의 적용대상으로 우선 들 수 있는 것은 알루미늄제 자동차부품이다.
최근 한국에서도 자동차의 경량화를 주목적으로 Hood나 Door 등의 부품재질부터 알루미늄화 움직임이 활발해지고 있는데 이러 부품의 겹치기 점접합에 FSJ의 적용이 시작되고 있다.
종래의 공법인 저항스폿용접법이나 Self-piersing Riveting법, Clinching 접합법 등에 비교해서 전술한 것처럼 FSJ는 여러 가지 우위성을 갖고 있고 적용에 따른 가격 절감이나 품질 향상에 큰 효과가 있는 것이 실적용을 통해서 실증되고 있다.
FSJ 이음매의 표면에는 Pin구멍이 남는 한편 뒷면에는 거의 평평하게 되기 때문에 노출부가 되는 Work의 외면측을 접합시에 배면으로 하는 설계가 되고 있다. 자동차 바디부품의 적용에 대해서서는 Hood나 Door 전체와 같은 대형 Work에서는 로봇 시스템이 사용되고 소형 Work에는 정치식 시스템이 각각 사용되고 있다.
2) 패널/골격재
철도차량이나 선박, 항공기 기체 등의 판/골구조 에서는 스킨과 보강재의 겹침 접합이 주요한 조립공정으로 됩니다만 FSJ는 이 용도에도 사용할 수 있다. 이 경우 스킨외면을 접합할 때 배면측에 Backing Bar를 장치하고 골재를 끼워서 표면측에 접합 Tool을 압입한다.
현행 공법으로써는 철도차량에는 저항스폿용접이나 아크스폿용접, 또 항공기기체에는 Rivet이 사용되고 있다. FSJ는 철도 차량에는 변형의 저감에 의해 품질향상이나 설비 및 전력코스트 저감이 또 항공기에서는 접합능률의 큰 폭 상승으로 생산비의 저감의 큰 효과를 발휘한다.
이미 철도차량분야에서는 FSJ에 의해 구체구조의 조립에 관한 구체적인 추진이 시작되고 있고 이처럼 대형 Work에 대해서는 FSJ Gun을 전용 가공기에 탑재한 특수한 시스템에 대해서도 검토되고 있다.
3) 기타
기타 용도로서 판넬 등의 브라킷류의 접합, 박스조립 등 여러 가지 Work에 적용을 생각할 수 있고 이것들은 예를 들면 전기제품, 조리기구, 가정용품, 각종 간판, 표지 등의 의장구조물, 건축 부재료 광폭 알루미늄 제품분야를 커버한다.
겹치기 접합을 나사나 Rivet 등의 부자재 없이 간단하게 접합할 수 있고 접합에 따른 뒤틀림이 대단히 적다고 하는 FSJ의 특·장점은 특히 얇은 알루미늄패널 접합에 큰 효과를 발휘한다.
※ 자료 : 한국가와사키머신시스템 www.kawasakirobot.co.kr
