자동차 경량화 용접기술의 개요 

최근 세계 각국은 인류의 복지와 생활수준 향상을 위한 환경 개선과 에너지 절약을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 에너지의 절감 측면에서 자동차의 에너지 절감과 환경 보호에 필수적인 경량화 소재에 대한 용접기술의 개발에 집중적인 투자를 하고 있다. 현재 미국과 일본 등 선진 기술국은 경량화 소재를 대상으로 하는 고품질·고능률 레이저용접, 하이브리드 아크복합용접, SHORT ARC, 마찰교반용접 등 자동차 용접부의 품질과 신뢰성을 높여주는 첨단 용접기술 개발을 활발히 진행하고 있다. 이에 따라 국내 자동차산업 분야에서도 우수한 품질을 확보할 수 있도록 경량화 소재의 용접기술에 대한 국내외 연구개발 현황과 발전 동향을 분석하는 것이 필요하다. 본고에서는 국내의 경량화 소재 자동차 용접기술의 개발에 대한 연구개발의 효율성을 높일 수 있도록 선진 기술국의 기술 개발에 관한 최근의 동향 및 기술특성 분석 자료를 제공한다.

서론

선진 기술국들은 자동차, 하이브리드차, 연료전지차 등의 환경친화 자동차에 사용되는 고부가가치 경량재료인 알루미늄합금, 수지, CFRP 등 다양한 차체구조용 경량화 소재의 개발과 이들 재료에 대한 고품질·고능률 용접, 표면개질, 접합기술의 개발에 많은 노력을 기울이고 있다.
자동차용 경량 알루미늄합금의 경우, 기존의 아크용접이나 전기저항 스폿용접 일변도에서 벗어나 빠른 속도로 적용전력 소비량이 적고 스패터가 발생하지 않는 장점을 지닌 마찰교반점 용접을 포함한 마찰교반용접, SPR접합, 레이저용접의 실용화를 위한 각종 장치의 개발과 소프트웨어 응용기술에 대한 관심이 증대되고 있으며 이와 같은 관점에서 볼 때 경량 소재로 제작되는 부가가치가 높은 자동차의 품질과 경제성을 확보하기 위한 고품질·고능률 용접기술의 국내연구와 개발의 중요성은 매우 크다고 판단된다.
미국과 유럽 및 일본에서 활발한 연구와 개발을 보이고 있는 자동차용 경량 소재의 제조기술과 레이저아크복합용접, 마찰교반점접합 등의 용접기술의 국내개발을 활성화하기 위해서는 국내의 연구계와 산업계를 위한 지원이 필요하다.
현대의 고도화된 산업사회에서 자동차를 포함한 수송기기산업의 발달에 따른 고품질 경량 알루미늄합금의 수요가 크게 증가하고 있으며 세계 각국은 고부가가치 자동차 구조물의 사용성능과 품질에 직접적인 영향을 미치는 경량 알루미늄합금 용접 이음부의 품질보증을 확보하기 위한 고품질·고능률 용접기술의 개발을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 최근 환경보호의 강화, 자동차산업의 경쟁력 향상 등과 관련하여 고강도·고인성의 경량 알루미늄합금의 사용이 한층 더 높아지고 있는 추세이며 이를 효율적으로 용접할 수 있는 고품질·고능률 알루미늄 합금 용접기술은 부가가치가 높은 자동차의 사용 성능을 향상시키는 중요한 생산기술로 인식되고 있다.
부가가치가 높은 경량 알루미늄합금을 레이저-아크 하이브리드 용접법으로 제조할 때 제품의 품질과 특성은 용접공정 변수의 조건에 따라 변화가 크기 때문에 소재상태 및 사용 환경에 따른 용접조건 선정 및 특성평가가 정밀하게 이루어진 상태에서 첨단기술의 개발이 필요하다. 우수한 기술력을 바탕으로 세계 시장에서 중요한 위치에 놓여 있는 우리나라는 점차 치열해지고 있는 세계시장에서 살아남기 위하여 고품질·고능률 알루미늄 합금 용접기술 개발을 통한 생산성 향상에 집중적인 투자를 할 필요성이 더욱 강조되고 있다.
현재 고품질·고능률 알루미늄합금 용접기술로 개발되고 있는 TWIN, SPRAY ARC, PLUS, SHORT ARC 등의 아크용접기술 외에도 레이저-아크 하이브리드용접, 마찰교반용접법 등의 활용을 통한 용접시스템의 개발, 초미세립 알루미늄합금의 용접재료 개발 등을 포함하여 다양한 기술들이 개발되고 있다.
자동차산업에서 고강도·고인성 알루미늄합금을 용접하는 경우에는 생산성이 뛰어나고 이음부의 품질이 우수하여야 한다. 본 고에서는 생산기술의 확보와 고품질·고능률 알루미늄합금 용접기술의 흐름을 파악하기 위하여 미국, 유럽, 일본과 우리나라에서 수행되고 있는 기술개발 동향을 조사하고 분석하였다.

자동차 경량화 용접기술의 개요

자동차용 경량 알루미늄합금 소재   
가. 자동차 경량화에서 알루미늄합금의 역할    
자동차의 무게는 차체 37%, 섀시 30%, 동력전달장치 14%, 내장 12%, 전장 4%, 공조 3%의 분포를 보이며 자동차의 무게를 줄이기 위해서는 차체, 섀시의 경량화가 중요하다. 차체가 가벼워지면 동일한 성능에서 엔진배기량이 낮아지며 현가장치와 제동장치의 사양도 낮출 수 있다. 즉 차체를 50㎏ 경량화하면 차량으로서는 75㎏ 경량화 되는 효과를 얻게 된다. 경량 재료들을 경량화의 효과 측면에서 보면 CFRP＞마그네슘＞알루미늄＞수지＞고장력강 순으로 되고, 비용을 고려한 경량화 비용, 특히 1㎏ 경량화를 위해 필요한 경비 측면에서 보면 고장력강화＞알루미늄화=수지화＞마그네슘＞CFRP화 순으로 된다. 이상을 종합하면 향후 재료치환의 관점에서는 알루미늄화가 자동차 경량화의 주류를 형성할 것으로 전망된다.
2011년부터 2016년까지 자동차에서 알루미늄의 사용비율을 살펴보면 후드가 11%에서 15%로, 백 도어가 2%에서 4%로, 도어가 1%에서 5%로, 루프가 1%에서 2%로, 구조부재가 0%에서 2%로 확대될 것으로 예측된다. 전기자동차의 차체에 대한 경량화 동향을 보면 Nissan Reaf의 경우에는 알루미늄이 10%, 초고장력강(UHSS) 14%, 고장력강(AHSS) 17%의 비율로 다중 소재화 되었으며 이 결과 약 15%의 경량화를 달성하였다. 한편 알루미늄을 도어, 후드에 적용함으로써 23㎏의 중량을 절감하였다.
자동차의 경량화를 위한 알루미늄의 역할, 알루미늄의 최근 동향, 다중소재 차체에서의 알루미늄의 적용동향을 종합하고 비용대비 효과를 고려할 때 각각의 재료를 적재적소에 사용하는 다중소재 차체가 향후 주류를 담당할 것으로 예측된다. 그 중에서 알루미늄의 적용은 자동차의 경량화에서 중요한 역할을 맡는다. 즉 경량화의 요구치와 시간과 함께 알루미늄화의 수준도 변화하게 된다. 따라서 이러한 움직임에 대응하여 관련 분야는 힘을 합쳐 기술을 개발하는 것이 중요하다.

나. 자동차용 알루미늄합금 판재의 제조기술   
미국에서 지난 40여 년간 자동차부품용 알루미늄 사용량이 지속적으로 증가하여 차량 한대당 평균 약 148kg에 이른다. 열교환기, 열 차단장치, 차량의자, 보강재 및 내·외부 차체 등의 판재와 휠 사용량이 증가하는 추세이다. 1990년대 이래 차량경량화용 저가의 알루미늄 판재가 강철판을 대체할 정도로 저렴한 차체용 판재 생산을 연속주조하기 위하여 에너지부의 지원 하에 Reynolds社가 차량용 알루미늄 재료를 생산하기 위한 연구를 대대적으로 실행하였다.
쌍압연주조(twin roll-casters, TRC)로 제조된 판재의 강화 석출물입자의 크기는 직접 급랭주조로 제조된 판재의 것보다 훨씬 작다. 이 작은 크기의 석출물과 Mn과 Fe와 같은 원소들의 과포화는 특정의 압연제품을 생산하는데 유리한 점과 불리한 점을 같이 갖고 있다. 압연주조기는 최종 열처리조건이 H1x(냉간압연 만) 또는 H2x(냉간압연+부분풀림)인 AA3000계 합금의 제조에 가장 성공적인 공정이다. 이 미세한 석출물과 과포화 상태의 Mn과 Fe가 가공경화를 조장하고 회복과 재결정을 억제한다. 재결정되지 않은 AA3003 합금의 경우, 압연주조제품(H26-H28)의 강도-연성조합은 같은 합금의 직접 급랭주조 제품보다 우수하다.

그림 1의 Hazelett TBC(twin-belt caster)는 현재 전 세계적으로 11개 사업장에서 AA1100, AA5754 및 AA6061합금으로 여러 종류의 판재 및 휠을 생산하고 있다. 가장 최근에 중국 Yichuan에 설치된 이 시설을 이용하여 AA1235와 AA5052 합금으로 2m 광폭의 판재를 생산하고 있다.
TRC공정이 저렴한 차량용 알루미늄 판재 생산에 큰 가능성을 갖고 있으며 슬래브 주조공정은 도장용 건물 재료판재 생산에 적합한 것으로 확인되었다. 여러 가지 알루미늄 판재를 연속주조공법으로 생산하는 것이 성공적으로 발전하였으나 외관을 중요시하는 고품질의 자동차용 판재를 생산하기 위해서는 다음과 같은 점을 개선해야 한다.
▶ 도장 전·후의 표면 미관상태가 균질하도록 표면조직을 조절 할 수 있도록 합금조성, 열처리조건 및 공정 중의 벨트의 안 정성을 확보해야 한다.
▶ 불균질하게 분포하는 강화입자를 최소화하여 판재의 연성 과 휨 특성 개선 또한 과포화상태의 Mn과 Fe 때문에 생성 되는 미세분산상이 고온변형 도중의 재결정을 방해하지 않 도록 하는 방안을 강구해야 한다.
▶ 슬래브 주조공정을 최적화하여 성형에 바람직한 집합조직을  얻을 수 있도록 합금조성, 열간 및 냉간압연 양과 중간 풀림  조건 등의 조정을 정립할 필요가 있다.

다. 알루미늄합금 표면의 양극산화피막  
알루미늄의 표면처리법으로 이용되고 있는 전기화학 공정인 양극산화에 의해 생성되는 산화알루미늄의 피막은 전해 콘덴서의 유전체나 오프셋 인쇄의 PS판, 알루미늄 및 알루미늄합금의 내식성 부여, 장식용 컬러링 등 다양한 분야에서 응용되고 있다. 최근 양극산화피막의 특징적인 나노구조를 여러 종류의 나노구조체 제조에 응용하기 위한 기술개발이 활발히 진행되고 있다.

알루미늄을 황산, 옥살산 및 인산 등의 산성수용액 중에 침적하여 양극산화시키면 그림 2와 같이 알루미늄 표면에 비교적 두꺼운 다공성의 양극산화피막이 생성된다. 다공성 산화피막은 알루마이트, 나노 다공 알루미나, AAO(porous Anodic Aluminum Oxide) 등으로 불리며 적절한 조건에서 양극산화를 실시하면 두께 약 100㎛의 다공성 산화피막을 얻을 수 있다.
다공성 형태의 산화피막의 응용을 활성화하기 위해서는 양극산화의 기초를 확실하게 이해하는 것이 중요하다. 다공성 산화피막의 형성은 전해질 화학물질의 종류에 의존하므로 셀 크기가 다른 나노구조가 성장하는 것에 대한 메커니즘을 밝혀서 모든 나노영역에 대응하는 다공성 산화피막을 제작할 수 있다. 알칼리성의 수용액을 사용하여 알루미늄을 양극산화하면 다공성 산화피막을 생성할 수 있으며 특히 최근에는 알루미늄뿐만 아니라 티타늄 등의 다른 금속재료 위에 다공형 혹은 튜브형 산화피막을 형성할 수 있는 기술을 개발하였다.

라. 자동차 경량화를 위한 소재기술   
지난 세기에서는 화석자원을 중심으로 화력발전, 가솔린 자동차, 석유를 원료로 한 여러 가지 화성품이 경제발전에 크게 기여하였다. 그러나 다량의 온실효과가스(GHG) 배출에 의한 지구온난화는 자동차를 둘러싼 환경문제로써 GHG 배출증대 및 화석자원 소비의 증대가 지구온난화 요인이 되고 있으며 GHG 중의 CO2 삭감이 중요한 과제이다.
일본의 Toray Co.는 차체의 경량화에 의해 차체중량 846㎏(Li 이온배터리 220㎏ 포함) 2인승 오픈카인 TEEWAVE AR1(Toray Eco-Efficiency Wave Advanced Roaster #1)을 제조하였다. 표 1은 TEEWAVE AR1 차량의 주요 제원을 나타낸다.

TEEWAVE AR1 차체의 소재는 알루미늄합금이나 철강 재료를 포함해서 각각의 재료 특징을 최대한으로 발휘할 수 있도록 사용부위를 최적화하였다. 차체의 기본구조는 열경화 CFRP제의 일체성형 Mono-coque와 Crash Box를 사용하고 경량화와 동시에 우수한 차체 강성과 충돌안전성을 실현하였다. 보닛해치나 루프에는 1/10 정도의 성형 사이클을 할 수 있는 열가소성 CFRP를 적용하였다.
내장재는 리사이클 폴리에스텔 섬유를 사용한 인공피혁 ultra suede, trim재나 카펫, dash에는 각종 식물유래 원료를 사용한 섬유나 발포체, 도장이나 도금 대체기술로써 금속 광택조절필름 picasas나 필름 등 첨단재료. 첨단기술을 최대한으로 활용하였다.
완성한 2인승 콘셉트 카의 오픈모델을 기준으로 현재 시판되는 종래의 EV와 시뮬레이션에 의해 비교 검증한 결과, 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리를 일정하게 한 경우 개발한 콘셉트 카의 CO2배출량은 13.6톤으로 종래의 EV CO2배출량 14.9톤에 비하여 약 9% 정도 감소하였다.

자동차 용접기술의 특성  
가. 알루미늄합금의 용접법 선정 
철의 용융온도(1,532℃)는 Fe2O3 산화막의 용융온도(1,360℃)보다 높은데 비해 알루미늄 합금은 용융온도(660℃)가 Al2O3 산화막의 용융온도(2,020℃)보다 낮기 때문에 용접 시 분해되지 않은 산화막이 알루미늄합금 용접부에 혼입되어 융합불량이나 용접균열의 기점이 되고 용접결함 발생인자 역할을 하게 된다. 더욱이 산화막은 절연체로 통전성을 저해하기 때문에 통전이 필수적으로 요구되는 아크용접이나 저항용접에서는 통전안정성 확보의 관점에서 유의해야 한다.

강재의 용접에서는 거의 문제가 되지 않는 용접하는 부분의 맞닿는 곳에 생기는 1~2㎜ 정도의 작은 간격(gap)의 변화가 알루미늄 합금의 용접에서는 용접품질에 큰 영향을 준다. 이에 대한 대책으로는 용접의 앞 공정에서 실시하는 용접모재 개선부의 가공정밀도를 향상시켜 작은 간격의 변화가 용접품질에 미치는 문제를 억제시킨다.
맞대기 이음부에 대한 용접속도를 보면 표 2와 같이 레이저빔용접＞GMAW법＞마찰교반접합＞GTAW법 순으로 나타났으며 레이저빔용접이 1.5m/min로 가장 빠른 속도로 용접이 가능하다. 한편 각종 용접법에 의한 용접부의 인장강도를 비교하면 인장강도 특성은 레이저빔용접＞마찰교반접합＞GMAW법＞GTAW법 순으로 나타났으며 레이저빔용접에서 가장 높은 이음부 강도가 얻어진다.
레이저빔용접보다 에너지 밀도가 낮은 아크용접은 용접속도가 느려서 용접열 영향이 크고 그 결과 이음부 강도가 낮아진다. 이에 반해 에너지 밀도가 높고 용접속도가 빠른 레이저빔용접은 용접열 영향이 적으므로 그 결과 이음부 강도가 높게 된다.

나. 마찰교반용접의 자동차산업 적용 
자동차의 전방후드, 도어 및 백도어 등의 구조분야에서 사용량이 증가하고 있는 고비강도 경량금속 알루미늄합금의 용접생산성을 증가시키는 방법으로서 용융을 수반하지 않는 마찰교반 현상을 이용한 마찰교반 용접법이 알루미늄합금 모재에 여러 가지 접합형태 즉 맞대기, 겹치기 그리고 T이음부의 용접에 사용된다.
마찰교반 용접부의 거동을 이해하기 위해서는 효율, 안정성 및 신뢰성을 확보할 필요가 있다. 수치해석에 대한 연구는 용접공정의 주요 변수를 현실적으로 예측할 수 있으며 실험적인 시험수를 감소시키고 설계공정을 가속화시키고 변수를 최적화하여 비용을 감소시키는 장점이 있다. 향후 마찰교반 용접공정의 컴퓨터적인 모델링에 대한 접근방법이 더 개발되어야 할 것이다.

마찰교반 용접은 비선형 물리적 현상이 결합된 고도로 복잡한 공정으로서 거대한 소성변형, 재료유동성, 기계적 교반, 툴과 가공물 사이에 표면 상호작용, 역학적 구조 발전, 마찰과 소성변형에 의한 열 발생현상이 일어난다. 그림 3은 마찰교반 용접된 두께 3.2mm의 AA2139 알루미늄합금 판재의 맞대기, 겹치기 그리고 T이음부에서 발생하는 용접열에 의한 온도분포를 유한요소 분석법으로 구한 결과를 보여주고 있다.
마찰교반 용접부의 미세조직은 입자와 석출물의 미세조직을 기준으로 하여 교반(너깃)지역, 가공열처리 영향을 받는 지역, 열영향부로 분류할 수 있다. 마찰교반 용접 시에 계속적인 역학적인 재결정현상으로 용접너깃(nugget) 내에서 매우 미세화 된 입자조직에서 나타나 입도를 결정한다. 그림 4는 AA6082-T6 알루미늄합금 마찰교반 용접부의 미세조직을 나타낸다.

▶ 너깃지역 : 평균입도는 마찰교반 용접부의 너깃부를 비교함 으로써 계산할 수 있다.
▶ 가공열처리 영향을 받는 지역(TMAZ; thermo- mechanically affected zone): 미세조직은 용접 입열량에  의해 크게 영향을 받는데 입열량은 3D 유한요소분석을 이 용하면 예측할 수 있다. TMAZ에서의 입도는 입열량이 감 소할수록 작아진다.
▶ 열영향부: 열영향부는 입열량, 온도, 재료의 유동성 분포로  인하여 국소적으로 혹은 전체적으로 인장성질에 영향을 미 친다. 국소적인 변형장에 대해서는 3D유한요소 모델의 예측 으로 평가되어야 한다. 대체로 체계적인 변형은 열영향부의  가장 약한 부분에서 발생된다.

다. 알루미늄합금/스테인리스강 겹치기이음부의 마찰교반용접기술   
자동차의 경량화작업에서 이종금속의 용접기술은 매우 중요하다. 자동차의 골격부품인 서브프레임의 강도와 강성을 확보하고 경량화를 위해 알루미늄 다이캐스트를 리어쪽에 사용하여 일체 성형한 후 철강재 부재와 겹치기 이음부를 마찰교반 용접하였다.
AA3003/STS304 겹치기이음 마찰교반 용접부에서 인장시험의 방향에 따라 전단강도의 이방성이 발생하는데 그 이유는 시험 중의 인장하중에 의해 AA3003 판재가 변형을 일으켜서 인장쪽의 AA3003 판재와 반대쪽의 접합계면에 응력이 집중되면서 균열이 발생하였기 때문이다.
AA3003/STS304 겹치기이음 마찰교반 용접부에서 그림 5와 같은 인장시험의 방향에 따른 인장강도를 보면 Z방향은 약 850(N/mm), Y-1방향은 약 550(N/mm), Y-2방향은 약 550(N/mm), X-1방향은 약 770(N/mm) 그리고 X-2방향은 약 930(N/mm) 정도를 나타냈다.

AA3003/STS304 겹치기이음 마찰교반 용접부는 전진쪽과 후퇴 쪽에서 서로 다른 강도특성을 보이기 때문에 다음과 같이 정리할 수 있다.
▶ 균열부가 후퇴쪽 경우에는 국부적으로 강도가 저하됨에 따 라 균열의 진전이 쉽고 저강도로 된다.
▶ 균열부가 전진쪽인 경우에는 국부적으로 강도가 높아짐에  따라 균열의 진전이 어렵고 고강도로 된다.

라. 알루미늄합금 마찰교반 용접부의 기계적 성질   
마찰교반점 용접법은 알루미늄합금 저항점 용접의 문제점을 획기적으로 해결할 수 있는 용접기술로 개발되어 자동차분야의 알루미늄합금 용접에서 주목을 받고 있다.
마찰교반점 용접부는 툴핀이 회전하면서 교반이 일어나는 SZ, 회전하는 툴숄더의 영향을 받는 TMAZ, 열영향부 및 모재로 구성되며 일반아크용접부에는 존재하지 않는 전진쪽(advancing side)과 후퇴쪽(retreating side)이 존재하는 복잡한 형태를 갖기 때문에 용접부의 강도, 경도와 같은 기계적 성질을 정밀하게 분석하는 것이 중요하다.
전진쪽은 회전하는 툴의 최대 원주벡터의 접선방향이 툴의 진행방향과 일치하는 부분을 가리키며 후퇴쪽은 회전하는 툴의 최대 원주벡터의 접선방향이 툴의 진행방향과 반대인 부분을 가리킨다.

마찰교반 용접부 단면부에서 SZ과 TMAZ 사이의 경계는 AL2139-T8과 AL6061-T6 그리고 AL5083-H131 모두 분명하게 구별되었다. 그리고 AL2139-T8과 AL6061-T6의 경우에는 TMAZ와 열영향부 사이의 경계가 덜 명확하지만 구별은 되는 반면에 AL5083-H131의 경우에는 전진쪽에서 TMAZ와 열영향부 사이에 경계가 명확하지 않았으며 구별도 잘 되지 않는다.
열처리형 알루미늄합금인 AL2139-T8과 AL6061-T6 그리고 비열처리형 알루미늄합금인 AL5083-H131의 마찰교반 용접부에 대한 미세경도 분포를 분석하였다.
그림 6과 같이 모재가 마찰교반 공정에 의해 연화되어 이음부의 SZ로부터 반지름방향으로 방사되는 분포 형태로 경도가 증가하는 경향을 나타낸다. SZ/TMAZ에서 연화가 많이된 곳의 경도는 AL2139-T8의 경우에는 모재보다 40% 정도, AL6061-T6의 경우에는 모재보다 44% 정도 그리고 AL5083-H131의 경우에는 모재보다 17% 정도 낮은 상태를 보여 AL6061-T6이 제일 많이 연화된 상태를 나타냈다.
AL2139-T8과 AL6061-T6 그리고 비열처리형 알루미늄합금인 AL5083-H131 재료의 마찰교반 용접부의 인장강도는 다음과 같다.
▶ AL2139-T8과 AL6061-T6 그리고 AL5083-H131 모두 열 영향부에서 인장강도가 모재의 40~63% 정도로 상당히 약 한 값을 나타냈다. 전진쪽의 열영향부와 후퇴쪽의 열영향부 에 대한 인장강도를 비교하면 AL2139-T8과 AL5083-H131 의 경우에는 거의 대등한 값을 보였으나 AL6061-T6의 경 우에는 후퇴쪽 열영향부에 대한 인장강도가 전진쪽의 열영 향부에 대한 인장 강도보다 9~10% 정도 높게 나타났다.