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Nikkei X-TECH_2020.4.16

알루미늄과 강철의 접합을 저비용으로
고베제강소, 강력한 접합법 개발

고베제강소(神戸製鋼所)는 알루미늄(Al)합금과 고장력 강판을 저비용으로 강력하게 결합할 수 있는 접합법을 개발했다. 강철용 아크 용접기와 레이저 용접기를 사용할 수 있다는 것이 특징으로, 관재(管材) 등 중공재의 접합에 적용이 가능하다. 판매 대상으로 연비 규제가 엄격한 유럽과 중국의 자동차 제조사들에 초점을 맞추고 멀티머티리얼(이종재료구성) 차체 골격용 접합법으로서 조기의 실용화를 목표로 하고 있다.

멀티머티리얼 차체 골격에 적용되는 접합법은 현재 대부분 기계적 접합법이다. 최근 차량을 보면 독일 BMW의 ‘X7’과 도요타자동차의 ‘렉서스LC’, 중국의 신흥 전기자동차(EV) 제조사인 NIO(上海蔚来汽車)의 ‘ES8’은 알루미늄합금과 강판의 접합에 ‘SPR’과 ‘FDS’, ‘TOX’ 등 기계적 접합법과 구조용 접착제를 병용하고 있다.

기계적 접합법은 판재 간의 접합을 대상으로 한 것으로, 관재 등 중공재에는 이용이 불가능하다. 또한 전용 설비가 필요해 접합 비용이 높다.

고베제강소가 화낙과 공동으로 개발한 ‘엘리먼트 아크 스폿 용접(Element Arc Spot Welding, EASW)’은 통상적인 강철용 아크 스폿 용접기를 이용할 수 있기 때문에 낮은 비용으로 알루미늄합금과 강판을 접합할 수 있다.

하지만 고베철강소와 화낙의 접합법도 앞에서 서술한 기계적 용접법과 마찬가지로 판재에만 적용이 가능하다. 관재 등 판재 이외에도 적용할 수 있는 저비용 접합법이 실현된다면 멀티머티리얼 차체 골격의 보급이 활성화될 가능성이 있다.

이를 위해 고베제강소는 현재의 철강용 아크 용접기와 레이저 용접기를 사용해 알루미늄합금과 고장력 강철 관재를 저비용으로 강력하게 결합할 수 있는 접합법을 개발했다. 구체적으로는 (1) 3D-Joint, (2) 금속의 성막(成膜)기술을 활용한 접합법이다.

이 두 가지 새로운 접합법에 대해 고베제강소는 ”연비 규제가 특히 엄격한 유럽과 중국의 자동차 제조사에 초점을 맞춰 조기의 실용화를 목표로 하고 있다”(고베제강소 개발본부 자동차솔루션센터의 스즈키 전문부장).

(1)의 접합법인 3D-Joint로 알루미늄합금과 고장력 강철제 관재를 접합하는 경우, 우선 알루미늄합금으로 만든 관재의 끝에 철로 만든 연결 노드재(관 형태의 접합용 부품)를 삽입한다. 연결 노드재의 주위에는 사전에 구멍을 뚫어놓는다.

이 상태에서 알루미늄합금으로 만든 관재에 펀치로 압력 가하면 압력을 받은 부분이 변형되어 연결 노드재의 구멍에 압입되면서 기계적으로 접합된다. 그 다음 연결 노드재와 고장력 강철제 관재를 아크 용접기로 접합. 접합부는 양 쪽 모두 Fe(철)이기 때문에 통상적인 강판용 아크 용접기를 사용할 수 있다.

고베제강소는 이 접합법을 사다리형 프레임 구조의 언더 차체 골격 접합과 시트 프레임 접합 등에 적용할 수 있을 것으로 보고 일본의 자동차 제조사를 대상으로 제안을 시작했다. 예를 들어 시트 프레임의 경우, 강철 부재 일부를 알루미늄합금으로 대체함으로써 프레임 전체의 강도를 유지하면서 무게를 줄일 수 있다.

한편, (2)의 접합법인 알루미늄합금과 고장력 강철 관재를 접합하는 경우, ‘콜드스프레이(CS)법’이라는 금속 성막기술을 이용한다. 우선, CS법을 이용해 철의 미세 분말을 고속으로 분사하면 알루미늄합금 관재 표면에 철의 얇은 피막(층)이 만들어진다. 피막의 두께는 0.5mm 정도이다. 앵커링(Anchoring)효과로 인해 알루미늄합금 관재 표면에 철의 피막이 강력하게 밀착된다.

그 다음 단계로 알루미늄합금 표면의 철의 피막과 초고장력강(High tensile steel)관재를 레이저 용접법으로 접합한다. 아크 용접법을 이용하면 접합 부분이 가열되어 알루미늄합금 표면의 철 피막이 벗겨질 우려가 있기 때문에 접합부 온도가 쉽게 높아지지 않는 레이저 용접법을 이용한다.

이 용접법을 적용한 알루미늄합금과 강철재를 접합한 부분의 기계적 강도를 살펴보면 직선 용접을 했을 경우의 전단인장강도(TSS)는 기계적 접합법의 수치에 가깝다. 고베제강소는 이 접합법을 고장력 강철제 센터필러와 알루미늄합금 루프패널의 접합, 고장력 강판 사이드실(사이드스텝)과 알루미늄합금제의 전후 프레임 접합 등에 적용할 수 있을 것으로 보고 있다.

실용화를 위한 과제는 접합 작업 시 자동차 제조사 등의 부담을 얼마나 줄여줄 수 있는가 이다.

(2)의 CS법을 활용한 접합법의 경우, 음속에 가까운 속도로 철의 미세분말을 알루미늄합금 부재에 충돌시켜야 한다. 이때 강한 소음이 발생하기 때문에 방음 기능이 구비된 전용 설비가 필요하다.

이 과제를 해결하기 위해 고베제강소는 접합용 부재에 자체적으로 사전 처리를 시행해 자동차 제조사 등에 공급하는 방법을 검토하고 있다. 구체적으로는 알루미늄합금 부재 표면에 철의 피막을 제조하는 것까지 처리하는 것이다.

(1)의 접합법(3D-Joint)의 경우도 아크 용접으로 접합하기 전에 알루미늄합금 관재 끝에 구멍이 뚫려있는 철제 연결 노드재를 삽입해 고장력 강철 관재와 기계적으로 접합시키는 사전 처리가 필요하다. 통상적인 아크 용접법에 비해 작업 공정이 늘어난다.

연결 노드재를 알루미늄합금 관재와 결합시키기까지의 처리를 고베제강소가 담당할 수 있게 된다면 자동차 제조사들은 통상적인 용접 작업만을 하면 되기 때문에 작업 부담은 줄어들 것이다.

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