압접은 금속을 용융시키지 않고, 강한 압력과 열을 이용해 접합하는 고상접합의 한 종류입니다.
재에 대한 열 영향을 최소화하면서도 높은 접합 강도를 확보할 수 있으며, 이종 금속 접합도 가능해 자동차, 철근, 전자부품 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다.
압접에는 여러 가지 가공 방식이 존재해, 융접이나 기계적 접합과의 적용 구분이 어려운 경우도 많습니다.
이번 내용에서는 압접의 기본 원리부터 대표적인 7가지 가공 방식, 장단점, 그리고 실무에 바로 활용할 수 있는 가공 방 선정 포인트까지 정리하여 설명합니다.
목차
압접의 정의
압접은 금속 등의 재료를 기계적인 압력과 필요에 따라 가하는 열에 의해 접합하는 가공법입니다. 재를 녹이지 않고 고체 상태로 원자 레벨에서 결합시키기 때문에 「고상 접합」이라고도 합니다. 여기에서는 압접의 기본 원리와 일반적인 용접인 「융접」의 차이에 대해 알아보겠습니다.
압접의 기본 원리(용융을 수반하지 않는 고상 접합)
압접의 기본원리는 접합하고자 하는 재료끼리의 면에 강한 압력을 가하여 소성변형(고체가 외력으로 변형되어 힘을 제거해도 원래대로 돌아오지 않는 성질)시키면서 밀착시키는데 있습니다. 마찰열이나 저항열로 가열하기도 하지만 재를 녹일 정도의 고온은 되지 않습니다.
가압에 의해 산화막이나 오염 등의 불순물이 제거되어 청정한 금속면이 노출됩니다. 원자 수준에서 근접한 금속끼리 서로의 원자 간 힘에 의해 강하게 끌어당겨 일체화함으로써 접합이 완료됩니다.
융접(용접)과의 차이
압접과 아크 용접이나 레이저 용접으로 대표되는 융접(용융 용접)의 차이는 「본재를 녹이느냐, 녹이지 않느냐」는 점에 있습니다.
융접은 강력한 열에너지로 본재를 한번 녹여 「용융풀」을 형성하고 그것이 식어서 응고됨으로써 접합합니다. 한편 압접은 전술한 바와 같이 고체 상태로 압력으로 접합하는 고상 접합입니다.
융접에서는 열영향부(HAZ)가 생겨 왜곡이나 재질 경화가 일어나기 쉬운 반면 압접은 열영향을 최소화할 수 있습니다. 또한 융접은 용가재를 사용하는 반면 압접은 본재끼리 접합하기 때문에 융점이 다른 금속끼리 접합도 가능합니다.
단, 융접은 다양한 형상에 대응할 수 있는 반면, 압접은 적용 형상이 한정적이고 전용 설비가 필요한 등 각각 일장일단이 있습니다.
압접의 대표적인 종류와 특징
압접에는 다양한 가공 방이 있어 접합하는 재료나 형상, 용도에 따라 구분하여 사용하고 있습니다. 여기에서는 대표적인 7종류의 압접 방법과 그 특징·용도에 대해 해설합니다.
가스 압접(철근 피팅 등 건설 현장에서의 이용)
가스압접은 아세틸렌 가스와 산소에 의한 연소염을 이용하여 접합 부분을 가열하고 유압 등으로 축방향으로 강한 압력을 가해 접합하는 방법입니다. 접합하는 부재의 단면끼리 맞댄 상태로 주위에서 가열하여 재료 표면이 약간 녹기 시작하는 타이밍에 가압함으로써 연화된 단면을 눌러 찌그러뜨리도록 압착합니다. 이때 접합면의 불순물이나 산화막은 외부로 배출되어 내부에서 청정한 금속면이 일체화됩니다.
간단한 장치로 현장 시공이 가능하기 때문에 철근 콘크리트 구조물의 이음매에 널리 사용되고 있습니다. 단, 고온의 불꽃을 다루기 위해 시공에는 전문 국가 자격이 필요합니다.
마찰 압접(이종 금속이나 회전체의 접합)
마찰압접은 한쪽 부재를 고속으로 회전시켜 다른 쪽 부재에 강하게 밀어붙임으로써 발생하는 마찰열을 이용하는 접합 방법입니다. 접촉면이 마찰열로 충분히 연화되면 회전을 정지하고 더 높은 압력을 가해 단련하면서 접합을 완료시킵니다. 외부 열원을 필요로 하지 않으며 에너지 효율이 좋고 깨끗한 점이 특징입니다.
녹는점이 다른 금속끼리의 접합에도 적합하며, 예를 들면 자동차 엔진의 밸브(내열강과 보통강)나 드라이브 샤프트 등, 다른 재질의 부품을 고강도로 접합하는 용도로 널리 활용되고 있습니다. 적어도 한쪽이 회전 가능한 원기둥이나 파이프 등 회전 대칭 형상의 부품에 한정됩니다.
저항 용접(스폿 용접·시임 용접)
저항 용접은 재료에 전류를 흘렸을 때 발생하는 전기 저항(줄 열)과 가압력을 이용한 압접법입니다. 대표적인 스폿 용접에서는 중첩된 2장 이상의 박판을 구리 합금제 전극으로 강하게 끼워 넣어 순식간에 대전류를 흐르게 합니다. 그러면 판끼리의 접촉면이 갖는 전기 저항에 의해 부분적으로 재료가 가열·용융되고, 동시에 가압력으로 눌려 너겟이라고 불리는 용융 응고부가 형성되어 점상으로 접합됩니다.
용접 시간이 짧고 자동화가 쉬워 자동차나 가전 등 박판 제품 양산에 필수적인 기술입니다.
확산 접합(진공 환경에서의 정밀 접합)
확산접합은 진공 또는 불활성가스 분위기에서 접합하는 부재끼리 밀착시켜 본재의 융점 이하의 온도에서 비교적 고온·고압을 장시간 유지함으로써 원자의 확산을 이용하여 접합하는 방법입니다. 원자가 서로의 결정격자 내로 이동하여 일체화하기 때문에 접합계면에 불순물이 없고, 지극히 고품질의 정밀한 접합이 실현됩니다.
티타늄 합금과 스테인레스강과 같은 융접에서는 어려운 이종 금속의 조합에도 적용 가능합니다. 가공 시간은 길지만, 왜곡이 적고 고정밀도인 접합을 얻을 수 있기 때문에, 항공 우주 분야의 내열 부품이나, 전자 부품·MEMS(미소 전기 기계 시스템)의 진공 패키지 봉지 등에 이용됩니다.
초음파 압접(와이어 하네스나 전지 부재)
초음파 압접은 부재를 겹쳐서 정적인 압력을 가하면서 접합면에 평행하게 고주파인 초음파 진동을 주어 접합하는 방법입니다. 강력한 진동 에너지에 의해 접합 계면의 산화막이나 오염이 미세하게 파괴 및 제거되는 동시에 국소적인 마찰열로 재료가 연화되어 원자 수준에서 결합합니다.
재 전체를 가열하지 않기 때문에 열 영향이 매우 작고, 구리와 알루미늄과 같은 이종 금속의 접합에도 적합합니다. 얇은 포일이나 가는 선의 접합을 특기로 하여, 주로 자동차의 와이어 하네스(전선 다발)의 접속이나, 리튬 이온 전지의 전극(집전박)과 탭 단자의 접합에 불가결한 기술이 되고 있습니다.
폭발 압접(클래드재 제조나 대면적 접합)
폭발압접(폭착이라고도 함)은 화약의 폭발에너지를 이용하여 금속판을 고속으로 충돌시켜 충격압력에 의해 접합하는 역동적인 고상접합법입니다.
한 쪽의 금속판(본재) 위에 다른 한 쪽의 금속판(합재)을 약간의 틈을 내어 배치하고, 합재 위에 폭약을 설치합니다. 기폭하면 충격파에 의해 합재가 본재에 고속으로 충돌하여 계면의 금속 표면이 소성 유동을 일으켜 일체화됩니다.
녹는점이나 열팽창률의 차이에 관계없이 접합 가능합니다. 융접이 어려운 금속 간의 조합에 적합하며, 주로 내식 합금과 강철을 접합한 클래드 강판의 제조에 사용됩니다.
냉간압접(상온압접: 가열을 수반하지 않고 소성변형으로 접합)
냉간압접은, 열을 일절 이용하지 않고, 상온 환경하에서 피접합재에 지극히 강한 압력을 가해, 재료의 소성 변형만으로 접합하는 방법입니다. 압력을 가함으로써 접합 계면의 산화막이 파괴되어 노출된 청정한 금속면끼리 원자 간 힘으로 결합합니다. 열에 의한 특성 변화가 없으며 에너지 효율도 뛰어납니다.
연성이 뛰어난 연질 금속에 적합하며, 예를 들어 구리선과 알루미늄선과 같은 이종 전선의 접속에 널리 이용되고 있습니다. 한편, 철이나 티타늄 등의 단단한 금속이나 충분한 소성 변형이 일어나기 어려운 재료에는 적용이 어렵습니다. 시공에는 표면의 꼼꼼한 전처리가 품질을 좌우합니다.
압접의 장점
여기에서 압접의 장점을 살펴 보겠습니다.
본재 특성을 유지할 수 있다(저열 영향·고강도)
압접의 가장 큰 장점은 본재를 용융시키지 않기 때문에 접합 부분 주변의 열 영향이 작고 재료 본래의 금속 조직이나 기계적 성질을 거의 손상시키지 않는다는 점입니다. 열에 의한 왜곡이나 강도 저하가 일어나기 어렵고, 접합 후에도 높은 강도와 정밀도를 유지할 수 있습니다.
마찰 압접이나 폭발 압접에서는 접합 부분의 인장 강도가 본재 강도를 웃도는 경우도 있습니다. 또한 열 변형이 적기 때문에 후공정에서의 왜곡 제거 및 추가 기계 가공을 줄일 수 있습니다. 제품 전체의 품질 향상과 비용 절감으로 이어집니다.
이종 금속 접합이 가능(재료 설계의 자유도 향상)
압접은 녹는점이나 열팽창률이 다른 금속끼리의 접합을 잘하는 점도 장점입니다. 융접에서는 용융 시에 취약한 금속간 화합물을 생성하는 등의 문제로 어려운 조합도 고상 접합인 압접이라면 실현 가능합니다.
알루미늄과 강철, 구리와 티타늄 등 이재의 장점을 결합한 복합 부재를 만들 수 있습니다. 제품 설계의 자유도가 비약적으로 향상되어 경량화나 고성능화 등 현대의 요구에 부응하는 재료 설계가 실현됩니다.
깨끗하고 안전한 작업 환경 (스퍼터 흄이 적음)
압접은 아크 용접 등에서 문제가 되는 스퍼터(불꽃의 비산)나 흄(유해한 용접 연기)의 발생이 대체로 적기 때문에 작업 환경에 부하가 작다는 장점이 있습니다. 용가재나 플럭스를 사용하지 않는 가공 방이 많기 때문에 슬래그 등의 부산물도 발생하지 않습니다.
작업자의 건강 피해나 화재의 위험을 대폭 저감할 수 있어 깨끗하고 안전한 작업 환경을 실현하기 쉬워집니다. 일부 가스 압접에서의 화기 관리나 폭발 압접에서의 엄중한 안전 대책은 필요하지만, 많은 압접 방법은 환경 부하가 적은 「조용한 용접」이라고 할 수 있을 것입니다.
자동화·양산화에 적합하다(재현성·품질 안정)
압접은 압력, 시간, 전류 등의 가공 조건을 수치로 정밀하게 제어할 수 있기 때문에 자동화와의 친화성이 높은 기술입니다. 한번 최적의 조건을 설정하면 기계가 충실하게 재현하고 품질의 편차가 적은 안정된 접합을 반복적으로 실시할 수 있습니다.
저항 용접이나 마찰 압접에서는, 로봇이나 전용기에 의한 자동 라인이 구축되어 자동차 산업등에서 대량 생산을 지탱하고 있습니다. 사람의 숙련기능에 대한 의존도가 낮기 때문에 휴먼에러를 줄이고 높은 재현성과 안정적인 품질을 양립할 수 있다는 점은 현대 제조업에서 큰 강점입니다.
압접의 단점
압접에는 도입시 고려해야 할 과제도 있습니다.
전용 설비가 필요(도입 비용·장치 제약)
압접을 하기 위해서는 각 가공 방식에 특화된 전용 설비·기계가 필요해 초기 투자가 고액이 되기 쉽습니다. 예를 들어 마찰 압접에는 고속회전과 고압을 양립하는 대형 압접기가, 저항용접에는 대전류를 공급하는 전원과 가압기구를 갖춘 용접건이, 초음파 압접에는 고주파 발진기가 필요합니다.
이러한 설비는 고가인 것에 가세해 설치에는 넓은 공간이나 대용량의 전원이라고 하는 인프라면의 정비도 요구됩니다. 특히 중소기업에서는 도입 허들이 높아집니다.
적용 형상이나 조건에 제약이 있다(회전체·판 두께·재질)
압접은 만능이 아니며 가공 방식에 따라 적용할 수 있는 재료의 형상, 재질, 크기에 제약이 있습니다. 예를 들어 마찰압접은 한쪽이 회전 가능한 원형 단면의 부재로, 스폿 용접은 겹친 박판 접합으로 거의 한정됩니다. 스폿 용접에서는 접합 가능한 판 두께에 상한이 있어 냉간 압접은 연성이 높은 연질 금속에만 적용할 수 있습니다.
각 가공 방식에는 특기·부특한 조건이 존재하기 때문에 접합하고 싶은 부품의 사양이 가공 방의 제약에 합치하는지, 설계 단계에서 신중하게 검토할 필요가 있습니다.
품질관리·비파괴검사가 어렵다(내부 결함 검출)
압접은 외관이 매끄럽고 아름답게 마무리되는 반면 접합이 불완전해도 그것이 겉으로 보기에는 판단하기 어렵다는 난점이 있습니다. 접합 계면이 내부에 숨어 버리기 때문에, 중심부에 미접합부나 미소한 공극(보이드)이라고 하는 결함이 남아 있어도, 외관 검사만으로는 발견할 수 없습니다.
품질을 보증하기 위해서는 초음파 탐상 검사(UT)나 X선 투과 검사(RT)와 같은 비파괴 검사(NDT)가 필수적입니다. 조건관리가 부적절하면 대량의 불량품을 생산해 버릴 리스크도 있어 엄격한 공정관리와 검사체제의 구축이 요구됩니다.
안전관리, 작업자격 등의 운영비용
압접 중에는 가스압접 가연성 가스나 폭발압접 화약 등 위험물을 다루는 가공 방식도 있어 엄중한 안전관리가 요구됩니다. 또한 철근의 가스 압접 작업에는 국가 자격이 필요하며, 유자격자만 시공할 수 있습니다. 자격증 취득이나 정기적인 기능 강습 수강에는 비용과 시간이 소요됩니다.
게다가 회전 기계의 감김 방지나 감전 방지, 안전 교육이나 보호구의 정비에도 비용이 듭니다. 도입 시에는, 설비 투자 뿐만이 아니라, 이러한 운용면의 코스트도 고려에 넣지 않으면 안됩니다.
압접의 용도와 활용 분야
압접 기술은 많은 산업에서 활용되고 있습니다. 주요 용도를 분야별로 소개합니다.
자동차·산업 기계 분야(스폿 용접·마찰 압접에 의한 부품 제조)
자동차 산업은 압접 기술이 가장 활용되는 분야 중 하나입니다. 차체의 조립에는 수천 점의 저항 스폿 용접이 용접 로봇에 의해 자동으로 행해져 경량, 고강성의 모노코크 바디를 형성하고 있습니다.
또, 엔진 밸브나 드라이브 샤프트라고 하는 부품의 제조에서는, 다른 금속을 접합할 수 있는 마찰 압접이 활약해, 성능 향상과 코스트 다운을 양립시키고 있습니다. 최근에는, 전기 자동차(EV)의 리튬 이온 전지 내부에서, 구리와 알루미늄의 전극을 접합하기 위해서 초음파 압접이 중요한 역할을 담당하고 있습니다.
항공·우주·에너지 분야(내열 부재·클래드재)
최고의 신뢰성이 요구되는 항공·우주·에너지 분야에서도 압접은 중요한 기술입니다. 항공기의 동체 패널이나 로켓의 연료 탱크에는 고품질의 장척 용접이 가능한 마찰 교반 접합(FSW)이 채용되어 경량화와 고강도화에 공헌하고 있습니다.
에너지 분야에서는 화학 플랜트나 발전소의 열교환기 등에 내식금속과 강재를 결합한 폭발압접에 의한 클래드 강판이 널리 사용되어 서로 다른 재료의 장점을 겸비한 고기능 부재를 실현하고 있습니다.
전기·전자·정밀 분야(리튬 전지· MEMS 부품)
전기·전자 분야에서는 특히 미세하고 열에 약한 부품의 접합으로 진가를 발휘하는 기술입니다. 리튬이온전지의 제조에 있어서 얇은 알루미늄박이나 동박의 전극과 탭단자를 접합하는 공정에서는 열영향이 극히 적은 초음파 압접이 불가결합니다.
전지 셀에 손상을 주지 않고, 도전성이 뛰어난 신뢰성 높은 접합이 실현됩니다. 또, MEMS나 반도체 디바이스의 제조에서는, 확산 접합이 이용되어 진공 환경하에서 클린하고 정밀한 봉지(패키징)를 가능하게 하고 있습니다.
압접과 다른 가공 방식과 비교
압접 기술의 특징을 보다 깊이 이해하기 위해서는 다른 주요 접합 방법과의 비교가 필수적입니다. 여기에서는 일반적인 용접인 「융접」과 리벳이나 볼트를 이용하는 「기계적 접합」의 차이에 대해 알아보겠습니다.
압접 vs 융접(용접)의 차이
압접과 융접의 근본적인 차이는 모재를 녹이느냐에 있습니다. 융접은 재료를 한 번 용융시켜 접합하기 때문에 열영향에 의한 왜곡이나 재질 변화의 위험이 있지만, 다양한 형상에 대응할 수 있는 범용성이 높은 것이 강점입니다.
한편 압접은 고상한 상태로 접합하므로 열 영향이 적고 모재 강도를 유지하기 쉬운 점이 특징입니다. 설비는 융접이 저렴하고 간편하지만 자동화에 의한 고품질 양산에는 압접이 뛰어납니다.
「단품이나 다품종의 현장 작업」에는 융접, 「반복 생산되는 양산품의 고품질 접합」에는 압접이 적합하다고 할 수 있습니다.
압접 vs 기계적 접합(리벳·볼트 접합 등)
압접과 기계적 접합은 영구 접합인지 분해 가능한지의 점에서 크게 다릅니다. 볼트나 리벳을 이용한 기계적 접합은 분해 및 재조립이 가능하고 유지보수성이 뛰어난 점이 최대의 장점입니다. 단, 체결 부품에 의한 중량 증가나 홀 가공에 의한 모재 단면의 결손이 약점입니다.
대조적으로 압접은 모재끼리 직접 일체화시키기 때문에 경량, 고강성으로 기밀성도 뛰어난 조인트를 실현합니다. 「분해·보수」가 전제된 구조에는 기계적 접합, 「경량화나 높은 밀폐성」이 요구되는 구조에는 압접, 이라는 구분이 기본입니다.
가공 방식 비교표(개요)
지금까지의 비교를 정리하면 각 가공 방식에 따른 특징은 아래 표와 같습니다.
| 비교 항목 | 압접(가압 용접) | 융접(용융 용접) | 기계적 접합(볼트 등) |
| 특징 | 녹지 않고 고상 접합. 이재 접합이 우수하다 | 용융 응고에 의한 접합. 형상 자유도가 높음 | 분해·재이용 가능. 드릴 필요 |
| 장비 비용 | 높음(전용기・전원 필요) | 중간(범용 용접기로 시공 가능) | 낮음(공구·체결 부품만) |
| 피팅 강도 | 매우 높음(본재 동등도 가능) | 높음(단, 열영향부에 주의) | 중간(체결부수에 의존) |
| 자동화 적성 | 매우 높음 | 중(로봇화도 가능) | 중간(자동 조립 라인으로 대응 가능) |
압접은 초기 투자가 높지만, 모재 동등한 강도와 뛰어난 양산성을 양립할 수 있는 것이 강점입니다. 융접은 범용성이 높고 다양한 형상에 대응 가능하며, 기계적 접합은 저렴한 비용으로 도입할 수 있고 분해도 가능합니다.
설계자는 제품에 요구되는 강도, 생산 수량, 비용, 그리고 형상의 자유도와 같은 요건을 종합적으로 평가하여 최적의 접합 방법을 선정할 필요가 있습니다.
압접 가공의 주의점과 설계・선정의 포인트
압접 기술을 최대한 활용하고 신뢰성이 높은 제품을 제조하기 위해서는 설계·제조 단계에서 억제해야 할 중요한 포인트가 있습니다. 여기에서는 압접 가공의 주의 사항과 설계 및 선정 포인트에 대해 해설합니다.
접합면의 전처리·청정도 관리
압접은 원자 수준에서의 결합이기 때문에 접합면의 상태가 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 표면에 유분, 녹, 산화막 등이 잔존하고 있으면 원자 간의 접촉을 저해하고 접합 불량(강도 저하나 미접합)을 일으킬 수 있습니다.
압접을 실시하기 직전에는 와이어 브러시나 연마에 의한 물리적 제거나 용제를 이용한 탈지 세정과 같은 꼼꼼한 전처리가 불가결합니다. 「접합면은 만지지 않는다, 더럽히지 않는다, 산화시키지 않는다」는 3원칙을 철저히 하고, 항상 청정한 상태를 유지하는 것이 고품질 접합의 기본입니다.
재료·형상에 따른 공법 선정
한마디로 압접이라고 해도 공법은 다양하며, 접합하고 싶은 부품의 재료나 형상에 최적인 공법의 선택이 성공의 열쇠입니다. 예를 들어 원형 봉재라면 마찰압접, 얇은 판금의 중첩이라면 저항 스폿 용접, 대면적의 이재 접합이라면 폭발압접과 같이 각각의 특기 분야를 확인할 필요가 있습니다.
또한 생산 수량이나 비용 계획도 중요한 판단 기준입니다. 소량 생산이라면 외주(전문업자에의 의뢰)를, 대량 생산이라면 자사에서의 설비 도입을 검토하는 등, 사업 계획에 맞춘 선택이 요구됩니다.
공정 조건 최적화 및 품질 관리
압접의 품질은 온도, 압력, 시간이라는 3가지 주요 공정조건의 밸런스에 의해 결정됩니다. 이러한 조건이 부적절하면 압력이 너무 낮아 접합이 불완전해지거나 반대로 너무 높아 재료가 과도하게 변형되거나 하는 문제가 발생할 수 있습니다.
양산 전에 시작하여 인장 시험이나 단면 관찰로 최적 조건을 확인하는 것이 중요합니다. 일단 최적 조건을 확립하면 기계가 그것을 재현하기 때문에 안정적인 품질을 유지할 수 있습니다.
품질 확인 및 비파괴 검사의 필요성
압접은 내부에 결함이 있어도 외관에서는 판별이 어렵기 때문에 품질 보증 체제의 구축이 중요합니다. 시작 단계에서는 실제로 제품을 절단하여 접합 상태를 확인하는 파괴 검사가 유효하지만, 양산품에 대해서는 적용할 수 없습니다.
양산에서는 초음파나 X선등의 비파괴 검사를 빼내거나 전수로 실시해, 내부 품질을 감시합니다. 압접기의 전류값이나 압력값을 모니터링하는 프로세스 감시와 조합함으로써, 계속적으로 품질을 보증하는 체제를 갖추도록 합시다.
정리
압접이란 금속 등의 재료를 녹이지 않고 강한 압력과 필요에 따른 열로 원자 수준에서 결합시키는 「고상 접합」 기술입니다. 열 영향이 적고 고강도의 조인트를 얻을 수 있으며, 융접에서는 어려운 이종 금속의 접합에도 적합한 것이 큰 특징입니다.
가스압접이나 저항용접, 마찰압접 등이 있어 자동차·전자부품·철근 접속 등에 활용되고 있습니다. 단, 공법마다 전용 설비나 적용 형상의 제약이 있기 때문에 융접이나 기계적 접합과의 차이를 이해하고 제품의 요건에 따라 적절하게 선정·활용하는 것이 중요합니다. 이번 내용을 참고로, 압접 기술을 적절히 도입합시다.
