최근 기후변화와 지구환경문제에 대응하기 위해 에너지절감 제품과 환경유해물질 저감 기술에 대한 수요가 산업계 전반에 요구되고 있는 상황이며, 자동차산업계에서도 유럽연합을 중심으로 환경규제가 강화되고 있고 미국, 일본, 중국을 비롯하여 전 세계적으로 친환경 중심의 규제가 준비, 시행 되고 있다. 유럽 의회는 CO2 배출량의 허용기준을 정하여 2012년 130g/km으로 억제하는 규제안을 시행하고 있으며, 장기적으로 2020년까지 95g/km의 배출량 저감을 목표로 하고 있다. 또한 미국의 경우 평균연비를 의무화하는 기업 평균 연비제(CAFE; Corporate Average Fuel Economy)[21]를 시행하여 2020년까지 35mpg(15km/l)으로 연비규제를 강화하는 추세이다. 이러한 자동차 산업 기술 변화에 따라 고연비 차량의 수요가 급증하고 있는 추세이며, 주요 자동차회사들은 경량화 기술 개발에 많은 노력을 기울이고 있는 상황이다.[8]
이와 같은 자동차 기술개발 동향은 내연기관을 지닌 일반 차량 외에도 고효율의 하이브리드 자동차와 내연기관을 대체하는 전기자동차에도 경량화가 요구되어지는데, 이때 자동차에 사용되어지는 소재와 부품의 경량화는 필수적이다. 그 중 타이어와 휠 1조의 무게가 3kg 경량화 되어 총 12kg의 중량 감소가 이루어지면 1kg 당 승객무게 15kg에 상응하는 효과를 얻을 수 있다고 알려져 있으며[a], 차량 연비절감의 현실적인 방안으로 휠에서의 중량 감소가 가장 효율적인 방안으로 대두되고 있다.
고연비의 그린카 수요 증가로 인하여 알루미늄 휠의 경량화에 대한 요구는 지속적으로 높아지고 있으며, 경량화 요구에 대응하기 위하여 플로우 포밍, 중력주조, 단조 등의 공법을 활용한 다양한 휠이 개발되고 있다. 차량용 알루미늄 휠은 낮은 제조원가와 대량생산에 유리한 공법인 저압주조 방식의 1Piece 휠이 보편적으로 제조되고 유통되고 있다. 그러나 저압주조 방식의 1Piece 휠은 제조공법 특성상 필수적으로 지향성 응고를 형성하여야 하는데, 이러한 이유로 휠 중량의 경량화가 어렵다. 때문에 최근의 환경문제를 비롯한 자동차 제조사의 요구를 충족시키기 위해서는 경량화와 NVH 성능향상 등의 신기술 확보가 시급한 상황이다. 현재 국내 휠 업계의 기술 개선 추진 방향은 주조 공법 위주로 진행되고 있으나 기술 발전의 한계에 도달한 실정이다.
이러한 한계를 해결하기 위한 이종소재를 이용한 초경량 2Piece 휠은 디스크부는 저압주조 공법을 적용하여 제조하고, 림부는 저압주조와 플로우 포밍 공법으로 제조하며, 각 Piece 간 접합은 마찰교반용접(FSW; Friction Stir Welding), 또는 레이저 용접을 활용하여 접합하여 기존 알루미늄 1Piece 휠 대비 최대 20% 경량화를 확보할 수 있는 기술이다.
마찰교반용접 기술은 유럽 및 미국, 일본 등 선진국에서는 연구 및 개발이 활발히 진행되고 있고 특히 일본에서 자동차 및 철도를 포함하여 다양한 산업에서 상용화 되고 있다.[23,24] 하지만 국내의 경우 약 10년 전 학술 연구 형태로 도입되었고 산업 현장에 도입된 시기는 6~7년 전으로 동종소재 마찰교반용접의 경우 접합 기술의 난이도가 낮고 많은 연구가 이루어져 있으나, 이종소재 마찰교반용접의 경우 접합 기술의 난이도가 높아 국내외로 연구가 많이 이루어지지 않아 적용 된 사례를 찾아보기 힘든 실정이다.
본 논문에서는 알루미늄 합금과 마그네슘 합금 간 이종소재 접합을 위해 자동차 알루미늄 휠의 대표적인 소재 A356과 더불어 경량화를 위한 소재 AZ91D를 이용하여 마찰교반용접의 주요 변수인 공구의 회전속도, 이송속도 그리고 공구의 회전방향 3가지 상관관계를 규명하고 최적의 공정조건을 도출하기 위해 실험계획법을 이용하여 실험을 진행하였다. 또한 Ansys Mechanical APDL을 이용하여 공구의 회전속도와 이송속도 변화에 따른 구조해석을 실시하여 마찰교반용접시 발생되는 시간별 최고온도 분포를 파악하였다. 그리고 주사전자현미경을 이용하여 접합부 조직검사와 성분분석을 통해 접합성에 대해 분석하였고, 통계 예측분석을 통해 용접 변수들이 기계적 특성치인 인장강도에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 실험과 해석을 통해 마찰교반용접을 통한 이종소재 접합에 있어 중요 인자와 변수에 대해 파악하고자 하였다.

In order to respond to recent climate change and global environmental problems, demand for energy conserving products and environmental hazardous substance reduction technology is demanded of the entire industry. Mainly in the european union, we are strengthening environmental regulations globally, including the US, japan and china. The european parliament has adopted a regulation that limits CO2 emissions allowable standards to 130 g/km in 2012 and aims to reduce emissions by 95g/km by 2020 in the long term. In the case of the united states, we are implementing corporate average fuel economy, aiming at 35 mpg by 2020, and strengthening fuel efficiency regulations. According to technological change in these automobile industries, there is a tendency for demand for high fuel consumption vehicles to rapidly increase, and major automobile manufacturers are making a lot of efforts to develop light weight technology.
Trends in technology development of such automobiles are required to be lightweight also for general vehicles equipped with internal combustion engines, as well as high efficiency hybrid vehicles and electric vehicles substituting for internal combustion engines. At this time, it is essential to reduce the weight of materials and parts used in cars. It is said that the weight reduction effect obtained with the four wheels reaches a minimum of 160 to 180kg. As a realistic measure to reduce vehicle fuel economy weight reduction on wheels has emerged as the most efficient method.
The demand for weight reduction of aluminum wheels is continuously increasing due to an increase in demand for high fuel consumption vehicles.
Wheels utilizing various methods such as flow forming, gravity casting, forging and the like have been developed to meet the need for weight reduction. In the case of car aluminum wheels, 1 piece wheels produced with low manufacturing cost and low pressure casting method advantageous for mass production are universal. However, the 1 piece wheel of the low pressure casting system has to form the directional solidification essential due to the characteristics of the manufacturing method, but for this reason it is difficult to reduce the weight of the wheel. Therefore, in order to satisfy the needs of automobile manufacturers including recent environmental problems, securing new technologies such as weight reduction and improvement of NVH performance is urgent. Today, the direction of promoting improvement of technology in the domestic wheel industry is being promoted mainly by casting method, but in reality it has reached the limit of advancement of technology.
Ultra lightweight 2 piece wheels using different materials are technologies that can be joined using friction stir welding or laser welding to ensure maximum weight reduction of 20% compared with existing aluminum 1 piece wheels.
Many researches and developments of friction stir welding are carried out in advanced countries such as europe, america and japan. Especially in japan, it has been put to practical use in various industries including automobile and railway. In the case of domestic, there were not many researches due to difficulty of friction stir welding technology.
In this paper, we tried to study friction stir welding of different materials between aluminum alloy and magnesium alloy. For this reason, material A356 frequently used for vehicle parts and material AZ91D for weight reduction were used. We tried to investigate the three correlations of the rotational speed of the tool, the feed speed, and the direction of rotation of the tool, which are the main variables of friction stir welding. In order to derive optimal process conditions, experiments were carried out using experimental design method. Structural analysis was also conducted using ansys mechanical APDL to ascertain the maximum temperature distribution over time generated during friction stir welding. This was to grasp the influence of the change in the rotational speed of the tool and the travel speed. Then, using a scanning electron microscope, the junction was analyzed for junctional property through tissue examination and component analysis. We analyzed the influence of welding parameters on tensile strength, which is a mechanical characteristic value, through statistical prediction analysis. Experiment and analysis attempted to grasp important factors and variables in joining dissimilar materials through friction stir welding.