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2 편          용         접
[2] 특수 arc 용접(교과서 p.122)

arc 용접이라 하면 일반적으로 손으로 용접봉을 이동하면서 하는 수동 arc 용접(manual metal arc welding, shielded metal arc welding, stick welding, covered electrode welding)을 말하며, 용접물의 형상 및 크기에 따라 작업 조건이 다를 때에도 적응할 수 있어 편리하나, 선박과 같이 작업조건이 일정하고 연속적인 용접을 할 때에는 용가재(熔加材)의 공급과 용접방향의 이동을 기계화 또는 자동화하는 것이 능률적이고, 균일한 용접을 할 수 있다는 면에서 유리하다. 특수 arc 용접이라 하여 여기에 소개하는 용접법은 wire 형태로 된 용가재를 계속 공급하는 것이 가능하기 때문에 용가재의 공급과 용접 방향으로의 이동에 기계화 및 자동화가 가능하고, 자동 arc 용접기를 사용하면 수동 arc 용접에 비하여 다음과 같은 이점이 있다.

  1. 용접속도가 수동 용접의 3 ~ 6배 정도로 크다.
  2. arc가 안정되어 양호한 용접이 된다.
  3. 작업자의 기능과 관계없이 일정하고 능률적인 용접을 할 수 있다.
  4. 다량 생산에서 생산비를 줄일 수 있다.

특수용접 중에서 arc 용접에 속하지 않는 것은 8장에서 기타 특수용접 이란 장을 두어 별도로 취급했으므로 특수용접을 정리해서 공부하기 위해서는 특수 arc 용접과 기타 특수용접을 모아 하나의 단원으로 공부하기 바란다.
특수 arc 용접에 속하는 것을 열거하면 다음과 같다.
  1. 잠호용접(潛弧熔接; submerged arc welding)
  2. 불활성 gas arc 용접(不活性 gas arc 熔接; shield inert gas arc welding)
  3. 탄산 gas arc 용접(炭酸 gas arc 熔接; CO₂arc welding)
  4. 원자수소 arc 용접(原子水素 arc 熔接; atomic hydrogen arc welding)
  5. arc spot 용접(arc spot welding)
  6. stud arc 용접(stud arc welding)

(1) 잠호용접(潛弧熔接; submerged arc welding):

그림에서와 같이 용가재로서 계속해서 공급되는 나선(裸線) 또는 동피복선(銅被覆線)이 입상(粒狀)의 용제(溶劑; flux) 속에서 모재와의 사이에 arc를 발생하여 arc가 보이지 않은 상태에서 진행하는 용접을 submerged arc 용접이라 한다. arc 경로 전방에 공급되는 용제가 arc 열에 의하여 용융되어 소결된 slag는 용접부를 공기의 접촉으로부터 차단하고 bead를 덮어 보온한다. 전류로는 직류 및 교류가 모두 채용되며, 비교적 두꺼운 판도 I형 용접을 할 수 있고, 수동에 의한 피복 arc 용접에 비하여 수 배의 전류를 사용하므로 용가제인 wire의 용융속도가 매우 크다.
Union melt 용접과 Lincoln 용접 등은 submerged arc 용접의 상품명이다. submerged arc 용접에서 용가재인 wire가 동시에 수 개 사용될 수 있다.
이 용접법은 탄소강, 합금강 및 stainless 강 등의 두꺼운 판의 용접에 주로 이용하며, 비철금속의 용접에는 많이 사용되지 않는다.

용접장치 submerged arc 용접

saw.htm wire 2개를 20mm 간격에서 직열식으로 배치하여
DC로 홈 가공을 하고 AC로 홈을 메워 나가는 예
pipe의 submerged arc welding

arc 전압의 변동에 따라 용가재인 wire의 공급속도가 조절되며, 모재가 연강(軟鋼)일 경우에는 저탄소, 저 Mn 합금 wire가 사용된다. wire의 지름과 사용 전류의 관계는 아래 표와 같고, 수동 arc 용접에서 피복제와 같은 역할을 하는 submerged arc 용접의 용제(flux)에는 용융형(熔融形; SiO₂, MnO, FeO, CaO, MgO, Al2O₃, BaO, TiO₂, Fe, P, S), 소결형(燒結形; Fe-Si, Fe-Mn), 혼성형(混性形)이 있다.

submerged arc 용접의 장단점을 정리하면 다음과 같다.

장점

  1. 일정 조건에서 용접이 시행되므로 강도가 크고, 신뢰도가 높다.
  2. 용가재가 중단 없이 공급되고, arc가 용제 속에 있으므로 열 energy의 손실이 적어 용접속도가 수동용접의 10 ~ 20배 정도로 크다.
  3. 운봉(weaving)할 필요가 없어 용접부 홈을 작게 할 수 있으므로 용접재료의 소비가 적고 용접부의 변형이 적으며, 용접속도가 크게 된다.

단점

  1. bead가 불규칙할 경우와 용제의 공급 때문에 하향용접 외의 용접은 곤란하다.
  2. 용접 홈의 정밀도가 높아야 한다.
  3. 장비가 고가이다.

(2) 불활성 gas arc 용접(不活性 gas arc 熔接; shield inert gas arc welding):

대기 중의 산소와 질소의 영향을 받지 않도록 argon(Ar)이나 helium(He)과 같이 고온에서도 금속과 반응을 하지 않는 불활성 gas 중에서 시행하는 용접을 불활성 gas arc 용접이라 한다. 이 용접법의 개발로 인하여 종래에 용접이 곤란하거나 불가능했던 금속의 용접이 용이해지거나 가능해졌다. 이 용접법은 Al 합금, Mg 합금, Cu 합금, Ni 합금, Ti 합금 등의 용접에 많이 이용된다.

불활성 gas arc 용접법의 장단점은 다음과 같다.

장점

  1. 대체로 모든 금속의 용접이 가능하다.
  2. 용제를 사용하지 않으므로 slag가 없어 용접 후 청소가 필요 없다.
  3. spatter의 발생이 적고, 합금원소의 손실이 적다.
  4. 전자세(全姿勢)의 용접이 가능하다.
  5. 용접 가능한 판의 두께 범위가 크다.
  6. 용접 능률이 높다.

단점

  1. 용접 비용이 크다.

불활성 gas arc 용접은 불활성 gas 분위기에서 모재와 용가재 사이에 arc를 발생시키는 불활성 gas 금속 arc 용접(metal inert gas arc welding, MIG 용접)과 tungsten 전극과 모재 사이에 arc를 발생시키고 용가재를 별도로 공급하는 불활성 gas tungsten arc 용접(tungsten inert gas arc welding, TIG 용접)이 있다.

(2-1) MIG 용접:

MIG 용접을 용극식(熔極式) 불활성 gas arc 용접 또는 소모식(消耗式) 불활성 gas arc 용접이라고도 하며, 상품명으로 aircomatic 용접 및 sigma 용접 등이 있다. 용접기는 전동발전기식과 정류기식의 직류용접기이고, 모재를 음극으로 하는 역극성(逆極性)을 많이 채용한다. 동일 전류에서 arc 전압이 크게 되면 용융 속도가 저하한다. arc가 길어지면 전압이 증가하여 용융속도가 감소하므로 wire가 일정 속도로 공급될 때 arc 길이가 짧아져 원래의 길이로 되돌아간다. 이와 반대의 경우에도 원래의 길이로 돌아가며, 이를 MIG 용접 arc의 자기제어(自己制御)라 한다.
MIG 용접은 TIG 용접에 비하여 arc가 집중적이며, 용융속도가 크고, 응고속도가 커서 gas와 불순물이 부유할 시간적 여유가 없기 때문에 기공과 편석이 생길 염려가 있다. 따라서 용접하기 전에 모재를 깨끗이 청소하고, wire는 기공의 원인이 되는 수분이 없도록 충분히 건조시켜 사용하는 것이 중요하다.


MIG 용접기

MIG 용접

(2-2) TIG 용접:

TIG 용접을 비용극식(非熔極式) 불활성 gas arc 용접 또는 비소모식(非消耗式) 불활성 gas arc 용접이라고도 하며, 전원으로는 교류 및 직류를 사용할 수 있으나, 직류를 사용할 때에는 극성의 선택에 유의하여야 한다. tungsten 전극은 극성과 gas의 종류에 의하여 재질 및 크기가 정해져 있다.
정극성을 택하면 모재의 용입이 깊고 bead 폭이 넓게 되며, 역극성으로 하면 가속된 gas ion이 모재에 충돌하여 청정작용을 한다. He은 Ar에 비해 가볍기 때문에 청정효과가 적다. 따라서 aluminum은 표면에 2050℃에서나 녹는 내화성(耐火性) 산화물인 Al2O3가 있기 때문에 일반용접에서는 곤란하나, 불활성 gas arc 용접에서는 역극성으로 용제 없이도 쉽게 용접할 수 있다. 교류용접은 직류의 정극성과 역극을 혼합한 것이라 볼 수 있으며, wire 지름은 비교적 작은 편이고, 경합금(輕合金) 등의 표면에 있는 산화물을 청정하여 용입이 얕은 용접을 하기에 알맞다.

TIG 용접기
TIG 용접

(3) CO₂gas arc 용접(CO₂gas arc welding):

Ar, He과 같은 불활성 gas 대신에 값이 저렴한 CO₂gas를 사용하는 용접으로서, shield gas로 순수 CO₂외에 CO₂- O₂, CO₂- CO , CO₂- Ar , CO₂- Ar - O₂와 같은 혼합 gas가 사용된다. CO₂gas가 arc 열에 의하여 CO gas와 O₂로 분해되어 산화성으로 되기 쉬우나, 탈산제인 Mn과 Si를 적당히 함유한 wire를 Ar이 혼합된 shield gas와 함께 사용하면 기공이 없는 양호한 용접이 된다. 연강을 용접할 때 MIG 용접을 하면 비경제적일 뿐만 아니라 용착금속에 기공이 생기기 쉬우나, CO₂gas arc 용접을 하면 경제적이고 기공이 생길 염려가 적다.
그림(A)에서와 같이 wire와 모재 사이에 arc를 발생시키고, torch 선단 nozzle에 CO₂와 용제(溶劑; flux)를 보내어 대기로부터 arc와 용융금속을 보호한다. 이 용접법에도 불활성 gas arc 용접에서와 같이 금속 wire가 전극이 되는 용극식과 전극은 tungsten이고 별도의 용가재를 공급하는 비용극식이 있으나 용극식이 주로 채용된다.
그림(B)는 Union arc 용접으로서 심선(心線; wire)에 흐르는 직류전기에 의하여 생긴 자장(磁場)에 CO₂와 자성(磁性)을 가진 용제가 공급되면서 금속전극에 부착하여 마치 피복용접봉 처럼 된다.
CO₂gas arc 용접에서는 심선의 지름에 비하여 대전류(125 ~ 250A)를 사용하므로 용접속도가 크고 비용도 적게 들며, 전자세(全姿勢) 용접을 할 수 있고, bead도 곱고, 강도가 큰 장점이 있으나, 불활성 gas arc 용접에 비하여 spatter가 다소 많이 발생하여 이를 최소화시키기 위하여 용접조건의 선정에 세심한 주의를 요한다.
그림(C)에서와 같이 wire 속에 Mn, Si, Ti, 및 Al 등의 탈산제와 arc 안정제를 넣어 직류와 더불어 저렴한 교류를 사용하여 용접할 수도 있다.


(C) flux-cored wire

다음은 탈산제의 화학적 작용을 나타낸다.

  1. CO₂gas가 arc 열에 의하여:    CO₂→ CO + O
  2. O는 용강에 흡수되고 C와 작용하여:    O + Fe → FeO ,       FeO + C → Fe + CO↑
    CO의 기포가 생성되어 기공의 원인이 된다. 그러나 탈산제가 있으면 아래와 같이 산화철의 발생을 감소시켜 기포의 발생을 억제한다.
  3. FeO는 탈산제 Si, Mn 등과 작용하여:    2FeO + Si → 2Fe + SiO₂ ,      FeO + Mn → Fe + MnO
    SiO₂와 MnO는 비중차에 의하여 bead 위에 slag로서 부유한다.

CO₂gas arc 용접을 한다.

(4) plasma arc 용접(plasma arc welding):

기체를 고온으로 가열하면 기체원자는 격심한 운동을 하며, 마침내는 전자와 ion으로 분리된다. 이 때 기체는 도전성(導電性)을 띠며, 이와 같이 전자와 ion이 혼합되어 도전성을 띤 gas체를 plasma라 한다. plasma 용접에는그림(a)와 같이 tungsten 전극과 모재 사이에 arc를 발생시키면서 plasma용 gas를 공급하는 plasma arc 용접(移行形 arc 용접), 그림(b)와 같이 tungsten 전극과 nozzle 사이에 arc를 발생시키고 plasma용 gas를 공급하는 plasma jet 용접(非移行形 arc 용접)이 있는데, 전자에서는 모재가 도전성 재료이어야 하고, 후자에서는 비도전성 용접재도 용접이 가능하다.
이용접법의 특징을 열거하면 다음과 같다.

  1. 열 energy의 집중도가 좋아 고온(10000~30000℃)을 얻을 수 있고, 용입이 깊고, 용접속도가 크다.
  2. 용접홈은 I 형이면 되므로 용접봉의 소모가 적고, 용접속도를 크게 하는 또 다른 원인이 된다.
  3. 1층 용접으로 완료되므로 능률적이다.
  4. 용접부가 대기로부터 보호되어 기계적 성질이 좋다.
  5. 도전성 및 비도전성 재료의 용접이 가능하다(plasma jet 용접).

보충 plasma 용접

(5) 원자수소 arc 용접(原子水素 arc 熔接; atomic hydrogen arc welding):

그림과 같이 2개의 tungsten 전극 사이에서 arc를 발생시키고 이 arc에 H₂를 분사할 때 H₂가 H로 분해된 후 용접부에서 H₂로 환원될 때 발산하는 열(최고 4000℃)에 의하여 용접하는 것이다. 환원성 수소 중에서 행해지므로 산화와 질화를 방지할 수 있어 양호한 용접결과를 얻을 수 있다. arc의 전원으로는 직류 및 교류가 채용되나 일반적으로 교류전원을 사용하며, 전압은 300~400V, 전류 15 ~ 70A 정도 이고, 수소의 압력은 0.7kg/cm² 이하이다. 최근에는 불활성 gas arc 용접의 발달로 복잡한 구조를 가진 torch와 기술적으로 어려운 점이 많은 원자수소 arc 용접의 이용이 줄어들고 있다.



원자수소 arc 용접의 원리

(6) arc spot 용접(arc spot welding):

그림과 같이 arc를 0.5 ~ 5sec 동안 발생시켜 모재를 국부적으로 용해하고 응고시키면 상판(上板)과 하판(下板)이 접합된다. 일명 plug 용접이라고도 하며, 용극식과 비용극식이 있다. arc spot 용접을 할 때 1.0~3.2mm 두께의 상판과 3.2 ~ 6.0mm 두께의 하판을 맞추어 행하는 경우가 많고, 이보다 두꺼울 때에는 미리 구멍을 뚫고 spot 용접을 한다. arc spot 용접은 다음 장에서 취급할 전기저항열에 의한 점용접에 비하여 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

  1. 전기저항 spot 용접에서는 300 ~ 1000kg의 가압력이 필요하나, arc spot 용접에서는 손으로 누르는 정도로 충분하다.
  2. 전기저항 spot 용접은 양면에서 전극으로 가압하나, arc spot 용접에서는 한쪽 면에서 가압한다.
  3. arc spot 용접에서는 상·하판의 두께의 차가 커도 지장이 없다.
  4. 전기저항 spot 용접에서는 전류가 널리 퍼지기 때문에 spot간의 거리인 pitch의 제한이 있으나, arc spot 용접에서는 제한이 없다.

arc spot 용접

(7) arc stud 용접:

그림과 같이 지름 10mm 이하의 강, 황동제의 짧은 stud bolt 등을 평판(平板)에서 약간 거리를 두어 0.1 ~ 2sec 동안 arc를 발생시켜 용융상태에서 압입하여 접합하는 것을 stud 용접이라 한다. 전원은 교류 및 직류이다. base metal의 두께가 충분하며, 용접시에 타지 않고 용접압력에 대한 저항이 커야 한다. stud 용접은 stud welding gun으로 stud를 물고 전기적으로 자동화되어 있으며, 가열시간이 짧기 때문에 열응력은 비교적 작으나 냉각속도가 커서 경화성이 큰 모재에서는 모재를 예열할 필요가 있다. 용접부에 있는 녹, paint 등은 wire brush로 제거한 후 용접을 시행해야 건전한 용접결과를 얻을 수 있다. ring 형태의 ceramic ferrule을 stud 선단에 끼워 용금의 유동범위를 제한하기도 하며, 또한 ferrule은 반도체로서 용제의 역할도 겸하거나, ferrule 내에 용제를 장입한다. 용접 후 ferrule은 제거한다. stud 끝에 용제를 충전하는 경우도 있다.

arc stud 용접의 animation
pinbrazing

stud 용접 및 stud gun

stud 용접의 animation


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