기계공작법

2 편 용 접

5 장 gas 용접(교과서 p.137)

gas 용접은 각종 가연(可燃) gas와 산소의 연소반응열을 용접열원으로 이용하는 용접이며, 용접부에 압력을 가하지 않는 경우와 압력을 가하는 경우가 있는데, 전자를 gas 용접, 후자를 gas 압접이라 한다. gas 용접에서는 가열부 및 용금이 gas에 노출되기 때문에 오염되기 쉽고 가열이 집중적으로 되지 않기 때문에 열영향부가 많아 용접변형이 잘 생긴다. 따라서 이와 같은 것이 허용되지 않는 용접에서는 arc 용접을 하는 것이 좋다.
가연 gas에는 acetylene(C₂H₂), prophane(C₃H₃), buthane(C₄H₁₀), 석탄 gas(CO, H₂, CH₄의 혼합 gas), 천연 gas, 수소(H₂) 등이 있으나, 산소-acetylene gas의 화염 온도가 높고 화염 조절이 용이하며, 모재에 끼치는 악영향이 적기 때문에 gas 용접에 널리 사용된다. 이 장에서도 공업적으로 주로 이용되는 산소-acetylene gas 용접(oxy-acetylene welding)에 대해서 언급하기로 한다.

안전장비
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acetylene gas 용접은 저탄소강, 합금강, 주강 등을 용제없이 용접할 수 있고, stainless 강, 주철 등은 용제를 사용하여 표준화염 및 산소과잉 화염으로 용접한다. Al과 같은 경합금(輕合金)은 acetylene 과잉화염, 동합금은 표준화염 및 산소과잉 화염으로 용접한다.
O₂와 를 (1 : 1)로 혼합하면 그림의 A 부분(torch의 tip 부근)에서 다음의 화학반응을 일으킨다.

다음 단계에서 CO와 H₂가 공기 중의 O₂와 아래 그림의 B 부분에서 반응은

로 되어 내염의 끝부분에서 최대온도(3430℃)에 달하며, 대부분의 경우에 아래 그림과 같이 산소와 acetylene의 혼합비에 따라 화염의 상태가 다르게 나타난다. acetylene의 양이 너무 많아지면 탄화성 화염(炭化性火焰, 還元性火焰; carburising flame)이 되고, 산소가 지나치게 많으면 산화성 화염(酸化性火焰; oxidising flame)이 되며, 산소와 acetylene의 비가 적당하면 중성화염(中性火焰; neutral flame) 또는 표준화염(標準火焰)이 된다.

		산소와 acetylene을 1 : 1로 공급했을 때(표준화염)
☜	acetylene 과잉화염 중성화염 산소 과잉화염

[1] gas 용접장치

용접장치는 산소용기와 acetylene gas 용기로부터 ☞ hose를 통해 torch에 도입시키고, ☞ torch에서 적당한 비율로 혼합하여 화구(火口; tip)로 분출되는 혼합 gas에 점화하여 열원을 얻는다. 아래 그림에서와 같이 산소는 산소용기(oxygen bomb)에서 공급받고, acetylene gas는 acetylene 발생기나 용해 acetylene 용기에서 공급받는다. acetylene 발생기를 이용할 때에는 acetylene 청정기(淸淨器)와 안전기(安全器)를 설치하는 것이 좋다.

산소-acetylene 용접장치

(1) acetylene gas 장치:

(1-1) 용해(溶解) acetylene gas 용기:

acetylene gas가 acetone에 용해되는 성질을 이용하여 그림과 같은 용기내의 acetone에 다량의 acetylene gas를 용해시켜 저장하면 gas상태에서 보다 안전하고 운반하기에 편리하다. 사용시 valve를 열어 압력을 강하시키면 기화하여 hose로 도출된다. 용기에는 여러가지 크기가 있으나 두께 4.5mm, 지름 310mm로 내용적이 15 liter, 30 liter, 50 liter 등이 있고, 그 중 30 liter의 것이 많이 사용된다. 용기 내에는 다공성(多孔性)의 규조토, 목탄분말, 석면 등이 들어 있고, 이것에 acetone을 흡수시킨다. 50 liter의 용기에는 21 liter의 acetone이 흡수되어 있고, 15℃와 15기압에서 acetone 1 liter에 acetylene gas 324 liter가 용해될 수 있다. 따라서 이 용기에는 21×324=6804 liter의 acetylene gas가 들어갈 수 있다. acetylene gas 910 liter가 1kg이므로 이 용기 내의 acetylene의 무게는 6804/910=7.477kg이다.
용기에서 일시에 너무 많은 acetylene gas를 방출시키면 증발잠열(蒸發潛熱)에 의하여 온도가 강하하고 압력이 떨어져 gas가 나오지 않는 경우가 있다.
cylinder valve의 재질은 강이며, 사용시에 1/4~1/2 회전시켜 열고 (보다 많이 열어도 관계 없음) 1000 liter/hr의 양 및 1kg/cm²의 압력 이내로 하는 것이 능률적인 면이나 경제적인 면에서 좋다. acetylene gas가 동(銅)과 화학반응을 하므로 용기 valve는 동합금으로 만들지 않고 강철제로 되어 있다.
용해 acetylene gas의 사용상 주의점을 열거하면 다음과 같다.

용기를 바로 세우고 통풍이 잘 되며 직사광선이 들지 않는 곳에 둔다.
이음부는 비눗물로 검사한다.
용기의 안전 valve가 70℃에서 녹으므로 가열되지 않도록 한다.

☞산소-acetylene 용접장치의 안전사용

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acetylene gas 용기 및 산소용기
(acetylene용 연결구는 왼나사로 되어 있고,
산소용 연결구는 오른나사로 되어 구별된다.)
acetylene gas 용기 valve (압력조정기의 연결부가 암나사, 왼나사 )

(1-2) acetylene gas 발생기:

앞에서와 같이 용해 acetylene을 사용하는 대신에 다음과 같이 현장에서 acetylene gas를 발생시키면서 용접을 행하는 경우에 대해서 설명코자 한다. acetylene gas 발생기에는 고정식과 이동식이 있으며, 압력에 따라 저압식(水柱 100 ~ 250mm), 중압식(수주 300 ~ 2000mmm), 고압식(수주 2000 ~ 15000mm)이 있다. 발생 구조에 따라 분류하면 투입식(投入式), 주수식(注水式) 및 침지식(浸漬式) 등이 있다.
acetylene gas()는 calcium carbide(CaC₂)에 물(H₂O)을 작용시켜서 얻으며, 이때의 화학반응은 다음과 같다.

carbide의 품질은 1kg에서 발생하는 acetylene gas의 양에 의하여 다음 표와 같이 규정한다.

투입식 acetylene gas 발생기는 그림(a)에서와 같이 물 속에 carbide를 투입하여 acetylene gas를 발생시키는 것으로서, acetylene gas가 물속을 통과하면서 청정(淸淨)되어 순도가 좋아지고, 반응열에 의한 온도 상승이 없어 좋다. 다량의 acetylene gas를 요할 때 사용되나, acetylene gas의 일부가 물속에 용해되어 손실되며, slag를 제거하는데 불편 하다.
주수식 acetylene gas 발생기는 그림(b)와 같이 carbide에 주수하여 acetylene gas를 발생시키는 것으로서, 주수의 자동조절이 용이하고, slag를 제거하는데 편리하나, 온도가 상승하기 쉽고 투입식에 비하여 acetylene gas의 순도가 떨어진다.
침지식 acetylene gas 발생기는 투입식과 주수식을 절충한 것이라 할 수 있으며, acetylene gas 소비량에 따라 발생량이 자동으로 조절되나 반응열에 의하여 온도가 상승하는 단점이 있으며, 일반적으로 소량의 acetylene gas를 요할 때 사용된다.

acetylene gas 발생기
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투입식 acetylene gas 자동발생기

(1-3) acetylene gas 청정기 및 안전기:

acetylene gas 청정기(acetylene gas cleaner)는 acetylene gas 발생기에서 발생된 gas에 인화수소(H₂P), 황화수소(H₂S), ammonia(NH₄) 등 유해한 물질이 들어 있어 화염의 온도를 저하시키고. 용접부에 악영향을 주며 작업능률을 저하시킨다. 이러한 불순물을 제거하기 위한 acetylene gas 청정법에는 수세(水洗)에 의한 방법, 여과(濾過)에 의한 방법, 화학처리법 등이 있으나, 일반적으로 화학처리법이 많이 이용된다. 아래 그림은 화학처리법의 예로서 표와 같은 청정제를 사용하고, 이것으로 인한 압력저하는 25mmHg 이하가 적당하다.

안전기(安全器; safety device)는 용접 중 역화(逆火; back fire)현상이 생기거나, torch가 막혀 산소가 acetylene gas쪽으로 역류(逆流; back flow)하여 gas 발생장치에 도달하면 폭발 사고가 일어날 위험이 있으므로 그림과 같이 gas 발생기와 torch 사이에 수봉식 안전기(水封式安全器)를 설치한다. 즉 발생기에서 발생한 acetylene gas가 수중을 통과하여 torch에 도달하고, 고압의 산소가 torch로 부터 acetylene gas 발생기를 향하여 역류(역화)할 때 물이 acetylene gas 발생기로의 진입을 차단하여 위험을 방지한다. 그러나 용해 acetylene을 사용할 때에는 안전기가 없어도 사고의 위험이 없다.

안전기