용접의 종류 - 2. 아크용접 (비소모성 전극 사용)

 

<용접의 종류 두 번째 - 아크용접>

 

▶ 아크용접공정 : 비소모성 전극사용

1800년대 중반에 개발된 아크용접(arc welding)은 전기에너지를 열원으로 이용하는 용접방법입니다. 이 용접법은 소모성전

극 혹은 비소모성전극을 사용하며, 직류 혹은 교류 전원으로 전극의 팁과 모재사이에 아크를 발생시킵니다. 아크의 온도는 대

략 3만도로써 산소용접에서 생성되는 대표적인 전극은 텅스텐입니다. 고온의 열이 발생되기 때문에 용접부의 산화를 방지하

기 위해서 보호가스가 필요합니다. 일반적으로 직류가 사용되기 때문에 극성을 고려하는 것이 중요합니다.

전류의 크기는 전극의 형태, 용접하고자 하는 모재의 재료, 그리고 용접부위의 폭과 깊이에 따라 결정됩니다.

 

1. 가스 텅스텐 아크용접

TIG(tungsten inert gas)용접으로 불리는 가스 텅스텐 아크용접(GTAW : gas tungsten welding)은 용가재가 선재 (filler

wire) 형태로 공급이 됩니다. 용접 중에 텅스텐 전극이 소모되지 않기 때문에 동일 전류에서는 일정하고 안정된 아크 길이가

유지됩니다. 용가재는 용접하고자 하는 모재와 유사한 재료를 사용하며 용재(flux)는 사용하지 않습니다.

보호 가스는 주로 아르곤이나 헬륨 또는 혼합가스를 사용합니다. 가스 텅스텐 아크용접은 갭이 없는 모재를 용접할 때 처럼

용가재를 사용하지 않고 용접을 할 수 있습니다. GTAW 공정은 모재의 두께와 형상에 따라서 응용분야가 다양하며 특히 장비

의 이동이 용이합니다.

 

2. 플라즈마 아크용접

1960년대에 개발된 플라즈마 아크용접 (PAW : plasma are welding) 공정은 플라즈마 아크를 접속시켜 용접부로 향하게 하

는 용접법입니다. 플라즈마 아크용접에는 전달식과 비전달식의 두 가지 종류가 있습니다.

1) 전달식 : 피용접물이 전기적 회로의 한 부분이 되며, 아크는 전극으로부터 모재로 전달이 되므로 전달식이라고 합니다.

2) 비전달식 : 아크가 전극과 노즐 사이에서 발생이 되며, 플라즈마 가스에 의해 열이 모재로 전달이 됩니다. 열 전달 방법은

산소용접과 흡사합니다.

 

3. 원자수소용접

원자수소용접(AHW : atomic hydrogen welding)에서는 수소가스의 보호 분위기에서 두 개의 텅스텐 전극사이에서 아크를

발생시킵니다. 아크는 용접하고자 하는 부위와 무관하게 유지됩니다. 텅스텐을 용접할 수 있는 몇 안되는 방법중에 하나로,

원자수소용접에서는 아크와 모재 표면 사이의 거리를 변화시키면서 공급에너지를 쉽게 조절할 수 있습니다. 

 

4. 피복금속 아크용접

피복금속 아크용접(SMAW : shielded metal are welding)은 가장 오랫동안 사용되어 왔으며, 단순하지만 다양하게 사용이

되고 있는 용접법으로, 현재 현장에서 50% 정도가 이 용접번을 이용하고 있습니다. 피복된 용접봉을 모재에 접촉시켰다가 재

빨리 떼어내면서 아크를 발생시키고 이후에는 아크의 길이를 계속적으로 유지하는 방법입니다.

 

5. 서브머지드 아크용접

서브머지드 아크용접(SAW : submerged are welding)에서는 아크의 석회, 실리카, 망간 산화물, 칼슘 불화물 등으로 구성된

과립용제에 의해서 보호됩니다. 용제는 노즐을 통해서 호퍼로부터 중력에 의해서 용접부로 공급됩니다. 용제는 용융금속을

두껍게 덮음으로써 스패터와 불꽃을 막아주고, SMAW에서 발생되는 자외선 혹은 퓸(fume)이 외부로 방사되는 것을 차단하

는 역할을 합니다. 또한, 용제는 열을 차단함으로서 열이 모재의 용입을 깊게 하는 역할을 하기도 합니다.

 

6. 가스메탈 아크용접

1950년대 개발되고 불활성가스 금속용접(MIG : metal inert gas)으로 불리기도 하는 가스메탈 아크용접에서는 용접부가 아

르곤, 헬륨 등의 불활성기체, 이상화탄소 혹은 혼합가스에 의해서 보호됩니다. 무피복 소모성 선재용접봉은 와이어 송급모터

에 의해서 노즐을 통해 용접아크 부분으로 공급됩니다. 불활성 보호가스의 사용과 더불어 용융 용접풀의 산화를 방지하기 위

해서 탈산제를 슴속전극봉에 첨가하기도 합니다. 이 용접에서는 다층용접을 사용하기도 합니다. 금속은 스프레이, 글로뷸러,

단락 등 세 가지 방법으로 이행됩니다.

 

7. 플럭스코어드 아크용접

플럭스코어드 아크용접(FCAW : flux-cored are welding)은 GMAW와 흡사하지만, 용접봉이 관형상으로 내부가 용제로 채워

져있는 것이 다릅니다. 용제가 내부에 들어간 용접봉은 안정된 아크를 발생시키고, 용접부 형상과 용접부위의 기계적 성질이

양호합니다. 용접봉 내의 용제는 SMAW 용접봉 외부에 코팅된 취성이 강한 용제보다 유연성이 있어서, 관형의 용접봉은 긴

코일 형태로 만들기가 용이합니다.

FCAW의 가장 큰 장점은 재료의 화학적 성분을 쉽게 바꾸어서 용접할 수 있어서 내부 용제에 합금원소를 첨가하여 용접부위

에 필요한 합금조성을 만들 수 있습니다. 이 공정은 자동화가 용이하여 유연생산공정과 로롯 시스템에 적용이 가능합니다.

 

8. 일렉트로 가스용접

주로 모서리를 맞대고 수직으로 한 번에 용접하는 용접법입니다. 특수 장비가 필요하기 때문에 기계용접법으로 분류가 됩니

다. 용접금속은 접합하고자 하는 두 모재 사이의 용접공동부에 용착되며, 공간 두 개의 수냉 구리판에 의해서 둘러싸여 있으

며, 기계적으로 위로 올리면서 용융된 슬래그가 밖으로 빠져나가는 것을 방지합니다. 파이프와 같은 진주형 공작물도 모재를

회전시키면서 원주방향의 용접을 할 수 있습니다.

 

9. 일렉트로 슬래그 용접

일렉트로 슬래그 용접의 방식과 그 응용분야는 일렉트로가스 용접과 유사합니다. 용접아크가 용접봉의 끝과 피용접물의 아랫

부분 사이에서 발생한다는 것입니다. 용제가 첨가되면, 다시 아크열에 의해서 녹고, 용융된 슬래그가 용접부의 끝에 도달하면

아크는 꺼지게 됩니다. 용융슬래그의 전기저항에 의해 열이 계속적으로 발생되는데, 아크가 꺼지기 때문에 엄밀히 말해서 아

크용접이라 할 수 없습니다. 한 개 혹은 다수의 솔리드 혹은 심용제 용접봉을 용할 수 있습니다. 용접봉의 안내관은 비소모성

(일반적으로 사용)과 소모성 재료를 사용하는 방법이 있습니다.

 

※ 아크용접의 용접봉

1) 아크용접에 사용되는 전극봉 분류 조건

① 용착금속의 강도

② 전류 (AC, DC)

③ 피복제의 종류

    용접봉은 숫자와 문자를 사용하여 분류하며, 글자를 쓰기에 지름이 너무 작은 경우에는 색깔로서 분류합니다. 일반적으로

    피복용접봉은 길이 150~460mm, 지름 1.5~8mm입니다. 치수의 공차, 품질제어 공정과 과정 등을 포함한 용접봉과 용가재

    의 사양들은 미국 용접학회 혹은 미국표준협회에서 발간된 항공 금속 사양서를 이용하기도 합니다. 용접봉은 중량단위로

    판매되며, 크기와 사양이 다양합니다.

2) 용접봉 피복재의 기능

①아크를 안정시킵니다.

② 주위의 환경으로부터 보호하는 이산화탄소, 수증기, 미량의 일산화탄소, 수소가스를 방출시킵니다.

③ 용접봉의 용융속도를 조절해줍니다.

④ 산화, 질화, 이물질의 혼입을 막는 용제의 역할을 해서 용융금속이 녹을 때 슬래그를 형성하여 용접부를 보호합니다.

⑤ 용접부의 특성을 향상시키기 위해서 합금원소를 첨가하는데, 이는 원소 중 환원제를 첨가해 취성을 방지하는 것을 예로 들

    수 있습니다.