1. Process의 개요
Shield Metal Arc Welding (SMAW)는 가장 일반적인 용접 방법으로서 피복재를 입힌 용접봉에 전류를 가해서
발생하는 Arc열로 용접을 시행하는 방법이다.
용접 장비 구성이 간단하고 조작이 쉬운 장점이 있으며, 피복재의 연소 과정에서 발생하는 Gas를 이용해서 용접부를
보호하면서 용접이 진행된다.
용접기의 기본적인 구성과 용접 과정은 다음의 Fig. 1과 2를 참조한다.
Fig.1 Elements of Typical Welding Circuit for Shielded Metal Arc Welding
Fig. 2 Shielded Metal Arc Welding
2. 피복재
1) 피복재의 역할
- 심선 주위에 피복되어 있는 피복재는 다음과 같은 역할을 한다.
① Arc를 발생할 때 피복재가 연소하여 이 연소Gas가 공기중에서 용융금속으로의 산소, 질소의 침입을 차단하여
용접 금속을 보호한다.
② 용융 금속에 대하여 탈산 작용을 하며, 용착 금속의 기계적 성질을 좋게하는 합금 원소의 첨가 역할을 한다.
③ Arc의 발생과 Arc 의 안정성을 좋게 한다.
④ Slag를 만들어 용착 금속의 급냉을 방지하고 미려한 용접 Bead를 만든다.
2) 피복재의 주요 성분
- 용접봉의 피복재는 용접시에 대부분이 용융 Slag으로 되며 대부분은 산화물인 것이다.
이들 Slag를 구성하는 산화물은 염기성(MgO, FeO, MnO, CaO, Na2O, K2O),
중성 혹은 양성(TiO2, Al2O3, Fe2O3, Cr3O3, Ti2O3), 산성(P2O5, SiO2)의 3종류가 있으며,
이들의 주요 성분들을 들어 보면 다음과 같다.
(1) 피복가스 발생 성분 (Gas Forming Materials) : 4 ~ 25%
용융된 강이 공기중의 산소와 질소의 영향을 받아 산화철이나 질화철이 되지 않도록 보호 가스를 발생시켜
용융 금속을 공기와 차단한다.
- 유기물 (셀룰로우스, 전분, 펄프 등)
- 무기물 (석회석, 마그네사이트 등)
(2) Arc안정 성분 (Arc Stabilizers) : 4 ~ 25%
Arc의 발생과 지속을 쉽게하는 것에는 탄산바륨(BaCO3), 산화티탄(TiO2), 철분 등이 있다.
(3) Slag 생성 성분 (Slag Formers) : 5 ~ 50%
용접부 표면을 덮어 산화와 질화를 방지하고 탈산 등의 작용을 하며, 용착 금속의 냉각 속도를 느리게 한다.
(4) 탈산성분 (Dioxidizers) : 6 ~ 25%
용융 금속중에 침입한 산소와 그 밖의 불순 가스를 제거하는 것으로서 페로망간 (FeMn), 페로 실리콘 (FeSi)등이 있다.
(5) 합금 성분 (Alloying Elements) : 6 ~ 25%
용융된 강 중에 필요한 원소를 보급하여 좋은 용착 금속을 만들며, 페로크롬 (FeCr), 페로몰리브덴 (FeMo),
페로 실리콘 (FeSi), 페로망간 (FeMn)등이 있다.
(6) 고착 성분 (Binding Agents) : 16 ~ 25%
피복재에 혼합시켜 심선의 주위를 고착시키는 규산나트륨 (Na2SiO3 = N), 규산칼륨 (K2SiO3 = K) 등이 있다.
(7) 윤활성분 (Slipping Agents) : 8 ~ 12%
3) 용접봉의 건조
- 충분하게 건조가 되지 않은 용접봉 Flux에 존재하는 수분은 용접과정에서 저온 균열의 주된 요인이 되는 수소의
공급원이 된다. 따라서 수소의 발생과 역할을 가능한 억제하기 위한 용접봉의 건조는 매우 중요한 의미를 가지게 된다.
용접부내의 수소의 역할은 "용접 균열의 종류와 대책" 편에 자세히 설명하기로 한다
(1) 염기도
용접 Flux의 염기도는 다음의 식과 같이 염기성 물질과 금속 산화물의 일정한 비를 나타내며,
특히 염기도가 낮은 산성 산화물 SiO2, Al2O3등은 점토류 (Bentonite, Clay)로 구성 되어 있다.
이러한 Flux는 결정수(Crystal Water)를 함유하기 있으며 이 결정수는 600℃이상의 고온에서 분해하여 용접시
수소의 공급원으로 작용한다.
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Table 1. SFA 5.1의 용접봉 수분 함유량 규정
따라서 저 수소계(Low Hydrogen), 즉 염기도가 높은 용접봉은 용접 Flux중에 수소 함량을 근원적으로
최소화 시킨 것이다.
AWS에서 규제하는 저수소계 용접봉의 수분 함량은 종류에 따라 약간씩 다르지만 AWS SFA 5.1과 SFA 5.5의 경우 위의
Table 1.기준에 따른다.
위의 표에서 용접봉 기호 뒤에 붙은 R, M의 의미는 저수소계 용접봉을 의미한다.
이렇게 용접봉 자체의 수분 함량을 제한하는 것 이외에 용접 금속에 존재하는 수소의 량을 측정하여 제한하기도 한다. E7018M이나 확산성 수소의 측정이 요구되는 경우에는 AWS A4.3에 따라 확산성 수소를 측정하며, 그 합부의 기준은 다음에 따른다.
Table 2. SFA 5.5 Appendix A. 저수소계 용접봉의 수분함유량 규정.
Table 3. SFA. 5.1에 따른 확산성 수소량 규정
(2) 재건조 및 관리 조건
가) 재 건조
용접봉의 보관 및 관리는 용접봉 피복재 중의 수분 함량과 밀접한 관계가 있으며, 과도한 수분은 용접중에 분해하여 수소를 공급하는 원인이 되므로 아래의 표와 같이 재건조를 하여 사용하여야 한다. 여기에서 착각하기 쉬운 사항은 용접봉의 재건조 회수이다. 용접봉은 재건조 회수가 단 1회로 제한되며, 반복해서 재건조하여 사용할 수 없다. 혹시 작업중에 물에 젖은 용접봉이 생긴다면 이는 절대로 재 건조하여 사용할 수 없다.
Table 4. 용접봉의 재 건조 규정
나) 상대 습도
상대 습도가 높을수록, 방치시간이 길수록, 피복제중의 수분 함유량은 증가한다. 따라서, 습도가 높은 상태에서의
용접이나, 재 가열 후 대기중에 장시간 노출된 용접봉의 사용은 금한다.