<표 1-2> 피복제의 기능과 성분
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피복제의 기능 |
기 능 설 명 |
성 분 예 |
| 아크 안정제 |
아크열에 의하여 이온화하여 아크 전압을 낮게하고 아크를 안정시키는 기능 |
TiO2, Na2SiO3, CaCO3, K2SiO3 |
| 가스 발생제 |
가스를 발생시켜 중성 또는 환성성 분위기를 만들어 용융금속의 산화나 질화를 방지하는 역할, 왼쪽 성분들이 아크열에 의해 분해되어 CO, CO2, 수증기 발생 |
녹말, 톱밥(세룰로스), 석회석, BaCO3 |
| 슬랙 생성제 |
용융점이 낮은 가벼운 슬랙을 만들어 용융 금속표면을 덮어 산화나 질화를 방지하고 용융금속의 냉각속도를 늦춰 기표나 불순물의 섞임 방지 |
산화철, 일루미나이트(TiO2·FeO), TiO2, MnO2, CaCO3, SiO2, 장석(K2O·Al2O3·6SiO), 형석(CaF2) |
| 탈산제(脫酸劑) |
용융금속 중의 산화물을 탈산정련(脫酸精鍊)하는 작용 |
Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Ti합금, 금속 망간, 알루미늄 |
| 합금첨가제 |
용접금속의 성질을 개량하기위하여 피복제에 참가하는 금속 |
Mn, Si, Ni, Mo, Cr, Cu, V |
| 고착제(binder) |
심선(core wire)에 피복제를 고착시키는 역할 |
물유리(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3) |
따라서 아크의 차폐(시일드)는 ① 아크속에서의 용융금속과 용융지의 공기접촉을 막고 ② 용접금속의 성긴구조를 정련하기 위한 제거제 또는 항산화제 역할을 하며 ③ 용 융지와 고형화된 용접부에 slag blanket을 형성한다. ①, ③ 기능에 의해 공기로부터 산소와 질소 의 유입을 막아 산화물과 질화물의 형성을 막는다. 후에 슬랙은 손이나 공기 해머에 의해 제거한다.
피복아크 용접에서 유해인자를 파악하기 위해서는 반드시 용접봉과 피복제의 성분을 확인하 여야 한다. 용접봉의 분류는 용접봉에 씌여 있는 번호로 한다. 다음은 미국용접학회에서 사용하는 분류방식이다. 우리나라에서 피복아크 용접봉의 분류는 KS D 7004에 규정되어 있는데 이는 피복 제의 종류, 사용전류, 용접자세에 따라 분류되고 있다.
Exxx 또는 xxxx로 표시 예)E8410
·E : E는 전기아크 용접전극 또는 용접봉을 표시
·84 : E 다음의 두자리는 용착금속의 최소 인장강도(kgf/mm2)로서 위 용접봉은 인장강도가 84 kgf/mm2을 나타낸다.
·그 다음의 한자리 숫자는 용접봉이 사용되는 용접 자세를 나타낸다. 1: 전자세, 2: 아래보기 또는 수평용접 자세, 3: 깊은 홈(deep grove)
·4번째 자리 숫자는 극성, 피복형과 비드 모양등 작업특성을 나타낸다. 여기서 0은 직류(DC) 역 극성을 의미한다.
다음 표 1-2는 4번째 숫자의 의미인데 개략적인 성분과 전원의 특성을 알 수 있다.
<표 1-3> 용접봉 표시형식중 4번째 자리 숫자의 의미
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4자리째 숫자 |
피복제의 형태 |
전원특성 |
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0 |
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DC Reverse |
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1 |
cellulose potassium |
AC or DC Reverse or Straight |
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2 |
tiania sodium |
AC or DC Straight |
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3 |
titania potassium |
AC or DC Reverse or Straight |
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4 |
iron powder titania |
AC or DC Reverse or Straight |
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5 |
low hydrogen sodium |
DC reverse |
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6 |
low hydrogen potassium |
AC or DC Reverse |
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7 |
iron powder iron oxide |
AC or DC |
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8 |
iron oxide low hydrogen |
DC Reverse or Straight ro AC |
저 수소 용접봉(low hydrogen electrode)에는 탄소, 망간, 실리콘, 크롬, 니켈, 몰리브데늄, 바나디움등의 금속과 더불어 탄산칼슘-불 화칼슘(CaCO3-CaF2)가 첨가되어 있다. 기존의 연구에 의하면 저수소전극에서 발생되는 흄의 9 %가 불소라고 보고되었으며 이 불소중 10-22 %가 수용성이라고 하였다. 다른 연구에서는 피복 제의 함량과 심선의 두께에 따라 불소가 총 흄의 20 %까지 차지할 수있다고 하였다. 수용성 불 소가 되는 기작은 확실치는 않으나 불화칼슘이 아크속에서 분해되어 SiF6를 형성하고 이것이 수 증기가 존재하는 상태에서는 HF가 된다고 추측하고 있다.
1.3.2. Gas Tungsten Arc Welding(GTAW, TIG, 가스텅스텐아크용접)
피복아크용접이 많은 철금속의 용접에 효과적이기는 하지만 알루미눔, 마그네슘이나 다른 반 응성이 큰 금속의 용접에는 부적당하다. 이를 위해 1930년대에 아크환경을 산소나 수소의 침입 으로부터 보호하기 위하여(이를 blanket이라는 용어를 사용하고 있는데 담요로 덮는 것과 같은 역할을 한다고 해서 그런 용어를 사용함) 고온에서 금속과 반응하지 않는 불활성가스(Ar, He 등) 를 공급하여 용접하는 방법이 도입되었다. 이 방법을 불활성 아크 용접(inert gas arc welding)이 라 하는데 여기에는 ① 비소모성 전극인 텅스텐 봉을 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding; GTAW, 또는 불활성 가스텅스텐 아크 용접(inert gas tungsten arc welding; TIG)이라고도 함)과 ② 소모성 전극인 비피복 금속 용접봉을 사용하는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW). 일반적으로 GTAW는 0.6∼3 mm의 얇은 판에, GMAW는 3 mm이상의 두꺼운 판에 사용되며 후자가 전자에 비하여 효율이 높다. 이 절에서는 GTAW를 설명하고 다음절에서 GMAW를 설명한다.
가스텅스텐 아크 용접에서는 비소모성인 텅스턴 전극과 모재사이에 아크가 형성되며 텅스텐 전극주위로 불활성 가스인 알곤(우리나라 많이 사용)이나 헬륨이 주입된다. 그 림 1-7에서와 같이 용가재는 용접봉의 형태로 불활성 가스 시일드 보호막속으로 별도로 공급된 다. 위에 설명한 피복아크 용접에서는 용접봉이 전극의 역할을 하는데 비해 가스텅스텐 아크 용 접에서는 텅스텐이 전극의 역할을 하며 용접봉은 단지 용가재의 역할만 하므로 전류가 흐르지 않 는다. 이 용접장비에는 전기, 냉각수와 가스가 공급되고 적절히 제어하는 장치가 있어야 한다. 이 는 연기 또는 용접 매연이 없어 시야를 가리지 않고 용융지가 깨끗하다.
텅스텐봉은 순텅스텐봉과 방사능을 발생할 수 있는 토륨(thorium, ThO2)이 1∼2%함유된 토 륨 텅스텐봉이 사용되는데 토륨텅스텐봉은 전극온도가 낮아도 전류용량을 크게 할 수 있다. 산업 보건학적으로 이 전극이 사용될 때 방사선 물질인 토륨이 발생될 수 있는 가능성이 있지만 연구 결과 공기중 농도는 매우 낮은 것으로 조사되었다.
가스 텅스텐 아크 용접도 직류와 교류 전원 모두를 사용할 수 있으며 직류인 경우 피복아크 용접처럼 정극성과 역극성이 정의된다. 그림 1-8에서와 같이 정극성에서는 전자가 전극에서 모재 로 흐르므로 모재에 강하게 충돌하여 깊은 용입을 일으킨다. 전극은 속도가 느린 가스 이온과 충 돌하므로 그다지 발열하지 않으며 지름이 작은 전극에서도 큰 전류를 사용할 수 있다. 역극성에 서는 전자가 전극으로 흐르고 가스이온이 모재표면에 넓게 충돌하여 모재의 용입은 넓고 얇게 된 다. 이때는 전극이 과열되므로 지름이 큰 전극을 사용한다.
가스 텅스텐 아크용접은 비소모성 전극을 사용하며 불활성 가스만을 사용하므로 비소모성 불 활성 가스 아크 용접(nonconsumable inert gas arc welding), TIG(tungsten inert gas welding) 또는 헬륨아크용접(helium arc welding), 알곤 아크용접(argon arc welding)이란 용어가 사용된다.
가스텅스텐아크용접 장치는 아래그림처럼, 용접토치, 제어장치, 용접전원, 정류기(regulator), 가스용기 등이 있으며 수동작업, 반자동, 자동작업이 가능하다.
1.3.3. Gas Metal Arc Welding(GMAW, 가스금속아크용접)
1940년대에 비소모성인 텅스텐 전극대신에 소모성 전극을 사용하는 가스 금속 아크 용접이 개발되었다. 이는 텅스텐 전극대신 나심선(裸心線)의 지름 1.0∼2.4 mm의 전극와이어를 일정한 속도로 토오치에 송급하여 와이어와 모재사이에 아크를 발생시켜 용접을 하는 방법이다. 초기에 는 주로 두꺼운 전도성 판에 용접할 목적으로 개발되었지만 현재은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 니 켈 합금, 티타늄, 강철합금등 여러 분야에 응용된다.
가스금속아크 용접법은 ① 불활성가스인 알곤이나 헬륨을 사용하는 경우에 불활성 가스금속 아크 용접(inert gas metal arc welding 또는 metal inert gas, MIG)이라 하고 ② 활성가스인 이 산화탄소를 사용하는 경우에는 활성가스 금속 아크(active gas metal arc welding 또는 metal active gas, MAG) 또는 탄산가스(또는 CO2)용접이라 한다. 이들의 용접회로는 그림 1-9와 같다.
가스금속아크 용접법은 전극이 소모성이므로 연속적으로 전극 와이어를 공급해 주어야 한다. 따라서 이들은 그림 1-9와 같이 가스 및 냉각수 송급장치, 금속와이어를 일정한 속도로 송급하는 장치, 전원장치 및 전극와이어, 전류, 가스 및 냉각수의 송급속도를 조절하는 제어장치로 되어 있 다. 이 장치의 용접토치 중앙으로 전극와이어가 송급되어 아크를 형성하면서 용융지로 녹아들어 간다. 이 전극 주위로 헬륨, 알곤, 이산화탄소, 질소등의 가스가 흐르게 된다. 전극와이어의 성분 은 대개 모재와 같게 만들어져 있으며 전기적 접촉과 녹을 방지하기 우해 구리가 코팅되어 있다. 용가재인 전극와이어는 산화방지제(deoxidizer)가 들어 있는데 강철 용가제에는 망간, 실리콘, 알 루미늄이, 니켈 합금 용가재에는 티타늄, 실리콘이, 구리합금 용가제에는 티타늄, 실리콘, 인이 산 화방지제로 포함되어 있다.
1.3.3.1. 불활성가스 금속아크용접(MIG)
불활성 가스 금속 아크용접(inert gas metal arc welding; MIG)은 용가재인 전극와이어를 연 속적으로 송급하여 아크를 발생시키는 방법으로 TIG에 비해 용착율이 빠르다. 전원은 직류식이며 와이어를 양극으로 하는 역극성으로 작업한다. MIG용접의 보호가스로는 순수 Ar, Ar+He, Ar+O2, Ar+CO2가 사용되된다. 건(gun)은 전극와이어, 용접전류와 보호가스를 와이어 송급기로부터 아크 영역으로 이송하는데 사용되는 부분을 일컫는다. 불활성 가스금속 아크 용접은 제거할 슬래그가 없으므로 피복아크용접에 비해 작업주기가 빠르다.
1.3.3.2. 탄산가스 아크 용접
탄산가스아크 용접은 불활성가스대신에 경제적인 탄산가스를 이용하는 용접방법으로 역시 전 극은 소모성(용극식,熔極式)을 주로 사용하며 비소모성 전극(非熔極式)을 사용하는 방법도 있다.
탄산가스는 활성이므로 고온의 아크에서는 산화성이 크고 용착금속의 산화가 심하여 기공 및 그 밖의 결함이 생기기 쉬우므로 Mn, Si등의 탈산제를 함유한 와이어를 사용한다. 순수한 CO2 가스이외에 CO2-O2, CO2-CO, CO2-Ar, CO2-Ar-O2 등이 사용되기도 한다.
CO2가스는 고온아크에서 2CO2 ↔ CO + O2로 되므로 탄산가스 아크 용접의 시일드 분위기는 CO2, CO, O2 및 O 가스가 혼합된다. 탈산제가 사용되는 이유는 CO의 기포로 인한 용접결함을 방지하기 위함인데 다음과 같은 작용을 한다.
① 시일드 가스인 이산화탄소가 고온인 아크열에 의하여 분해된다.
CO2 ↔ CO + O
② 위의 산화성 분위기에서 용융철이 산화된다.
Fe + O ↔ FeO
③ 이 산화철이 강(鋼) 중에 함유된 탄소와 화합하여 다음처럼 일산화탄소 기포가 생성된다.
FeO + C ↔Fe + CO↑
④ 그러나 Mn, Si등의 탈산제가 있으면 아래 반응이 일어나 용융강(熔融鋼)중의 산화철을 감소시 켜 기포의 발생을 억제한다.
FeO + Mn ↔ MnO + Fe FeO + Si ↔ SiO2 + Fe
⑤ 탈산 생성물인 MnO, SiO2 등은 용착금속과의 비중차에 의해 슬랙을 형성해 용접비드 표면에 떠오르게 된다.
탄산가스 아크 용접은 분위기가 산화성이므로 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등에는 사용하지 않는데 그 이유는 용융표면에 산화막이 형성되어 용착을 방해하기 때문이다.
탄산가스아크 용접방법을 시일드가스와 용극방식에 의해 구분하면 다음과 같다.
< 표 1 >
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용극식(熔極式) |
순탄산가스법 |
| 혼합가스법 |
CO2-O 방법 CO2-CO 방법 CO2-Ar 방법 CO2-Ar-O2 방법 |
| 탄산가스 플럭스법 |
flux-core(Arcos arc)방법 fusarc-CO2(비꼬인선식)방법 union arc(자성플럭스)방법 |
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비용극식(非熔極式) |
탄소아크법 |
| 텅스텐아크법(2중노즐식) |
이중 flux-cored wire(복합와이어)를 사용하는 방법은 속이 빈 와이어에 Mn, Si, Ti, Al등의 탈산제 및 아크안정제를 넣은 것으로, 아크가 안정되므로 직류뿐 아니라 값싼 교류를 모두 사용 할 수 있다.
자성을 가진 용제를 탄산가스 기류에 송급하는 방법을 유니온 아크 용접법이라고 하는데, 아 크가 발생하여 와이어에 전류가 흐르면 와이어 주위에 자장이 형성되고 이로 인해 용제(flux)가 자성화(磁性化)되어 와이어에 흡착되어 마치 피복용접봉 같은 역할을 하게 된다. 따라서 이 방법 을 자성 플럭스방법이라고도 한다. 플럭스를 사용하면 슬랙이 발생하게 된다.
순탄산가스 아크용접 중의 와이어에서의 합금원소가 이행할 때 각 성분이 남는 비율은 연강일 경우 C는 일반적으로 산화감소하여 50-80 %, Si는 30-60 %, Mn은 40-60 %이나 Cr, Ni, Mo 는 거의 줄어들지 않는다. 단, Ti는 산화감소하여 남는 비율이 약 30 %에 불과하다.
1.3.4. Submerged Arc Welding(SAW, 서브머지드아크용접)
서브머지드아크용접은 대기로부터 아크를 보호하기 위해 용착부에 입상(粒狀)이나 용용상의 용제(granular or fusible flux)가 호퍼에서 공급관을 통하여 공급하고, 용제속에 전극와이어를 송 급하여 용접봉과 모재사이에 아크를 발생시켜 용접하는 방법이다.
서브머지드(sumerged)란 아크가 어떤 물질(용제)밑에 잠겨 있다는 뜻으로 아크가 용제에 감 추어져 있어 보이지 않는다. 실상은 전극과 모재사이에 발생하는 아크뿐만이 아니라 sparks, spatter, smoke도 용제속에 잠겨 있는 있는 형태를 띤다. 흄도 발생하나 다른 용접보다는 적게 발 생한다. 용가재는 주로 비피복와이어전극(bare wire electrode)로 공급되나 용가재를 와이어 형태 로 따로 공급하기도 한다.
서브머지드 아크용접은 용융지가 용제에 의해서 보호(시일드)되므로 대기에서 격리되어 산소, 질소, 수분의 침입이 없고 아크열의 열손실이 적어 용입이 큰 높은 능률로 용접을 할수 있다. 이 서브머지드아크용접은 주로 두께가 두꺼운 것의 용접에 사용되며 탄소강, 합금강 및 스테인레스 강등에 사용되며 비철금속에는 잘 사용하지 않는다.
입자상 용제는 아크 경로의 앞부분에서 공급되어져 소결(燒結, sinter)되어져 용 접금속의 표면에 용융 슬랙을 형성한다. 용제는 제조 방법에 따라 용융형 용제(fused flux ; 광물 성원료를 일정한 비율로 혼합하여 아크로에 넣어 1,300℃ 이상으로 가열해서 응고시킨 후 분쇄 하여 알맞은 입도(粒度)로 만든 것으로 유리모양의 광택이 남), 소결형 용제(sintered flux ; 광물 성 원료 및 합금분말을 규산나트륨과 같은 점결제(粘結劑)와 더불어 원료가 용해되지 않을 정도 의 비교적 저온상태(400-1000℃)에서 일정한 입도로 소결하여 제조한 것)로 분류된다.
용제는 조성상 ① 저산화 망간용제-MnO를 거의 함유하지 않은 것, ② 중산화 망간 용제-14-22%의 MnO 를 함유한 것, ③ 고산화 망간 용제- 30 %이상의 MnO를 함유한 것으로 분류한다. 이 용제의 역할은 ① 아크를 보호하는 역할, ② 합금을 제공하는 역할, ③ 아크를 안정화 시키는 역할, ④ 아크를 용접 비드모양을 결정하는 역할을 한다.
전극와이어로 쓰이는 심선은 비피복선을 코일모양으로 감은 것을 사용하는데 보통 동도금을 하여 사용하며, Mo, Ni, Cr 등이 첨가되어 있다. 망간 함유량과 몰리브데늄 함유량에 따라 고망간 계, 중망간계, 저망간계 및 Mn-Mo계 와이어로 분류한다.
서브머지드아크용접은 자동금속 아크용접법(automatic metal arc welding), 잠호용접이라고도 하며 미국 유니온 카바이드사가 발명하여 유니온 멜트 용접법 또는 링컨 용접법이라고도 한다.
1.3.5. Plasma Arc Welding(PAW, 플라스마아크용접)
플라스마 아크용접을 설명하기 전에 먼저 플라스마를 설명하여 보자. 플라스마란 기체를 수 천도이상으로 가열하였을 때 그 속의 가스원자가 원자핵가 전자료 유리하여 양이온, 음이온상태로 된 것을 의미한다.
플라스마 아크용접에서는 용접헤드가 아르곤과 같은 가스를 고전압 기울기(gradient)로 오리 피스를 통과할 수 있도록 설계되어져 있어 매우 이온화된 가스흐름을 만들어 낸다. 즉 아크열로 가스를 가열하여 플라스마상 만든 것을 토치의 노즐에서 분출되는 고속의 플라스마 제트(plasma jet)를 이용한 용접법이다.
이 용접법은 스텐레스강, 탄소강, 티타늄, 니켈함금, 동, 황동 등에 적용된다. 용입이 깊고 비드폭이 좁으며 용접속도가 빠르다.
1.3.6. Flux Cored Arc Welding(FCAW)
탄산가스 용접에서 설명한 flux core 와이어를 사용하는 방식으로 탄산가스용접에 포함시키기도 한다. 이 용접에서의 시일드는 flux와 시일드 가스에 의해 형성된다.
1.3.7. Cutting(절단)
기계적인 절단이 아닌 열절단, 즉 용접원리를 이용한 금속의 절단법은 다음 표와 같이 구분 할 수 있다. 열절단에는 가스절단 및 아크 절단이 및 플라스마절단으로 나눌 수 있는데 이들을 용단(fusion cutting, 熔斷)이라 하기도 한다.
가스절단은 산소가스와 금속과의 산화반응을 이용하여 금속을 절단하는 방법이고, 아크 절단 은 아크 열을 이용하여 절단하는 방법이다. 가스절단은 강(鋼) 또는 합금강(合金鋼)의 절단에 이 용되며 비철금속에는 분말가스절단 또는 아크절단이 이용된다.
가스절단은 산소-아세틸렌 가스불꽃으로 절단부위를 약 800-900℃로 예열한후 순도가 높은 고압의 산소를 분출시키면 강철에 접촉하여 급격한 연소작용에 의해 산화철이 되는데이 산화철은 鋼보다 용융점(熔融點)이 낮으므로 용융과 동시에 절단된다. 용융된 지점이 산소기체의 분출력으 로 밀어내져 부분적인 홈이 생기게 되고 이 작업이 반복되어 절단이 되는 것이다.
그러나 스텐레스강이나 알루미늄인 경우 절단중 생성되는 산화크롬(Cr2O3), 또는 산화알루미 늄이 모재보다 융점이 높아 쉽게 절단하지 않는다. 이 경우 내화성의 산화물을 용해 제거하기 위 하여 적당한 분말상태의 용제(flux)를 산소기류에 혼입하던가 또는 가스불꽃에 철분을 혼입하여 불꽃의 온도를 높여 절단하는 방법을 분말절단(power cutting)이라 한다.
<표 1>
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산소절단 |
가스절단 분말절단 산소아크절단 |
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아크절단 |
금속아크절단 |
| 탄소아크절단 |
| 불활성 가스 아크절단 |
TIG 절단 MIG 절단 |
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플라스마절단 |
플라스마 제트 절단 플라스마 아크 절단 |
아크 절단은 전극과 절단 모재사이에 아크를 발생시켜 아크열로 모재를 용융시켜 절단하는 방법인데 이때 압축공기나 산소기류를 이용하여 용융금속을 불어내면 능률적이 된다.
가스가우징9gas gouging)이란 가스절단과 비슷한 토오치를 사용하여 강재(鋼材)의 표면에 둥 근 홈을 파내는 방법으로 가스 따내기라로 번역되기도 한다.
1.4. 기타 용접 및 절단
1.4.1. 가스용접 (Oxygenfuel welding)
1.4.1.1 원리
가스용접은 가연성 가스의 연소열(약 3,000℃)을 이용하여, 금 속을 가열하여 용접하는 방법으로 지연성 가스로 산소를 사용 하고 가연성 가스로 아세틸렌, 수소, 프로판, 메탄 등이 사용 되며 이들중 산소-아세틸렌 용접이 대부분을 차지한다. 가스 용접은 아아크용접과 같이 융접의 일종이다. 산소-아세틸렌 불꽃의 성질은 토치 내에서의 아세틸렌과 산소의 혼합비에 의 하여 환원성 불꽃, 산화성 불꽃, 중성불꽃으로 된다.
1.4.1.2. 가스용접의 용접봉과 용제(Flux)
산소-아세틸렌 가스용접은 산화염이 되기 쉬운데다가 공기 속에 있는 산소를 흡수하여 용융금속 이 산화되는 경우가 많다. 이 때문에 용착금속은 산화물을 포함하게 되는데 이를 방지하기 위하 여 중성불꽃 혹은 환원불꽃을 사용하며 플럭스를 사용하게 된다. 플럭스는 용접중에 생기는 금속 의 산화물, 또는 비금속 개재물을 용해하며, 용제와 결합시켜 용융온도가 낮은 슬랙을 만들어 용 융금속의 표면에 떠오르게 하여 용착금속의 성질을 좋게하는 것이다. 플럭스는 건조된 가루, 페이 스트 또는 용접봉표면에 피복한 것 등이 있으며 보통 고체가루를 물 또는 알콜에 개어서 용접전 에 브러시로 용접흠이나 용접봉에 칠하여 사용한다.
<표 1> 각종 금속에 적당한 용제
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용접금속 |
용제 |
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연강
주철
구리합금
알루미늄 |
사용하지않는다.
탄산나트륨15%, 붕사5%, 중탄산나트륨70% 붕사75%, 염화리튬25% 염화나트륨30%, 염화칼륨45%, 염화리튬15%, 프루오르화칼륨7%, 황산칼륨3% |
가스용접의 용접봉은 원칙적으로 모재와 같은 용착금속을 얻기위해서 모재와 조성이 동일하거나 비슷한 것이 사용되지만 용접부는 용접 중에 야금(冶金)적 현상 때문에 성분과 성질이 변하므로 용접봉의 성질과 성분을 보충할 성분을 포함하고 있는 재료를 사용한다.
<표 1> 가스용접봉의 성분
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피용접재료 |
용접봉의 성분(%) |
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C |
Si |
Mn |
P |
S |
Ni |
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연강, 주강 |
0.05∼0.25 |
〈0.06 |
0.3∼0.6 |
〈0.03 |
〈0.03 |
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고탄소강
(0.6∼1.0%) |
0.15∼0.30 |
0.1∼0.2 |
0.5∼0.8 |
〈0.04 |
〈0.04 |
3.35∼3.75 |
|
주철 |
3.0∼3.5 |
0.35 |
0.5∼0.7 |
〈0.8 |
〈0.06 |
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황동 |
피용접재료와 같은 재료 |
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알루미늄 |
Al에 P를 첨가 |
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1.4.2. Thermit Welding(테르밋 용접)
테르밋 용접법(thermit welding)은 용접 열원을 외부로부터 가하는 것이 아니라, 테르밋 반 응에 의해 생성되는 열을 이용하여 금속을 용접하는 방법이다. 테르밋 반응(thermit reaction)이란 금속 산화물과 알류미늄 간의 탈산반응을 총칭하는 것으로서, 현재 실용되고 있는 철강용 테르밋제는 다음과 같은 반응을 일으킨다.
2AL ＋ 3Fe3O4 ＝ 3Fe ＋ AL2O3 ＋ 187.1 Kcal
2AL ＋ Fe3O4 ＝ 2Fe ＋ AL2O3 ＋ 181.5 Kcal
8AL ＋ 3Fe3O4 ＝ 9Fe ＋ 4AL2O3 ＋ 719.3 Kcal
미세한 알루미늄 분말과 산화철 분말, 즉 FeO, Fe2O3, Fe3O4를 약 3∼4:1의 중량비로 혼합한 테르밋제(thermit mixture)에 과산화 바륨과 알루미늄(또는 마그네슘) 등의 혼합 분말로 된 점화제를 놓고, 이것을 점화하면 점화제의 화학반응에 의하여, 테르밋 반응을 시작하는데 필요한 약 1,200 ℃ 이상의 고온이 얻어진다. 이 고온에 의해 강렬한 발열을 일으키는 테르밋 반응으로 되어 약 3,000 ℃에 달한다. 그 결과 산화철은 환원되어 용융 상태의 순철(純鐵)로 된다.
그러나 실제로는 용접 금속의 품질과 성질을 조정하기 위하여 테르밋제에 다른 합금 원소나 탈산제 등을 배합하여 사용한다. 또 이 용접법에는 용융 테르밋 용접법과 가압 테르밋 용접법이 있는데 주로 용융 테르밋 용접법이 사용되고 있다.
⑴ 용융 테르밋 용접법
용접 테르밋 용접법은 접합 부재간에 적당한 틈새를 만들고 그 후 주위를 주형(mold)으로 둘러싸고 주형 밑부분에 있는 예열 구멍으로부터 모재를 적당한 온도까지 예열(동의 경우 800∼ 900 ℃)한 후, 도가니 속에서 테르밋 반응에 의해 생성된 용융 금속, 슬랙 순으로 도가니 밑부분에서 주입한다. 주입 후 용접 금속이 응고될 때까지 그대로 방치하고, 적당한 온도까지 냉각 후 주형을 해체하고, 탕구, 압탕 등을 제거한다. 필요에 따라서는 용접부의 열처리도 한다.
⑵ 가압 테르밋 용접법
가압 테르밋 용접법은 일종의 압접으로 모재의 양단면을 맞대어 놓고 그 주위에 테르밋 반 응에 의해서 생긴 슬랙 및 용융 금속을 주입하여 가열시킨 후 센 압력을 가해서 접합한다. 이 방법에서는 우선 모재의 양단면을 청정하고, 주철제 주형으로 둘러싸고, 용융 금속과 슬랙의 비중의 차를 이용하여, 모재와 주평의 내면이 슬랙만으로 둘러싸여, 용융 금속은 접하지 않게 하여 용융 슬랙으로 급가열하여, 모재 양단면간에 센 압력을 가해서 압접을 하는 것이다. 따라서 이 용접에 있어서는 용융 금속은 전연 사용하지 않는다.
테르밋 용접법의 용도는 철강 계통으로는 주로 레일의 접합, 차축, 선박의 선미 프레임 (stern-frame) 등 비교적 큰 단면을 가진 주조나 단조품의 맞대기 용접과 보수 용접에 사용되며, 동 계통으로는 주로 전기용품 재료의 이음 분야에 이용되고 있다. 또 동과 철강과의 용접에도 사용된다.
1.4.3. 일렉트로슬랙 용접 및 일렉트로 가스(아크)용접 (Electroslag Welding and Electrogas Welding)
1.4.3.1. Electroslag Welding
일렉트로용접법(Electroslag Welding)은 전기용융법의 일종으로 아크열이 아닌 와이어와 용융 슬 랙 사이에 흐르는 전류의 저항열을 이용하여 용접을 하는 특수용접이다. 보통 매우 두꺼운판과 후판(厚板)의 용접에 사용한다. 이 방법은 용융된 슬래그 풀에 용접봉을 연속적으로 공급하며, 주로 용융 슬래그의 저항열에 의 하여 용접봉과 모재를 연속적으로 용융시키는 방법이다.
용접원리는 처음 아크를 발생시킬 때는 모재사이에 공급된 플럭스(용제)속으로 와이어를 밀어 넣고서 전류를 통하여 순간적으로 아크가 발생되는데 이것은 서브머지드 아크 용접과 같다. 그러나 일렉트 로 슬랙용접은 처음 발생되 아크가 꺼져버리고 저항열로 용접이 계속된다는 점에서 서브머지드 아크용접과 다르다. 처음 발생된 아크에 의해 용융된 모재와 용접와이어, 그리고 플럭스가 화합하 여 전기저항이 큰 용융슬랙을 형성하고, 이렇게되면 발생된 아크는 꺼지면서 슬래그에 의한 저항 열로서 용접이 계속되는 것이다. 용접전류는 주로 교류의 정전압 특성을 갖는 대전류를 사용하고, 피용접물의 두께에 따라 400∼ 1,000[A], 전압은 35∼50[V]정도의 것이고, 전극은 서브머지드 아크용접과 거의 같은 계통의 것이 사용되고 있다.
1.4.3.2. 일렉트로 가스(아크)용접
수직전용용접이라는 점에서는 일렉트로 슬랙용접과 같지만, 사용되는 열원이 아크라는 점에서 크 게 다르다. 용접의 원리는 수냉동판으로 용접부위를 둘러싸고 그 안으로 CO2를 집어넣어 보호가스 분위기를 만든 이후에 와이어 가이드 노즐을 통하여 복합(용접)와이어를 송급 하여, 복합와이어 끝과 모재간에 발생하는 아크에 의해, 복합와이어와 모재를 용융하여 용접을 진 행한다. 보호가스는 모재의 재질에 따라서 사용되며 강(鋼)에 대해서는 주로 CO2가 사용되지만, CO2-Ar, Ar-O2등의 혼합가스를 사용할 때도 있다.
1.4.4. 전자빔 용접(Electron beam welding)
전자빔 용접은 고진공(10-4∼10-6㎜ Hg)중에서 고속의 전자빔을 모아서 그 에너지를 접합부에 조사하여 그 충격열은 이용하는 용접법이다. 진공중에 서 용점이 되므로 높은 순도의 용접이 되지만 X선 피해에 대한 특수 보 호장치가 필요하다.
1.4.5. 레이저빔 용접
레이저(Light Amplification by Stimulated Emission of Radition)는 유도방사(誘導放射)를 이용한 빛의 증폭기 혹은 발진기(發振器)를 말 한다. 여기에서 만들어진 빛은 강한 에너지를 가지고 있으며, 집속성 (coherence)이 강한 단색 광선이다. 이 때의 출력을 이용하여 용접을 하는 것이며 레이저 용접의 원리는 그림 1- 와 같다.
1.4.6. 전기저항용접(electric resistance welding)
전기저항용접법은 금속에 전류가 흐를 때 일어나는 Joule열은 이용하여 압력을 주면서 용접하는 방법이다. 용접하고자하는 2개의 금속면을 서로 맞대어 놓고 적당한 기계적 압력을 주면서 전류 를 흐르게 하면 접촉면에 존재하는 접촉저항 및 금속자체의 저항 때문에 접촉면과 부근에 열이 발생하여 온도가 오르게 된다. 그 부분에 가해진 압력 때문에 양면이 완전히 밀착하게 되며, 이 때 전류를 끊어서 용접을 완료하게 된다.
<표 1> 이음형상에 따른 전기저항 용접의 종류
|
전기저항용접 |
겹치기 용접 |
스팟 용접 |
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프로젝션 용접 |
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시임(seam) 용접 |
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맞대기 용접 |
플래시 용접 |
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업셋 용접 |
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퍼커션 용접 |
1.4.6.1. 점용접 (spot welding)
겹침 저항 용접법중에서 점용접법은 접합하고자 하는 판을 2개의 전극사이에 끼워놓고 전류를 통 하면 접촉면의 전기저항이 크므로 발열하게 된다. 접촉면의 저항은 곧 소멸하게 되나 이 발열에 의하여 재료의 온도가 상승하여 모재 자체의 저항이 커져서 온도는 더욱 상승한다. 전극의 재질은 전기와 열전도도가 좋고 연속사용하더라도 내구성이 있으며 고온에서도 기계적인 성질이 유지되어야한다.
철강을 비롯한 경합금, 구리합금에는 순구리를 구리용접에는 Cr, Ti, Ni 등을 첨가한 구리합금이 많이 쓰이고 있다. 점용접은 저타소강, 고탄소강, 저합금강,알루미늄과 알 루미늄 합금, 스테인레스강(18Cr-8Ni), 주석도금판등 각종 금속들에게 사용되고 있다.
1.4.6.2. 프로젝션 용접
점용접과 비슷한 것으로 제품의 한쪽 또는 양쪽에 작은돌기를 만들어 이 부분에 용접전류와 압력 을 가해서, 모재의 접촉저항과 고유저항에 의한 저항열을 이용하여, 용접부를 용융시켜서 압접하 는 방법이다.
1.4.6.3. 시임용접(seam welding)
원형의 전극로울러를 회전시켜 점용접을 연속적으로 행하는 용접법이다.
1.4.6.4. 업셋 용접
업셋용접법은 맞대기 저항 용접(upset-butt welding)이라고도 하며, 용접재 를 세게 맞대고 여기에 대전류를 통해 이음부 부근에서 발생하는 저항발열에 의해 가열시켜, 적당한 온도에 도달하였을 때 축방향으로 큰 압력을 주어 용접하는 방법이다. 이 용접법은 고상(固相)압접에 속하며 이음면에서의 슬립변 형과 확산에 의해 접합이 완료된다. 압접온도 는 용접재의 융점이하지만 가압력과 관련하여 정해지며, 가압력이 클수록 압점온도는 낮아진 다. 용젖의 접합부에서는 금속이 녹아 비산하 지 않는다.
1.4.6.5. 플래시용접
플래시용접은 업셋용접과 거의 비슷한 용접으로 불꽃용접이라고도 부르며 용접 하고자하는 모재를 약간 띄워서 고정애 이동대 의 전극에 각각 고정하고 전원을 연결한 다음 섯섯히 이동시켜 전진시키고 모재에 가까이 한 다. 여기에 대전류를 통하여 접촉점을 가열한다. 접촉점은 과열, 용융되어 불꽃으로 흩어지나 그 접촉이 끊어지면, 다시 용접재를 내보내어 항상 접촉과 불꽃비산을 반복시키면서 용접면을 균일 하게 가열하여 적당한 온도에 도달하였을 때에 강한 압력을 주어 압접하는 방법이다.
1.4.7. 마찰용접(friction pressure welding)
용접할 재료를 맞대어 놓고서 그 접촉면에 압력을 주면서 서로간에 상대운동을 시키면 마찰열이 발생하게 되며, 이러한 마찰열을 이용하여 접합부의 산화물을 녹여 내리면서 접합시키는 방법이다. 압력을 사용하는 관계로 맞댄 부분에 돌출부가 생긴다.
1.4.8. Thermoplastic Welding
플라스틱은 용접용 플라스틱과 비용접용 플라스틱으로 크게 나눌 수 있다. 전자를 열가소성 수지(thermo-plastics)라 하며, 후자를 열경화성 수지(thermosetting plastics)라 한다. 열가소성 플라스틱이란 열을 가하면 연화하며, 더욱 가열하면 유동하는 것으로 열을 제거하면 온도가 내려가 처음 상태의 고체로 변하는 것을 말한다.
열경화성 플라스틱이란 열을 가해도 연화하는 일이 없고, 더욱 열을 가하여 온도를 상승시키면 유동하지 않고 분해를 하며, 열을 제거하면 처음 상태의 고체로 변하지 않는 플라스틱을 말한다. 따라서 앞의 플라스틱은 용접이 가능하며 보통 용접용 플라스틱이라 부른다. 열경화성 플라스틱은 현재로는 용접이 불가능하며, 접합 방법으로는 접착제에 의한 접착이나 리벳, 볼트, 너트에 의한 기계적 접합이 사용되고 있다.
용접용 열가소성 플라스틱은 우리들의 생활과 대단히 밀접한 것으로서 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 폴리아미드, 폴리프로피렌, 메타크릴, 불소 수지 등이 있으며, 용접이 안되는 열경화성 플라스틱에는 페놀(phenol-formaldehade), 요소, 멜라민, 폴리에스테르, 규소 등의 수지가 있다.
용접의 방법으로는 열기구 용접, 마찰 용접, 열풍 용접, 고주파용접 등이 있다. 최근에는 플라스틱 성질이 잘 알려져 있으며 용접 장치와 기술이 발달되어 용접의 자동화로 인한 제품의 대량생산이 가능하게 되고 있다.
1.4.9. Stud Welding(스터드 용접)
스터드 용접법은 동봉 또는 황동봉 등을 볼트 대신에 모재에 심는 방법이며, 아크 용접의 일종이다.
용접의 원리는 우선 스터드(stud) 선당에 페룰(ferrule)이라고 불리는 보조 링을 끼우고, 스터드를 모재에서 약간 떼어놓아 아크를 발생시켜 적당히 용융하였을 때 스터드를 용융지(molten pool)에 압입하여 용착시킨다. 일반적으로 아크 발생 시간은 0.1∼2초 정도로 선정된다. 용접 작업은 모두 전기적으로 자동화되었으며, 스터드 용접 총(stud welding gun)으로 스터드를 심을 때가 많다. 용접 전원은 직류나 교류 모두 사용되지만, 일반적으로 세렌 정류 방식의 직류 옹접기가 많이 사용된다.
스터드 용접은 아크열에 의한 순간적인 국부 가열이므로 용접 응력이 대단히 작아서 실용상 문제가 되지 않는다. 그러나 용접 후의 냉각 속도가 비교적 빠르므로 경화성이 큰 모재를 사용할 경우에 균열이 생기기 쉬우므로 중요한 구조물에서는 적당한 예열을 한다.
스터드 용접은 철강 재료 외에 동, 황동, 알루미늄, 스텐레스강에도 적용되며, 조선, 교량, 건축, 보일러관 등에 널리 응용되고 있다.
1.4.10. Brazing(경납땜), Soldering(연납땜)
납땜은 접합하려고 하는 금속을 용융시키지 않고 이들 금속 사이에 모재보다 용융점이 낮은 땜납(solder)을 용융 첨가하여 접합하는 방법이다.
땜납의 대부분은 합금으로 되어 있으나 단재금속도 사용된다. 땜납은 모재보다 용융점이 낮아야 하고, 표면 장력이 적어 모재 표면에 잘 퍼지며, 유동성이 좋아서 틈을 잘 메울 수 있는 것이어야 한다. 그 외에도 사용 목적에 따라 강인성, 내식성, 내마멸성, 전기전도도, 색채조화, 화학적 성질 등이 요구된다.
피접합물질은 저융점의 금속부터 3,000 ℃ 이상의 융점을 가진 금속, 비금속, 또는 반도체 등 여러 가지가 있으며, 땜납은 융점이 50∼1,400 ℃ 정도의 것이 사용되고 있다. 납땜은 땜납의 융점이 450 ℃ 이하일 때 이를 연납땜(soldering)이라 하고, 450 ℃ 이상일 때 경납땜(brazing)이라고 한다. 미국에서는 융점이 427 ℃(800 ℉)를 한계로 한다. 일반적으로 용접용 땜납으로는 경납을 사용한다.
납땜은 분자간의 흡인력에 의한 결합이므로 본드(bond) 결합이라고도 하며, 이 결합을 만족하게 하기 위하여 피접착 금속의 접착 표면을 깨끗이 하고 산화를 방지하며 불순물을 제거하기 위해 여러 가지 용제(flux)를 사용한다.
1.4.10.1 땜납재
⑴ 연납(soft solder)
융점이 450 ℃ 이하인 땜납재를 연납이라 한다. 연납은 일반적으로 주석(Sn), 주석-납(Sn-Pb) 합금, 납(Pb) 또는 필요에 따라 안티몬(Sb), 은(Ag), 비소(As) 및 비스무트(Bi) 등을 함유한다. 연납중에서 가장 많이 사용되는 것은 주석-납 합금이며(주로 주석-납 합금을 '땜납'이라고 한다.), 알루미늄, 특수강, 주철 등의 일부 금속을 제외하고는 철강, 동, 니켈, 납, 주석 및 이들 합금의 접합에 널리 쓰인다.
연납은 경납(hard solder)에 비해 기계적 강도가 낮으므로 강도를 필요로 하는 부분에는 부적당하다. 그러나 용융점이 낮고 납땜(soldering)이 용이하기 때문에 전기부품의 접합이나 기밀(氣密), 수밀(水密)을 필요로 하는 곳에 널리 사용된다. 보통 연납은 62 % Sn - 38 % Pb에 가까운 조성의 것을 사용하나, 납관 접합용에는 융해 온도 구역이 넓은 성분이 쓰인다. 자기용 땜납에는 주석-납-아연(Sn-Pb-Zn) 합금이 쓰이며, 납-카드뮴(Pb-Cd)계, 아연-카드뮴(Zn-Cd)계도 있다. 또 저융점 납땜으로는 비스무트-카드뮴-납-주석(Bi-Cd-Pb-Sn) 합금은 융점이 60-100 ℃ 의 것도 있다. 그러나 다른 땜납에 비해 강도가 작고 취약하다. 주로 전기부품의 납땜에 쓰인다.
대규모일 때에는 토오치 램프(torch lamp)나 가스 토오치 등을 사용하고 땜납의 형상으로는 봉 모양, 선 모양, 실 모양 등이 있으며, 특별한 것은 중공(中空)으로 된 선재 내부에 용제를 꽉 채운 것과 입자상의 땜납재에 용제를 혼합한 페이스트(phaste) 모양의 것이 있다.
⑵ 경납(hard solder)
융점이 450 ℃ 이상인 땜납재를 경납이라 한다. 경납은 연납에 비하여 용융점이 높고, 기계적 강도도 좋으므로 강도를 필요로 하는 장소든지 내열성, 내식성, 내마멸성을 필요로 하는 장소 또는 색채 등을 가능한 한 충족시키는 곳에 사용된다.
경납은 모재의 종류, 납땜 방법 또는 용도에 따라 여러 가지가 있다. 경납의 종류로는 은납, 황동납, 인동납, 알루미늄납, 니켈납 등이 있으며, 기타 특수 용도의 납이 몇 종 있다. 경납의 형상에는 선 모양, 세편상(?), 분말모양, 페이스트(phaste) 모양이 있고, 알루미늄-규소계의 납은 피복(?) 모양으로 된 것을 사용하고 있다.
① 은납(silver solder)
은납은 은-구리-아연(Ag-Cu-Zn) 합금 또는 카드뮴(Cd), 니켈(Ni) 및 주석(Sn)을 합금한 은 합금으로 경납 중 비교적 용융점이 낮아 작업이 쉽다. 또한 유동성이 좋고 강도 및 연신율이 우수하다. 알류미늄 및 마그네슘을 제외한 비철 합금과 철강과 동, 동합금 등의 납땜에 널리 사용된다.
② 황동납(brass solder)
황동납은 구리(Cu)와 아연(Zn) 60 % 이하를 합금한 동합금이며, 동, 동합금과 일부 철강 등의 납땜에 널리 사용된다. 융점은 850∼1050 ℃정도이다. 황동납의 결점은 전기 전도도가 낮고, 진동에 대한 저항이 적으며, 전해 작용을 받기 쉽다. 또한 아연의 증기압이 높으므로 납땜 작업 중 과열하면 아연이 증발하여, 이음부에 공공이 생겨서 이음부의 강도가 낮아진다. 따라서 1,000 ℃이상으로 가열하면 안된다.
③ 인동납(Phosphorus copper solder)
인동납은 구리(Cu)에 인(P) 또는 구리(Cu)에 인(P)과 은(Ag)을 합금한 동합금이며, 동이나 동합금의 납땜에 널리 사용된다.
이음부의 전기 전도도 및 기계적 성질이 좋고 황산 등에 대한 내식성도 우수하나, 철강 또는 니켈을 10 % 이상 함유한 합금의 땜납에 사용하면 취약하므로 주의해야 한다. 동과 동을 납땜할 때에는 용제가 필요 없으나 동합금에는 용제를 사용하며, 융점은 705-925 ℃ 정도이다.
④ 양은납(german silver solder)
양은납은 구리-아연-니켈(Cu-Zn-Ni) 합금이며, 니켈(Ni) 함유량이 많을수록 융점이 높고 색깔이 희게 된다. 보통 성분은 47 % Cu-11 % Zn-42% Ni 이며, 융점이 높고 강인하므로 동, 황동, 니켈 합금 철강 등의 납땜에 널리 사용된다.
⑤ 알루미늄납(Aluminum solder)
알루미늄납은 알루미늄(AL)을 주성분으로 하고 규소(Si), 구리(Cu) 등을 합금한 알루미늄 합금이며, 융점은 600 ℃ 정도이며, 모재와의 융점의 차이가 작으므로 납땜 작업의 온도관리를 주의해야 한다. 고력 알루미늄 합금은 융점이 낮으므로 납땜을 할 수 없다. 따라서 이들 합금은 보통 아연계 합금 등의 알루미늄 땜납이 사용된다.
⑥ 내열 합금용 납
내열 합금용 납에는 니켈-크롬(Ni-Cr)계, 은-망간(Ag-Mn)계, 구리-금(Cu-Au)계 등이 있으나, Ni-Cr계 납이 가장 좋으므로 많이 사용된다. 니켈 및 코발트계는 내열, 내식 재료인 제트 엔진, 가스 터빈, 스텐레스강 등의 납땜에 사용된다.
1.4.10.2 용제(flux)
용제는 용가제 및 모재 표면의 산화를 방지하고, 가열 중에 생성되는 금속 산화물을 녹여서 액상화하며, 땜납을 이음면에 침투시키는 역할을 한다. 따라서 융점이 땜납보다 낮고, 용제가 산화물로 되었을 때 땜납보다 가벼우며, 슬랙의 유동성이 좋고 또한 모재 및 땜납을 부식시키지 않는 것이 좋다. 용제는 이음면을 깨끗이 하고 이음면과 그 근처에 골고루 뿌리던가 또는 페이스트(phaste)로 만들어 칠한다. 또한 납땜 후 잔류 용제나 슬랙은 깨끗이 닦아내지 않으면 이음면의 부식을 촉진시킨다. 미국 용접 협회(AWS)에서는 다음 표와 같이 기본 용제와 모재와의 관계를 정했다.
<표 1> 모재에 따른 용제
|
AWS No. |
모재의 종류 |
납 |
용제의 유효 온도 범위(℃) |
용제의 주성분 |
사용형상 |
적용방식* |
|
1 |
알루미늄 및 그 합금 |
BAlSi |
371∼642 |
불화물
염화물 |
분말 |
1, 2, 3, 4 |
|
2 |
마그네슘과 그 합금 |
BMg |
482∼648 |
불화물
염화물 |
분말 |
3, 4 |
|
3 |
구리와 그 합금
니켈과 그 합금
스테인제스강
탄소강 및 합금강
주철 기타 철계 합금
귀금속 |
BCu, BCuP, BAg, BAgMn, BAu, BCuZn, BNi |
371∼1093 |
붕 사
붕 산
불화물
불화붕산염 |
분 말
풀모양
액 상 |
1, 2, 3 |
|
4 |
알루미늄 청동
알루미늄 황동 |
BAg, BCuZn, BCuP |
565∼981 |
붕산염
불화물
염화물 |
분 말
풀모양 |
1,2,3 |
|
5 |
AWS No. 3과 같은 것, 또는 금은 제외 |
BCu, BCuP, BAg, BAgMn, BAu, BCuZn, BNi |
538∼1204 |
붕 산
붕 사
붕산염 |
분 말
풀모양
액 상 |
1, 2, 3 |
|
6 |
티탄 및 지그코늄이 함유된 합금 |
BAg, BAgMn |
371∼871 |
불화물
염화물 |
분 말
풀모양 |
1, 2 ,3 |
<적용방식*>
1 : 분말을 이음부에 뿌린다.
2 : 땜납 봉 끝을 가열하여 용제 속에 넣는다.
3 : 물, 알코올 등과 혼합해서 쓴다.
4 : 침투 납땜법
⑴ 용접용 용제
① 염화아연(ZnCl2)
가장 많이 사용되는 염화 아연액을 만들려면 염산은 사기 그릇에 넣고 그 속에 아연을 넣어서 포화 용액으로 한다.
② 염산(HCl)
진한 염산을 물로 희석시킨 것이며, 아연 도금 강판의 납땜에 사용된다.
③ 염화 암모늄(NH4Cl)
산화물을 염화물로 만드는 작용이 있으며, 염화 아연에 혼합하여 사용된다. 이 외에 송진, 인산, 페이스트 등도 사용된다.
⑵ 경납용 용제
① 붕사 (NaB4O7·10H2O)
융점이 낮은 경납용 용제로 사용되며, 그 융점은 760 ℃정도이다. 붕사는 높은 온도로 가열하면 유리 모양으로 되는데, 이것은 금속 산화물을 용해, 흡수하는 성질을 지닌다. 융해 후의 점성이 비교적 높은 결점이 있으므로, 이밖에 식염, 붕산, 탄산나트륨 등과 혼합하여 사용된다. 알루미늄, 마그네슘, 크롬, 베릴륨 외에는 흔히 사용되고 있다.
② 붕산(H3BO4)
붕산은 백색 결정체로서 융점은 875 ℃정도이며, 산화물의 제거 능력이 약하기 때문에 일반적으로 붕산 70 %에 붕사 30 % 정도를 혼합하여 철강에 주로 사용한다.
③ 3NaF·AlF3
알루미늄, 나트륨의 불화물이며, 불순물의 용해력이 강하다.
④ Cu2O
붕사와 혼합하여 주철 납땜에 쓰인다. 이것은 탈탄제로 작용하며, 주철면의 흑연을 산화시켜서 납땜을 쉽게 한다.
⑤ 식염 NaCl
융점이 낮고 단독으로는 못쓴다. 또한 부식성이 강하므로 혼합제로 소량 사용된다.
⑶ 경금속용 용제
알루미늄, 마그네슘과 그 합금의 납땜에서는 모재 표면의 산화물이 대단히 견고하기 때문에 용제는 산화물을 용해하여 슬랙으로 제거하기 위해서는 강력한 산화물의 제거 작용이 필요하다. 대표적인 용제의 성분에는 염화리튬, 염화 나트륨, 염화칼륨, 불화리튬, 염화아연 등이 있으며, 이것을 적절히 배합하여 사용한다.
1.4.7.3 납땜 부위의 차폐 분위기: 가스 시일드(shielding atmosphere)
적절한 가스 시일드에서 납땜을 하게 되면 산화방지 또는 산화물의 환원 작용에 의해 땜납의 흐름이 좋아져서 용제를 사용하지 않아도 납땜을 할 수 있다. 이것은 부품의 형상이나 성질상 용제를 사용할 수 없을 때 또는 땜납 후에 잔류 용제의 제거 처리를 할 수 없을 때 이용된다. 가스 시일드로는 불활성 가스, 질소 가스, 도시 가스, 해리 암모니아 가스, 수소 가스, 및 진공 등이 사용된다. 도시 가스는 고온에서 산화물의 환원이 불충분하므로 산화물이 그다지 문제가 되지 않는 연강, 저합금강의 납땜에만 이용된다. 해리 암모니아가스(75 % H2 ＋25 % N2) 및 수소가스는 환원 작용이 강하고, 용제가 필요없는 스텐레스강의 납땜에도 가능하다. 티타늄, 지르코늄 등과 같은 활성 금속의 납땜에는 진공 납땜이 이용된다.
1.4.7.4 납땜 방법
납땜 작업은 이음면의 청정, 조립, 가열 및 후처리로 이루어진다. 이음면은 미리 탈지, 솔질, 약품 청정 등으로 전처리를 하여 깨끗이 하고 적당한 용제를 도포한 후, 미리 선정된 가열 방법을 이용하여 소정 온도로 일정 시간 유지하여 납땜을 한다. 또, 부식성 용제를 사용하였을 때는 납땜 후에 잔류 슬랙을 제거하여야 한다. 그리고, 납땜용 가열 장치를 선택할 때는 납땜하는 이음의 형상, 치수, 수량, 신뢰성 등에 대해서 종합적 견지에서 검토할 필요가 있다. 납땜 작업은 그 가열 방법에 따라서 다음과 같이 분류된다.
< 표 1 >
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납땜 방법 |
인두 납땜 |
땜인두, 가스 인두, 전기 인두 |
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불꽃 납땜 |
용접 토오치, 납땜 토오치, 특수 토오치 |
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침지 납땜 |
금속 욕조, 화학 약품 욕조 |
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전기 납땜 |
아크 가열, 저항 가열, 고주파 유도 가열 |
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노중 납땜 |
가스로, 경유로, 중유로, 전기로 |
⑴ 인두납땜(soldering iron brazing)
일반적으로 저온의 연납땜에 널리 사용되는 가장 간단한 장치며, 가열된 인두에서의 열전도에 의해 모재를 가열하고 땜납을 용융하여 납땜하는 방법이다. 납땜 온도가 높은 경납땜이나 열용량이 너무 큰 피용접물 등에는 부적당하다.
땜인두는 대부분 순동을 사용하며, 특수한 것은 소량의 티타늄(Ti), 규소(Si)를 함유한 동합금 또는 니켈(Ni)나 철(Fe) 등으로 도금하여 내식성 내구성을 좋게 한 것도 사용된다.
⑵ 가스 납땜(gas brazing)
토치 램프, 산소-아세틸렌 불꽃, 산소-프로판 불꽃 등으로 가열하여 납땜하는 방법이다. 일반적으로 가스 불꽃은 약간 환원성의 것이 좋으며, 용제는 이음면과 땜납의 양쪽에 도포하여 사용된다. 이음에는 불꽃의 외측을 대고 속불꽃은 닿지 않게 한다.
또 부품의 치수, 형상 및 열용량에 따라서 예열도 한다. 너무 과열하면 납땜의 확산 및 산화를 초래하기 쉬우며, 용제의 녹는 정도를 보고 이음의 온도를 추정할 수 있다.
⑶ 저항 납땜(resistance brazing)
납땜할 이음부에 용제를 바르고, 납땜재를 삽입하여 저항열로 가열하는 방법이다. 구조상 두 종류가 있으며 하나는 전극에 탄소 또는 흑연을 사용하여, 전극에 발생한 저항열로 납땜부를 가열하는 간접가열법과 전극에 텅스텐, 동합금 등을 사용하여 납땜부의 저항열을이용하여 납땜하는 직접가열법이 있다. 이 방법에서는 스폿 용접이 곤란한 금속의 납땜에 적당하다.
⑷ 로내 납땜(Furnace brazing)
로내 납땜은 전열이나 가스 불꽃 등으로 가열된 로내에서 납땜하는 방법이다. 이 방법은 온도 조절이 균일하므로, 정밀 이음이 가능하며, 납땜재는 미리 이음면에 삽입하여 로내에 넣는다. 비교적 작은 부품의 대량 생산에 적합하며, 또 분위기는 수소와 해리 암모니아 가스를 사용할 때가 많다.
⑸ 침지 납땜(dip brazing)
침지 납땜은 이음면에 땜납을 삽입하여, 미리 가열된 염욕(salt bath)에 침지하여 가열하는 방법과 납땜부를 용제가 들어 있는 용융땜 조에 침지하여 납땜하는 두 방법이 있다.
⑹ 고주파 납땜
땜납과 용제를 삽입한 틈을 고주파 전류를 이용하여 가열하는 납땜법이다. 자성이 있는 금속에서는 유도전류에 의한 가열이 주가 되며, 비자성의 금속에서는 과전류에 의한 가열이 주가 된다. 가열 코일은 부품에 다라서 적당한 형상과 용량이 사용된다. 이 방법은 가열 시간이 짧고 작업이 용이하나, 국부 가열에 의한 변형이 다르기 쉽다.
(참고) 용어설명
용가재(filler metal): 용착부를 만들기 위하여 녹여서 첨가하는 금속, 따라서 용접봉은 용가재에 속한다.
용극(consumable electrode) : 각종 아크 용접 및 아크 절단에서 아크중에서 아크 중에서 용융하여 소모되는 전극
용접금속(weld metal) : 용접부의 일부이며, 용접하는 동안 용융되었다가 응고된 금속
용접부(weld zone) : 용접 금속 및 그 근처를 포함한 부분의 총칭
용착부(weld metal zone) : 용접부안에서 용접하는 동안에 용융 응고한 부분
용착금속(deposited metal) : 용접 작업에 의하여 용가재로부터 모재에 용착한 금속
용착비드(weld bead) : 용접을 할 때 1회의 패스(지나감)에 의하여 나타난 용착금속
용융(fusion) : 두 개의 금속을 용융하여 완전히 하나게 되게 하는 것
용융지(molten weld pool, puddle) : 아크 또는 불꽃 등의 열원 부근에서 금속의 일부가 용해하여 만들어진, 용융 금속이 고여 있는 곳으로 용가재(즉 용접봉)의 금속과 용접하고자 하는 모재가 같이 녹아 용융지를 형성한다.
용제(welding flux) : 용접을 할 때 산화물, 기타 해로운 물질을 용융 금속에서 분리하고 제거하기 위하여 쓰이는 것
용제 함유 와이어 전극(flux cored wire electrode) : 용접용 와이어나 파이프 모양으로 되어 있어 그내부에 아크의 안정화, 탈산등의 목적으로 용제가 가득차 있는 것
스페터(spatter)현상 : 아크용접에서 용접봉 또는 용융지에서 작은 입자의 용적들이 비산되는 현상으로 이것이 지나치면 용착손실과 용접상태 불량, 청소작업이 필요하다.
슬랙(slag) :용착부에 나타난 비금속 물질
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