특수용접내용요약

[kcwelding]

 

 특수 용접

 불활성 가스 아크 용접

    ◐ 원리 :

      용접부의 대기 노출을 차단하기 위해 특수 토오치에서 Ar, He 등 물리적, 화학적으로 안정된 불활성 가스(inert gas)를 용접부에 공급하면서 아크로 용접하는 방법.

    ◐ 분류

        - 불용(비소모식) 전극식 : 전극이 아크열에 의하여 녹지 않는다.

                                (ex. TIG 용접이 대표적)

       - 가용(소모식) 전극식 : 전극이 아크열에 의하여 녹는다.

                                (ex. MIG용접이 대표적)

  ◐ 적용 : 알루미늄 경합금, 구리 및 구리합금, 스테인레스鋼의 용접 시

4-2 TIG(Tungsten Inert Gas) 용접

   ◐ 원리 : 불활성가스 텅스텐 아아크 용접(shielded inert gas tungsten arc welding : GTAW)이라고도 하며, 용접 시 소모되지않는 텅스텐 전극봉을 사용한다.

   ◐ 특징

       - 아크가 매우 안정되고 용접부의 품질이 우수하다. 따라서 산화나 질화에 민감한 재질의 용접에 사용한다.

       - MIG 용접에 비하여 속도가 느려 생산성이 낮다.

       - 아크 발생 시 통상 고주파, 고전압의 교류전원이 사용되므로 원활한 아크 개시가 가능하나 주변의 관련 전자기기에 치명적인 영향을 줄 수 있다. ☞ 최근 고전압 직류전원식이 개발, 적용되고 있다.

4-2-1 TIG 용접의 특성

  직류, 교류 모두에 사용 가능하나 직류전원일 경우 극성에 따른 특성을 확인하고 용접 시공을 해야한다.

  ◐ 직류용접

     ① 정극성(DC Straight Polarity : DCSP)

        모재를 양(+)극 텅스텐 전극을 음(-)극으로 접속한 것으로 電子(-)는 전극에서 모재로 가스이온 (+)은 모재에서 전극쪽으로 흐른다.

전극 (-)	전자	모재 (+)
	―――――→ ←―――――
	가스 이온

     ☞ 고속의 전자가 모재에 충돌하여 모재가 더욱 열을 받아 비이드 폭이 좁지만 용입이 매우 깊다.

     ☞ 청정작용이 없다.

    ② 역극성(DC Reversed Polarity : DCRP)

       전극을 (+), 모재를 (-)로 접속한 것으로 電子(-)는 모재에서 전극쪽으로, 가스이온(+)은 전극에서 모재쪽으로 흐른다.

전극 (+)	전자	모재 (-)
	←――――― ―――――→
	가스 이온

     ☞ 電子가 전극에 충돌하므로 전극의 끝이 쉽게 과열되어 용융된다. 따라서  정극성일 때 보다 직경이 큰 전극을 쓴다.

        → 예) 125A : 정극성 →φ1.6(㎜)의 전극, 역극성 →φ6.4(㎜)의 전극

        → 따라서 TIG용접에서는 전극보호를 위해 정극성을 이용한다.

      ☞ 電子가 튀어나오는 모재의 범위가 넓어 열의 집중이 약하므로 비이드의 폭은 넓지만 용입이 얕다.

     ☞ 전극으로부터 가속된 가스이온이 모재에 충돌하여 모재 표면의 산화물이 파괴되어 산화막이 제거되므로 청정효과가 있다.

        → 가벼운 불활성가스(He)는 효과가 적다.

        → Al, Mg과 같이 강하고 용융점이 높은 산화막이 있는 금속재료의 용접에 유리하다.         

◐ 교류용접

   - 직류 정극성과 역극성이 혼합된 용접특성을 보여준다.

      ☞ 각 특성의 특징을 이용할 수 있다.

   - 전극은 비교적 작아도 되며, Ar가스 사용 시 경합금의 산화피막 청정작용을 나타낸다.

  ① 정류작용(整流作用)

     교류용접의 경우 전류는 1/2주기마다 그 극성이 바뀌므로 모재는 같은 주기마다 (+) 또는 (-)로 변한다. 모재가 (-)일 경우 모재표면의 수분, 산화물, 스케일 등에 의해 전자의 방출이 어려워져 전류가 쉽게 흐르지 못하는 반면 전극이 (-)일 경우엔 다량의 전자가 방출되어 전류가 쉽게 흐른다. 이러한 전류 불평형으로 인해 부분적으로 整流효과가 나타나게 된다.

☞ 아아크가 불안정하게 된다.

    → 고전압, 고주파, 저출력의 추가전류 도입으로 모재 표면의 산화물을 부수고 용접전류의 회로를 형성하며 다음과 같은 장점이 있게 된다.

       장점) ▷ 전극을 모재에 접촉시키지 않아도 아아크가 발생한다.

             ▷ 전극의 수명이 향상된다.

             ▷ 아아크가 대단히 안정, 아아크가 길어져도 절단되지 않음.

             ▷ 일정지름의 전극에 대해 광범위한 전류의 사용이 가능하다.

☞ 정류작용으로 인해 불평형전류가 흐르면 1차 전류의 증가로 교류용접기의 변압기가 가열되어 소손(燒損)을 일으킬 수 있다.

   → 2차 회로에 콘덴서(condenser) 삽입으로 해결(평형형 교류용접기)

4-2-2 TIG 용접 장치

  ◐ 용접 토오치

    가스 노즐과 함께 전극봉용 척이 고정되어 있으며, 사용전류(75～500A)의 대소에 따라 공냉식(소전류)과 수냉식(대전류)이 있다.

  ◐ 텅스텐 전극봉

    극성과 불활성가스의 종류에 따라 최고 허용전류치가 결정. 아아크를 안정되게 하기 위해 電子방사가 잘되는 높은 전류를 사용하는 것이 좋다.

       1) 토륨 텅스텐 전극

          - 電子방사능력이 양호하여 저전압, 저전류에서 아아크발생 용이.

          - 전극의 동작온도가 낮으므로 접촉에 의한 오손이 적다.

          - 직류 정극성에 적합하나, 값이 비싸다.

       2) 순 텅스텐 전극

          - 동작온도가 높으므로 접촉에 의한 오손이 크다.

          ☞ 오손은 電子방사를 방해하므로 전극의 끝을 수시로 연마한다.

          ☞ 아아크를 멈춘 후 300℃까지는 불활성가스를 분출하여 전극의 산화를 막아야 한다.

          ☞ 직류 역극성과 교류용접에 적합하다.

  ◐ 불활성가스

     주로 Ar가스를 많이 사용한다. 유량이 많으면 난류가 생겨서 아아크의 안정을 저해하고 包被面積을 오히려 적게하므로 적절히 조절해야 한다.

       ☞ 용접 전후에 가스를 약간 유출시키는 이유

          前) 도관이나 토오치에 있는 잔류공기의 배출 목적

          後) 가열된 용접부나 전극이 산화 또는 질화되는 것을 방지.

4-2-3 TIG 용접의 작업 준비

  ◐ 이음부의 청소

    이음부 표면의 산화막, 스케일, 오물, 기름, 녹 등을 완전 제거한다.

     ☞ 청소 불량 시 용접부에 기공이나 균열 발생 용이, 내식성 저하 초래

     ☞ 와이어 브러쉬, 페이퍼, 이염화탄소, 삼염화에틸렌 등 사용

  ◐ 이음 형식(106P, 그림 4.10 참조)

     - 맛대기, 변두리, 플랜지, 겹치기, 모서리, 필릿 이음 등

  ◐ 뒤받침 용접(weld backup)

     - 목적 : 용접부 뒷면이 대기에 의해 기공발생 또는 표면이 거칠어지는 것을 방지하고, 모재에서 용융금속이 용락되는 것을 방지

     - 형식 :

        ① 금속을 루트 뒷면에 받쳐 놓는다.

        ② 용접부 뒷면에 불활성가스를 흐르게 한다.

        ③ 뒷면에 입상의 플럭스를 녹여 도포한다. 등등

4-2-4 TIG 용접의 작업 요령

  ◐ 아크의 발생과 중단법

     - TIG 용접에서는 고주파를 이용하므로 전극을 모재에 접촉시키지 않고 아크를 발생시킨다.

     - 아크 발생을 위한 모재와 토오치의 이격거리(109P, 그림 4.12 참조)

        아크 발생전 50mm 이격→10mm 이격→아크 발생 후 3～4mm 이격

     - 아크 발생 시 전극과 모재가 접촉되면 전극 팁이 오염→아크 불안정

     - 아크를 멈출때에는 재빨리 토오치를 모재로부터 이격시킨다.

  ◐ 용접법에 따른 특징

     - 겹치기 용접(110P, 그림 4.16)

        ☞ 아래판에 용융 풀을 먼저 만든다.

        ☞ 아크길이를 1.6～2mm 이격 후 두판을 완전 융합

        ☞ 두판의 용융 후 토오치는 용접방향으로 진행

     - 수평필릿용접(111P, 그림 4.18)

        ☞ 용접선이 거의 수평을 이루며, 비드가 횡방향이다.

        ☞ 수직판이 아래판에 비해 용융이 용이, 구멍, 언더컷의 발생 원인

     - 모서리, 변두리 용접(111P, 그림 4.19)

        ☞ TIG 용접 중 가장 용접이 용이

        ☞ 용접 시작점에 용융 풀을 만들고 이음선을 따라 토오치 진행

     - 수직용접(111P, 그림 4.20) : 토오치가 모재에 수직

     - 다층용접(multi-pass welding)

        ☞ 모재 두께가 6mm이상의 후판 용접 시 여러번 반복하여 용접

        ☞ 조선, 중공업, 대형 구조물 용접시 적용

        ☞ 선행패스가 후행패스의 열영향을 그대로 받으므로 조직이 복잡하고 경계부의 미세조직 변화가 균열을 야기할 수 있다.

4-3 MIG 용접

  ◐ 원리

     불활성가스 금속 아아크 용접법(shielded inert gas metal arc welding : GMAW)이라고도 하며, 불활성가스를 이용하여 아크나 용융금속을 공기로부터 차단, 보호하고 지름 1.0～2.4㎜의 전극 와이어(裸心線)를 일정 속도로 토오치에 송급하여 와이어와 모재사이에 아아크를 발생시켜 용접하는 방법.

  ◐ 특징

     ☞ 직류의 정전압특성과 상승특성을 주로 용접전원으로 사용한다.

     ☞ Al과 Al합금, 스테인레스鋼, 銅과 銅합금의 용접에 주로 사용한다.

     ☞ 경제성이라는 측면에서 鋼의 용접에는 잘 쓰지 않음.

     ☞ 전류밀도가 높고 비드 외관이 미려하다.

     ☞ TIG 용접에 비해서는 고능률적, 3mm 이상의 후판용접에 적합.

4-3-1. MIG 용접 아아크의 특성

   ◐ 溶入의 상태가 TIG 용접과는 정반대이다.

      - 역극성

        ☞ 모재(-), 전극(+)

        ☞ 스프레이型의 금속이행을 하며 금속이온(+)과 Ar 양(+)이온이 모재에 충돌하여 모재를 격렬히 가열하므로 깊은 용입(유두형)이 생긴다.

     - 정극성

        ☞ 모재(+), 전극(-)

        ☞ 모재에서 방사하는 금속이온(+)과 Ar 양(+)이온이 전극의 선단부에 충돌하여 용적을 끌어올려 낙하를 방해하므로 전극선단이 평평해지고, 중력에 의해 용적이 낙하하는 粒滴型의 금속이행이 생겨 용입은 비교적 얕고 넓다.

      

    ※ 이상의 비교로부터 MIG 용접에서는 직류용접의 역극성을 사용한다.

  ◐ 직류 역극성을 사용할 경우, Al, Mg 등의 경합금을 용접할 때 Ar가스 이온이 모재에 충돌하여 표면 산화막에 대한 청정작용을 한다.

  ◐ 전류밀도가 대단히 커서 피복 아아크 용접의 6～8배 정도이다.

      ☞ 전류밀도가 크면 용적이 작게 형성되어 입적이행보다는 스프레이 이행이 생긴다. 따라서 아크도 안정되고 스패터도 적으며, TIG 용접에 비해 표면이 대단히 미세하고 아름다운 비이드를 얻게된다.

  ◐ 아아크가 강한 指向性을 가지므로 어떤 자세의 용접도 가능하며, TIG 용접에 비해 능률이 높아 3～4㎜ 두께 이상의 용접에 사용한다.

 

  ◐ MIG 용접 아아크의 자기제어 기능

      ☞ 동일 전류 아래에서 아크전압이 크게 되면 용융속도가 저하된다.

      ☞ 어떤 원인에 의해 아크길이가 길어지거나 짧아지더라도 그에 따른 용융속도의 증감에 의해 아크의 길이가 원래 길이로 복귀한다.

4-3-2. MIG 용접 장치

  ◐ 구성 :

     와이어 공급장치, 와이어 리일, 제어장치, Ar가스 실린더, 조정기,

     용접전원, 케이블 등으로 구성됨.

  ◐ 心線 移送 器具

     가장 중요하고 문제시 되는 장치, 와이어의 이송법에 따라 분류됨.

      ☞ 푸시식(미는식), 풀식(당기는식), 푸시 풀식(밀고 당기는 식)

  ◐ 제어장치

     Ar가스의 개폐, 용접 와이어의 기동과 정지 및 속도, 용접 전류의 투입 및 차단 등을 제어.

  ◐ 토오치 : 냉각 방식에 따라 공랭식과 수냉식으로 분류.

  ◐ 용접준비

    - MIG 용접에서는 아크가 집중적이고 속도가 빠르므로 용착금속의 응고가 TIG 용접보다 빠르다.

       ☞ 용접 시 발생된 가스가 용착금속 중에 잔류되어 기포 형성이 용이하므로 용접 균열로의 진전을 주의

    - 용접 전 용접이음부의 청소와 와이어의 건조가 중요하다.

4-3-3. 전자동 용접

        와이어의 송급이나 토오치의 이송 등이 자동적으로 진행

  ◐ 아아크의 길이는 짧게한다.

      ☞ 용입이 깊은 비이드가 얻어지며 용접속도를 높일 수 있다.

         → 스패터나 기포 발생에 주의해야 한다.

  ◐ 직류 역극성을 쓴다.

  ◐ 아아크가 불안정하지 않는한 저전류에 굵은 와이어를 쓴다.

     (∵ 전류밀도가 크면 기포가 많아진다.)

  ◐ 공급되는 와이어가 굽어져 있으면 용입이 쏠리고 가스 시일드 범위에서 빠져나갈 수 있으므로 와이어 송급 로울러의 조정 필요.

4-4 탄산가스 아아크 용접(CO₂ gas arc welding)

  ◐ 특징

     - GMAW용접의 일종, 차폐가스로 CO₂ 가스를 이용

     - Ar, He 등의 비싼 불활성가스를 사용한 TIG, MIG 용접에 비해 저렴

     - 스패터와 슬랙의 발생이 많고 비드 외관이 미려하지 못하다.

  ◐ 화학반응

    CO₂ ⇄ CO + O

     ☞ CO₂ 가스는 아아크 열에 의해 解離되어 다량의 산소를 발생

    Fe + O ⇄ FeO

     ☞ 강한 산화성 분위기 중에서 철은 산소와 결합하여 산화철이 된다

    FeO + C ⇄ Fe + CO↑

     ☞ 이것은 다시 용강중의 탄소에 의해 철과 일산화탄소로 분해된다. 이 반응은 응고점 근처에서 활발하게 일어나므로 CO 가스가 미쳐 빠져나가지 못해 용착금속에 많은 기포를 남긴다. 이것을 방지하기 위해 용접 와이어에 Mn, Si 등과 같은 탈산제를 첨가한다.

     2FeO + Si ⇄ 2Fe + SiO₂

     FeO + Mn ⇄ Fe + MnO

  ◐ 전극

     전극 와이어의 역할에 따라 용극식(소모식)과 비용극식(비소모식)으로 분류하지만 대부분은 용극식이다.

4-5 서브머지드 아아크 용접(潛弧용접, submerged arc welding)

4-4-1 원리

   ◐ 원리 

     용접선상의 전방에 용제 호퍼를 통해 입상의 플럭스를 미리 산포하고 그 속에 용접와이어(裸心線)를 자동으로 송급하여 매몰된 상태로 와이어 선단과 모재 사이에 아크를 발생시켜 아크열로 용접하는 방법

  ◐ 특징

     - 플럭스가 아크와 용융금속을 덮어 대기의 침입을 방지한다.

       ☞ 아크가 플럭스 중에서 발생하므로 바깥에서는 불꽃을 볼 수 없어 潛弧용접이라 한다.

     - 용착속도가 빠르고 용입이 깊은 고능률 용접이 가능하다.

     - 아래보기 자세나 수평필릿 자세에만 적용이 가능하다.

     - 거의 대부분의 강종에 대해서 용접이 가능하다.

        ☞ 炭素鋼, 合金鋼, 스테인레스鋼, 실리콘靑銅, 알루미늄靑銅, 모넬合金(monel metal), 기타 非鐵合金 등.

  ◐ 용접전원과 와이어의 송급

     - 와이어의 송급속도는 전압 제어 장치에 의해 조절된다.

     - 용접 전원은 수하특성을 가지므로 어느 순간 아아크의 길이가 길어져도 전류의 변화는 거의 없다. 반면 전압은 큰 폭으로 증가하므로 이 때 이송속도를 빠르게 제어하여 와이어 先端과 모재사이의 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다.

4-4-2 溶劑(flux)

  ◐ 구분  

     ① 성질에 따라

         - 酸性溶劑 : 칼슘과 알루미늄의 규산화합물이 주성분

         - 鹽基性溶劑 : 광물질이 주성분

     ② 제조법에 따라

        - 용융용제(fused flux) : 광물성 원료를 적당 비율로 혼합한 후 아아크爐에서 1300℃ 이상으로 가열하여 용해, 응고시킨 다음 적절한 粒度(mesh)로 분쇄한 것. 흡습성이 적은 것이 특징이다.

        - 소결용제(sintered flux) : 광물성 원료 및 합금 분말을 규산 나트륨과 같은 점결제로 혼합한 뒤 이들이 용해되지 않을 정도의 400～1000℃의 온도에서 적절한 粒度로 燒結한 것.

           ☞ FeSi, FeMn 등을 함유하므로 강력한 탈산작용이 있다.

           ☞ 용착금속에 대한 합금 첨가원소로 Ni, Cr, Mo, V 등을 함유 가능.

           ☞ 고장력강, 저합금강, 스테인레스강의 용접에 적합하다.

           ☞ 燒結溫度에 따라

              → 혼성형 용제(bonded flux) : 300～500℃

              → 燒成型 용제(baked flux) : 750～1000℃

4-4-3 心線(wire)

  ◐ 용착금속에는 용제의 구성성분인 SiO₂에서 Si를 다량으로 흡수

     하게 되므로 와이어에는 Si량을 감소시키는 성분을 첨가하게 된다.

  ◐ 피복하지 않은 心線을 사용한다.

  ◐ 접촉팁과의 전기적인 접촉을 양호하게 하기 위해, 방식을 위해 구리로 도금하여 사용한다.

  ◐ 저합금강, 고장력강

        →기계적 성질의 향상을 위해 Mo, Ni, Cr 등을 첨가.

          C=0.13%, Mn=1.95%, Si=0.03%, Mo=0.5%

  ◐ 보통 구조용강

        →C=0.08～0.13%, Mn=0.5～1.95%, Si=0.03%

4-6 원자 수소 용접(atomic hydrogen welding)

 ◐ 원리

     수소가스 분위기중에서 두 개의 텅스텐 전극 사이에 아크를 발생시키면 분자상의 수소, H2는 아크열에 의해 해리되어 원자상의 수소, H로 되고, H가 모재의 표면 근처에서 냉각되어 H2로 될 때 발생(방출)되는 열(3000～4000℃)을 이용하여 용접하는 방법

                            (흡열)        (발열)

     H₂    →    2H    →    H₂

                     (분자상태)   (원자상태)    (분자상태)

   ◐ 특징

      - 텅스텐봉의 소모가 적다(용융점이 매우 높기 때문)

      - 수소가스 분위기에서 행해지므로 酸化나 窒化 작용 방지.

         ☞ 특수합금, 얇은 금속판의 용접이 용이하다.

      - 연성이 풍부하며 다듬질이 필요없을 정도로 표면

        이 매끈한 용접부를 얻을 수 있다.

      - 현재는 불활성 가스 아크용접으로 대체되어 거의 사용이 안됨.

4-7 스텃 용접(stud welding)

 ◐ 원리 : 지름이 작고 길이가 짧은 강철봉이나 황동제의 스텃 볼트를 평판의 모재 위에 수직으로 세워 용접하는 방법. 현장에서는 전압강하, 아아크의 불안정 등을 고려하여 주로 직류전원을 채용.

  ◐ 구성 : 용접건, 스텃척, 전자석, 통전용 방아쇠

 

 ◐ 용접방법

     ① 용접 건(welding gun)의 척에 스텃 볼트를 끼운다

     ② 스텃 끝에 페루울(ferrule, 둥근 도자기)을 붙인다.

     ③ 용접 건의 통전용 방아쇠를 당기면 통전과 함께 전자석의 작용으로 스텃 볼트가 모재 표면에서 약간 올려지며 아크가 발생(0.1～2초).

     ④ 아아크가 소멸되면 전자석에 전류가 차단

     ⑤ 스프링에 의해 스텃 볼트는 용융푸울에 눌려져서 용접이 된다.

  ◐ 페루울(ferrule)의 역할

     ① 아아크 열의 집중

     ② 용융금속을 대기와 차단

     ③ 용융금속이 흐트러지는 것을 방지

     ④ 용융금속의 정련

4-8 일렉트로 슬랙 용접(electro slag welding)

  ◐ 원리

     용접 홈속에 집어 넣은 전극 와이어와 용융 슬랙사이에 통전하여 발생하는 전류의 저항熱을 이용하여 모재와 전극 와이어를 용융시키는 방법으로 아주 두꺼운 鐵鋼材의 용접에 이용되는 획기적인 방법.

  ◐ 용접절차

     ① 용융슬래그와 용융금속이 용접부에서 흘러나오지 않도록 수냉 구리판으로 둘러싼다.

     ② 미끄럼판(수냉동판)과 모재사이에 용제(flux)가루를 공급한다.

     ③ 모재와 용제사이에 전류를 통하면 순간적으로 아크가 발생한다.

     ④ 아크는 용제, 전극 와이어, 모재를 녹이며 동시에 슬랙이 형성된다.

     ⑤ 아크가 소멸되더라도 통전을 계속하면 전극 와이어와 용융 슬랙사이의 저항열에 의해 용접이 계속된다.

     ⑥ 미끄럼판을 위쪽으로 이동, 연속주조방식으로 垂直上進熔接 한다.

     ⑦ 피용접물의 두께에 따라 전극와이어의 수를 증가.(보통 1～3개)

  ◐ 특징

     ① 복잡한 그루브의 가동이 필요없다.

     ② I 그루브 형태에서 용접이 가능하다.

     ③ 대전류 용접에 적합하며 고능률적이다.

4-9 일렉트로 가스 아아크 용접(electro gas arc welding)

  ◐ 원리

      ☞ 일렉트로 슬랙 용접과 거의 같으며 垂直上進熔接을 한다.

      ☞ 일렉트로 슬랙 용접은 용융 슬랙속에서 전극 심선과 슬랙사이의 저항열을 이용하지만, 일렉트로 가스 아아크 용접은 탄산가스(CO₂) 분위기속에서 아크를 발생시키고 이 열로 모재와 심선을 녹인다.

      ☞ 시일드 가스로는 CO₂ 또는 CO₂ + O₂를 사용한다.

◐ 특징

    ☞ 두께 20mm 이상의 후판 용접 시 수동용접에 비하여 속도가 빠르다.

    ☞ 품질이 균일한 장점이 있다.

4-10 電着熔接(electro deposition welding)

  ◐ 원리 : 두 개의 금속조각을 0.01㎜정도 간격으로 마주보게 놓고 이것을 음(-)극으로 하여 전기분해하면 분리된 금속이 그 틈 사이에 침전 부착하여 결합되는 방법.

  ◐ 특징   

     ☞ 재료의 가열이 없으므로 변형이 생기지 않는다.

     ☞ 異種金屬의 용접이 가능하다.

     ☞ 용접후 열처리를 하면 電着金屬을 모재속에 확산시켜 강력한 합금으로 만들 수 있다.

4-11 전자 비임 용접(electron beam welding)

  ◐ 원리 : 높은 진공상태(10^-4～10^-6mmHg)에서 전자총 내부의 赤熱된 필라멘트에서 방출된 열전자를 높은 전압에서 가속시킨 후 접합부에 照射하면 충돌에너지로 인해 고열이 발생한다. 이 열을 이용하여 국부적으로 熔融 용접하는 방법. 전자의 산란은 공기 입자와의 충돌로 인해 에너지의 감소를 가져오기 때문에 반드시 진공 분위기에서 용접을 행하게 되며 이러한 분위기는 부수적으로 필라멘트(2000℃)의 산화를 방지하게 된다. 우주항공분야에서 신소재나 특수합금의 접합에 이용된다.

 ◐ 장점

            ① 모재의 변형과 기계적 성질의 변화를 최소화할 수 있다.

            ② 비드의 폭에 비하여 용입이 깊다.

            ③ 모재의 오염 발생을 최소화할 수 있다.

            ④ 용접품질이 우수하다.

  ◐ 단점

            ① 진공실에서 작업하므로 용접물의 크기가 제한적이다.

            ② 용접時 주변 상황 변화에 따른 조절이 어렵다.

            ③ 진공상태를 만드는데 시간이 소요된다.

4-12 테르밋 용접(thermit welding)

  ◐ 원리 : 미세한 Al 분말과 산화철 분말(FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄)을 3～4:1로 혼합한 테르밋제에 과산화바륨과 마그네슘 분말을 혼합한 점화제를 넣고 불을 가하면 高熱(2800℃)이 발생한다. 이 때 산화철은 還元되어 용융상태의 순철(Fe)이 되며 이것이 용접봉(용가재)의 역할을 수행하여 모재의 용접이 가능하게 된다.

 ◐ 화학반응

      3FeO + 2Al → 3Fe + Al₂O₃

      Fe₂O₃ + 2Al → 2Fe + Al₂O₃ + 189.1 kcal

      3Fe₃O₄ + 8Al → 9Fe + 4Al₂O₃ + 702.5 kcal

  ◐ 특징

      - 지금은 거의 사용되지 않는 가장 오래된 용접법.

      - 용접작업이 간단하고 모재의 변형이 적다.

      - 야외에서 철도레일 등의 용접에 이용된다.

4-13 저온용접(low temperature welding)

  ◐ 원리 : 모재와 같은 계열의 共晶合金을 용접봉으로 하고 가스용접 토치로 가열하면 용접봉이 용융되면서 모재와 공정반응을 일으킨다.

  ◐ 특징

     ☞ 일반 가스용접이나 아크용접보다 낮은 온도에서 용접 시공.

     ☞ 공정합금으로 제작된 용접봉이 모재의 용융점보다 낮은 온도에서 용접하므로 모재의 변질과 변형이 작다.

     ☞ 용접봉으로 사용되는 共晶合金은 유동성이 크고 結晶이 치밀하므로 강도가 큰 용접부가 얻어짐.

     ☞ 가스 및 전력의 소비량이 적다.

※ 공정반응 : 합금의 상태도에서 액상선과 고상선이 서로 만나는 최저 융점에서의 반응을 말하며, 이 온도점에서 두 固相이 동시에 晶出된다. 즉 Ag-Cu와 같이 공정반응을 하는 금속이나 합금 끼리 접합 시, 접합온도로 가열, 유지하면 계면에서 공정반응에 의해 액상이 생성되어 확산 접합된다.

4-14 넌 시일드 아아크 용접(non shielded arc welding)

  ◐ 원리 : 脫酸劑와 脫窒劑를 적당히 첨가한 솔리드 와이어를 전극으로 하여 모재와의 사이에 아아크를 발생시켜 용접하는 방법으로 시일드 가스가 없다.

  ◐ 분류

     ① 넌 가스 넌 플럭스 아아크 용접(non gas non flux arc welding process)

        - 직류전류를 이용하며 낮은 용접전류에서도 안정된 아아크를 얻을 수 있다.

        - 얇은 판의 용접에 적합하다.

     ② 넌 가스 아아크 용접법(non gas arc welding process)

        - 탈산제, 슬랙 형성 물질, 아아크 안정제, 탈질제 등을 섞은 용제(flux)를 와이어에 넣어 사용한다.

        - 직류/교류 어느 것이나 사용 가능하다.

        - 비교적 큰 전류로 적당히 두꺼운 판의 용접에도 사용할 수 있다.

        - CO₂ 아아크 용접보다 용접성이 떨어진다.

4-15 표면경화(hard facing, hard surfacing)

  ◐ 원리 : 마모가 생긴 부품을 수리, 재생시키거나 또는 마모를 줄일 목적으로 부품의 표면에 내마모성이 큰 금속을 용접하는 기술.

  ◐ 경화용 용접봉의 종류

        ① 高 磨耗抵抗用

           - 마모저항이 큰 금속의 용착

           - 열충격에 의한 크랙 발생 억제

           - 충격 마모저항용으로는 쓸 수 없다.

        ② 중간 磨耗 및 衝擊抵抗用

           - 硬度 감소와 함께 인성을 부여한다.

           - 가장 일반적이다.

        ③ 高 衝擊抵抗 및 중간 磨耗抵抗用

           - 표면은 단단하지만 내부엔 軟性이 있다.

4-16 플라스틱 용접

  ◐ 원리 : 열 및 용가재를 사용하여 플라스틱을 용접하는 방법. 플라스틱은 열에 반응하는 상태에 따라 熱可塑性樹脂(thermo-plastics)와 熱硬化性樹脂(thermosetting-plastics)로 나눌 수 있다.

 ◐ 구분 

     ① 熱可塑性樹脂

        - 열을 가하면 연화, 용융하며 열을 제거하면 처음의 고체상태로 회복되므로 용접이 가능하다.

        - 熱器具熔接, 摩擦熔接, 熱風熔接, 高周波熔接

     ② 熱硬化性樹脂

        - 가열하면 경화, 燃燒하므로 열을 제거해도 원래의 固體로 되지 않는다. ☞ 용접이 불가능하다.

        - 접착제, 리벳, 보울트, 너트 등에 의한 기계적인 접합을 이용한다.

4-17 플라즈마 용접(plasma welding)

  ◐ 원리 : 노즐내의 텅스텐 전극과 모재, 또는 전극과 토치의 팁사이에서 아크를 발생시켜, 전극 주위에서 작동가스를 선회기류로 공급하면 노즐 내부에서 아크열로 가열 팽창된 고온가스(플라즈마)가  토치의 노즐에서 고속으로 분출되어 용접하는 방법. 아크 플라즈마의 온도는 약 10,000～18,000℃에 달한다.

  ◐ 구분

      ① 플라즈마 아아크 용접법 (이행형 아크 : transferred arc)

         전극(-)과 모재(+)사이에 아아크를 발생시킨다. 발생하는 열이 높아 주로 금속재료의 용접에 이용한다.

      ② 플라즈마 제트 용접법 (비이행형 아크 : non-transferred arc)

         전극(-)과 토오치 팁(+)사이에서 아아크를 발생시킨다. 주로 비금속재료의 용접에 이용된다.

※ 플라즈마 : 기체를 수천도의 높은 온도로 가열하면 그속의 가스 원자가 원자핵과 전자로 유리되어 양(+), 음(-)이온의 상태가 되며 이것을 플라즈마라고 한다. 아크용접에서의 아크기둥도 플라즈마 상태이다.

   ◐ 사용되는 가스

      플라즈마를 발생시키기 위한 作動가스로는 주로 Ar을 사용하며, 용접금속을 보호하기 위한 被包가스로는 Ar(경제적), He 등을 사용한다.

  ◐ 장점

        ① 아아크가 高密度이며, 指向性이 있다.

        ② 아아크의 길이가 길다.

           ☞ 아아크의 길이가 변해도 용융금속의 양에 큰 차이가 없어 균일한 용접부를 얻는다.

        ③ 용접속도가 빠르다.

 ◐ 단점

        ① 장비가 고가이며, 유지 및 보수비용이 높다.

        ② 토오치가 커서 모서리(구석)용접이 어렵다.

        ③ 多層熔接時 용접 변수의 변화가 크다.

4-18 레이저 용접(laser welding)

  ◐ 원리 : 고에너지를 지닌 원자 함유물질을 2개의 반사경 사이에 넣고 에너지를 가하면 빛을 낸다. 이를 반사경에 반복적으로 왕복 반사시키는 동안에 유도 방출에 의해 강한 빛이 방출된다. 이 빛에너지는 크세논섬광관(xenon flash tube)에서 증폭하여 Ag이 얇게 도금된 루비 결정체의 하단을 통해 튀어나온다. 이것을 렌즈를 통해 集光하여 용접에 이용한다. 발생溫度는 약 40,000℃임.

  ◐ 특징(장점)

        ① 비접촉식 용접

        ② 열원이 빛이므로 용접환경의 영향이 없다.

        ③ 모든 금속 및 이종금속의 용접이 가능하다.

        ④ 정밀한 마이크로 용접이 가능하다.

        ⑤ 열영향부가 극히 작다.

        ⑥ 레이저 비임은 거울에 반사되므로 용접기를 접근시킬 수 없는 곳의 용접도 가능하다.

        ⑦ 자장의 영향이 없다.

4-19 용사(metallizing, metal and ceramic spraing)

 ◐ 원리 : 금속 또는 금속화합물의 미세한 분말을 半 溶融상태로 분출시켜 모재에 密着 피복하는 방식. 용사재를 加熱하는 熱源에 따라 적용 대상과 품질에 차이가 있다.

  ◐ 가스불꽃/아아크 불꽃

      ☞ 2800℃ 이하의 융점을 갖는 금속과 금속산화물의 용사에 이용된다.

 ◐ 플라즈마 제트

      ☞ 초고온, 초고속의 분사가 가능하므로 고밀도, 고밀착이 되어 높은 강도의 피막을 얻을 수 있다.

      ☞ 作動가스와 피포가스를 사용하므로 용사재의 酸化가 거의 없다.

      ☞ 耐蝕, 耐磨耗 또는 脆性用 coating이나 耐熱 피복용으로 사용된다.

          예) 傾斜機能材料의 製作, 가스 터어빈 날개의 耐熱코팅

              로켓 추진 노즐의 코팅