1. 용접의 개념 |
고체상태의 두개의 금속을 열이나 압력 혹은 |
열과 압력을 동시에 가해서 접합시키는 기술 |
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2. 용접의 원리 |
용접 모재를 가열, 용융시켜 고체상태에서의 |
원자간 결합력을 약하게 만든 후 |
이를 다른 모재와 결합, 응고시켜 |
다시 원자간 결합력을 회복. |
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3. 용접의 특징 |
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(1) 이 점 |
(ⅰ) 재료의 절약 |
(ⅱ) 공정수 감소 |
(ⅲ) 제품의 성능, 수명 연장 |
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(2) 단 점 |
단시간에 고열을 수반하는 야금학적 접합이므로 |
(ⅰ) 용접시 급열, 급냉에 의한 수축등 변형 및 잔류응력 발생 |
(ⅱ) 모재가 용접열의 영향으로 변형 |
(ⅲ) 응력이 집중되기 쉽고 notch부 등에서 균열 발생이 용이 → 이 균열의 구조는 전체에 파급 |
(ⅳ) 용접부의 품질검사가 곤란 |
(ⅴ) 저온취성 파괴의 위험이 존재 |
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4. 용접의 역사 |
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- 1801년 → 영국 Davy의 전기 arc 발견 |
- 1891년 → 소련 slavianotf → 금속 arc 용접법 |
- 근대식 용접법 : 1831년 → Faraday의 발전기 발명이후(전기시대 이후) |
- 50년이 지난 1885년 이후 |
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5. 종 류 |
(ⅰ) Fusion welding (융접법) : 연소 gas or arc 열선 이용 → 용접모재를 용융 → 접합 |
(ⅱ) Pressure welding (압접법) : 가열된 접합부 → 기계적 압력 → 접합 |
(ⅲ) Soldering (납땜법) : 저융점 합금 이용 → 용접모재 → 접합 |
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(1) 융 접 |
(2) 압 접 |
(3) 납 땜 |
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Ⅱ 융 접 (Fusion welding) |
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1. 피복 arc 용접 (shield arc welding) |
- 가장 많이 사용하는 방법. 전기 용접법이라고 한다 |
- 피복제를 바른 용접봉과 모재상에 발생하는 전기 arc의 열을 이동하여 모재의 일부와 용접봉을 녹여서 용접하는 용극식 용접법 (consumable electrode method) |
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(1) 피복 arc 용접의 원리 |
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피복 arc 용접봉과 모재사이에 직류 또는 교류전압을 걸고 피복 arc 용접봉 끝을 모재에 모재에 접촉했다 분리하면 강한 빛과 열을 내는 arc가 발생. 이 강한 arc열(5000℃정도)에 의하여 용접봉이 녹아 금속 증기 or 용적(globule : 작은방울)으로 되며 열에 의해 녹은 모재에 용착(deposite)되어 모재의 일부를 융합하여 용접금속을 만든다. |
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- 용융지 (molten weld pool) : 모재 일부가 녹은 쇳물 부분 |
- 용입 (penetration) : 모재가 녹은 깊이 |
- 열 영향부 (heat affect zone : HAZ) : 용접열에 의해서 금속조직이나 기계적 성질이 변화한 부분 |
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(2) 용접 회로 |
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용접기에서 발생한 전류(직류 or 교류) → 전극 cable → 용접봉 hold → 용접봉 arc → 용접물 → 접지 cable → 용접기 |
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(3) arc의 성질 |
① arc 란 ? |
음극과 양극의 두 전극을 일정한 간격으로 벌려놓고 여기에 전기를 통하면 두 준극사이에 활 모양의 불꽃방전이 발생 → 이것을 arc |
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② 직류 arc 중 전압의 분포 |
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- arc에서의 발생전력 Pa는 |
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Pa = Va·I = (Va+Vp+Vk)·I (I : arc전류) |
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- arc 기둥의 온도 → 5000∼50000K 단 전류와 분위기 gas의 종류 등에 의해서 다소 변화 |
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- 양극과 음극 부분에서의 전압강하는 재질에 따라 변하여 arc길이 및 전류크기와는 관계가 없으며 arc기둥 부분에서의 전압강하는 arc 길이에 거의 비례하게 강하 |
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- 아크 용접 → arc 발생열(arc전력) 이용 융접 → 발생열의 일부는 대기중 비산 |
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∴ 주어진 열량 50∼90% (arc용접법에 따라 차이) |
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※ 전기 에너지 → 열 에너지 |
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Q = V·I·T = I2·R·T (∵ I = V / R) |
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(4) arc 의 특성 |
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① 부저항 특성 |
- 일반 전기 회로 → 옴의 법칙에 따라 동일저항에 흐르는 전류는 전압에 비례(I=V/R) |
- arc의 경우 → 전류가 크게 되면 저항이 감소하므로 전압도 낮아진다. → arc의 부저항 특성 |
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② arc 길이 자기제어 특성 |
arc 전류가 일정할 때 arc 전압이 높아지면 옹접봉의 용융속도가 늦어지고 arc 전압이 낮아지면 용융속도는 빨라진다 → 전류밀도가 클 때 잘 나타남 |
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③ 전연 회복 특성 |
교류 arc에서 1cycle에 두 번 전류 및 전압의 순간값이 0 → arc발생이 중단, 용접봉과 모재간 절연 → 이때 arc 기둥을 둘러싼 보호 gas는 절연 방지 → arc를 다시 일어나게함 |
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④ 전압회복 특성 |
arc가 발생되는 동안 → arc전압 매우 낮음 그러나 arc가 꺼진후 → 용접봉과 모재간 전압은 매우 높음. ∴ 일단 arc가 꺼진 다음 다시 arc를 발생시키려면 매우 높은 전압 필요 → 그러나 arc 용접전원은 arc가 중단된 순간에 arc회로의 과도전압을 급 속히 상승 회복시키는 특성 → arc의 재 발생 용이 |
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(5) 극성효과 |
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① 극성 (polarity) |
- arc용접에서 모재와 용접봉이 각각 다른 전극 역할 → 용접봉과 모재로 이루어지는 arc 용접의 전극에 관련한 성질 |
- 극성의 선정 → 용접봉과 용접의 종류에 따라 전극, 보호gas, 용제의 성분, 모재의 재질과 모양을 고려 → 선정 |
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② 직류 용접 (Direct Current Arc Welding)과 교류 용접 (Alternating Current Welding) |
- arc 용접시 직류전선 사용 → 직류용접 → 앙극과 음극이 고정 → ∴극성이 매우중요 |
- 교류전원 사용 → 교류용접 → 양극, 음극이 교대로 변환 → 극성 무관 |
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③ 직류 용접과 극성 |
- 정극성 (Dc Straight Polarity : D(SP) : 용접봉(-), 모재 (+) |
- 역극성 (Dc Reverse Polarity : D(RP) : 용접봉(+), 모재 (-) |
→ 보통 전자의 충격을 받은 양극쪽이 음극보다 발열이 크므로 |
정극성 : 용접봉의 용융이 늦고 모재측 용입이 길다 |
역극성 : 용접봉의 용융속도가 빠르고 모재 용입이 앝다 → 박판용접 |
- 직류용접에서 극성 선정 : 용접봉 심선의 재질, 피복제의 종류, 용접이음의 형상, 용접자세에 따라 |
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④ 교류용접과 극성 |
- 교류용접 → 전류방향이 1sec간 사용 주파수 만큼 변화 → 극성과 주파수와 동일 횟수로 변화 |
- arc 용점시 arc유지와 발생에는 전압이 필요 → 교류용접에서는 1sec 동안 사용 주파수의 2배에 상당하는 만큼 arc전압이 0 → ∴비피복 용접봉(bare electrode) 사용시 arc가 소명하여 안정성이 저하 → 용접불가 |
- 피복용접봉 사용시 → 고온으로 가열된 피복제로부터 이온발생 arc 유지 용이하게 함 → 교류전원에서도 안정하게 arc 획득 가능 |
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(6) 용접 입열 (weld heat input) |
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- 용접부에 주어지는 열량 |
H = 60EI / V (J/cm) |
H : arc가 용접의 단위 길이 1cm당 발생하는 전기적 에너지 |
E(V) : arc 전압 → 20∼40V |
I(A) : arc 전류 → 50∼400A |
V(cm/min) : 용접속도 → 8∼30 cm/min |
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그러나 실제 용접 입열 = 전기적 에너지(H) + 화학적 에너지(피복제의 분해시 발생) |
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- 실제 모재에 주어지는 열 에너지 → 식에 의한 전기에너지 보다 작다 |
∵ 열효율 ("입열의 몇%가 모재에 흡수 되었나"의 비율) |
∴ 순 용접입열 (net weld heat input) |
Qnet = η I/V |
η : 용접법의 종류 arc의 길이 모재의 판두께 이음모양, 예열온도, 용접봉의 지름, 피복제의 종류와 두께 모재와 용접봉의 열전도율 등 |
ex) 피복 arc용접 및 gas shield arc 용접 : 70∼85% |
submerged arc 용접 : 90∼100% |
- arc 용접에 있어서 용접봉 심선과 모재의 용융에 직접 소요되는 열량 → 순입열의 1/4∼1/2 = 용융효율(melting effciency) → 열전도율 × (용융온도-초기온도(용접전 판 의 예열온도))에 의론 |
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(7) 용융속도 (melting rate) |
- 단위시간당 소비된 용접봉의 길이 혹은 중량으로 표시 |
- arc의 전압에는 관계없이 arc 전류에 비례 |
용융속도 MR = a·I (δ/s) |
a : 비용융량 → 피복 arc 용접에서 a=(2.5∼3.5)×10-3 g/A·s 정도 |
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- arc용접에 있어서 용접봉 심선에 흐르는 전류에 의한 저항 발열 → 심선의 구도 상승 |
심선의 온도 상승 속도 |
→ 저항발열은 용접봉의 비용융량을 증가시킴. |
- 지름이 달라도 동일종류의 용접봉의 경우 → 심선의 용융속도는 전류에만 비례 지름에는 관계없음. |
- 심선의 화학성분이 같아도 피복제의 종류에 따라 약간 차이 |
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(8) 용착현상 |
- 용접봉에서 모재로 용융금속이 옮겨가는 현상 → 용적의 이행상태 |
- 3가지 형식 |
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(ⅰ) 단락형(short circuit type) |
- 큰용적이 용유지에 접촉하여 단락 → 표면장력의 작용으로 모재에 이행하여 용착 |
- 비피복 용접봉 피복 arc 용접봉 사용시 |
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(ⅱ) 스프레이 형(spray type) |
- 미세한 용적이 스프레이 같이 날려서 이행 |
- 일미나이트계 용접봉 피복 arc 용접봉 사용시 |
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(ⅲ) 핀치 효과형(pinch effect type) |
- 비교적 큰 용적이 단락되지 않고 이행 |
- 서브머지드 아크 용접 또는 MIG 용접과 같은 큰 전류 사용시 |
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(9) 피복 arc 용접봉 |
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① 구성 |
- 금속 심선에 피복제를 도표하여 건조시켜 사용 |
- 한쪽 끝 : 홀더 지지하여 전류가 흐르게 심선을 25mm 정도 노출 |
다른 한 끝 : arc 발생을 용이하게 하기위해 3mm 이하 심선 노출 |
- 심선의 길이 : 350∼900mm 직경 : 1∼10mm |
- 피 용접물의 재질에 따라 탄소강, 특수강, 경합금, 동합금, 니켈합금등의 용접봉 |
→ 모재의 재잴, 용접봉의 사용목적 용접자세, 사용전류의 극성, 이음형상 등에 의해 사용 |
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② 용접봉의 종류 |
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(ⅰ) 용접부의 보호 |
피복제가 연소한 다음 발생하는 물질이 용접부를 어떻게 보호하는가에 따라 |
- gas shield 형 |
- slag shield 형 |
- semi-gas shield 형 |
(ⅱ) 용도에 따라 |
모재의 재질에 따라 |
- 연강용 용접봉 |
- 저합금강용 용접봉 |
- sis강용 용접봉 |
- 주철용 용접봉 등 |
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③ 심선 |
심선재료은 피용접 금속재료와 동일한 것 |
ex) 연강용 피복 arc 용접봉 → KS D3508에 규정 → 강괴 → 압연 → 인발 |
용접금속의 균열방지 → rimmed강 P, S 함량 적은 것 사용 |
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④ 피복제 |
(ⅰ) 역할 |
- 중성 또는 환원성 분위기 조성 → 대기중의 산소 질소 접촉방지 → 용융금속 보호 |
- arc 안정 |
- 용융점이 낮은 적당한 점성의 가벼운 slag 형성 |
- 용착금속의 탈산, 정련 작용 |
- 용착금속에 적당한 합금원소 첨가 |
- 용적을 미세화, 용착효율 향상 |
- 용착금속의 응고와 냉각속도를 느리게 함 |
- slag 제거 용이, 파형이 미려한 bead 형성 |
- 모재 표면의 산화물 제거 |
- spattering 적게 함 |
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(ⅱ) 배합제 (성분) |
- 여러 가지 기능을 가진 유기물, 무기물 분말을 그 목적에 따라 적당한 비율로 혼합 → 적당한 고착제 사용 → 심선 도포 |
- 조성 : 매우 복잡 다양 → 종류도 매우 다양 |
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가. arc 안정제 |
- arc 열 → 이도화 → arc 전압강하 →arc 안정화 |
- 특히 교류용접 → arc 재발생 전압이 낮은 것이 좋으므로 → 안정제를 사용하면 전압이 강하 됨 |
- 규산 칼륨, 규산 소다, 산화 티탄, 석회석 등 |
나. gas 발생제 |
- arc 열에 의해 분해 →CO, CO2 H2O 등의 gas 발생 → arc 분위기를 대기로부터 차단 → 용착금속의 산화, 질와방지 |
- 전분, 목분, 셀루로오스, 석회석 등 |
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다. slag 발생제 |
- 용융점이 낮은 가벼운 slag 형성 → 용착금속의 질화 산화 방지 → 용융금속의 냉각속도를 느리게 함 → 기포나 불순물 섞음 등 내부결함 방지 |
- 산화철, 일루미나이트, 산화티탄, 산화망간, 산화규석, 석회석, 장석, 형석 등 |
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라. 탈산제 |
- 용융금속중의 산화물을 탈산 정련 |
- Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Ti, 등 철함금 , Mn, Al 등 |
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마. 합금 첨가제 |
- 용접금속의 각종 성질을 개선키 위함 |
- Mn, Si, Ni, Mo, Cr, Cu, V 등 |
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사. 고착제 |
- 심선과 피복제를 고착시키는 역할 |
- 물유리, 규산칼륨 등의 수용액 |
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⑤ 각종 금속의 피복 arc 용접봉 |
연강용 피복 arc 용접봉 : 가장 많이 사용 KSD 7004 |
(ⅰ) 심선 : KSO 3508 |
(ⅱ) 치수 : 심선의 굵기에 따라 규격화 |
굵기 → 길이↑, |
굵기 허용 오차 ±0.5, 길이±3mm (700∼900mm 경우 ±5mm) |
편심율 → 3% 이하 |
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(ⅲ) 종류 및 특성 |
종류 표시 : E 43 X X |
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⑥ 용접봉 선택 |
- 용접봉의 선택 : 용접 구조용에 요구되는 품질, 이용할 수 있는 용접기 용접장소, 비용, 모재의 재질, 이음형상, 용접부의 성질 등 |
- 용착금속의 내균열성 : 용접봉 선택의 주요 인자 |
- 피복제가 산성 : 작업성은 향상되나 균열 발생이 쉽다 |
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⑦ 피복 arc 용접 |
(ⅰ) 용접봉의 각도 |
- 용접봉과 모재가 이루는 각 |
- 진행각 : 용접봉과 용접선이 이루는 각도 - 용접봉과 수직선 사이 각도 |
- 작업각 : 용접봉과 이음방향에 나란히 세워진 수직평면과의 각도 |
- 용접각도 : 용융금속이 옮겨지는 방향, 발생가스의 분출방향에 영항 → 용융slag를 불어내는 일, 용융금속의 용착상태에 영향 → 용접품질을 좌우 |
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(ⅱ) arc 길이 및 arc 전압 |
- 양호한 용접 → arc 길이가 짧아야함 → 일반적으로 arc 길이는 3mm 정도. 지름이 2.6mm 이하 용접봉의 경우는 심선의 지름과 거의 같은 것 |
- arc 전압 → arc 길이에 비례 |
- arc 길이가 길면 → 용융금속의 산화 및 질화 용이, 열집중 부족, 용입불량 및 spatert가 심함 (spatter : 용접붕에 비산한 slag 및 금속분이 많으면 → 용접 작업을 곤란하게 하고 용접부을 더럽게 함) |
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(ⅲ) 용접 전류 |
- 전류 강하면 → spatter 심해짐, 용융속도가 빨라져 under cut 발생 용이 |
- 전류 약하면 → 용융속도가 늦고, 녹은 spatter가 커져 모재에 이행 → 용입 불량 또는 overlap 발생 |
* under cut |
용접봉의 유지각도 운봉속도 부적당, 용접전류의 과대시 발생 |
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* overlap |
원인 : under cut의 반대, 응력집중, 부식 촉진 |
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(ⅳ) 용접 속도 |
모재에 대한 용접선 방향의 arc 속도 = 운봉속도, arc 속도, 용접봉의 종류 및 전류값, 이음모양, 모재의 재질, weaving의 유무에 따라 변화 |
arc의 전류 및 전압을 일정 : 용접속도 증가 → bead 폭 감소 |
용입은 적정 속도에서 증가, 적정속도 이상 → 용입감소 |
→ 즉 용입크기 = I/V에 격정 → 전류가 클 때 용접속도 증가 |
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(ⅴ) arc 발생 |
haed shield로 얼굴을 가리기 전에 용접봉 끝을 모재면에서 10mm 정도 접근 → haed shield로 얼굴을 가림과 동시에 용접봉을 순간적으로 모재면과 접촉 → 3∼4mm 정도 떼면 arc 발생 |
직류전원 → 찍는 법 (tapping method) |
교류전원 → 긁는 법 (scrachch method) |
arc 정지 → 용접을 정지하려는 곳에서 arc길이를 짧게하여 운봉을 정지시켜서 crater를 채운 후 재빨리 용접봉 이동 → arc 정지 |
용접봉을 그냥분리시켜 arc 정지하면 → carter가 메워지지 않아 불순물, 편석 발생 냉각중 균열 발생 우려 |
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(ⅵ) 운봉법 |
- straght bead(직선운봉) → 용접부에 결함 발생 우려 작다 |
- weaving bead(위빙비드) → 원형, 타원형, 감각형, 부채꼴형등 → weaving 폭이 용접봉 지름의 3배 이하 |
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2. Submerged arc welding |
(1) 원리 - 자동금속 arc 용접, 잠호용접, 유니온 멜트 용접법 |
- 모재의 이음표면에 미세한 입상의 용제를 공급 |
→ 용제속으로 연속적으로 전극 wire 송급 → 용접봉 끝과 모재사이 arc 발생시켜 용접 |
- wire 이송속도 조절 → 일정한 arc 길이 유지, 연속적 용접 |
- 용융지가 용제에 의해 shield → 대기차단 → 산호, 질소, 수분 침입 차단 |
- 심선에 대전류 통전 가능 → 열에너지 손실 작다 → 용입이 큰 높은 능률의 용접 가능 |
- 용적 → 비교적 작은 입자의 spray상 → 모재에 용착 |
- arc 전압 높다 → bead 폭이 넓어지고 |
- arc 전압 낮다 → 용입이 깊다 |
- 심선의 용융속도 → 용접봉의 용착속도 → 전류에 비례 |
능률을 향상시키기 위해 2개 이상 전극 사용 |
→ 다전극법(multiple electrode), 대상전극(strip electrode) |
- 용접속도 → 2∼3배(T=12mm 연강판) → 피복 arc에 비해 |
5∼6배(T=25mm 연강판) → 피복 arc에 비해 |
8∼12배(T=50mm 연강판) → 피복 arc에 비해 |
- 잇점 |
① 용착금속의 품질 우수 → 강도, 신율, 충격값, 내식성 |
② 적절한 용접법 → 모재와 동등 이상의 품질 |
- 용도 |
① 두께가 두꺼운 곳 |
② 탄소강, 합금강 그러나 비철금속에서는 거의 사용 안함 |
③ 용접선이 긴 제품 : 조선, 제관, 보일러, 압력용기, 저장탱크, 교량..... |
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(2) 용접장지 |
- 심선 송급 장치, 전압 제어 장치, 접촉 팁, 대차 |
- 형식 |
① 이동식 : 용접헤드(심선송급장치, 접촉팁, 용제 hopper)를 주행대차에 싣고 guiderail 위를 용접선에 평행하게 이동 |
② 고정식 : 파이프나 탱크의 둘레 등을 용접할 때 |
- wire 송급 → 전압제어 장치에 의해 일정한 전압이 되게 속도 및 arc 길이 조정 |
- 용제(flux)공급 : hopper에서 호스로 와이어 보다 앞부분에서 용접선을 따라 살포 |
- 전류용량에 따라 : 4000A, 2000A, 1200A, 900A 등의 용접의 종류가 있다 |
- 전원 |
① 교류 : 설비비 낮다, arc 쏠림현상 낮다 |
② 직류 : 낮은 전류를 쓰는 얇은 판의 고속도 용접 → 400A 이하 질류 역극성(DCRP) → 미려한 bead |
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(3) 용접용 재료 |
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① 심선 |
- 접촉 팁과의 전기적 접촉을 원활히 하고 혹을 방지 → 동 도금 |
- Φ 2.4∼12.7mm 보통 2.4∼7.0mm 사용 |
- wire의 직경이 클수록 사용 전류도 증가 |
ex) Φ2.4 → 150∼350A, Φ3.2 → 300∼500A |
Φ4.8 → 500∼1000A Φ7.9 → 1000∼2000A |
- wire의 성분 |
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Mn의 함유량과 Mo함유 여부에 따라 → 고Mn계 wire |
(1.8∼2.1% Mn), 중망간계(1∼1.5%), 저Mn계(0.5%이하), Mn-Mo계 wire로 분류 |
ex) ·연강의 경우 |
0.08∼0.13%C, 0.5∼1.95%Mn, 0.03%Si |
·고장력강 |
0.13%C, 1.95Mb, 0.05%SI, 0.5%Mo |
·STS → 모재성분과 동일한 것 |
·비철금속용 → Cu-Sn-Si, Cu-Sn-Al, Ni momle합금(Cu-Ni) → 사용 wire은 KS에 규정 |
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② flux |
- 역할 : 용접부를 대기중 보호, arc 안정, arc의 shield 용융금속과 금속학적반응 |
- 종류(제조법에 따라) : 용융형 용제(fused flux), 소격형 용제(sintered flux) |
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(ⅰ) 용융형 용제 |
- 원료광석 → arc로에서 1300℃ 이상에서 용융 → 응고 → 분홰 → 균질한 입자 → 미국의 린데 유명 |
- 성분 : SiO2, MnO, FeO, CuO, MgO, Al2O3, Na2O, BaO, TiO2, K2O, Fe, P등 |
- 장점 : 조성이 균일, 흡습성 낮다 → 가장 많이 이용 |
- 용제의 입도 → 용접성능에 영향 → 전류에 따라 적당한 입도 범위 선정 필요 |
입도가 작을수록 → 용입이 얕고, 폭이 넓은 깨끗한 비드 → 언더 컷 현상 발생 없다 |
전류 크면 → 입도 작다, 전류 작으면 → 입도 크다 |