개요
Gas Tungsten Arc Welding은 비소모성 텅스텐 전극과 모재 사이에 형성된 아크의 열에의해 용접이 이루어진다(그림 5). 전극, 아크 그리고 용융 풀 주위는 불활성 보호가스에 의해 보호된다. 전극은 SMAW에서처럼 용융 풀로 소모되지 않는다(비소모성 전극). 용가제가 필요할 경우 그림 5에서 보는 바와 같이 용융 풀의 진행방향 앞쪽에 공급한다.
<그림5>
note) Gas Tungsten Arc Welding이 미국 용접 협회에서 승인된 용어이며, 이전에는 "TIG"(Tungsten Inert Gas) Welding으로 알려졌다.
GTAW는 대단히 깨끗한 용접을 제공한다. 슬래그가 없기 때문에 용접부에 슬래그 혼입이 억제되고, 용접 종료 후 실제로 용접부 클리링(cleaning)이 필요 없다. 주 보호 가스로 사용되는 아르곤과 헬륨은 불활성 가스이다. 불활성 가스들은 화학적으로 다른 원소들과 결합하지 않기 때문에 용접부에 유해한 화합물을 형성시키는 산소, 질소와 같은 활성가스의 사용이 제한되는 구조물의 용접에 사용된다.
GTAW는 거의 모든 재료의 용접용에 사용될 수 있다 ; 연강, 저합금강, 스테인리스강, 구리 및 구리 합금강, 알루미늄 및 알루미늄 합금강, 니켈 및 니켈 합금강, 망간 및 망간 합금, 티타늄 및 기타 합금강. 이 용접 방법은 결함이 전혀 없는 용접부가 가장 우선시 되는 알루미늄과 스테인리스강 합금의 용접에 가장 광범위하게 사용한다. 특히 고품질의 용접부가 요구되는 파이프 용접에서 초층 패스(root pass)용으로 사용된다. 과다한 볼록 비드가 없는 완전 용입은 첫 패스에서 중요하며, 이 용접 방법의 전류 조절이 쉽기 때문에 이면 비드(back bead) 크기를 조절하는데 도움이 된다. 고품질의 용접부는 용접 비드 내부의 산화를 방지하기위해 파이프 내부에 불활성 가스를 공급해줄 필요가 있다(Back Shielding방법).
GTAW는 수동 및 자동 용접 모두가 가능하다. 수동 용접에서 용접사는 한 손으로 토치를 잡고 용접 이음부를 따라 아크를 이동시킨다. 용가제는 용융 풀의 진행방향 끝단부에 수동으로 공급한다. 자동 용접의 경우, 토치는 고정된 모재 위로 자동적으로 움직이거나, 토치가 고정되어 있고 모재가 움직이거나 회전한다. 만일 용가제가 필요할 경우 역시 자동적으로 공급된다.
장비 및 조작
GTAW는 비교적 간단한 장비로 구성되어질 수 있고, 또는 어떤 매우 복잡한 구조가 요구될 수도 있다. 장비의 선택은 용접 연결부 재질의 종류, 용접 자세 및 사용 시 필요로 하는 용접부의 품질 등에 따라 의존한다. 기본적인 장비의 구성은 아래와 같다.
1. 용접 전원
2. 홀더(토치)
3. 보호 가스
4. 텅스텐 전극
5. 물 공급 장치(필요에 따라)
6. 접지 클램프
7. 보호 장구
그림 6은 기본적인 GTAW의 모식도 이다.
<그림6>
1. 용접 전원(Power Source)
AC 및 DC전원 모두 GTAW에 사용된다. 이들 모두 정전류 형태이다(전압-전류 그래프). 이 형태의 전원은 아크 길이(전압)가 변할 때 아크 전류는 아주 미세한 변화를 나타낸다. 그래프 1 참고(lesson 1의 그림 20)
AC 혹은 DC 용접기의 선정은 모재의 두께 및 형태에 따라 달라진다. AC와 DC 아크 특성에는 현저한 차이는 존재한다. 만일 DC가 선정되었다면, 극성 역시 중요한 인자로 작용한다. GTAW에서 극성의 영향은 SMAW에서 설명된 극성 효과와 정반대이다. SMAW에서 비드의 폭과 깊이를 결정해주는, 용접봉과 모재 사이의 열 분포는 주로 용접봉의 피복제 구성 성분에 의해 조절된다. 피복제가 없는 GTAW에서는 전극과 모재 사이의 열 분포는 오로지 극성에 의해 조절된다. 적당한 용접 전류의 선택은 각 형태를 하나하나 분석함으로써 보다 이해가 잘 될 것이다. 이 단원의 마지막 부분에 있는 그림 8에 추천 전류를 나타내었다.
1) 직류 정극성(Direct Current Straight Polarity)
DCSP는 전극(텅스텐 전극)이 전원의 -단자와 연결되어 있다. 전자는 전극봉(텅스텐 전극)에서 모재로 흐르기 때문에 아크 열의 약 70%는 모재에, 나머지 30%는 전극의 끝단부에 집중된다. 이것은 비교적 좁게 집중된 아크를 제공하는 보다 작은 직경의 텅스텐 전극의 사용이 가능하다. 용접부의 형상은 깊은 용입과 상당히 좁은 비드를 가진다. 그림 7참고. DCSP는 모든 재질의 용접에 적합하다. 마그네슘과 알루미늄은 표면에는 용해하기 어려운 산화물이 코팅되어 있어, DCSP가 사용될 경우에 이 산화물은 용접 직전에 물리적으로 반드시 제거하야 한다.
2) 직류 역극성(Direct Current Reverse Polarity)
DCRP는 전극이 전원의 +단자와 연결되어 있다. 이 조건에서 전자는 모재로부터 전극의 끝 부분으로 흐르며, 아크 열의 약 70%는 전극에, 약 30%는 모재에 집중되어 있다. 보다 높은 열을 받는 전극은 전극의 용해 및 전극의 용해로인한 용접부 오염을 방지하기 위해 보다 큰 직경의 텅스텐 사용이 필수적 이다. 전극의 직경이 보다 크기 때문에 열은 모재에 적게 집중되어 용접 비드는 비교적 넓고 얕다. 그림 7 참고.
알루미늄과 마그네슘은 절연체로 작용하는 많은 산화 피막을 가지고 있어 용접이 수행되기 전에 제거되어야 한다. 역극성으로 용접을 수행하면 아크가 모재의 표면 산화물을 제거하는 우수한 청정 작용(cleaning action)을 얻을 수 있다. 여기서 아크의 물리적 현상을 잠깐 공부해 보면, 전기적 흐름은 보호 가스 원자가 약간의 전자를 잃어버리게 한다(해리됨). 전자는 음전하(-)를 가지기 때문에 이 가스 원자들은 현재 평형이 깨어져 과잉의 양전하(+)를 가지게 된다. 앞서 언급한 바와 같이(lesson 1) 서로 다른 전하를 끌어당기게 된다. 양전하로 대전된 원자들(혹은 잘 알려진 화학 용어로는 양이온)은 높은 속도로 음극(이 경우는 모재)으로 끌려간다. 모재 표면를 타격하여 산화 피막을 제거하여 아크를 유지시키기 위한 좋은 전기 전도성을 가질 수 있도록 하고, 이 산화물로 인해 발생될 수 있는 용접부의 불순물을 제거한다.
직류 역극성(DCRP)은 GTAW에서는 거의 사용하지 않는다. 우수한 산화물 제거 작용을 함에도 불구하고, 용융지(모재)에 보다 낮은 입열로 인해 느린 작업 속도와, 높은 열전도도를 가지는 금속에서는 열이 빠르게 용접지역 밖으로 빠져나가게 된다. DCRP를 사용할 경우 마그네슘 및 알루미늄의 판 두께가 약3.2mm이하인 경우에는 용접이 제한된다.
3) 교류(Alternating Current)
AC는 실제로 DCSP와 DCRP의 조합이며 알루미늄 용접에 폭넓게 사용하고 있다. 어떤 의미에서는 직류 두 극성의 장점이 결합되어 용접 비드가 직류 전원 사용 시 나타난 두 비드의 중간형태를 가진다.
60Hz 전류로 용접 시 전자는 전극의 끝 부분에서 모재로 흐르고, 매초 120번 방향이 역으로 된다. 그 때문에 전극으로부터 모재로(모재로부터 전극으로) 격렬한 열 교환이 이루어져 중간 크기의 전극 사용을 가능케 한다. 용접 비드는 중간정도의 용입과 폭을 가지는 중간 형태이다. 가스 이온들은 1/2 사이클(+ 구간) 동안 알루미늄 및 마그네슘의 표면 산화물을 타격하게 된다. 그림 7은 GTAW에 사용되는 서로 다른 전류의 영향을 나타내었다. 극성
용입
청정작용
열축적
직류적극성
(DCSP)
와이어 : -
깊고 좁은
비드
없음
모재
교류(AC)
비드 폭과
용입이
중간
좋음
1/2 사이클
동안 작용
모재와 용접재료에 번갈아 열 축적
직류역극성
(DCRP)
와이어 : +
얕고 넓은 비드
최대
용접재료
그림 7
4) 직류 정전류 전원(DC Constant Current)
SMAW용으로 사용되는 정전류 전원은 GTAW용으로도 사용할 수 있다. 무결함 용접부가 요구되는 곳에서는 가장 중요한 인자는 아니며, 이 전원으로 충분히 가능할 것이다. 이 형태의 장비들은 텅스텐 전극을 모재에 접촉시켜 아크를 발생시키고 재빨리 들어올려 적당한 아크 길이를 유지하여야 한다. 이런 시작 방법은 전극을 오염시키고 전극이 끝이 뭉툭하게 된다. 이런 조건들은 용접부에 불순물을 함유 시키고 아크 방향이 나쁘다. 고주파 안정장치가 장착된 GTAW용으로 설계된 전원을 사용하면 이 문제가 해결될 것이다. 전극을 아크 발생을 위해 모재에 접촉시킬 필요가 없다. 대신 저 전류에서 고주파 전압은 용접 전류에 중첩된다. 전극이 모재로부터 약 3.2mm이하 까지 접근될 때 고주파는 아주 빠른 속도로 가스를 이온화 시켜 전기가 통할 수 있는 길을 만들고 용접 아크가 형성된다. 고주파는 직류를 사용할 때 아크 발생 직후에 자동적으로 꺼진다.
5) 교류 정전류 전원(AC Constant Current)
이 전원은 항상 하나로 결합된 고주파 GTAW용으로 설계되었으며, 안정한 아크를 유지하기위해 용접이 진행되는 동안에는 항상 켜져 있다. AC로 용접을 할 경우 전류는 영점을 한 사이클 당 두 번 통과하고 아크는 한 사이클 당 두 번 점화된다.
알루미늄 및 마그네슘과 같은 모재의 표면에 있는 산화 피막은 앞에서 언급한 바와 같이(lesson 1) 정류기와 같은 기능을 할 수 있다. +를 가지는 1/2 주기에서는 재아크가 생기지 않는다면 제거될 것이고, 불안정한 상태를 유발한다. 연속적인 고주파는 용접 아크용 이온화된 길(경로)을 유지하며, 전류의 방향이 변할 때 마다 재아크를 발생시킨다. AC는 알루미늄 및 마그네슘 용접용으로 폭 넓게 사용된다.
6) 교류/직류 정전류 전원(AC/DC Constant Current Power Source)
AC/DC 정전류 전원은 GTAW가 가능하도록 설계되어 실제 모든 재료의 용접용으로 사용이 가능하다. GTAW방법은 고품질의 용접이 가능하기 때문에 통상적으로 선정된다. 이 용접 방법으로 일반적인 용접이 되어지는 스테인리스강, 알루미늄 및 어떤 보다 색다른 재료와 같은 재료들은 연강 의 수배만큼 비용이 든다 ; 따라서 이 용접 방법용으로 설계된 전원은 고품질 용접부를 보증하기위한 많은 적합한 특징을 가지고 있다. 특징들 중 몇 가지를 보면 :
● 토치에서 손 혹은 발 조작으로 용접 전류 조절이 가능 : 원거리 전류 조절
● 아크 발생시 급격한 전류의 변화를 방지 : 자동에 의한 부드러운 시작
● 용접 전, 용접 도중, 용접 후에 자동적으로 흐름을 조절 : 보호가스 및 냉각수 솔레노이드 밸브
● 각 스폿 용접 주기동안 모든 인자들을 자동 조절 : 스폿 용접 타이머
출력이 프로그램에 의해 완벽하게 조절 가능한 자동 용접용 전원도 물론 가능하다. 이와 같은 장비들은 파이프의 자동 용접에 폭 넓게 사용된다. 용접 전류는 토치가 파이프 주위를 이동함에 따라 자동적으로 변화한다. 어떤 장비들은 전류가 초당 고(high) 저(low) 사이를 몇 번에걸쳐 자동적으로 변하는 펄스(pulse) 용접 전류를 제공하기도 한다. 이 방법은 양호한 용입과 우수한 용접 비드 형상을 가지는 용접부를 제공한다.
2. 토치(Torch)
토치는 실제로 용접 전류를 텅스텐 전극에 공급해주는 홀더와 불활성 가스가 아크 영역을 보호해 주는 것으로 구성되어 있다. 전극은 클램핑 장치와 같은 뭉치에 의해 고정되어 있어 보호 가스 컵 밖으로 돌출된 전극의 적당한 길이를 맞출 수 있다. 수동 토치는 전극의 길이가 3인치(약 76mm) 또는 6인치(약152mm)가 가능하도록 설계되어있다. 토치는 공냉식 또는 수냉식이 가능하다. 공냉식은 실제 케이블을 통해 토치 헤드로 공급되는 보호가스에 의해 약간 냉각된다. 가스는 구리 용접 케이블을 감싸고, 약간의 냉각기능을 할 수 있다. 수냉식 토치는 보통 200A이상의 용접 전류가 사용되는 곳에 사용된다. 물 공급 호스는 토치 헤드에 연결되어 있다. 토치 헤드 주위를 순환하고 난 물은 토치를 경유하고 복합 케이불(Composite cable)을 빠져나간다. 이 방법으로 용접 케이블이 냉각되어 보다 유연하고 무게가 가볍고 직경이 작은 케이블의 사용을 가능하게 했다.
가스 노즐은 세라믹 재료로 만들어 졌고 다양한 크기와 형상을 가진다. 고전류가 사용되어지는 곳에서는 금속으로된 수냉식 노즐을 사용한다.
토치의 스위치는 용접 전류와 함께 전극에 전압을 가하기 위해 사용되며 보호가스의 흐름을 시작하게 한다. 고주파 전류와 물의 흐름 역시 이 스위치(전원을 이렇게 설치하였을 경우)에 의해 시작된다. 이런 기능(전류 조절 기능 포함)들은 설치된 많은 장비들에서 발로 조절이 가능하도록 되어있다. 이 방법은 용접사에게 아크의 완전한 조절이 가능하게 한다. 일반적 용접 방법은 저전류에서 아크를 발생시켜 용융 풀이 형성될 때 까지 전류를 점진적으로 증가 시켜 용접을 시작한다. 용접 마무리 단계에서는 전류가 서서히 감소하여 아크를 끄며, 용접 마무리 단계에서 아크가 갑자기 끄질 때 형성되는 크레이트를 억제한다.
3. 보호가스(Shielding Gases)
아르곤과 헬륨은 GTAW에 사용되는 주요 보호 가스이다. 어떤 경우에는 두 가스를 혼합하여 편리하게 한다. 특별한 경우에 보다 적은 수소를 함유하기위해 아르곤 혹은 헬륨과 혼합한다.
아르곤과 헬륨은 무색, 무취, 무맛 및 무독 가스이다. 두 가스 모두 다른 원소와 쉽게 결합하지 않는 불활성 가스이다. 이들은 타지도 않으며 연소되지도 않는다. 용접용으로 사용되는 상용화된 가스의 순도는 99.99%이다. 아르곤는 공기보다 0.38% 무겁고 헬륨의 무게보다 약 10배이다. 두 가스들은 아크가 존재할 때 이온화 된다. 이는 가스 원자들이 음전하를 가지는 약간의 전자를 잃어버리는 것을 의미한다. 이 비평형 가스 원자들을 양전하라 부르고 아크내 음극으로 끌려간다. 아크가 양극이고 모재가 음극일 때, 이 양이온은 모재에 부딪히고 용접 지역의 스케일 또는 표면 산화물을 제거한다.
아르곤은 보호가스로 가장 평범하게 사용된다. 우수한 아크 start성, 사용의 용이성은 수동 용접용으로 가장 요구되는 것이다. 아르곤은 교류 전류를 사용하는 알루미늄 및 마그네슘 용접 시 우수한 청정 작용을 한다. 아크는 비교적 좁다. 아르곤이 얇은 판재의 용접에서 더욱 안정하다. 동일 전류에서 헬륨은 아르곤보다 더 높은 아크 전압을 발생시킨다. 용접 열은 전류 x 전압으로 나타나기 때문에 헬륨의 아크열이 더 높게 나타난다. 이는 높은 열 전도도를 가지는 두께가 두꺼운 재료의 용접 및 고속 용접이 요구되는 자동 용접에 적합하다.
아르곤-헬륨 혼합 가스는 아르곤의 특성이 요구되는 곳과 고입열이 요구되는 곳에 사용된다. 아르곤은 비교적 무거운 가스로서 보다 낮은 가스 유량에서 용접부를 덮을 수 있다. 아르곤은 헬륨보다 가격이 저렴하여 많은 부분에서 선호하고 있다.
아르곤 보다 약 10배 가벼운 헬륨은 아크를 충분히 보호하기위해 아르곤의 약 2~3배 유량을 요구한다.
4. 전극(Electrode)
GTAW용 전극은 0.010~0.25인치(0.25~6.4mm)의 직경과 3~24인치(76~610mm)인 표준 길이를 가진다. 그러나 가장 많이 사용되어지는 크기는 0.040인치(1.0mm), 1/16인치(1.6mm), 3/32인치(2.4mm), 1/8인치(3.2mm) 직경 이다.
전극 끝단부(팁:tip)의 형상은 GTAW에서 중요한 인자이다. 직류 정극성(DCSP)으로 용접을 할 경우, 팁은 뾰족하게 갈아야 한다. 팁의 각도는 용도(전극의 직경 및 용접 전류)에 따라 변한다. 좁은 연결부는 비교적 작은 각도가 요구된다. 저전류에서 아주 얇은 재료를 용접할 때 가능한 가장 작은 전극을 침과 같이 연마하여 아크를 안정시킬 수 있다. 적당히 연마된 전극은 아크를 쉽게 발생시키고, 우수한 아크 안정성을 가져 적당한 비드 폭을 가진다.
AC로 용접 시 전극 팁의 연마는 필요 없다. 적당한 용접 전류가 사용될 때 전극은 반구형으로 될 것이다. 만일 적정 전류를 초과하면 팁이 볼록하게 될 것이며, 팁이 녹아 용접부에 오염이 될 수 있다.
미국 용접 협회(American Welding Society : AWS)는 AWS A5.12에 텅스텐 아크 용접의 전극에 관하여 규정(화학 조성, 크기, 마무리 방법)하고 있다. 아래에 간략하게 규격을 나타내었다.
● 100% 텅스텐(AWS EWP), 색깔 : 녹색
보다 덜 중요한 곳에 사용하며, 비용은 저렴하고 많은 여러 재료에서 비교적 낮은 전류에서 좋은 결과를 제공한다.
● 1% 토륨이 첨가된 텅스텐(AWS EWTh-1), 색깔 : 노란색
좋은 전류 이동 능력을 가지며, 쉽게 아크를 발생시키고 아크를 안정하게 하며, 오염에 덜 민감하다.
● 2% 토륨이 첨가된 텅스텐(AWS EWTh-2), 색깔 : 빨간색
1% 토륨이 첨가된 텅스텐보다 수명이 길고 뾰족한 팁을 오래 유지하며, 항공분야에서 얇은 판재의 용접에 사용된다.
● 5% 토륨이 첨가된 텅스텐(AWS EWTh-3), 색깔 : 푸른색
1.0~2.0% 토륨이 전극의 길이 방향을 따라 V홈 형태로 첨가되어 있어 때때로 "줄무늬" 전극이라고 부르며, 100% 텅스텐 및 토륨이 첨가된 텅스텐 전극의 장점이 결합되어있다.
● 지르코늄이 첨가된 텅스텐(AWS EWZr), 색깔 : 갈색
100% 텅스텐보다 수명이 길고, AC로 용접 시 보다 우수하다.
5. 요 약
GTAW는 오늘날 주요한 용접 방법중의 하나로 자리잡고 있다. 용접에 따른 품질과 매우 얇은 재료의 용접 가능성은 중요한 인자가 된다. 용접부의 품질은 플럭스를 사용하지않기 때문에 매우 높다. GTAW는 고품질의 용접부가 요구되고 또 용접결함 발생시 비용 손실이 큰 고가 재료의 용접용으로 항공기 및 항공우주 산업 분야에 광범위하게 사용된다. 0.005인치(약 0.13mm)만큼 얇은 재료도 전류의 조절이 용이하기 때문에 용접이 가능하다.
이 용접 방법의 주요 단점은 소모성 전극의 용접 속도보다 느리다는 것이고, 이런 이유로 6.3mm이상의 두께를 가지는 모재의 용접에는 거의 적용을 하지 않는다. 보호 가스와 텅스텐 전극의 단가를 볼 때 비교적 고가의 용접 방법이다. 용접전류
보호가스
모재의종류
두께(mm)
DCSP
DCRP
AC
Ar
He
Ar/He
알루미늄
3.2이하
2
1
1
2
3.2이상
2,3
1
1
3
2
마그네슘
1.6이하
2
1
1
2
1.6이상
1
1
탄소강
3.2이하
1
1
3.2이상
1
1
2
2
스테인리스
3.2이하
1
1
2
3.2이상
1
1
2
구리
3.2이하
1
1
3.2이상
1
1
니켈합금
3.2이하
1
1
3
2
3.2이상
1
21
티타늄
3.2이하
1
1
2
3.2이상
2
1
1. 최상의 선택 : 수동 용접
2. 최상의 선택 : 자동 용접
3. 차선책 : 자동 용접