용접기법의발달

[kcwelding]

용접기법의 발달 20세기에는 용접이라는 기술의 발달로 철은 또 한번의 혁신의 시대를 맞게 된다. 1900년경에 불대(torch) 를 사용하여 용접하는 가스(oxy-acetylene) 용접이 실용화되면서 현대적인 용접 방법이 도입되었으므 로 그 역사는 100년 정도의 짧은 역사를 가지고 있다. 직접적이고 시간을 절약할 수 있는 이 가스용접기술은 모든 철 구조물을 만드는 데 혁신을 가져왔다. 이어서 1920년대에 다양한 전기 용접봉(coated electrode)이 개발되면서 가스 용접기술과 함께 전기(arc) 용접이 또 다른 중요한 용접기술로 사용되었으며 1942년부터 좀더 발전된 형태인 heli-arc 용접의 개발로 좀더 단단한 용접을 만들 수 있게 되었다. 이러한 기술은 20세기에 두 번에 걸친 세계 전쟁동안에 군수물자를 생산하는 기술로 사용되면서 급속도로 발전하고 확산되었다. 이러한 용접의 기법에는 다양한 종류가 있다. 　 금속과 금속을 이어서 하나로 만드는 방법(coalescence)은 크게 기계적 접합법과 야금적 접합법의 두 가지로 나눈다. 기계적 접합법은 두 금속을 맞대고 이을 곳에 구멍을 뚫어 볼트bolt나 리벳rivet으로 고정시켜 연결하거나, 얇은 금속판을 접어서 잇는 방법을 말하고, 야금적 접합법은 금속의 원형을 물리적으로 결합하는 용접鎔接과 납접蠟接이 포함된다. 즉, 용접은 야금적 접합 방법으로 서로 떨어져 있는 금속을 서로 녹여서 잇는 것을 말한다. 이를 위해 두 개의 금속은 밀접하게 접촉하여 한쪽의 분자들이 다른 쪽의 것과 결합을 하여야 한다. 이 과정에서 표면의 불순물을 없애고 산화막을 제거하여 원래의 금속만이 녹아 결합 할 수 있도록 플럭스flux를 사용한다. 　 다시 용접의 방법에는 대장간에서 금속을 달구어 두들겨 결합시키는 단접(forge welding)과 같은 압접(pressure welding)과 용접 부위의 표면을 용해하여 결합시키는 융접(fusion welding)이 있다. 압접의 종류인 단접은 풀무로 불 속에 금속을 달군 후 두들겨서 붙이는 과정이므로 작업 시설 크기의 제한과 식기 전에 작업을 마쳐야 하는 점 등의 조건으로 표현에 제약이 있어서 조각가들이 그리 많이 사용하는 기법은 아니다. 융접에는 다시 금속 자체를 접합부를 국부 가열하여 녹여서 접합하는 가스용접, 전기(arc)용접, 원자수소 용접, 테르밋 용접법이 있고, 접합부에 녹는점이 낮은 다른 금속을 놓고 이것을 녹여서 붙이는 납땜이 있다. 이 중에서 조각 작품 제작에 많이 쓰이는 용접 방법은 가스 용접과 전기 용접으로 가스 용접에는 연료를 아세틸렌 대신에 프로판 가스, 천연 가스, 액화수소가스 등을 사용 할 수 있으며, 보통으로는 아세틸렌을 사용하는 산소-아세틸렌 용접(oxy-acetylene welding)을 쓰고, 산소용접이라고 부른다. 산소 용접 도구는 산소와 아세틸렌 가스를 담은 실린더, 가스를 전달하는 호스, 가스 사용량을 조절하는 레귤레이터, 그리고 가스를 혼합하여 유량을 조절하면서 연소시키는 토치 부분으로 구성되어 있다. 용접의 원리는 산소와 아세틸렌의 혼합 가스를 불꽃이 나가는 토치에 의하여 섭씨 약 3000도로 연소시켜서 금속의 이음부를 용융하여 용접하는 방식이다. 이음부위에 추가로 보충 금속이 필요 할 경우에는 같은 금속조각, 혹은 용가재(filler metal)를 보충하면서 비드(bead)를 만들어가며 조각의 소조기법과 같이 덩어리를 덧붙이고 질감을 내어가며 형태를 이루는 비드 용접이 가능하다. 또한 이 기법으로는 특수강이나 황동 같이 비철금속의 용접도 할 수 있다. 산소 용접 도구로 할 수 있는 또 다른 용도는 절단용 토치를 사용하여 철판이나 금속을 혼합가스로 녹인 후 고압의 산소를 불어서 녹은 부분을 날려보내면 절단이 되는 용도로 쓸 수 있고, 용접용 토치 끝에 가열(heating)용 노즐을 붙여 철판을 가열하면 열변형이나 국부변형으로 형태가 뒤틀어지는 우연적인 효과를 작품에 사용 할 수도 있다. 이 기법의 단점은 가열되는 부위가 넓어서 용접하려는 주변 부위에 변형이 생기기도 한다. 　 전기 용접은 전극 사이에 방전에 의한 아크를 만들고 그 발열에 의하여 금속을 녹여 용접하는 방식을 말하며, 아크용접, 비활성 가스 용접 등으로 또 나눈다. 이 중 피복이 된 용접봉(coated electrode)을 사용하는 피복금속 아크용접을 일반적이므로 아크 용접이라고 하며, 전원·전압 발생기·용접봉 홀더(토치)·용접봉으로 구성되어 있다. 용접 모재와 용접봉 사이에 전압을 걸어서 열을 발생시키며, 용접봉은 녹아서 접합부의 틈을 메꾸어 용접이 된다. 용접봉은 각 금속 종류마다 그에 따른 용접봉이 따로 개발되어 있으며, 용접봉의 고산화티타닌 등으로 된 피복재(flux)는 찌꺼기를 표면에 떠오르게 하여 녹은 금속을 보호하는 구실을 한다. 아크 용접은 산소 용접 보다가 더 고온인 섭씨 4000도 이상에서 작업하므로 순간적으로 국부 용접이 가능하여 형태 변형을 줄일 수 있다. 그러나 전압을 높이면 금속의 절단이 가능하나 절단면이 불규칙하고 지나친 용접봉의 소모가 되므로 자유로운 형태의 조각보다 기하학적인 형태 용접이 유리하다. 특히 최근에 와서는 불활성 가스를 사용하는 전기 용접을 많이 사용한다. 이중 아르곤 용접으로 상품화된 티그(TIG, tungsten inert-gas arc welding)용접은 텅스텐 봉을 전극으로 사용하여 아르곤 헬륨등의 불활성 가스를 용접부위에 분사하며 용가재를 첨가하며 용접하는 방식으로 가스가 금속 산화물의 발생과 불순물의 혼입을 차단하므로 정밀하고 기하학적인 형태의 작품 제작에 유용하다. 여기서 텅스텐으로 된 용접봉은 전류를 전달 할 뿐이지 소모되지는 않는다. 그에 반하여 전류를 전달하며 자신도 소모되는 즉, 소모 전극이되어 용접봉 역할을 하는 미그(MIG, metal electrode inert-gas welding)용접이 있다. 용접봉은 철사감개로 생산이 되며, 토치를 통하여 공급이 되어 그 자신이 녹아서 용접부위에 고착하는 방식이다. 이 기법도 불활성 가스를 쓰며, 알루미늄 등 고급재의 부분 용접(spot welding)이 가능하다. 　 납땜은 모재를 녹이지 않고 용재의 화학적 결합력과 물리적 점착력을 이용하여 금속을 용접하는 방법으로, 접합하고자 하는 금속보다 녹는점이 낮은 별도의 금속 또는 합금을 녹인 상태에서 모재의 금속과 알맞게 접합하는 것, 즉 납을 사용하여 이 납을 녹임으로써 모재의 금속편을 접합하는 조작을 말한다. 납땜은 낮은 온도(섭씨 427도)에서 녹는 납을 사용하는 연납땜(soldering)과 그 이상의 고온에서 녹는 재료인 인동납(BCuP2)·은납·양은납 등을 사용하는 경납땜으로 구분한다. 일반적으로는 연납땜을 납땜, 경납땜을 브레이징(brazing)으로 부른다. 보통의 철은 납땜이 어려우며, 납과 쉽게 결합 할 수 있는 아연으로 도금된 함석이나 비금속판의 용접에 주로 사용한다. 　 본 고에서 다루고자 하는 용접 조각은 위에서 설명한 협의의 용접인 융접뿐만 아니라 금속을 재료로 구성한 작품류를 통털어 언급하고자 한다. 왜냐하면 본고의 논지가 단순한 재료와 기법의 기술적인 검토에 있는 것이 아니라, 그러한 기법을 사용하여 표현한 작품의 분석에 있기 때문이며, 또한 작가가 용접 조각을 하며 단순히 한가지 기법에 의존하는 것이 아니라 표현 의도와 재료의 성질에 따라 다양한 용접 기법을 혼용할 수도 있기 때문이다. 　 용접의 기술의 발달은 대단히 오랜 역사를 지니고 있으며 금속의 이용과 함께 내려왔다. 이르게는 기원전 3000년경 청동기 시대에 수메르인들이 현재 이라크 지방에서 땜질로 이어 붙힌 칼을 만든 것이 발굴되었으며, 이집트인들이 숯불 속에 철광석을 넣어서 무르게 한 다음 망치로 두들겨 붙힌 것이 단조용접의 첫 기록이다. 그리고 기원전 1475년 Thebes의 Vizier Rekh-mi-re 무덤에는 브레이징기법으로 용접하는 벽화가 있다. 60년에 플리니Pliny는 금 브레이징과 소금 플럭스에 관해서 썼는데, 내용 중에는 금속의 색깔에 따라서 용접하기에 쉬운가 어려운가의 구분 방법을 논하고 있다. 인도에서는 4세기 대장간에서 철판을 단조 용접해서 철기둥을 만들었다. 이 기둥은 약 7에서 8미터의 높이이고, 상부는 30센티미터, 하부는 40센티미터이며 6톤이나 나가는 거대한 기둥이었다. 이와 비슷한 것들이 로마, 영국 등에서도 발견되었다. 그러나 이러한 것들은 공예품이나 광의의 용접 기법에 속하며 인류의 철조 용접에 대한 필요성과 욕구의 오랜 역사를 볼 수 있는 것이고, 현대적 의미의 용접은 1774년 용접에서 중요한 역할을 하는 산소라는 원소가 발견됨으로서 큰 계기가 되었다. 1836년 영국의 화학자 Edmund Davy (1785-1857)가 가스 용접의 주요 연료인 아세틸렌의 성분에 관하여 이론적인 설명하였고, 1860년 프랑스 화학자 Berthelot (1827-1907)가 아세틸렌의 정확한 구성과 특성을 밝혀냈고, 독일의 Friedrich Wohler (Woehler)는 1862년 한걸음 더 나아가 탄화칼슘을 가지고 아세틸렌을 만들어 냈다. 이를 근거로 드디어 1877년경 가스 용접 기법이 개발되었고, 1887년의 용접 토치 개발과 1892년의 아세틸렌 생산이 미국에서 상용화됨으로써 가스 용접 기법이 널리 보급되었다. 　 전기용접 기법은 1810년 영국의 Humphrey Davy (1778-1829)경이 배터리를 이용하여 두 개의 탄소막대 사이에서 불꽃이 일어나는 것을 실증하여 보였는데, 이는 전기 용접의 선구적 연구였으며, 1831년 패러디faraday가 발전기 발명하게 되고 Michael Faraday가 1839년 전압을 일으키는 단일극을 발명한 것을 기초로 1860년경 영국인 Wilde가 전기 용접의 초기라고 부를 수 있는 방법의 특허를 받았다. 1885년 Nikolai N. Benardos와 Stanislav Olszewaski가 증기 엔진으로 발전기를 돌려서 일으킨 전기로 용접한 탄소 전기 용접의 영국에서 특허를 받고, 1887년부터 영국 공장에서 전기 용접을 사용하여 각종 기구를 생산하기 시작함. 테르밋 용접Thermit Welding (TW) 기법은 1903년 독일의 Hans Goldschmidt가 발명했는데, 이는 알루미늄 가루와 산화철이 발열하여 용접하는 것으로 철로를 용접하는 데 사용되었다. 　 용접이 산업에서 본격적으로 쓰이게 된 것은 미국의 주도로 20세기 산업이 활기를 띠면서부터인데, 1907년 2명의 독일인이 미국으로 와서 전기 용접 산업을 본격적으로 일으켰으며, 1913년 Avery 와 Fisher가 아세틸렌 실린더를 개발하여 간편하게 이동을 하며 용접을 할 수 있게 되었고, 1919년에는 용접이 하나의 산업으로 "American Welding Society "설립되었다. 1924년 처음으로 전체가 용접으로 완성된 철제 집이 지어졌다. 이론적으로 용접이 보급 된 것은 1933년 Lincoln Electric Co가 용접 전문서적인 "Procedure Handbook of Arc Welding Design and Fabrication"을 출판하여 보급했으며, 1948년 오하이오 주립대학에서 대학과정에서는 처음으로 용접과를 만들었다. 　 특히 구리나 알루미늄 등의 비철 금속의 용접은 재료의 특성상 기술적으로 한층 어려우며, 1920년대에 와서 구리합금이나 각각의 재료에 맞는 다양한 전기 용접봉이 개발됨으로써 가능해 졌고, 마그네슘과 스테인리스스틸을 용접하기 위하여 1942년 Gas Tungsten Arc Welding (GTAW)이 개발 되었다. 근래에 각종 금속 및 합금의 개발과 함께 그 용도가 넓어져서 금속 용접법에 대한 연구가 날로 향상 발전되어 가고 있다. 현재에 가장 효과 적인 용접 기법 중의 하나인 inert-gas metal-arc (MIG)용접기는 1948년 개발되었으며, 1954년의 플라즈마 용접Plasma Arc Welding (PAW), 1965년의 이산화 탄소 레이저CO2 lasers 용접을 비롯하여 가장 최근인 200년에는 이스라엘에서 100만분의 1초 안에 2백만 암페어를 일으키며 용접 시 열을 전혀 발생 시키지 않는 자기진동 용접Magnetic Pulse Welding (MPW)까지 개발되고 있다. 이러한 용접(welding)은 여러 가지 공업의 발전과 더불어 예술가들의 작품 표현에 중요한 자유를 가져왔다. 　

[반짝]

자료감사합니다