스크랩 기능사이론 용접의개념

[美세상(최승일)]

1. 용접의 개념
고체상태의 두개의 금속을 열이나 압력 혹은
열과 압력을 동시에 가해서 접합시키는 기술

2. 용접의 원리
용접 모재를 가열, 용융시켜 고체상태에서의
원자간 결합력을 약하게 만든 후
이를 다른 모재와 결합, 응고시켜
다시 원자간 결합력을 회복.

3. 용접의 특징

(1) 이 점
(ⅰ) 재료의 절약
(ⅱ) 공정수 감소
(ⅲ) 제품의 성능, 수명 연장


(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


4. 용접의 역사

- 1801년 → 영국 Davy의 전기 arc 발견
- 1891년 → 소련 slavianotf → 금속 arc 용접법
- 근대식 용접법 : 1831년 → Faraday의 발전기 발명이후(전기시대 이후)
- 50년이 지난 1885년 이후

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

(1) 융 접
(2) 압 접
(3) 납 땜

Ⅱ 융 접 (Fusion welding)

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)

(1) 피복 arc 용접의 원리

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.

- 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



(2) 용접 회로

용접기에서 발생한 전류(직류 or 교류) → 전극 cable → 용접봉 hold → 용접봉 arc → 용접물 → 접지 cable → 용접기

(3) arc의 성질
① arc 란 ?
음극과 양극의 두 전극을 일정한 간격으로 벌려놓고 여기에 전기를 통하면 두 준극사이에 활 모양의 불꽃방전이 발생 → 이것을 arc

② 직류 arc 중 전압의 분포

- arc에서의 발생전력 Pa는

Pa = Va·I = (Va+Vp+Vk)·I (I : arc전류)

- arc 기둥의 온도 → 5000∼50000K 단 전류와 분위기 gas의 종류 등에 의해서 다소 변화

- 양극과 음극 부분에서의 전압강하는 재질에 따라 변하여 arc길이 및 전류크기와는 관계가 없으며 arc기둥 부분에서의 전압강하는 arc 길이에 거의 비례하게 강하

- 아크 용접 → arc 발생열(arc전력) 이용 융접 → 발생열의 일부는 대기중 비산

∴ 주어진 열량 50∼90% (arc용접법에 따라 차이)

※ 전기 에너지 → 열 에너지

Q = V·I·T = I2·R·T (∵ I = V / R)


(4) arc 의 특성

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

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

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

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


(5) 극성효과

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

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

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

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


(6) 용접 입열 (weld heat input)

- 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

그러나 실제 용접 입열 = 전기적 에너지(H) + 화학적 에너지(피복제의 분해시 발생)

- 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

(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

- 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


(8) 용착현상
- 용접봉에서 모재로 용융금속이 옮겨가는 현상 → 용적의 이행상태
- 3가지 형식

(ⅰ) 단락형(short circuit type)
- 큰용적이 용유지에 접촉하여 단락 → 표면장력의 작용으로 모재에 이행하여 용착
- 비피복 용접봉 피복 arc 용접봉 사용시

(ⅱ) 스프레이 형(spray type)
- 미세한 용적이 스프레이 같이 날려서 이행
- 일미나이트계 용접봉 피복 arc 용접봉 사용시

(ⅲ) 핀치 효과형(pinch effect type)
- 비교적 큰 용적이 단락되지 않고 이행
- 서브머지드 아크 용접 또는 MIG 용접과 같은 큰 전류 사용시


(9) 피복 arc 용접봉

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

② 용접봉의 종류

(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

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

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

(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

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

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

라. 탈산제
- 용융금속중의 산화물을 탈산 정련
- Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Ti, 등 철함금 , Mn, Al 등

마. 합금 첨가제
- 용접금속의 각종 성질을 개선키 위함
- Mn, Si, Ni, Mo, Cr, Cu, V 등

사. 고착제
- 심선과 피복제를 고착시키는 역할
- 물유리, 규산칼륨 등의 수용액

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

(ⅲ) 종류 및 특성
종류 표시 : E 43 X X

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

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

(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)

(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

* overlap
원인 : under cut의 반대, 응력집중, 부식 촉진

(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

(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

(ⅵ) 운봉법
- straght bead(직선운봉) → 용접부에 결함 발생 우려 작다
- weaving bead(위빙비드) → 원형, 타원형, 감각형, 부채꼴형등 → weaving 폭이 용접봉 지름의 3배 이하


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.....

(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

(3) 용접용 재료

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

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



② flux
- 역할 : 용접부를 대기중 보호, arc 안정, arc의 shield 용융금속과 금속학적반응
- 종류(제조법에 따라) : 용융형 용제(fused flux), 소격형 용제(sintered flux)



(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