용접

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금속, 플라스틱, 세라믹 모든 재료를 잇는다 일반적으로 용접은 금속과 금속을 서로 잇는 작업을 말한다. 용접을 할 때는 열이 필요한데 주로 가스, 아크, 전기, 저항열, 마찰열 등의 다양한 에너지를 이용한다. 특히 전기용접은 지난 100년간 공업 발달의 주역으로 조선, 항공기, 건축, 기계, 철도, 수도 등 활용되지 않는 곳이 없을 정도로 산업 현장에서 중요한 역할을 수행해왔다. 요즘엔 용접 작업의 어려움과 인력 부족으로 주춤하고 있지만 아직도 산업 현장에서 빼놓을 수 없는 기술이다. 용접기술은 금속 용접에 이어 플라스틱이나 세라믹 등 비금속 재료들을 접합하는 용접기술로 발전하고 있다. 강하고 경제적이나 변형 가능성 높아 용접은 금속과 금속 또는 금속과 비금속 등 서로 다른 두개의 재료 사이에 직접 원자간 결합이 되도록 접합시키는 방법을 말한다. 때문에 접착제로 붙이거나 리벳으로 연결하는 것과는 근본적으로 다르다. 금속 재료를 용접하려면 우선 재료의 접합면을 청결하게 하고 두 재료의 금속 원자가 서로 결합 할 수 있는 거리에 두 재료를 접근시켜야 한다. 이를 위해서는 접합부를 가열, 용융시켜 그 부분의 금속 원자를 재배열(융접법이라 한다) 시키든가, 접합부 바깥에 힘을 가해서 소성 변형(압접법이라 한다)을 일으켜야 한다. 이외에도 다양한 용접 방법이 있다. 용접의 장점은 재료를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 경제적이라는 것. 가스나 전기 등 열원을 이용해 녹여서 붙이는 방식이므로 재료들을 연결하기 위해 다른 도구가 필요 없다. 특히 리벳 접합에 비해 구조가 단순하고 효율도 우수하다. 리벳 접합은 철근 구조물이나 보일러, 탱크, 선박 등 영구적인 접합을 목적으로 하는 기계적인 이음 방법 중의 하나이다. 특히 기계나 구조물을 수리할 때 매우 중요한 역할을 한다. 그중 주물이나 단조물의 수리 마모된 부품의 재생 용접에 의한 표면경화내식성, 내열성을 개선하는데 널리 사용된다. 단점으로는 단시간에 재료를 국부적으로 접합하기 때문에 재질의 변화와 용접 균열이나 수축 등 변형이 일어날 가능성이 높다. 또 용접 구조물은 리벳 구조물에 비해 응력 집중이 생기기 쉬우므로 품질 관리가 어렵고 용접 기사가 가지고 있는 노하우가 중요하다. 또 다른 어려움은 잘 연결이 됐는지 검사하기가 힘들다는 점이다. 따라서 용접의 질을 높이기 위해서는 재료의 선택과 설계 기기, 시공 검사, 그리고 성능 향상에 신경을 써야 한다. 여기에 용접 작업을 할 때 발생하는 적외선에 의한 화상이나 자외선에 의한 실명, 그리고 무겁고 거친 금속 재료를 다루면서 발생하는 안전사고 등에도 주의해야 한다. 용접은 위험이 높아 3D업종으로 인식되면서 전문가를 구하기 힘든 것도 어려움이다. 내게 맞는 용접법을 찾아라 금속 재료를 용접하는 방법은 사용되는 에너지원이 무엇인가에 따라 구분된다. 가장 규모도 크고 실용화되어 있는 방법이 전기용접, 다음이 아크용접법이다. 아크용접은 아크열에 의해 접합부를 용융하여 용접하는 방법이다. 서브머지 아크용접법, 불활성 가스를 이용한 미그용접법, 티그용접법, 피복아크용접법 등으로 발전했다. 서브머지 아크용접법의 경우 선박이나 교량 등 대형 강제 구조물의 건조에 주로 사용됐다. 미그용접과 티그용접법은 알루미늄이나 스테인리스강 용접에 적용됐다. 2차 세계대전 후에는 피복 아크용접법의 반자동화법인 그라비티 용접이나 횡치식 용접도 발달하여 탄산가스 아크용접법이 강재의 고능률 용접법으로 피복 아크용접법과 함께 널리 보급됐다. 러시아에서 개발된 일렉트로 슬래그용접법도 있다. 이 용접법의 특징은 두꺼운 판 용접에 적합하고 1m 정도 강판의 연속 용접이 가능하다는 것. 이 방법은 용접한 슬래그 속에 전극 와이어를 노즐에서 송급하, 슬래그 내에 흐르는 전류의 줄열(Joule’s heat)에 의해 전극 와이어 및 모재(금속판)를 용융시키는 방법이다. 용융 금속 및 슬래그가 이음 간격에서 흘러나가지 않도록 모재 양측에 수냉 동판을 설치해 용접 진행에 따라 이것을 노즐과 함께 서서히 위쪽으로 끌어올린다. 노즐 대신 용제를 피복한 강관을 사용하여 용접 진행과 함께 용융시켜 용접 능률을 높인 소모 노즐식 일렉트로 슬래그용접과 동일한 메커니즘이다. 용제 대신 탄산가스를 피포가스로 이용하여 아크로 용융지를 형성하면서 용접 금속을 수냉동판으로 냉각하는 용접법으로서 일렉트로 가스용접이 있다. 이들 용접 방법은 두꺼운 강판을 사용한 대형 구조물 제작에 이용되고 있다. 이외에 저항이나 가스, 가스 빔을 이용한 용접법과 플라스마용접, 테르밋용접, 폭압용접, 납땜, 마찰용접, 압접, 초음파용접 등 다양한 방식이 있다. 가스용접은 연료 가스나 산소의 혼합 가스에서 발생하는 연소열을 이용해 용접하는 것인 데 금속 용접에는 산소-아세틸렌용접이 주로 쓰인다. 가스용접은 아크용접과 비교할 때 용접 속도가 느리고 용접 접합의 성질이 떨어져 점점 사장되고 있다. 플라스마용접은 수냉 구속 노즐에 의해 아크를 긴축시켜 1만 ~ 2만K의 고온 플라스마 흐름을 형성시켜 이를 이용해 용접하는 방법. 고온 플라스마는 처음에 알루미늄, 구리, 스테인리스강 등의 강판 절단에 주로 이용됐는데 그 뒤 용접에도 응용됐다. 플라스마 분출을 위한 작동 가스로는 보통 아르곤이 사용되며 고온 플라스마 발생 방법에는 3가지 방식이 있다. 첫 번째는 플라스마제트 방식으로 전극과 노즐 사이에 발생시킨 플라스마를 노즐에서 분출시켜 비금속 재료의 용접과 절단을 한다. 두 번째는 플라스마 아크 방식으로 전극과 모재 사이에 플라스마 아크를 형성하는 방법. 주로 열효율이 높고 일반 금속 재료 용접에 사용된다. 마지막으로 중간식으로 플라스마 제트와 아크를 동시에 발생시키는 방법이 있다. 안정된 작은 전류의 플라스마 아크를 얻을 수 있으므로 얇은 판 용접에 적합하다. 용접부 테스트 기준치 마련해야 용접의 종류가 다양한 만큼 용접이 제대로 됐는지 확인하는 방법도 다양하다. 특히 용접의 경우, 불량 상태를 알아보는 것이 힘들기 때문에 테스트를 위한 기술 노하우가 필요하다. 아크용접, 가스용접, 전기저항용접 등 용접 방법에 따라 접합부의 외관 및 발생하기 쉬운 결함들도 각각 다르기 때문에 테스트 기준도 다르다. 용접부의 테스트는 불량 상태를 확인하기 위한 것이며 그 제품에 필요로 하는 성질에 대하여 확인하는 방법을 여러 가지로 결합할 필요가 있다. 용접부 검사는 시험 측정으로 얻은 값을 정해져 있는 표준치와 비교 검토하여 그 제품의 양부를 판정하고 합격, 불합격을 결정한다. 따라서 시험 방법, 측정하는 위치, 검사 표준치는 그 제품의 가치를 충분히 입증할 수 있는 것이라야 한다. 검사는 제품의 가치 보증을 목적으로 하는 것이므로 그 목적을 달성하기 위하여 제품 전체에 대하여 정해진 모든 시험, 측정을 하는 전체 개수 검사와 전 제품의 대표로서 뽑기 검사를 하는 샘플검사가 있다. 전체 개수검사는 처음으로 제작할 경우 중요한 물건에 대하여 적용하고, 샘플검사는 개수가 대단히 많은 경우 또는 안정한 작업으로 제품이 생산될 경우에 적용하는 것이 일반적이다. 검사 기준치는 이론, 실험 및 제품의 사용 실적 등을 고려하여 결정한다. 또는 일률적인 기준치를 만들려고 할 때에는 표준화된 시험 방법이 필요하다. 현재 우리나라에는 아직 표준화된 용접부의 시험 방법은 없다. 따라서 용접 기술은 기계, 조선, 교량, 건축, 전기 등 산업 전반에 적용되는 제조 기술로 기준치 또한 각 분야에 적절한 값으로 결정되어야 할 것이다. 외부적 결함 원인 용접의 결함에는 외부 결함과 내부 결함이 있다. 외부적인 결함으로는 스트레인에 의한 결함, 치수 및 형상 불량, 피트(구멍), 균열 등이 있다. 용접부에 생기는 결함 중에서 가장 좋지 못하고 가장 위험한 결함이 바로 균열이다. 때문에 용접 기술의 개선 중에서 대부분은 이 균열을 방지하기 위한 것이다. 균열의 발생 원인 및 방지 대책에 대하여 많은 연구들이 진행되어 왔으나 아직 해결되지 않은 문제들이 많다. 용접 균열의 발생은 다양한 원인이 있지만 크게 분류하면 금속학적 요인과 역학적 요인으로 구분할 수 있다. 금속학적 요인으로는 (1)열 영향에 따라서 모재의 연성이 저하되는 것 (2)용융 시에 침입하였다가 또는 확산하는 수소의 영향에 의하여 취화되는 경우 (3)인, 황, 주석, 구리, 아연 등의 유해한 불순물의 포함 등을 들 수 있다. 역학적 요인으로는 (1)용접 시의 가열, 냉각으로 생긴 열응력 (2)강의 변태에 따른 체적 변화 (3)구조상 또는 판재의 두께에 기인되는 용접부의 내부 및 외부에 작용하는 힘의 영향 등을 들 수 있다. 또 다른 결함은 스트레인에 의한 변형이다. 금속은 일반적으로 가열하면 열팽창이 생기고 냉각하면 수축하는 성질을 갖고 있으나 용융 상태에서 응고하여 고체가 될 때에 생기는 수축이 크다. 그러므로 용접부는 용착 금속의 응고, 수축, 용접열에 의한 모재의 팽창 및 수축으로 인하여 복잡한 변형이 생기는데 이것이 스트레인에 의한 변형이다. 다음은 치수 불량 및 형상 불량이다. 특히 코너부의 용접에서 불균일과 덧살붙이의 과다, 부족, 두께의 치수 불량 등이 생겨 결함을 형성하는 경우가 많다. 게이지를 사용하든가 외관을 검사하여 치수 불량을 조사할 수 있다. 형상 불량으로 가장 많은 것은 언더컷과 오버랩이다. 이들 결함은 용접공의 기술 향상, 용접봉의 종류, 용접 조건, 비이딩 방법의 개선, 용접 자세 조정 등의 개선으로 해결 할 수 있다. 형상 불량의 경우 용접 제품의 가치를 떨어뜨리고 응력 집중이 생기게 되어 파괴의 원인이 되므로 결함을 검사할 때에는 적당한 표준을 세우고 조심스럽게 외관 검사, 침투 검사 등을 해야 한다. 마지막으로 비이드 표면에 분화구 모양으로 된 구멍으로 인한 결함이 있다. 이는 용착 금속이 응고할 때에 용융지 모양을 한 부분인 크레이터부에 생긴 기포가 크게 되어 표면에 뚫린 구멍을 말한다. 발생 원인은 블로우 홀과 마찬가지로 조악한 모재 또는 페인트 혹은 스케일의 불순물, 용접봉의 습기, 용접 조건의 부적당 등에서 오는 것으로 볼 수 있다. 내부적 결함 원인 내부 결함으로는 다공성, 접합 불량, 슬랙 혼입, 성질상 결함 등 4가지가 있다. 다공성은 용착 금속 중에 남아 있는 가스의 구멍으로서 블로우 홀, 또는 길고 가느다란 공기 구멍이 내부에 남아 있는 경우를 말한다. 주로 습기, 공기, 용접면의 상태에 따라 수소, 산소, 질소 등의 침입이 원인이 된다. 이를 제거하기 위해서는 용접 기술을 향상시키고 용접 조건을 좋게 해야 한다. 접합 불량의 경우는 용접 속도가 너무 빠르다든가 용접 전류가 너무 낮은 때 용접 부분이 적합한 온도에 도달하지 않은 상태에서는 용착 금속의 접합이 불연속으로 되는 결함이 생긴다. 주로 모재와의 용착 불완전 또는 융합 불량으로 인한 균열이 우발되는 경우가 많다. 또한 용접봉의 크기가 부적당하든가 용접 전류가 너무 낮으면 접합부의 밑 부분까지 용착 금속이 도달하지 못하는 경우가 생긴다. 이것은 용착 금속 부족으로 용접부에 균열을 일으키는 원인이 된다. 슬랙 혼입은 용착 금속 또는 모재와의 접합부 중에 슬랙 또는 불순물이 함유되는 경우가 있는데 일반적으로 용접봉의 피복 물질로 생기는 슬랙이 많다. 이 결함을 방지하기 위해서는 용접봉의 비이딩 방법, 접합부의 청정, 용접 전류 등에 주의할 필요가 있다. 마지막으로 성질상 결함은 용접부는 국부적인 가열로 융합되어 접합부를 형성하므로 모재의 성질과 완전히 균일한 성질을 갖게 할 수는 없다. 용접 구조물은 어느 것이나 사용 목적에 따라서 그 용접부의 성질 즉 기계적·물리적·화학적 성질에 대하여 각각 규정된 요구 또는 조건이 있다. 따라서 이것을 만족할 수 없는 것은 넓은 의미의 결함이라고 생각할 수 있다. 기계적 성질로서는 항복점, 인장 강도, 연율, 경도, 충격치, 피로 강도, 고온 크리프 등의 특성을 들 수 있다. 화학적 성질로는 화학 성분, 내식성 등을 물리적 성질로는 열전도도, 전기 전도도 및 자기적 성질, 열팽창 등의 성질이 대상이 된다.