스크랩 용접 흄에 대해 알고 싶어요

[박태수]

용접 흄에 대해 알고 싶어요

알면 도움되는 상식

하나, 용접 흄 발생량은 용접전류와 전압이 증가에 따라 증가합니다. 현장에서 생산성을 이유로 전류와 전압을 세게 하고 용접을 하는데 이는 용접 흄의 발생량도 증가시킨다는 것을 명심합시다.

둘, 흄 입자의 크기는 매우 작아서 우리 폐까지 들어오기가 아주 쉽습니다. 그만큼 건강 영향을 주기가 쉽습니다. 따라서 다른 작업장과 용접작업장의 먼지가 같은 농도가 존재한다고 했을 때 용접작업장의 먼지가 훨씬 더 많이 폐로 들어오기가 쉽습니다.


셋, 흄은 모재에서 발생되기보다는 용가재(용접봉이나 용접와이어)에서 유래하는 것이 많습니다. 문헌에 의하면 약 85 %의 흄이 용가재에서 기인하고 나머지 15 %정도가 모재에서 기인하는 것입니다.


넷, 페인팅 또는 도금된 강에 용접을 하면 예기치 못했던 다양한 유해인자가 발생됩니다. 페인트는 가능하면 그라인더나 적절한 방법으로 벗겨내고 용접을 합시다. 구리나 아연으로 도금된 표면에 용접할 때는 작업환경측정시 구리나 아연도 측정해야 합니다

다섯, 개인적인 작업습관도 매우 중요합니다. 용접 흄은 발생단계에서 매우 잘 보이는 연기처럼 발생함으로 머리와 코의 위치가 이 연기뭉치로부터 떨어지도록 작업하는 습관을 가집시다. 그러나 밀폐공간에서는 흄이 점점 누적됨으로 이 방법이 유용하지 않습니다.

용접 종류에 따른 대략적인 흄 발생량

아래 표에서 보듯이 피복금속아크 용접과 플럭스 코어드 아크용접에서 많은 흄이 발생합니다. 조선업에서 사용하는 CO₂ 용접은 플럭스 코어드 아크용접이라고 했죠. 흄발생량이 많네요

공정	흄 발생량(g/min)
플럭스코어드 아크 용접	0.2∼1.2
피복금속아크용접	1.0∼3.5
가스금속아크용접(강철)	0.1∼0.5
가스금속아크용접(알루미늄)	0.1∼1.5 표 3. 용접종류에 따른 흄 발생량

용접와이어가 녹으면 다 어디로 갈까요

플럭스 코어드 와이어에 대한 연구(윤충식, 환경위생학회지)에 의하면 용접와이어의 약 85 %가 녹아서 용접부위로 녹아 들어가며(이를 용착금속이라 하지요), 슬래그로는 11 %, 스패터로는 약 3 %정도가 이동합니다. 실제로 용접 흄으로 가는 것은 0.5∼ 1 % 정도가 됩니다. 흄으로 가는양이 별거 아니라고요. 천만에요. 조선업에서 많이 사용하는 플럭스코어드아크용접(보호가스 CO₂)에서 와이어 한 스풀이 다 사용하였을 때 발생되는 흄량을 계산해보면요. 20kg 짜리 와이어 한스풀에서 나오는 흄의 총량은 130-172g이고요, 15kg짜리 한 스풀을 다 사용하면 98-129g의 흄이 나옵니다. 즉, 이 만큼의 흄이 공기중으로 떠다니게 되는 것이죠. 한 사업장에서 하루종일 사용하는 스풀수를 생각해보세요. 흄의 발생량은 어마어마 한거예요.

이걸 알면 흄 전문가(흄의 생성기작)

일반적으로 용접 흄의 생성기작은 간단히 금속의 증발-공기중에서의 냉각 응축 및 산화로 설명합니다. 이를 쉽게 설명하면 아크중에서 금속이 녹아 증발하게 되어 그 중 일부가 공기중으로 튀어나와 산소와 만나 산화물을 형성하고 차가운 공기중에서 냉각하여 응축됨으로 다시 고체 알갱이가 되는 것이라고 할수 있습니다.

좀더 자세히 용접 흄이 생성되는 기작을 알아볼까요

용접 흄의 생성 기작을 자세히 구분하면 다음의 4 가지 생성기구들의 조합으로 설명할 수 있으며 이들 생성기작이 흄 발생에 미치는 영향은 용접공정, 용접재료, 용접조건, 보호가스 등 여러 가지 인자들에 의해 결정됩니다.

(1) Evaporation followed condensation

이는 위에서 설명한 흄의 생성되는 기작입니다. 용융지(molten metal pool)와 아크를 통해 이동하는 용적에서 직접적인 금속의 증기화가 일어나는데 이렇게 증발된 금속은 아크 지역을 빠져나오면서 응축이 되게 됩니다. 보호가스내의 산소와 주위 공기 중 산소로 인해 증발에 이어 산화가 일어납니다. 이 기작을 V-C-O(vaporation-condensation-oxidation)라 하는데 흄 형성의 주요 기작이라고 생각하고 있습니다. 이 기작의 증거로는 합금강에 대한 용접을 할 때 흄 중 휘발성이 큰 금속(예, 망간)의 함량비가 증가한다는 사실이 뒷받침하고 있습니다.

(2) Oxidation-enhanced vaporation

비휘발성 성분이 산화되어 상대적으로 휘발되기 쉬운 산화물을 만들어 증발이 되고 이가 다시 에어로졸이 되므로서 흄이 되는 기작을 말합니다. 예를 들어 산화성 보호 가스로 연강용 와이어를 사용하였을 때 상대적으로 실리카(SiO₂)의 함량이 많다는 것이 보고되었는데 이는 아크 속에서 실리콘(Si)의 휘발성 산화물이 실리카로 되었기 때문입니다. 용융된 철이 산소나 이산화탄소 같은 산화성 가스와 반응하여 상대적으로 휘발성이 있는 철 산화물을 만든다는 것도 보고되었습니다. 또한 미그 용접에서 산소 같은 산화가스가 흄중 금속의 농도를 증가시키지는 않으나 산소가 증가할수록 전반적인 흄 발생량이 증가한다는 보고도 이를 뒷받침하고 있습니다. 이상 결과들은 용접계(welding system)에서 산소에 의한 증기화의 가속(oxidation-enhanced vaporation)현상을 지지해주는 증거들이다. 그러나 증발-응축기작보다는 흄의 형성에 기여도가 작으며 여러 가지 금속들에 대해 비선택적입니다.

(3) Physical ejection of particle

용융 금속에서 방울의 터짐(bubble bursting), 난류 혼합(turbulent mixing) 등의 물리적인 과정에 의해 입자가 튕겨져 나와 흄이 형성되는 기작을 의미합니다. 튕겨져 나온 미세입자는 공기중에 머물 수 있으므로 직접 흄 형성에 기여하기도 하나 증발 기작보다는 흄 형성에 기여하는 바가 작습니다. 플럭스 코어드 아크 용접에서는 원소들의 직접적인 이동이 수월할 것으로 기대되는데 그 이유는 플럭스가 가는 파우더이기 때문이기 때문입니다. 용접 팁 선단에서 용적의 폭발이행(explosive transfer)도 작은 입자들을 방출할 수 있으므로 솔리드 와이어 보다 플럭스 코어드 와이어에서 물리적인 방출기작이 더 잘 일어난다고 할수 있습니다.

(4) Contribution of spatter to fume formation

스패터도 흄 발생량과 구성성분에 영향을 줄 수 있습니다. 용접에서 스패터는 불안정한 아크 조건과 난류의 용융지에서 발생하는데 스패터의 형성은 용융금속의 표면적을 증가시켜 증발이 잘 일어나게 합니다. 스패터는 표면적을 넓게 해줄 뿐만 아니라 용접부위로부터 방출되어 좀더 산소가 많은 공기중으로 튀어 나올수 있기 때문에 이 두가지 모두 흄 발생량을 증가시키는 요인이 됩니다.

스테인레스강용 솔리드 와이어를 사용할 때 총 흄 중 30 %가 스패터에서 나왔다는 보고도 있습니다. 스패터의 발생량은 보호가스의 종류, 와이어 합금과 구성성분에 따라 다르므로 스패터로부터 나온 흄 성질도 이에 따라 달라집니다.

이상 설명한 흄 생성 기구들을 기반으로 흄 발생원들을 비교해 볼 때 다른 발생원들에 비해 가장 넓은 표면적을 가지고 있을 뿐만 아니라 과열의 정도도 가장 높은 용적이 가장 중요한 흄 발생원이라 할 수 있습니다.