용접의 개념 및 분류

[朴 鉉 求]

용접의 개념 및 분류

1.1. 용접의 개념

금속과 금속을 충분히 접근시키면 이들 사이에는 뉴튼의 만유인력에 따라 금속 원자간에 인력이 작용하여 서로 결합하게 된다. 이 결합을 이루려면 원자들을 10nm정도 접근시켜야 하는데 이와 같은 일은 평상시에는 일어나지 않는다. 그 이유는 보통조건에서는 금속표면에 산화막이 존 재하여 원자간 결합이 안되며, 또한 원자간의 인력이 작용할 만큼 가까이 할 수가 없기 때문이다. 즉 금속표면이 평활하게 보여도 확대해보면 올록볼록하고 공기와 접촉한 면은 산화막으로 덮여있 기 때문이다. 이런 방해작용을 줄이고 접근시켜 두 금속을 접합시키는 과정을 넓은 의미의 용접 (Welding)이라고 할 수 있다(강인찬, 1995 ; 박종우, 1997)

따라서 일반적으로 용접이란 접합하고자 하는 두 개 이상의 물체(주로 금속)의 접합부분에 존재하는 방해물질을 제거하여 결합시키는 과정이라고 할 수 있는데 주로 열로 두 금속을 용융시 켜 이 작업을 수행하게 된다.

금속을 접합하는 방법은 크게 두가지로 기계적 접합과 금속학적 접합법으로 분류한다. 기계 적 접합이란 접합면에 국부적인 소성변형(塑成變形)을 주는 것으로 볼트이음, 리벳이음, 가열끼우 기 등이 있으며, 금속학적 방법(또는 야금학적 방법)이란 접합면에 열같은 에너지를 가하여 국부 적으로 熔融(용융)시키던지 또는 금속원자의 열확산을 촉진시키는 방법으로 용접은 대부분 이 방 법에 속한다.

용접작업에 필요한 구성요소는 용접의 종류에 다소 차이는 있으나 ① 용접대상이 되는 재료 (모재), ② 열원(가열열원으로 가스열이나 전기에너지를 사용가 주로 사용되고 화학반응열, 기계 에너지, 전자파에너지 사용) ③ 용가재(융합에 필요한 용접봉이나 납 등) ④용접기와 용접기구(용 접용 케이블, 호울더, 토우치, 기타 공구 등) 등이 필요하다.

절단도 같은 원리가 적용될뿐 아니라 산업보건측면으로도 같은 건강유해요소가 존재하므로 같이 취급한다.

1.2. 용접의 분류

용접을 분류하는 방법은 여러 가지가 있는 데 용접시의 금속이 고체상이냐, 액상이냐, 또는 가압여부에 따라서 융접(融接; fusion welding), 압접(壓接) 및 납땜(soldering, brazing)으로분류하 는 방법이 있다.

융접(融接, fusion welding)은 접합하려는 두 금속재료 즉 모재(母材; base metal)의 접합부를 가열하여 용융 또는 반용융상태로 하여 모재만으로 또는 모재와 용가재(溶加材; filler metal)를 융 합하여 접합하는 방법이다.

압접(壓接, pressure welding)은 이음부를 가열하여 큰 소성변성을 주어 접합하는 방법으로 접합부분을 적당한 온도로 가열하거나 또는 냉간상태에서 압력을 주어 접합시키는 방법이다. 납접(brazing and soldering)은 모재을 용융하지 않고 모재보다도 용융점이 낮은 금속(납의 일종)을 용융시켜 접합하는 방법으로 접합면 사이에 표면장력의 흡인력이 작용되어 접합되며, 땜 납이 용융점이 450 ℃이하일때를 연납(soft solder)이라 하고 450 ℃이상일때를 경납(hard solder) 이라 한다(강인찬, 1995, 엄기원, 1996)

절단법에는 가스절단법과 아크 절단법이 있는데, 가스절단은 산소와 금속과의 반응열을 이용 하는 방법이고 아크 절단은 아크열을 이용하는 방법이다.

<표 1-1> 용접의 종류

(1)융접	a.아크용접	비소모전극	비피복아크용접	탄소아크용접
			피복아크용접	①원자 수소용접
				②불활성가스 텅스텐용접(TIG)
		소모전극	비피복아크용접	①금속아크용접
				②스터드용접
			피복아크용접	①피복 금속아크용접
				②잠호용접
				③불활성가스 아크용접(MIG)
				④탄산가스 아크용접
	b.가스용접	①산소 수소 용접
		②산소 아세틸렌 용접
		③공기 아세틸렌 용접
	c.테르밋용접	①용융테르밋 용접
		②가압테르밋 용접
	d.일렉트로슬랙용접
	e.일렉트로가스용접
	f.전자빔 용접
	g.플라즈마 용접
	h.레이저빔 용접
	i.전착 용접
	j.저온 용접
(2)압접	가열식	압접	가스 압접
			유도가열 압접
		단접	해머 용접
			다이 용접
			로울러 용접
		전기저항용접	겹치기	①점(spot) 용접
				②심(seam) 용접
				③프로젝션 용접
			맞대기	①업셋 용접
				②플래시 버트 용접
				③퍼어커션 용접
	비가열식	① 확산 용접
		②초음파 용접
		③마찰 용접
		④폭발 용접
		⑤냉간 용접
(3)납땜	연납/경납	①가스토치납땜
		②노내납때
		③유도납땜
		④저항납땜
		⑤침지납땜
		⑥진공납땜

1.3. Arc Welding(AW, 아크용접)

아크 용접이란 전극과 모재의 표면사이에 발생하는 전기적 아크와 열에 의해 두 금속이 접합(coalescence)하는 과정이다. 아크 용접을 이해하기 위해 아크의 개념에 대해 알아보자.

아크란 용접봉과 모재사이에 전압을 걸고 용접봉 끝부분을 모재에 살짝 접촉시켰다가 떼는 순간에 불꽃 방전에 의해 원호(arc) 모양의 청백색의 강한 빛을 내는 부분을 말한다. 아크의 중심부에 있는 지름이 작고 백색에 가까운 아주 밝은 부분을 아크중심이라 하며 이부분의 길이를 아크길이(arc length)라 하며, 이 중심부위를 둘러싼 담홍색부분을 아크기둥(arc column)이라 하고 그 외부를 둘러싼 불꽃을 아크불꽃이라 한다.

이 아크를 통하여 강한 전류(약 10∼500 A)가 흐르며 이 강한 전류가 금속증기나 그 주위의 각종 기체분자를 해리하여 양이온과 전자로 해리시켜 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 끌려가게 된다. 이 아크의 전류는 강한 열(5000℃)을 발생시키고 이 열에 의해 용접봉은 녹아서 금속증기 또는 용적(熔滴, globule)이 되며, 동시에 모재도 녹아서 용융지(熔融池, molten weld pool)를 형성한다. 용접봉의 금속증기 또는 용적이 용융지에 흡착외어 모재의 일부와 융합하여 용접금속(熔接金屬, welding metal)을 형성한다.

따라서 아크용접에서는 모재와 용접봉이 각기 전극의 역할을 하게 되는데 모재와 용접봉중 어느 것이 각각 양극 또는 음극이 되는가와 모재와 용접봉의 성질에 따라 용접의 성능이 달라지게 된다. 아크용접에 있어서 직류전원을 사용한 경우를 직류용접(DC arc welding)이라 하고 교류전원을 사용한 경우를 교류용접(AC arc welding)이라 한다.

아크를 발생시키는 전원은 직류와 교류를 다 사용할 수 있다. 직류인 경우 양극(+)극에 발생하는 열량이 음극(-)에 발생하는 열량보다 훨씬 많다. 그 이유는 전자가 음극에서 양극으로 흐르기때문(전류는 양극에서 음극으로 흐르고 전자는 이와 반대)에 전자의 충격을 받는 양극에서 발열량이 많다. 따라서 용접봉을 연결할 때 전원을 고려하여야 한다. 그러나 교류인 경우 양극과 음극이 주파수에 의해 바뀌므로 발생하는 열량은 각극에서 거의 비슷하다.

직류(DC)전원을 사용하는 경우 용접봉을 음극에, 모재를 양극에 연결한 경우를 직류 정극성(直流正極性, direct current straight polarity, DCSP)이라 하는데 이 경우는 용접봉의 용융이 늦고 모재의 용입(penetration)이 깊어진다. 반대로 용접봉을 양극에, 모재를 음극에 연결한 경우를 역극성(直流逆極性, direct current reverse polarity, DCRP)이라 하는데 이때는 용접봉이 전자의 충격이 더 세므로 용접봉의 용융속도가 빠르고 모재의 용입이 얕아지게 된다. 따라서 극성이 유해물질 발생에 영향을 미치는 한 인자가 된다.

이 아크용접은 전극, 플럭스(flux), 피복가스, 기타 장비에 의해 여러 가지종류로 구분된다. 전극은 비피복선(非被覆線, bare wire)을 사용하거나 flux 물질로 약하게 또는 강하게 피복되어진 것을 사용한다. 비피복 전극(bare wire electrodes)은 가격이 싸나 용접이 잘되지 않고 유지하기가 힘들므로 잘 사용하지 않는다. 때로는 사용전 산화를 방지하기 위해 flux 대신 용가재(filler material)에 구리를 코팅시키기도 한다.

아크용접을 하기위해서는 다음과 같은 장치가 필요하다(박종우^b, 1997).

① 용접기 - 아크 용접의 열원으로 직류와 교류용접기가 있다.
② 용접용전선(welding cable) - 전원에서 용접기까지 연결하는 1차 전선(교류인 경우)과 용접기에서 호울더나 모재까지 연결하는 2차 전선이 있다.
③ 용접봉 호울더(electrode holder) - 용접전류를 케이블에서 용접봉으로 전하는 기구로 용접봉 끝부분을 물게 되어 있다.
④ 접지클램프(ground clamp)와 커넥터(connector) - 접지 클램프는 용접기와 모재를 접속하는 것으로 저항열을 발생시키지 않도록 해야 한다. 케넥터는 길이가 긴 용접용전선을 이어서 사용할 때 연결하는 장치이다.
⑤ 핸드 시일드와 핼멧 - 용접작업중 발생하는 자외선·적외선 및 스패터로부터 눈, 얼굴, 머리를 보호하는 장비로 손잡이가 달려있는 것을 핸드시일드(hand shield)라 하고 머리에 착용하는 것을 헬멧이라 한다. 이 핸드시일드와 헬멧에는 차광렌즈가 끼워져 있다.
⑥ 차광렌즈(filter lenz) : 용접중 자외선·적외선으로부터 작업자의 눈을 보호가기 위한 것으로 렌즈의 번호가 높을수록 차광량이 많다. 대개 2번은 연납땜에, 3∼4번은 경납땜 작업시, 4∼6번은 가스용접 및 절단에, 보통 전기용접에는 10∼12번이 사용된다. 차광렌즈 바깥쪽에는 차광유리가 스페터에 의해 손상되지 않도록 유리가 끼워져 있다.
⑦ 용접보조 장비로는 슬랙을 제거하기 위한 슬랙해머, 와이어브러쉬, 치수를 재는 용접지그(welding jig) 등 여러 장비가 있다.
⑧ 작업자를 보호하기 위한 용접장갑, 발덮개, 앞치마 등이 있는데 이들 중에는 석면제품이 많으므로 유의하여야 한다. 인근 작업자를 보호하기위한 차광막도 필요하다. 또한 국소환기장치가 필요하다.

아크 용접은 매우 다양한 종류가 있는데 그 중 대표적인 것 몇몇을 설명하면 shielded metal-arc welding(SMAW), gas tungsten arc welding(GTAW), gas metal arc welding(GMAW), submerged arc welding(SAW), plasma arc welding(PAW)등이 대표적이다.

1.3.1. Shielded Metal Arc Welding(SMAW, 피복아크용접)

피복아크용접은 압력을 가하지 않는 용접의 가장 흔한 형태로, 피복금속아크용접, 막대용접(stick welding or stick rod welding), 전기용접, 전극용접(electrode welding, or coated electrode welding), 또는 수동금속아크용접(manual metal arc welding)이라 불리기도 한다. 이는 피복제를 바른 용접봉과 모재사이에 전기아크에 의해 발생되는 열을 이용하여 용접하는 방식으로 그림 1-3에는 용접부위에 관한 설명과 용어가, 그림 1-4에는 피복아크용접회로가 나타나 있다. 그림 1-3에서 보는 바와 같이 용접회로는 전원(직류, 교류 모두 가능), 전극 케이블, 용접봉 홀더, 피복아크 용접봉, 모재(피용접물), 접지케이블로 이루어져 있다. 직류인 경우 전압은 대개 10-50 V이며 이 때 전류는 2000A까지 올라갈 수도 있다.

용접봉은 용접 보재사이의 틈을 채우기 위하여 필요하며 용가재(filler metal)이라고도 하며 또한 모재와 용접봉사이의 아크를 발생시키는 전극의 역할을 하므로 전극봉(electrode)라고 한다.

용접봉을 분류하는 방식은 여러 가지이다. 모재의 재질에 따라 연강용(탄소강), 저합금강용(고장력강), 스테인레스강용, 구리합금용, 주철용, 특수용도(내마모성용, 내균열성용, 표면경화용)으로 구분할 수 있는데 대개 모재와 같거나 비슷한 금속합금으로 되어 있는데 주요 세종류는 ① 셀룰로이계(cellulosic; TiO₂, sand, magnesium silicate), ② 금홍석계(rutile; TiO₂, CaCO₃, cellulose), ③베이직계(basic; CaCO₃와 fluride가 고함량)가 있다. 또한 용접부 보호방식에 따라 가스발생식(피복제 성분이 주로 셀룰루스며 연소하여 가스를 발생하여 용접부를 보호), 슬랙생성식(피복제 성분이 주로규사, 석회석등 무기물로 슬랙을 형성해 용접부를 보호), 반가스밸생식(가스발생식과 슬랙생성식의 중간방식)으로 구분할 수도 있다.

피복 용접봉은 금속심선의 주위에 여러 가지 기능을 가진 유기물, 무기물 또는 그 혼합물을 피복한 것으로 피복제는 적당한 고착제를 사용하여 심선에 도포한다. 피복제는 아크열에 의해 분해되어 아크를 안정하게 하고, 가스(CO₂, CO) 또는 슬랙을 발생시켜 용융 금속이 대기중의 산소나 질소와 접촉하는 것을 막아 산화 및 질화를 방지하며(중성 또는 환원성 분위기를 만듦), 적당한 화학반응에 의하여 용접 금속은 정련된다. 또한 필요한 합금 원소를 심선이나 피복제에 첨가함으로써 좋은 용착 금속을 얻을 수 있다. 비피복 용접봉(bare electrode)을 사용하면 가스 시일드가 형성되지 않으므로 공기가 침투하여 건전한 용착금속을 얻을 수없고 아크도 안정화되지 않는다. 이와 같은 피복제의 기능을 요약한 것이 표 1-2이다.

용접부의 차폐 분위기(shielding atmosphere; 통상 '시일드'라 함)는 용제(flux)라고 불리는 피복제의 분해로 인해 생성된다. 용가재는 금속심선(金屬心線, metal core wire) 또는 피복제에 포함된 금속 입자에 의해 공급되어진다.

<표 1-2> 피복제의 기능과 성분

피복제의 기능	기 능 설 명	성 분 예
아크 안정제	아크열에 의하여 이온화하여 아크 전압을 낮게하고 아크를 안정시키는 기능	TiO2, Na2SiO3, CaCO3, K2SiO3
가스 발생제	가스를 발생시켜 중성 또는 환성성 분위기를 만들어 용융금속의 산화나 질화를 방지하는 역할, 왼쪽 성분들이 아크열에 의해 분해되어 CO, CO2, 수증기 발생	녹말, 톱밥(세룰로스), 석회석, BaCO3
슬랙 생성제	용융점이 낮은 가벼운 슬랙을 만들어 용융 금속표면을 덮어 산화나 질화를 방지하고 용융금속의 냉각속도를 늦춰 기표나 불순물의 섞임 방지	산화철, 일루미나이트(TiO2·FeO), TiO2, MnO2, CaCO3, SiO2, 장석(K2O·Al2O3·6SiO), 형석(CaF2)
탈산제(脫酸劑)	용융금속 중의 산화물을 탈산정련(脫酸精鍊)하는 작용	Fe-Si, Fe-Mn, Fe-Ti합금, 금속 망간, 알루미늄
합금첨가제	용접금속의 성질을 개량하기위하여 피복제에 참가하는 금속	Mn, Si, Ni, Mo, Cr, Cu, V
고착제(binder)	심선(core wire)에 피복제를 고착시키는 역할	물유리(Na2SiO3), 규산칼륨(K2SiO3)

따라서 아크의 차폐(시일드)는 ① 아크속에서의 용융금속과 용융지의 공기접촉을 막고 ② 용접금속의 성긴구조를 정련하기 위한 제거제 또는 항산화제 역할을 하며 ③ 용 융지와 고형화된 용접부에 slag blanket을 형성한다. ①, ③ 기능에 의해 공기로부터 산소와 질소 의 유입을 막아 산화물과 질화물의 형성을 막는다. 후에 슬랙은 손이나 공기 해머에 의해 제거한다.

피복아크 용접에서 유해인자를 파악하기 위해서는 반드시 용접봉과 피복제의 성분을 확인하 여야 한다. 용접봉의 분류는 용접봉에 씌여 있는 번호로 한다. 다음은 미국용접학회에서 사용하는 분류방식이다. 우리나라에서 피복아크 용접봉의 분류는 KS D 7004에 규정되어 있는데 이는 피복 제의 종류, 사용전류, 용접자세에 따라 분류되고 있다.

  Exxx 또는 xxxx로 표시 예)E8410

  ·E : E는 전기아크 용접전극 또는 용접봉을 표시
  ·84 : E 다음의 두자리는 용착금속의 최소 인장강도(kgf/mm2)로서 위 용접봉은 인장강도가 84 kgf/mm2을 나타낸다.
  ·그 다음의 한자리 숫자는 용접봉이 사용되는 용접 자세를 나타낸다. 1: 전자세, 2: 아래보기 또는 수평용접 자세, 3: 깊은 홈(deep grove)
  ·4번째 자리 숫자는 극성, 피복형과 비드 모양등 작업특성을 나타낸다. 여기서 0은 직류(DC) 역 극성을 의미한다.

다음 표 1-2는 4번째 숫자의 의미인데 개략적인 성분과 전원의 특성을 알 수 있다.

<표 1-3> 용접봉 표시형식중 4번째 자리 숫자의 의미

4자리째 숫자	피복제의 형태	전원특성
0		DC Reverse
1	cellulose potassium	AC or DC Reverse or Straight
2	tiania sodium	AC or DC Straight
3	titania potassium	AC or DC Reverse or Straight
4	iron powder titania	AC or DC Reverse or Straight
5	low hydrogen sodium	DC reverse
6	low hydrogen potassium	AC or DC Reverse
7	iron powder iron oxide	AC or DC
8	iron oxide low hydrogen	DC Reverse or Straight ro AC

저 수소 용접봉(low hydrogen electrode)에는 탄소, 망간, 실리콘, 크롬, 니켈, 몰리브데늄, 바나디움등의 금속과 더불어 탄산칼슘-불 화칼슘(CaCO₃-CaF₂)가 첨가되어 있다. 기존의 연구에 의하면 저수소전극에서 발생되는 흄의 9 %가 불소라고 보고되었으며 이 불소중 10-22 %가 수용성이라고 하였다. 다른 연구에서는 피복 제의 함량과 심선의 두께에 따라 불소가 총 흄의 20 %까지 차지할 수있다고 하였다. 수용성 불 소가 되는 기작은 확실치는 않으나 불화칼슘이 아크속에서 분해되어 SiF₆를 형성하고 이것이 수 증기가 존재하는 상태에서는 HF가 된다고 추측하고 있다.

1.3.2. Gas Tungsten Arc Welding(GTAW, TIG, 가스텅스텐아크용접)

피복아크용접이 많은 철금속의 용접에 효과적이기는 하지만 알루미눔, 마그네슘이나 다른 반 응성이 큰 금속의 용접에는 부적당하다. 이를 위해 1930년대에 아크환경을 산소나 수소의 침입 으로부터 보호하기 위하여(이를 blanket이라는 용어를 사용하고 있는데 담요로 덮는 것과 같은 역할을 한다고 해서 그런 용어를 사용함) 고온에서 금속과 반응하지 않는 불활성가스(Ar, He 등) 를 공급하여 용접하는 방법이 도입되었다. 이 방법을 불활성 아크 용접(inert gas arc welding)이 라 하는데 여기에는 ① 비소모성 전극인 텅스텐 봉을 사용하는 가스 텅스텐 아크 용접(gas tungsten arc welding; GTAW, 또는 불활성 가스텅스텐 아크 용접(inert gas tungsten arc welding; TIG)이라고도 함)과 ② 소모성 전극인 비피복 금속 용접봉을 사용하는 가스 금속 아크 용접(gas metal arc welding; GMAW). 일반적으로 GTAW는 0.6∼3 mm의 얇은 판에, GMAW는 3 mm이상의 두꺼운 판에 사용되며 후자가 전자에 비하여 효율이 높다. 이 절에서는 GTAW를 설명하고 다음절에서 GMAW를 설명한다.

가스텅스텐 아크 용접에서는 비소모성인 텅스턴 전극과 모재사이에 아크가 형성되며 텅스텐 전극주위로 불활성 가스인 알곤(우리나라 많이 사용)이나 헬륨이 주입된다. 그 림 1-7에서와 같이 용가재는 용접봉의 형태로 불활성 가스 시일드 보호막속으로 별도로 공급된 다. 위에 설명한 피복아크 용접에서는 용접봉이 전극의 역할을 하는데 비해 가스텅스텐 아크 용 접에서는 텅스텐이 전극의 역할을 하며 용접봉은 단지 용가재의 역할만 하므로 전류가 흐르지 않 는다. 이 용접장비에는 전기, 냉각수와 가스가 공급되고 적절히 제어하는 장치가 있어야 한다. 이 는 연기 또는 용접 매연이 없어 시야를 가리지 않고 용융지가 깨끗하다.

텅스텐봉은 순텅스텐봉과 방사능을 발생할 수 있는 토륨(thorium, ThO₂)이 1∼2%함유된 토 륨 텅스텐봉이 사용되는데 토륨텅스텐봉은 전극온도가 낮아도 전류용량을 크게 할 수 있다. 산업 보건학적으로 이 전극이 사용될 때 방사선 물질인 토륨이 발생될 수 있는 가능성이 있지만 연구 결과 공기중 농도는 매우 낮은 것으로 조사되었다.

가스 텅스텐 아크 용접도 직류와 교류 전원 모두를 사용할 수 있으며 직류인 경우 피복아크 용접처럼 정극성과 역극성이 정의된다. 그림 1-8에서와 같이 정극성에서는 전자가 전극에서 모재 로 흐르므로 모재에 강하게 충돌하여 깊은 용입을 일으킨다. 전극은 속도가 느린 가스 이온과 충 돌하므로 그다지 발열하지 않으며 지름이 작은 전극에서도 큰 전류를 사용할 수 있다. 역극성에 서는 전자가 전극으로 흐르고 가스이온이 모재표면에 넓게 충돌하여 모재의 용입은 넓고 얇게 된 다. 이때는 전극이 과열되므로 지름이 큰 전극을 사용한다.

가스 텅스텐 아크용접은 비소모성 전극을 사용하며 불활성 가스만을 사용하므로 비소모성 불 활성 가스 아크 용접(nonconsumable inert gas arc welding), TIG(tungsten inert gas welding) 또는 헬륨아크용접(helium arc welding), 알곤 아크용접(argon arc welding)이란 용어가 사용된다.

가스텅스텐아크용접 장치는 아래그림처럼, 용접토치, 제어장치, 용접전원, 정류기(regulator), 가스용기 등이 있으며 수동작업, 반자동, 자동작업이 가능하다.

1.3.3. Gas Metal Arc Welding(GMAW, 가스금속아크용접)

1940년대에 비소모성인 텅스텐 전극대신에 소모성 전극을 사용하는 가스 금속 아크 용접이 개발되었다. 이는 텅스텐 전극대신 나심선(裸心線)의 지름 1.0∼2.4 mm의 전극와이어를 일정한 속도로 토오치에 송급하여 와이어와 모재사이에 아크를 발생시켜 용접을 하는 방법이다. 초기에 는 주로 두꺼운 전도성 판에 용접할 목적으로 개발되었지만 현재은 알루미늄, 구리, 마그네슘, 니 켈 합금, 티타늄, 강철합금등 여러 분야에 응용된다.

가스금속아크 용접법은 ① 불활성가스인 알곤이나 헬륨을 사용하는 경우에 불활성 가스금속 아크 용접(inert gas metal arc welding 또는 metal inert gas, MIG)이라 하고 ② 활성가스인 이 산화탄소를 사용하는 경우에는 활성가스 금속 아크(active gas metal arc welding 또는 metal active gas, MAG) 또는 탄산가스(또는 CO₂)용접이라 한다. 이들의 용접회로는 그림 1-9와 같다.

가스금속아크 용접법은 전극이 소모성이므로 연속적으로 전극 와이어를 공급해 주어야 한다. 따라서 이들은 그림 1-9와 같이 가스 및 냉각수 송급장치, 금속와이어를 일정한 속도로 송급하는 장치, 전원장치 및 전극와이어, 전류, 가스 및 냉각수의 송급속도를 조절하는 제어장치로 되어 있 다. 이 장치의 용접토치 중앙으로 전극와이어가 송급되어 아크를 형성하면서 용융지로 녹아들어 간다. 이 전극 주위로 헬륨, 알곤, 이산화탄소, 질소등의 가스가 흐르게 된다. 전극와이어의 성분 은 대개 모재와 같게 만들어져 있으며 전기적 접촉과 녹을 방지하기 우해 구리가 코팅되어 있다. 용가재인 전극와이어는 산화방지제(deoxidizer)가 들어 있는데 강철 용가제에는 망간, 실리콘, 알 루미늄이, 니켈 합금 용가재에는 티타늄, 실리콘이, 구리합금 용가제에는 티타늄, 실리콘, 인이 산 화방지제로 포함되어 있다.

1.3.3.1. 불활성가스 금속아크용접(MIG)

불활성 가스 금속 아크용접(inert gas metal arc welding; MIG)은 용가재인 전극와이어를 연 속적으로 송급하여 아크를 발생시키는 방법으로 TIG에 비해 용착율이 빠르다. 전원은 직류식이며 와이어를 양극으로 하는 역극성으로 작업한다. MIG용접의 보호가스로는 순수 Ar, Ar+He, Ar+O₂, Ar+CO₂가 사용되된다. 건(gun)은 전극와이어, 용접전류와 보호가스를 와이어 송급기로부터 아크 영역으로 이송하는데 사용되는 부분을 일컫는다. 불활성 가스금속 아크 용접은 제거할 슬래그가 없으므로 피복아크용접에 비해 작업주기가 빠르다.

1.3.3.2. 탄산가스 아크 용접

탄산가스아크 용접은 불활성가스대신에 경제적인 탄산가스를 이용하는 용접방법으로 역시 전 극은 소모성(용극식,熔極式)을 주로 사용하며 비소모성 전극(非熔極式)을 사용하는 방법도 있다.

탄산가스는 활성이므로 고온의 아크에서는 산화성이 크고 용착금속의 산화가 심하여 기공 및 그 밖의 결함이 생기기 쉬우므로 Mn, Si등의 탈산제를 함유한 와이어를 사용한다. 순수한 CO2 가스이외에 CO₂-O₂, CO₂-CO, CO₂-Ar, CO₂-Ar-O₂ 등이 사용되기도 한다.

CO₂가스는 고온아크에서 2CO₂ ↔ CO + O₂로 되므로 탄산가스 아크 용접의 시일드 분위기는 CO₂, CO, O₂ 및 O 가스가 혼합된다. 탈산제가 사용되는 이유는 CO의 기포로 인한 용접결함을 방지하기 위함인데 다음과 같은 작용을 한다.

  ① 시일드 가스인 이산화탄소가 고온인 아크열에 의하여 분해된다.
      CO₂ ↔ CO + O

  ② 위의 산화성 분위기에서 용융철이 산화된다.
      Fe + O ↔ FeO

  ③ 이 산화철이 강(鋼) 중에 함유된 탄소와 화합하여 다음처럼 일산화탄소 기포가 생성된다.
      FeO + C ↔Fe + CO↑

  ④ 그러나 Mn, Si등의 탈산제가 있으면 아래 반응이 일어나 용융강(熔融鋼)중의 산화철을 감소시 켜 기포의 발생을 억제한다.
      FeO + Mn ↔ MnO + Fe FeO + Si ↔ SiO₂ + Fe

  ⑤ 탈산 생성물인 MnO, SiO₂ 등은 용착금속과의 비중차에 의해 슬랙을 형성해 용접비드 표면에 떠오르게 된다.

탄산가스 아크 용접은 분위기가 산화성이므로 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 등에는 사용하지 않는데 그 이유는 용융표면에 산화막이 형성되어 용착을 방해하기 때문이다.

탄산가스아크 용접방법을 시일드가스와 용극방식에 의해 구분하면 다음과 같다.

< 표 1 >

용극식(熔極式)	순탄산가스법
	혼합가스법	CO2-O 방법 CO2-CO 방법 CO2-Ar 방법 CO2-Ar-O2 방법
	탄산가스 플럭스법	flux-core(Arcos arc)방법 fusarc-CO2(비꼬인선식)방법 union arc(자성플럭스)방법
비용극식(非熔極式)	탄소아크법
	텅스텐아크법(2중노즐식)

이중 flux-cored wire(복합와이어)를 사용하는 방법은 속이 빈 와이어에 Mn, Si, Ti, Al등의 탈산제 및 아크안정제를 넣은 것으로, 아크가 안정되므로 직류뿐 아니라 값싼 교류를 모두 사용 할 수 있다.

자성을 가진 용제를 탄산가스 기류에 송급하는 방법을 유니온 아크 용접법이라고 하는데, 아 크가 발생하여 와이어에 전류가 흐르면 와이어 주위에 자장이 형성되고 이로 인해 용제(flux)가 자성화(磁性化)되어 와이어에 흡착되어 마치 피복용접봉 같은 역할을 하게 된다. 따라서 이 방법 을 자성 플럭스방법이라고도 한다. 플럭스를 사용하면 슬랙이 발생하게 된다.

순탄산가스 아크용접 중의 와이어에서의 합금원소가 이행할 때 각 성분이 남는 비율은 연강일 경우 C는 일반적으로 산화감소하여 50-80 %, Si는 30-60 %, Mn은 40-60 %이나 Cr, Ni, Mo 는 거의 줄어들지 않는다. 단, Ti는 산화감소하여 남는 비율이 약 30 %에 불과하다.

1.3.4. Submerged Arc Welding(SAW, 서브머지드아크용접)

서브머지드아크용접은 대기로부터 아크를 보호하기 위해 용착부에 입상(粒狀)이나 용용상의 용제(granular or fusible flux)가 호퍼에서 공급관을 통하여 공급하고, 용제속에 전극와이어를 송 급하여 용접봉과 모재사이에 아크를 발생시켜 용접하는 방법이다.

서브머지드(sumerged)란 아크가 어떤 물질(용제)밑에 잠겨 있다는 뜻으로 아크가 용제에 감 추어져 있어 보이지 않는다. 실상은 전극과 모재사이에 발생하는 아크뿐만이 아니라 sparks, spatter, smoke도 용제속에 잠겨 있는 있는 형태를 띤다. 흄도 발생하나 다른 용접보다는 적게 발 생한다. 용가재는 주로 비피복와이어전극(bare wire electrode)로 공급되나 용가재를 와이어 형태 로 따로 공급하기도 한다.

서브머지드 아크용접은 용융지가 용제에 의해서 보호(시일드)되므로 대기에서 격리되어 산소, 질소, 수분의 침입이 없고 아크열의 열손실이 적어 용입이 큰 높은 능률로 용접을 할수 있다. 이 서브머지드아크용접은 주로 두께가 두꺼운 것의 용접에 사용되며 탄소강, 합금강 및 스테인레스 강등에 사용되며 비철금속에는 잘 사용하지 않는다.

입자상 용제는 아크 경로의 앞부분에서 공급되어져 소결(燒結, sinter)되어져 용 접금속의 표면에 용융 슬랙을 형성한다. 용제는 제조 방법에 따라 용융형 용제(fused flux ; 광물 성원료를 일정한 비율로 혼합하여 아크로에 넣어 1,300℃ 이상으로 가열해서 응고시킨 후 분쇄 하여 알맞은 입도(粒度)로 만든 것으로 유리모양의 광택이 남), 소결형 용제(sintered flux ; 광물 성 원료 및 합금분말을 규산나트륨과 같은 점결제(粘結劑)와 더불어 원료가 용해되지 않을 정도 의 비교적 저온상태(400-1000℃)에서 일정한 입도로 소결하여 제조한 것)로 분류된다.

용제는 조성상 ① 저산화 망간용제-MnO를 거의 함유하지 않은 것, ② 중산화 망간 용제-14-22%의 MnO 를 함유한 것, ③ 고산화 망간 용제- 30 %이상의 MnO를 함유한 것으로 분류한다. 이 용제의 역할은 ① 아크를 보호하는 역할, ② 합금을 제공하는 역할, ③ 아크를 안정화 시키는 역할, ④ 아크를 용접 비드모양을 결정하는 역할을 한다.

전극와이어로 쓰이는 심선은 비피복선을 코일모양으로 감은 것을 사용하는데 보통 동도금을 하여 사용하며, Mo, Ni, Cr 등이 첨가되어 있다. 망간 함유량과 몰리브데늄 함유량에 따라 고망간 계, 중망간계, 저망간계 및 Mn-Mo계 와이어로 분류한다.

서브머지드아크용접은 자동금속 아크용접법(automatic metal arc welding), 잠호용접이라고도 하며 미국 유니온 카바이드사가 발명하여 유니온 멜트 용접법 또는 링컨 용접법이라고도 한다.

1.3.5. Plasma Arc Welding(PAW, 플라스마아크용접)

플라스마 아크용접을 설명하기 전에 먼저 플라스마를 설명하여 보자. 플라스마란 기체를 수 천도이상으로 가열하였을 때 그 속의 가스원자가 원자핵가 전자료 유리하여 양이온, 음이온상태로 된 것을 의미한다.

플라스마 아크용접에서는 용접헤드가 아르곤과 같은 가스를 고전압 기울기(gradient)로 오리 피스를 통과할 수 있도록 설계되어져 있어 매우 이온화된 가스흐름을 만들어 낸다. 즉 아크열로 가스를 가열하여 플라스마상 만든 것을 토치의 노즐에서 분출되는 고속의 플라스마 제트(plasma jet)를 이용한 용접법이다.

이 용접법은 스텐레스강, 탄소강, 티타늄, 니켈함금, 동, 황동 등에 적용된다. 용입이 깊고 비드폭이 좁으며 용접속도가 빠르다.

1.3.6. Flux Cored Arc Welding(FCAW)

탄산가스 용접에서 설명한 flux core 와이어를 사용하는 방식으로 탄산가스용접에 포함시키기도 한다. 이 용접에서의 시일드는 flux와 시일드 가스에 의해 형성된다.

1.3.7. Cutting(절단)

기계적인 절단이 아닌 열절단, 즉 용접원리를 이용한 금속의 절단법은 다음 표와 같이 구분 할 수 있다. 열절단에는 가스절단 및 아크 절단이 및 플라스마절단으로 나눌 수 있는데 이들을 용단(fusion cutting, 熔斷)이라 하기도 한다.

가스절단은 산소가스와 금속과의 산화반응을 이용하여 금속을 절단하는 방법이고, 아크 절단 은 아크 열을 이용하여 절단하는 방법이다. 가스절단은 강(鋼) 또는 합금강(合金鋼)의 절단에 이 용되며 비철금속에는 분말가스절단 또는 아크절단이 이용된다.

가스절단은 산소-아세틸렌 가스불꽃으로 절단부위를 약 800-900℃로 예열한후 순도가 높은 고압의 산소를 분출시키면 강철에 접촉하여 급격한 연소작용에 의해 산화철이 되는데이 산화철은 鋼보다 용융점(熔融點)이 낮으므로 용융과 동시에 절단된다. 용융된 지점이 산소기체의 분출력으 로 밀어내져 부분적인 홈이 생기게 되고 이 작업이 반복되어 절단이 되는 것이다.

그러나 스텐레스강이나 알루미늄인 경우 절단중 생성되는 산화크롬(Cr₂O₃), 또는 산화알루미 늄이 모재보다 융점이 높아 쉽게 절단하지 않는다. 이 경우 내화성의 산화물을 용해 제거하기 위 하여 적당한 분말상태의 용제(flux)를 산소기류에 혼입하던가 또는 가스불꽃에 철분을 혼입하여 불꽃의 온도를 높여 절단하는 방법을 분말절단(power cutting)이라 한다.

<표 1>

산소절단	가스절단 분말절단 산소아크절단
아크절단	금속아크절단
	탄소아크절단
	불활성 가스 아크절단	TIG 절단 MIG 절단
플라스마절단	플라스마 제트 절단 플라스마 아크 절단

아크 절단은 전극과 절단 모재사이에 아크를 발생시켜 아크열로 모재를 용융시켜 절단하는 방법인데 이때 압축공기나 산소기류를 이용하여 용융금속을 불어내면 능률적이 된다.

가스가우징9gas gouging)이란 가스절단과 비슷한 토오치를 사용하여 강재(鋼材)의 표면에 둥 근 홈을 파내는 방법으로 가스 따내기라로 번역되기도 한다.

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존 자료 감사~~