구 분 |
교류 아크 용접기 |
직류 아크 용접기 |
아 크 |
아크가 약간 불안정 무부하 전압이 높고 감전의 위험이 많다. 자기 쏠림이 없다. 극성변화 가능 |
아크가 안정 무부하 전압이 낮으며 감전 위험이 적다. 강전류일 때 쏠림이 생긴다. 극성 변화 불가능 |
용 접 봉 |
피복 용접봉 사용 |
나선봉 용접 가능 |
용접재료 |
강철 |
합금강, 비철금속 |
용 접 기 |
구조가 간단하고 고장이 적다. 취급이 쉽고 가격이 싸다. |
고장이 많다. 가격이 비싸다. |
4. 아크 용접기의 종류 및 특징
(1) 직류 아크 용접기
1) 발전기형 직류 아크 용접기 : 3상 교류 전동기로써 직류 발전기를 구동하거나 가솔린엔진, 디젤엔진 등으로 발전기를 구동하여 용접에 적합한 직류를 발생시키는 용접기로써 전원 공급이 곤란한 옥외에서 사용한다.
2) 정류기형 직류 아크 용접기 : 정류기를 사용하여 3상의 교류를 정류하여 직류를 얻은 용접기로써 대부분의 직류 용접기에 사용된다.
(2) 교류 아크 용접기
1) 가동 철심형(Movable Core Type) : 비교적 널리 사용되는 용접기로써 코일을 감은 가동 철심을 움직여 그로 인해 발생되는 누설 자속이 증감되고 전류의 세기가 변화한다.
2) 가동 코일형(Movable Coil Type)
① 용접기 케이스내에 1차 코일과 2차 코일이 동일 철심위에 감겨졌으며 고정된 2차코일과 핸들 나사에 의해 상하로 이동되는 1차 코일간의 거리를 변화시켜 전류의 세기가 변화된다.
② 1차 코일과 2차 코일이 가까워졌을 때 많은 전류가 흐르게 되며 작은 전류에서도 아크가 일정하다.
3) 텝 전환형(Tapped Secondary Coil Control Type)
① 1차 코일과 2차 코일의 코일권수(감은 횟수)에 따라 전류를 조정한 방식으로 넓은 범위로 세분하여 전류를 조정하기 어려우며 전격의 위험이 있다.
②Tap을 자주 전환하기 때문에 고장 발생이 많다.
4) 가포화 리엑터형(Saturated Reactor Contorl Type)
① 최근에 점차 많이 사용되고 있는 것으로 정전압 변압기와 가포화 리액터가 있고 직류 여자(Excite) 코일을 가포화 리액터 철심에 감아 여자 전류의 조정으로 전류를 조정한다
② 전류조정이 용이하고 전기적으로 전류 조정을 하기 때문에 가동 코일형이나 가동 철심형과 같이 이동부분이 없으며, 소음이 없고 원격조정이나 부하가 일시에 크게 걸려도 용이하게 작업을 수행할 수 있는 장점이 있다.
플라즈마 아크 용접
1. 개 요 분자상태의 기체는 고온에서 원자로 변하고 원자는 열 운동에 의해 전리되어 이온과 전자로 된다. 이와같이 양(+), 음(-)의 이온상태로 된 가스체를 플라즈마(Plasma)라고 하며, 이것을 이용한 용접법으로 플라즈마 제트 용접과 플라즈마 아크용접이 있다.
2 특 징 (1) 장 점 1) 열에너지의 집중도가 크므로 용입이 깊고 용접속도가 크다. 2) 용접부가 대기로부터 보호되어 기계적 성질이 좋고 변형도 적다. 3) 1층으로 용접할 수 있어 능률적이다. 4) 수동용접도 쉽게 할 수 있다. 5) 용접 Groove는 1형이면 되며 용접봉의 소모가 적다. (2) 단 점 1) 설비비가 많이 든다. 2) 모재 표면의 청결도가 좋아야 한다. 3) 용접속도가 크므로 가스의 보호가 불충분하다.
3. 용접 종류 (1) 플라즈마 아크용접 텅스텐 전극과 모재 사이에서 Arc를 생시키는 것 으로아크플라즈마의 온도가 높아 용접에 주로 많이 이용되며 도전성 재료에 쓰인다. (2) 텅스텐 전극과 노즐 사이에서 아크를발생시키는 것으로 노즐 자체를 (+)의 전극으로 한 것이며, 비도전성 용접 재료에도 쓰인다.
4. 핀치 효과 (1) 열적 핀치 효과(Thermal Pinch Effect) 아크 플라즈마의 외주부를 가스로 강적으로 냉각하면 아크 플라즈마는 열손실이 증가하여 전류를 일정하게 하며 아크전압은 상승한다. 아크플라즈마는 열손실이 최소한으로 되도록 단면이 수축되고 전류밀도가 증가하여, 대단히 높은 온도의 아크 플라즈마가 얻어지는 성질을 말한다. (2) 자기적 핀치 효과(Magnetic Pinch Effect) 아크 플라즈마는 대전류가 되면 방전전류에 의해 생기는 자장과 전류의 작용으로 수축되며, 전류밀도가 증가하여 큰 에너지를 발생하는데 이와같은 성질을 말한다.
5. 용접 장치 (1) 전원은 직류를 사용하며 아크 발생용 고주파 전원을 병용한다. (2) 플라즈마의 냉각 가스는 아르곤과 수소의 혼합가스가 사용되며 모재의 종류에 따라서는 질소나 공기도 사용된다. |
서브머지드 아크 용접법
1. 개 요
비 피복 용접봉인 전극 와이어가 계속 공급되면서 피복제의 역활을 하는 입상의 용제(Flux)를 용접봉과 모재 사이에 공급하면서 아크를 발생시켜 용접하는 자동 금속 용접법이다. 서브머지드 용접(Sub -Merged Arc Welding)은 아크가 용제내에서 발생되어 보이지 않기 때문에 잠호 용접이라고도 하며, 상품명을 링컨 용접(Lincoln Welding), 유니언 멜트(Union Melt) 용접이 있다.
2. 특 징
(1) 장 점
1) 일정한 조건하에서 용접이 이루어지므로 용접이음의 신뢰도가 높다.
2) 자동용접의 일종이므로 용접속도가 빠르다.
3) 열에너지의 손실이 적고 용입이 매우 깊다.
4)용접 홈의 크기가 작아 모재의 소비가 적다.
5) 용접 변형이나 잔류응력이 적다.
6) 후판, 박판의 용접이 가능하다.
(2) 단 점
1) 아크가 보이지 않아 용접부의 적부 확인이 어렵다.
2) 용입이 깊으므로 용접홈의 가공 정밀도가 좋아야 한다.
3) 대체로 아래보기 용접외의 용접은 곤란하다.
4) 입열량이 크므로 결정립이 조대화하여, 충격값이 낮아지기 쉽다.
5) 설치비가 많이 든다.
3. 용 도
선박, 강관, 압력 탱크, 비철금속의 용접
4. 용접장치 및 용접용 재료
(1) 용접 장치
1) 와이어 송급 장치 : 롤러의 회전에 의해 와이어를 접촉 팀을 통해 송급하며 와이어 끝과 모재사이에서 아크를 발생시킨다.
2) 전압 제어기 : 전압을 일정하게 되게 하며 송급 속도 및 아크길이를 조정한다.
3) 용제 호퍼(Hopper) : 용제를 호스를 통해 공급하는 장치이며 와이어 보다 앞에 위치하여 용접선에 용제를 살포한다. 용제는 용융되어 도체의 성질을 띠며 용융되지 않은 용제는 진공 회수장치에 의하여 회수되어 다시 사용한다.
4) 용접 전원 : 전원으로는 교류와 직류가 쓰이며 교류쪽이 설비비가 적고 자기 불림(Magnetic Blow)이 없어 유리하다.
5) 주행 대차 : 용접헤드인 와이어 소급장차, 접촉팁, 용제 호퍼를 싣고 가이드레일 위를 용접선에 평행하게 이동 시킨다.
(2) 용접용 재료
1) 와이어
① 와이어는 망간 함유량과 몰리브덴 함유량의 다소에 따라 고망간계, 중망간계, 지망간계 와이어 및 망간 몰리브덴계 와이어로 분류되며, 코일 모양으로 감은 것을 사용한다.
② 와이어의 지름은 2.4 ∼ 7.9mm 범위의 것이 많이 쓰이며 보통 와이어의 표면을 접촉 팁과의 전기적 접촉을 원활하게 하고, 녹을 방지하기 위해 구리도금 한다.
2)용제
① 용제 용융형 용제(Fused Flux) : 가장 많이 사용되는 것으로 조성이 균일하고 흡습성이 작다.
용제는 규산, 산화망간, 산화바륨, 석회석 등의 피복제 성분을 혼합하여 용융한 다음 유리상태로 하여여 분쇄한 것이며, 일반적으로 입도가 작을수록 용입이 얕고 나비가 넓은 깨끗한 비드가 형성된다.
② 소결형 용제(Fused Flux) : 원료 광석분말과 탈산제, 용착금속에 대한 합금원소등을 함유시켜 원료가 용해되지 않을 정도의 낮은 온도에서 작은 입도로 소결한것으로 금속의 화학성분, 기계적 성질을 쉽게 조정할 수 있다.
큰 전류에서도 비교적 안정된 용접을 할 수 있으며 연강은 물론 저합금강, 스테인레스강, 고장력강의 용접에 적합하다. 소결형 용제는 300 ∼ 500℃에서 소결한 저온 소결형과 750 ∼ 1000℃ 정도의 비교적 높은 온도에서 소결한 고온 소결형으로 분류되며, 저온 소결형은 보통 본드 용제(Bonded Flux)라고 한다.
불활성가스 아크용접
1. 개 요
불활성 가스 아크 용접(Shield Insert Gas Arc Welding)은 고온에서도 금속과 반응하지 않는 불활성 가스인 아르고(Ar,) 헬륨(He)을 공급하면서 그 분위기에서 텅스텐 또는 금속 전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 방법이다.
불활성 가스로 인해 대기중의 산소나 질소의 영향을 받지 않으며 합금강, 특수강, Al합금, Mg합금과 같이 종래에 용접이 곤란했던 금속의 용접이 용이해졌다.
2. 특 징
(1) 용제를 사용하지 않으며 Slag 발생이 없다.
(2) 청정작용으로 대체로 모든 금속의 용접이 가능하다.
(3) 아크가 안정되고 스패터나 합금원소의 손실이 적다.
(4) 전자세 용접이 가능하고 조작이 쉽다.
(5) 열의 집중이 좋아 용접능률이 높다.
(6) 용접가능한 판의 두께가 다양하다.
(7) 언더컷 발생이 적다.
3. 용접법 종류
(1) 불활성 가스 텅스텐 용접법
1) 텅스텐 전극과 모재 사이에 아크를 발생시키고 별도로 용가재를 아크로 융해하면서 용접하는 것으로 일반적으로 TIG 용접(Tungsten Inert Gas Arc Welding)이라 한다.
2) 텅스텐을 거의 소모하지 않으므로 비용그식 또는 비소모식 불활성 가스 아크 용접법이라고도 하며, 상품명으로는 헬륨 아크 용접, 아르곤 아크용접이 있다
3) 용접 전류는 직류 또는 교류가 사용되며 직류용접은 극성효과가 있고 교류용접은 직류정극성과 역극성의 중간 상태로 된다.
(2) 불활성 가스 금속 용접법
1) 용가제인 적국와이어가 아크열에 의해 계속 소모되므로 소모식(용극식) 불활성 가스 아크 용접법이며, MIG용접(Metal Inert Gas Arc Welding) 이라 불리운다.
2) 불활성 가스와 전극 와이어가 연속적으로 공급되면서 불활성가스 분위기 중에서 아크가 발생되며 이때의 전원은 직류이고 모재를 음극으로 하는 역극성을 사용한다.
3) 용접장치는 아르곤 가스 및 냉각수 공급장치, 금속와이어를 일저한 속도로 송급하는 송급장치 및 제어장치로 구성되어 있으며 상품명은 에어코매틱(Air Comatic) 용접법, 시그마(Sigma)용접법, 필러아크(Filler Arc) 용접법 등이 있다.
4. 용 도
(1) 경합금 용접: 알루미늄 합금, 마그네슘 합금
(2) 특수강 용접 : 내열강, 내식강
(3) 이종 금속 용접
(4) 구리 및 동합금의 용접
아세틸렌 가스 발생기
1. 개 요
아세틸렌 가스 발생기(Acetylene Gas Generator)는 카바이드에 물을 작용시켜 아세틸렌 가스를 발생시키고 동시에 아세틸렌 가스를 저장하는 장치를 말한다.
아세틸렌 가스를 발생시킬 때에는 화학반응에 따른 열이 많이 발생된다.
아세틸렌 발생기는 카바이드와 물을 작용시키는 방법에 따라 투입식, 중압식, 저압식이 있다. 또한 사용 목적에 따라 작업상 이동할 수 있는 것을 이동식, 정지하여 사용하는 것을 고정식 발생기라 한다.
2. 발생기의 분류
구 분 |
발 생 기 |
가스 발생 방식 |
투입식, 주수식, 침지식 |
가스 압 력 |
고압식, 중압식, 저압식 |
사용 목 적 |
이동식, 고정식 |
발생 방 법 |
자동식, 수동식 |
(1) 투입식 발생기
1) 발생 방식 : 많은 양의 물 속에 카바이드를 소량식 투입하여 비교적 많은 양의 아세틸렌 가스를 발생시키며 카바이드 1kg에 대하여 6 ∼ 7ℓ의 물을 사용한다.
2) 특징
① 수온 상승이 가장 작다.
② 청정작용으로 가스순도가 높다.
③ 가스 발생량이 거의 변하지 않는다.
④ 물의 소비가 많다.
(2) 주수식 발생기
1) 발생 방식 : 발생기 안에 들어 있는 카바이드에 필요한 양의 물을 주수하여 가스를 발생시키는 방식으로 소량의 Gas를 요할 때 사용됨.
2) 특징
① 물의 소비량이 적다.
② 기능이 간단하고 능률이 비교적 좋다.
③ 발생기의 설비면적이 작다.
④ 반응열에 의한 온도상승이 일어난다.
⑤ 불순가스(암모니아, 황화수소)가 발생된다.
⑥ 지연가스가 발생되기 쉽다.
(3) 침지식 발생기
1) 발생 방식 : 투입식과 주수식의 절충형으로 카바이드를 물에 침지시켜 가스를 발생 시키며 이동식 발생기로써 널리 사용된다.
2) 특징
① 구조가 간단하고 설치도 쉽다.
② 열의 발생이 크다.
③ 불순 가스가 많이 발생된다.
④ 가스 발생량 조절이 쉽다.
이산화탄소 아크 용접
1. 개 요
불활성 가스용접의 MIG 용접에서 사용하는 아르곤(Ar), 헬륨(He)등의 불활성 가스는 비싸기 때문에 비교적 저렴한 이산화탄소(CO₂) 가스를 이용한 용극식 접점방법이다.
이산화탄소는 불활성 가스가 아니므로 고온에서 산화성이 커, 규소, 망간, 알루미늄 등과 같은 탈제제를 많이 함유한 금속 Wire를 사용한다. 시일드 가스는 이산화탄소 - 아르곤(CO₂ -Ar), 이산화탄소 - 산소(CO₂ - O₂)등 여러 혼합법이 사용되기도 한다.
2. 이산화탄소 아크 용접의 분류
이산화탄소 아크용접법은 사용되는 용제나 와이어에 따라 다양하게 분류된다. 심선에 용제가 들어 있는 것도 있으며, 유니언 아크법은 심선에 흐르는 직류전기에 의해 생긴 자자에 자성을 가진 CO₂ 와 용제가 공급되면 금속전극에 부착되어 마치 피복 용접봉 처럼 되는 특성이 있다.
<이산화탄소 아크용접법의 분류>
분 류 |
가 스 |
비 고 |
이산화탄소법 |
CO₂ |
Solid Wire |
이산화탄소 - 산소법 |
CO₂ - O₂ |
Solid Wire |
용제함유 와이어 이산화탄소법 |
CO₂ |
유니언(Union) 아크법 퓨즈(Fuse) 아크법 NCG법 아아코스(Arcos) 아크법 |
3. 특 징
(1) 자동 또는 반자동 용접에 따른 고속 용접이 가능
(2) 용착 금속의 기계적, 금속학적 성질이 좋다.
(3) 용접속도가 빠르고 용입이 깊다.
(4) 아크 및 용융지의 상태를 보면서 용접할 수 있다.
(5) 용접홈의 크기가 작아도 되며 용접봉을 절약할 수 있다.
(6) 시공이 편리하다.
(7) 모재 표면이 비교적 깨끗하지 않아도 된다.
4. 용접장치 및 용접용 재료
(1) 용접장치 및 용접용 재료
1) 용접 장치는 와이어 공급장치, 제어장치, 가스 조정기 등이 있다.
2) 용접 토치는 수냉식과 공냉식이 있으며 사용되는 용접용 전원은 직류 정전압 특성을 갖고 있다.
(2) 용접용 재료
1) 와이어 : 탈산제의 공급방식에 따라 와이어만 있는 솔릿 와이어(Solid Wire), 용제가 미리 심선에 들어있는 복합 와이어(Flux Cored Wire), 자성을 가진 이산화탄소 기류에 혼합하여 송급하는 자성용제(Magnetic Flux)등이 있다.
2) 시일드 가스 : 액화 이산화탄소가 사용되며 순도가 높고 수분 함유량이 적어야 한다. 송급량은 이음형상, 노즐과 모재간의 거리, 작업환경 등에 의해 결정 된다.
플라스마 용접
플라스마 제트 도는 플라스마 아크를 사용하여 시행하는 용접. 플라스마를 발생시키기 위한 동작 가스로서는 보통 알곤이 사용된다.
그림 (a)의 플라스마 제트방식에서는 플라스마 아크는 전극과 구속 노즐 사이에서 발생하고, 분출한 플라스마 제트가 용접에 사용된다. 이 방법은 모재가 보전성을 갖지 않은 비금속재료의 용접이 이루어지는 이점이 있으나, 열효율도 낮고, 능률적인 용접은 되지 않는다. 이 방법의 플라스마 아크는 비이행식 플라스마 혹은 논트랜스퍼아크라고 불리운다.
(b)의 플라스마 아크 방식(이행식 플라스마, 트랜스퍼아크)에서는 열효율도 높고, 금속재료에 대하여는 극박판의 경우를 제외하고 이 방식이 널리 용접에 채용되고 있다.
(c)는 양자를 병용한 방식으로, 1A정도 이하의 소전류에서도 안정된 플라스마 아크가 얻어지고, 두께가 0.1mm 이하의 초박판의 용접에도 적용된다.
SOLDERABILITY (납땜성)에 대한 고찰
(Ki Yung, Ham - Jul. 20,99)
서 론
반도체, 전기, 전자 부품들이 고집적화, 경박단소(硬薄端小)화 됨에 따라 납땜성의 중요성이 점점 강조되고 있다. 더욱이나 반도체 BGA 제품의 경우 25mm x 25mm 크기의 부품에 수 백 개의 납땜점(點)이 분포되어 있어 그 중 어느 한 점이라도 납땜 불량이 발생하면 제품 자체가 불량품이 되는 바, 이제는 납땜성도 가히 미크론 단위로 접어 들었다고 하겠다. 이러한 때에 짧은 지면을 통해서나마 납땜성 문제를 간략하게 고찰해 보고자 한다.
땜납 (Solder)
일반적으로 땜납이라 하면 주석 60% 와 납 40%의 합금을 일컬으나 목적에 따라 주석과 납의 비율이 97:3에서 63:37까지 다양하며, 특수 목적을 위하여 주석-안티몬 합금, 주석-은 합금, 주석-아연 합금 및 주석-납-은의 합금도 땜납으로 사용되고 있다. 땜납은 둘 또는 세 종류의 금속이 합금을 이루었을 때 용융점이 매우 낮아지고 다른 금속, 특히 구리 또는 구리 합금과 용접이 잘 되는 성질을 가지고 있으며 이를 연성 땜납 (Soft Solder)이라 한다. 이때의 용융점을 공융점 이라 하며 주석 61.9%-납 38.1%일 때의 공융점은 183oC, 주석-안티몬은 236 oC,주석-은은 221 oC, 주석-아연의 공융점은 198 oC 이다. 여기에서는 주석-납 합금 땜납 만을 취급하기로 한다. 땜납의 중요한 성질은 공융점이 낮은 것 외에도 소지 금속 표면에 빠르고 유연하게 젖어 들어 (Wetting) 납땜이 잘 되도록 하는 성질이 있다. 일반적으로 땜납의 주석 성분이 높을 수록 Wetting이 잘 된다.
납땜성 (Solderability)
납땜성은 '주어진 조건에서 완전하게 그리고 균일하고 유연하며, 땜납의 필름이 벗겨지지 않고 소지 표면에 완전하게 잘 달라 붙는 금속적인 결합을 이루는 성질 또는 능력' 이라 정의한다. 이때 주어진 조건으로 미 육군 표준 (MIL-STD) 883E의Method 2003.7에서 규정한 중요한 부분만 발췌하면 다음과 같다.
1. 시료의 노화 처리
2. Flux 처리
3. Solder 침적
납때성 시험시의 노화처리 조건, Flux의 종류, Solder 침적 조건 등은 제품 의 종류, 용도 등에 따라 달라질 수 있음을 유의 해야 한다.
납땜성의 평가
납땜성의 평가는 대체로 다음 기준에 의한다.
Wetting (잘 묻음, 잘 묻은 납땜) |
균일하고 유연하며 땜납의 필름이 벗겨 지지않고 소지금속에 단단하게 금속결합을 한 상태 |
Nonwetting (안 묻음, 안 묻은 납땜) |
소지금속이 오염 되었거나 부적절한 온도나 시간, 불충분한 Flux 처리 또는 다른 여러 요인들로 인하여 땜납이 완전하게 묻지 않고 소지금속이 드러난 상태 |
Dewetting (덜 묻음, 덜 묻은 납땜) |
소지금속이 오염 되었거나 중간 생성물 (Intermetallic compound, Cu6Sn5,Ag3Sn, Ni3Sn4등)의 과다 형성, 도금층의 불순물 또는 기타 여러 요인들로 인하여 땜납이 묻었다 떨어지면서 매우 얇은 Solder층을 형성한 상태 |
Porosity (기공이 있는 땜납) |
땜납 표면에 Pit 나 Pin hole등으로 인하여 기공이 많아 표면이 거칠고 스폰지처럼 보이는 상태 |
이 외에도 Lump (덩어리진 상태), Icicle (고드름형)등의 불량 항목이 추가 된다. 미육군 표준에서는 납땜 시험한 면적의 95% 이상이 연속적으로 Wetting이 된 상태 (잘 묻은 납땜) 일 때 합격한 것으로 판정한다. 또한 Pin hole, Void, Porosity, Nonwetting, Dewetting의 총 합이 전체 면적의 5% 이내여야 한다. 납땜성의 평가 기준도 제품의 종류, 용도 등에 따라 달라질 수 있다.
납땜성 기구 (Mechanism)
납땜성의 역학적인 기구 (機構)는 다음과 같다.
즉 Flux와 소지금속 간의 표면장력은 소지 금속과 용융 Solder, Solder 와 Flux 간의 표면장력의 합과 평형을 이룬다. 이때 Contact angle과 납땜성의 관계를 보면 아래와 같다.
납땜성을 돋우는 표면처리
납땜성을 좋게 하기 위한 표면처리로는
Solder 도금의 경우는 제품의 종류, 용도 등에 따라 주석과 납의 비율을97:3 에서 60:40 까지 다양하게 하기도 한다. 반도체 제품은 일반적으로85:15의 비율로 도금한다.
납땜성을 저해하는 요인
납땜성을 저해하는 요인에는 다음과 같은 것들이 있다
위의 요인들을 보다 구체적으로 검토하여 본다.
금속 소지
소지 금속의 전처리
도금 공정, 합금 비율
도금후의 Test 조건 (Burn-In Cycle)
제품의 저장 환경
PCB에 적용하는 과정
도표 1. 붕불화 Solder 도금액내의 불순물 농도와 석출되는 불순물의 농도
불순물 |
용액내의 농도(ppm) |
석출물 내의 농도(%) |
동 |
139 |
0.25 |
동 |
635 |
0.44 |
철 |
700 |
0.015 |
아연 |
389 |
0.0005 |
카드뮴 |
320 |
0.0002 |
니켈 |
356 |
0.02 |
도표 2. 땜납내의 오염 물질의 종류와 농도 및 오염으로 인한 현상
불순물 |
불순물 농도(%) |
저해 현상 |
알미늄 |
0.0005 |
산화 |
안티몬 |
1.0 |
확산범위가25% 감소 |
0.2 |
확산범위가25% 감소 | |
비소 |
0.005 |
Dewetting |
비스무스 |
0.5 |
변색/ 납땜 표면 산화 |
카드뮴 |
0.15 |
확산범위가25% 감소 |
동 |
0.29 |
모래알 같은 표면 |
인 |
0.01 |
Dewetting/모래알 같은 표면 |
황 |
0.0015 |
모래알 같은 표면 |
아연 |
0.003 |
산화 |
결 론
납땜성의 중요성이 더욱더 강조됨에 비추어 납땜성을 저해하는 요인들은 소지 금속에서부터 도금의 전 공정, 도금 후의 저장, Soldering공정에 이르기까지 전 과정에 걸쳐 산재하여 있다. 이는 표면처리업에 종사하는 모든 분들이 해결 하여야 할 큰 과제이다.
Laser 용접이란? | |||||||||||||||||||||||
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Laser는 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation의 머리 글자로 만든 단어로, "유도방출에 의한 빛의 증폭"이라는 뜻입니다.
레이저는 고도의 에너지가 집적된 직진성이 양호한 빛이라고 할 수 있습니다.
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용접 Sample | ||
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마찰용접의 원리와 특징
1. 서론
마찰용접법이, 우리나라(일본)에 도입되어, 실제 제품의 생산수단에
적용된 후, 30년이 경과되었다. 그 사이 자동차 부품, 기계부품을 시
작으로, 다업종 부품생산 현장에 도입되어, 원가절감, 강도,정도의
품질향상 및 제품의 신규개척 등에 기여해 왔다. 여기서는 마찰용접
법의 경과와 원리, 마찰용접부의 성질, 마찰용접법의 특징, 마찰용접
기 등에 대해 서술하겠다.
2. 마찰용접법의 발전경과
1954년 소련의 A. I. Chudikov가 선반을 개조하여, 금속환봉의 마찰
용접실험에 성공하여, 이것을 VNIIESO(소련전기용접기연구소)가 이어
받아, 1956년경부터 연구개발을 시작했다. 1957년 이곳에서 개발된
마찰용접기 MST-1가 발표된 후 주목을 받기 시작하여, 각국에서 실용
화를 위한 연구개발에 착수하게 되었다. 소련에서는, 1958년에 생산
공정에까지 도입하기에 이르렀으며, 영국에서는, 1961년 BWRA(영국용
접연구협회)가 마찰용접기의 시작에 성공하였고, 미국에서는 같은
해 AMF사가 시작기를 발표하였다.
우리나라(일본)에서는, 1960년 VNIIESO의 VILL의 저서 ‘금속의 마찰
용접’이 연구자료로서 소개된 것이 계기가 되어, 마찰용접법의 조사
연구가 시작되었으며, 1961년 방소 공작기계시찰단에 의한 정보와,
1962년 오사카시에서의 AMF사 용접기 전시에 자극되어, 국공립과 민
간회사들이 연구개발에 뛰어들기 시작했다. 1964년에 마찰용접 연구
간담회가 설립되었고, 이후, 마찰용접연구회, 마찰용접협회로 발전하
여, 활동을 계속해오고 있다. 우리나라(일본)에 있어 마찰용접기는,
해마다 증가하여 현재는 1500대 이상이 각종 산업생산현장에서 가동
되고 있다.
3. 마찰용접의 원리와 장치
3.1 마찰용접법의 원리
물건과 물건을 비비면 열이 난다는 것은 모두 아는 바일 것이다. 이
는 원시시대부터 알려진 사실이다. 마찰에 의한 열을 이용하여, 금속
과 금속을 접합하는 응용기술의 하나가 마찰용접법이다.
마찰용접법은, 2개의 모재를 맞대 상대회전운동을 시켜, 추력을 가하
여 그 접촉면에 마찰열을 발생시킨다. 그 열로 맞대어진 면 및 그 근
방을 연화시켜 용접온도에 달하면, 상대운동을 정지시키고, 용접추력
을 더욱 증대시켜, 2모재의 접합을 행하는 방법이다.
3.2 마찰용접법의 종류와 방법
마찰용접법에는, 상대운동, 그 정지방법 및 추력을 가하는 방법에 따
라, 여러 종류가 있으나, 실용화되어 양산수단으로 이용되고 있는 것
은, 연속구동제동식(브레이크식)과 축세(蓄勢-플라이휠)식 2가지 방
법이다.
1) 연속구동제동식(브레이크식) 마찰용접법
모재 중 하나는 회전할 수 없도록 고정시키고, 다른 것은 전동기 등
의 구동계와 연결시킨 주축에 설치한 후, 일정한 회전수로 계속 회전
을 시키면서, 양모재를 축방향으로 밀어 붙이며 마찰시켜 발열을 시
킨 후, 마찰부가 적당히 가열되었을 때, 브레이크를 이용하여, 주축
의 회전을 급정지시킨다. 급정지와 동시에 더욱 가압력을 증대 업세
트하여 2모재를 결합시키는 방법이다. 브레이크식 마찰용접법의 용접
조건의 인자는, 용접추력, 회전수, Stroke(또는 시간)이다. 스트로크
는 회전중의 마찰시간, 또는 마찰스트로크에 의해 규제한다.
2) 축세식(플라이휠식) 마찰용접법
모재 중 하나는 브레이크식과 똑같이 회전할 수 없도록 고정시키고,
다른 것을 플라이휠을 가진 주축에 설치하여 회전시킨다. 회전에너지
를 모아 자유 회전시킨다. 2모재를 축방향으로 밀어 붙이면, 마찰부
에 회전에너지가 열 발생으로 소비되어 회전은 급속히 저하되어, 자
연정지하는 방식으로 2모재를 접합시키는 방법이다.
4. 마찰용접부의 성질
마찰용접을 방해하는 맞대어진 부분의 얇은 산화물, 흡착물, 오염물
등은 마찰발열 중에 파괴되어 접합부에서 부서져 떨어지며, 여기에
업세트하게되면 고온상태에서 확산된 강력한 금속결합을 얻을 수 있
다. 마찰발열은, 접합면의 상대속도 분포로 인해, 원주를 따라 포물
선 모양으로 증대한다. 그러나 실제로는 중심부분의 소성(塑性)변형
이 가능한 상태에 도달하지 않으면, 마찰 면 전체가 줄어들지 않으므
로, 부분적인 온도차는 있더라도, 발열의 진행과 함께 온도차는 적어
져 간다.
마찰용접부의 온도는, 같은 재료간의 용접일 경우는 그 재료의 융점
바로 아래까지 상승한다. 예를 들면, 연한 강철끼리의 용접에서는
1250~1390℃정도이다. 또 다른 재료간의 용접에서는 융점이 낮은 쪽
재료의 융점직하, 또는 그 재료들 간에 공정(共晶)조성이 되는 경우
라면 적어도 마찰면의 일부온도는 공정점에 달한다. 예를 들면, 마찰
면의 평균온도는, 동과 니켈의 경우는 동의 융점직하, 동과 알루미
늄 용접의 경우는 548℃(공정점) 가까이에 이르게 된다.
이러한 상태에서 용접되기 때문에, 용해접합에서 보여지는 주조조
직, 핀볼, 거칠고 엉성한 결정 등의 발생이 없으며, 따라서 모재의
강도저하도 일어나지 않는다. 즉 이상적인 접합상태를 형성할 수 있
다.
다른 재료간의 용접에서는, 접합부에 부서지기 쉬운 금속간화합물을
발생시키는 재료가 있다. 알루미늄합금과 동, 동과 알루미늄, 니켈기
초합금과 저합금강의 경우가 그 예이다. 이 금속간화합물에 대해서
는, 회전정지 시에 가압력을 급격히 증대시켜, 이 층을 접합부로부
터 떨어트리든지, 저회전수, 고가열압력으로 단시간에 용접하여 금속
간화합물의 생성을 억제하는 등, 용접조건을 적절히 선택하면, 충분
한 강도의 이음새를 얻을 수 있다.
5. 마찰용접의 장점
5.1 신뢰성 높은 이음강도와 정도
마찰용접법의 용접조건인자는, 용접추력, 회전수, 스트로크(또는 시
간)이며, 물리적인 제어인자이므로 재현성이 높다. 접합면의 바리는
마찰열이 회전축에 대칭으로, 또 축방향에도 균등히 발생하므로, 원
주방향, 반경방향 모두 균등하게 배출된다.
그 결과, 긴쪽방향의 치수정도, 열변형에 의한 곡선정도 등 용접정도
가 좋다. 따라서 최근에는 각각의 모재를, 기계가공, 열처리 등을 완
료시킨 상태에서, 마찰용접을 최종공정으로 하는 케이스가 증가하고
있다.
이에 따라, 각각의 모재가 사용목적에 최적한 재질, 열처리상태, 가
공상태로 만드는 것이 가능해져, 부품설계의 확대와 합리화에 크게
공헌하고 있다.
또, 용접조건의 제어인자가 물리량이므로, 품질보증장치에 의한 감시
가 용이하며, 그 정도가 높다. 따라서 마찰용접품의 접합품질을 고수
준으로 보증할 수 있다.
5.2 용이한 이종재료의 용접
마찰용접부의 도달온도의 상한은, 모재의 융점 또는 그 이하이므로,
융합하면 무른 합금 또는 합금물을 형성하는 재료의 조합에서도, 그
형성을 적극 억제하여 용접할 수 있다. 재료를 과열시킨다든지, 연소
시키는 일이 없다.
5.3 높은 경제성
1) 마찰용접은, 접합하고자 하는 면과 그 근방만 열이 발생하며, 게
다가 효율 높게 사용되어지기 때문에 다른 용접법에 비교하여, 용접
의 소요시간이 짧고, 에너지효율도 높아, 전원용량이 적어도 된다.
2) 용접봉이나 용제, 가스 등이 불필요하므로 소모품이 없어, 운영비
용이 낮다.
3) 다른 용접법에서는 필요로하는 개선가공, 감합가공 등이 불필요하
기 때문에 소재비용이 적게 든다.
5.4 심플한 제어
마찰용접의 조건인자가, 용접추력, 회전수, 및 스트로크(또는 시간)
이기 때문에, 제어가 용이하며, 재현정도가 높다. 따라서, 마찰용접
기는 자동화가 쉽고, 용접작업을 고능률로 행할 수 있어 양산설비에
적합하다.
5.5 양호한 작업환경
용접 중에 다른 용접법과 달리, 불꽃, 아크 등을 발생시키지 않기 때
문에 작업환경이 좋다. 따라서 자동화라인 공정으로, 다른 공작기계
에 인접하여 설치할 수 있어, 레이아웃에 제약을 주지 않는다.
6. 마찰용접기
일본에서 마찰용접기는, 1962년에 시작기가 제작된 이래,
다종다양한 사양의 기계가 제작되어 왔다.
6.1 마찰용접능력범위
현재 시판되고 있는 마찰용접기의 용접능력범위는, 연강환봉으로
환산하여, 최소계2mm부터 최대계200mm이며, 수십기종의 마찰용접기
가 있다.
6.2 마찰용접기의 구성
마찰용접법의 종류에 따른 다양한 마찰용접기가 제작되고 있으며,
기계 구성내용으로 분류하면, 다음과 같다.
1) 주축두가 고정되어 있고, 비회전측이 슬라이드하는 타입.
2) 주축두가 슬라이드하는 타입.
3) 양두형(3부재, 2개소를 좌우 동시에 용접함).
6.3 마찰용접기의 제작사양
마찰용접기의 최근 사용추세는, 한정된 용접품의 생산에 최적인 사양
을 장비하여 사용하는 경우가 많다. 따라서, 마찰용접품의 요구품
질, 생산공정에 최적인 장비, 고객의 설비사양기준 등, 마찰용접기
에 요구되는 사양은 복잡, 고도화되어 왔다.
오토로더, 언로더를 장비한 자동화는 물론, 최근에는 1대의 기계로
수종류의 용접품을 대상으로, 그 치구 및 마찰용접조건의 단도리변
환 등을 단시간에, 게다가 자동화하여, 중간재고를 두지않고, 라인능
력을 평준화하여 가공시키는 케이스도 늘고 있다.
또한 특수한 마찰용접기로서, 일반의 마찰용접기로는 어떤 소재라도
상대운전을 정지할 때, 정해진 위상으로 회전을 정지할 수 없지만,
용접 후의 소재간의 위상각도가 정해져 있는 제품의 용접을 하는
정위상각제어마찰용접기가 있다. 연속구동제동식 마찰용접기로, 위상
을 합치는 방법으로서, 회전축의 회전을 브레이크 등으로 감속중에
다양한 방법을 이용하여, 회전의 추적, 기계계, 유압계 등을 제어하
여 회전이 정지하기 전에, 위상각을 기계적 또는 전기적으로 맞추는
방법을 이용한 마찰용접기이다.
7. 마찰용접의 응용
마찰용접의 특징인 신뢰성 높은 이음새 강도 및 정도를 얻을 수 있
기 때문에, 자동차, 기계 등 다업종의 중요부품 접합에 응용되고 있
으며, 그 용도도 점차 확대되고 있는 추세이다.
7.1 마찰용접법 도입의 착안점과 응용예
표1에 마찰용접법 도입의 착안점과 대표적인 응용예를 표시했다.
(첨부파일참조)
7.2 마찰용접의 이음새 형상
마찰용접은, 한쪽을 회전시키기 때문에, 용접면의 한쪽은 원형에 가
까운 형상일 필요가 있다. 용접성을 좋게 하기위한 형상, 바리를 방
지하기위한 형상 등, 그림1에 마찰용접의 이음새 형상을 나타냈다.
(첨부파일참조)
7.3 마찰용접 이용에 의한 경제성
마찰용접 도입에 따른 메리트는, 품질 향상, 재료비의 절감, 가공시
간 단축 등이 있으며, 그 효과의 예를 들어보았다.
1)직기용 백롤러
파이프와 플랜지부의 용접에 마찰 용접법을 도입한 예이다.
첨부파일 7-3은 마찰용접법 도입 전후의 상태를 나타낸 것이고,
그 효과를 7-4에 나타냈다.
2) 크랭크 샤프트
첨부파일 7-5에 나타낸 것과 같이, 일체단조품을 분할하여, 웹을 공
통의 단조로 하고, 축부는 환봉을 톱으로 켜 마찰 용접한다.
그 효과를 7-5에 같이 나타냈다.
7.4 주요 응용 예
첨부파일 7-6과 7-7은 업종별 주요한 응용 예를 표시한 것이며,
대표적인 예가 사진 10~15이다.