스터드용접(Stud Welding)은 지난 1938년 조선소 갑판에서 용접일을 하던 Mr. Ted Nelson에 의해 발명된 것으로 전해졌다. 당시 Nelson이 휴식시간에 DC전원에 연결된 전선으로 무의식 중에 친 장난으로 환봉이 선박의 철판에 달라 붙는 것을 보고 연구해 발명한 것이 바로 ‘스터드용접’인 것으로 알려졌다.
스터드용접은 볼트나 너트 및 핀과 같은 다양한 형상의 금속 스터의 한쪽 면과 모재 사이에 아크를 발생시켜 스터드와 모재를 용융시키고, 스터드를 스프링 또는 공압으로 모재의 용융부로 이동시켜 용접부를 형성한다. 이러한 점 등으로 인해 스터드용접은 소모성 용접봉을 사용하는 피복아크 용접 공정과 유사하고, 스터드에 압력을 가해 모재의 용융부와 결합하는 점에서 저항 점 용접과 유사하다.

스터드용접의 원리
스터드용접은 볼트, 환봉, 핀 등의 금속 고정구를 철판이나 기존 금속면에 모재와 스터드 끝면을 용융시켜 스터드를 모재에 눌러 융합시켜 용접을 하는 자동 아크 용접법이다.
스터드 끝에는 작은 돌출부가 마련되어 있어 이 돌출부를 모재에 대고 스위치를 당기면 조절기의 접점 회로가 닫히면서 충전된 전기가 돌출부를 통해 순간적으로 흐른다. 이때 높은 저항이 생기면서 돌출부는 녹아버리고 순간적으로 아크가 발생하여 모재와 스터드의 접촉면을 녹여 용착이 되도록 한다. 이와 같이 아크가 일어나는 동안 두 면은 스프링 작용 또는 공기 압력으로 맞대고 눌려지며 이 눌려진 순간 융합이 이루어져 용접이 되는 것이다.

스터드용접의 구성
(1) 용접장치
스터드용접 장치는 그림 3과 같이 용접전원, 제어장치, 용접토치 또는 용접헤드로 이뤄져 있다. 용접전원으로는 직류, 교류 어느 것이나 사용되나 현장용접 등에서는 용접 케이블이 길어 이것에 수반되는 전압강하, 아크의 불안정 등이 문제가 되어 세렌정류기를 이용한 직류용접기가 많이 사용되고 있다.
아크 스터드용접에서는 스터드를 이동하는 시간이 있으므로 일반 아크용접기에 비해 정격 사용률이 낮지만, 용접과정에서 순간적으로 높은 전류를 발생시키고 용접전류와 시간을 제어해야 하기 때문에 제어 장치가 별도로 설치돼 있으나 용접기에 따라서는 용접전원과 제어장치가 하나로 통합된 경우도 있다. 아크를 용이하게 발생시키기 위해 70~100V의 높은 개발 전압을 사용하며 스터드의 재질과 직경에 따라 200~1,000A 범위의 높은 전류를 수초 동안 공급한다. CD 스터드용접기는 대용량의 커패시터를 사용하기 때문에 출력 전류와 전압을 사용하는 커패시터의 용량과 전압 및 스터드의 직경에 의해 결정된다.

그림3. 스터드용접 장치의 구성
■ 출처: 대한용접?접학학회 ‘용접?접합 편람 Ⅲ’

(2) 용접토치
용접토치(Welding Gun)는 그림 8과 같이 끝에 스터드를 끼울 수 있는 스터드 척(Stud Chuck)과 내부에는 스터드를 누르는 스프링 및 전자석(Solenoid), 통전용 스위치 등으로 구성되어 있다.
스터드용접에서는 용접 건에 용접 토치의 스터드 척에 스터드를 끼우고, 스터드 끝 부분에 페롤을 끼운다. 스터드 끝을 모재에 접촉시키고 통전용 스위치를 당기면 전자석에 의해 스터드가 약간 끌어 올려지면서 모재와 스터드 사이에서 아크가 발생돼 모재와 스터드 끝부분이 용융된다.

(3) 스터드(Stud)
스터드는 보통 5~16㎜ 정도의 것이 많이 쓰이며 용도에 따라 여러 가지 모양이 있다. 스터드는 기본적으로 토치의 스터드 척에 끼울 수 있고 스터드 끝에 돌출부를 가공할 수 있으면 용접이 가능하지만 주로 볼트나 핀과 유사한 형상으로 용도에 따라 여러가지 모양이 있다.

(4) 페룰(아크실드)
페룰은 내열성의 도기로 만들며 아크를 보호하기 위한 것이며 모재와 접촉하는 부분은 홈이 패여 있어 내부에서 발생하는 열과 가스를 방출할 수 있도록 되어 있다. 그 역할을 살펴보면 다음과 같다.
1) 용접이 진행되는 동안 아크열을 집중시켜 준다.
2) 용융금속의 산화를 방지한다.
3) 용융금속의 유출을 막아준다.
4) 용착부의 오염을 방지한다.
5) 용접사의 눈을 아크 광선으로부터 보호해 주는 등 중요한 역할을 한다.

스터드용접 방법
스터드용접은 용접전 모재와 스터드의 재질, 스터드의 지름에 따라 전류를 잘 선택해야 한다. 장비에 표시되어 있는 출력선(2차선) 소켓의 (+) 전극은 항상 모재에 접지시켜서 사용하며 알루미늄 용접시는 (-)전극을 모재에 접지하여 사용한다. 또 스터드의 지름이 클 경우에는 많은 전류가 필요하므로 용접기의 부하를 고려해 여러 대의 용접기를 병렬로 연결해 사용하면 효과적이다.
용접을 할 때는 용접토치의 스터드 척에 스터드를 끼우고, 스터드 끝부분에는 페룰을 붙인다. 그 다음 통전용 스위치를 당기면 전자석(Solenoid)의 작용에 의해 스터드가 약간 끌어올려진다. 이때 모재와 스터드 사이에서 아크가 발생돼 모재와 스터드 끝부분이 용융된다.
아크 발생시간(통전시간)은 모재의 두께 및 스터드의 지름에 알맞게 미리 제어장치로 조정해 두면 소정 시간 아크가 발생된 후 소멸됨과 동시에 전자석에 전류가 차단되므로 스터드를 잡아 당기던 것이 스프링에 의해 용융 풀에 눌려지므로 용접이 된다. 마지막으로 스터드에서 척을 빼고 페룰을 파괴하여 제거하면 용접이 완료된다. 일반적으로 아크 발생 시간은 0.1~2초 정도로 한다.

스터드용접은 모재와 소재, 그리고 재료를 모두 녹여 짧은 시간 안에 순식간에 용접을 하는 획기적인 용접법 이라고 할 수 있다. 이 같은 장점으로 자동차 산업을 비롯, 교량건설이나 철골공사 구조물 등 각 산업에서 상당히 많이 쓰이고 있다. 그러나 대체적으로 많은 산업군에 스터드용접이 적용되기는 하지만, 그 수요는 많지 않은 편이다. 많이 적용되는 산업군은 국한돼있기 마련이다.
그 중에서도 특히 가장 많이 쓰이는 산업군을 꼽는다면 앞서 밝혔듯 자동차 산업이라고 할 수 있다. 그러나 용이한 용접이라는 점과는 다르게 현재 자동차 산업을 제외한 타 산업에는 스터드용접의 시장 비중이 상당히 적은 편이다. 나머지 타 산업의 시장을 모두 합쳐도 자동차 산업에서의 스터드용접 시장의 규모가 안될 것으로 파악되고 있다.
스터드용접은 이 외에도 강구조 플랜트, 엘리베이터, 전기 등 모든 분야에서 포괄적으로 쓰인다고 해도 무방할 것으로 보인다.

출처: 메탈넷코리아