용접 프로세스 중 하나로 저항 발열을 이용하여 금속을 접합하는 것이 특징인 저항 용접은 오늘날 자동차, 가전 분야를 비롯하여 대형 강구조물에 이르기까지 폭넓은 적용 범위를 가지고 있고, 그 종류도 매우 다양해지고 있다.  

저항 용접은 고온 압법의 일종으로, 각종 압접법 중에서 가장 많이 쓰이고 있는 방법이라고 할 수 있다. 그 원리는 저항 발열을 이용하여 금속을 접합하는 것으로, 용접부에 큰 전류를 흐르게 하고 이 때 생기는 줄열(Joule’s Heat)을 열원으로 하여 접합부를 가열함과 동시에 큰 압력을 가하여 접합하는 방법이다. 좀 더 알기 쉽게 정리해 본다면, 두 금속을 접촉시켜 그 면에 수직으로 압력을 가해놓고 여기에 대전류를 흘리게 되면 접촉 부분은 저항 발열에 의해 순간적으로 급격히 온도가 상승하여 반용융 상태가 된다. 이때 계속 가해지고 있는 기계적 압력에 의해 두 금속은 밀착되게 되는데, 여기서 전류를 끊으면 용융부가 발열을 정지하므로 고체화가 이루어져 두 금속 간에 용접이 이루어지게 되는 것이다. 이와 같이 저항 용접은 접합할 부분에 직접 대전류를 흘리고 그 전류에 의한 저항 발열로 용접부의 온도를 상승시켜 극히 단시간에 용접을 하게 되므로 고속, 고능률이 가능해져 대량 생산에 적합하다는 장점은 있지만, 장비가 비싸고 대전원 용량을 필요로 하는 등 설비비가 비싸므로 소량 생산에는 부적합하기도 하다. 저항 용접에 영향을 미치는 주요 요인으로는 용접 전류, 통전 시간, 가압력, 모재 표면의 상태, 전극의 재질 및 형상, 용접 피치 등이 있으나, 이 중 가장 큰 영향을 미치는 것으로는 용접 전류, 통전 시간, 가압력이며, 이를 저항 용접의 3대 요소라고 한다.  

저항 용접기의 종류 및 분류
저항 용접 장비의 종류에는 여러 가지가 있고, 분류 방식에 따라서도 다양하게 구분할 수 있다. 우선 저항 용접 장비의 종류는 크게 겹침 용접 및 맞대기 용접으로 분류하여 겹침 용접에는 스폿 용접, 프로젝션 용접, 심 용접으로, 맞대기 용접에는 버트 용접, 플래시 용접, 버트 심 용접 등으로 나누어 볼 수 있겠다. 이러한 겹침 저항 용접과 맞대기 저항 용접은 부품의 이음단면 형식과 기구, 용접 기기 등이 크게 다른데, 이에 대해서는 표 1에서 설명하도록 한다.

표 1. 저항 용접의 종류

(1) 저항 용접기의 종류
1) 스폿 용접(Spot Welding)
스폿 용접은 우리말로 점 용접이라고 하며, 저항 용접기 중 가장 널리 사용되고 있고 그 용법의 변화도 매우 많은 용접법이다. 스폿 용접은 전극 가압 기구, 용접 변압기, 제어 장치의 3요소로 된 용접 장치에 의해 용접부가 높은 가압력과 큰 용접 전류를 일정 시간 공급하여 용접하게 되며, 항공기 및 자동차 차체 등에 많이 적용되고 있다.
스폿 용접의 방법에는 한 개의 용접 회로에서 직렬로 하나의 용접점이 있는 직접법(Direct Spot Welding), 두 개 이상의 용접점이 있는 시리즈법(Series Spot Welding), 둘 또는 그 이상의 용접점이 아주 근접하게 있을 때 적용되는 평행법(Parallel Spot Welding), 용접점의 부분을 직접 두 개의 전극으로 끼우지 않고 용접 전류가 피용접재의 일부를 통과하여 다른 곳에서 전극에 달하게 하는 간접법(Indirect Spot Welding), 작업 능률의 향상과 용접 변형 방지 및 동시에 많은 점(2~300개)을 용접하는 복합법(Multi Spot Welding) 등이 있다.

표 2. 스폿 용접의 종류

■ 자료: 저항용접의 기초 - Spot 용접기술, 중소기업진흥공단

2) 프로젝션 용접(Projection Welding)
프로젝션 용접은 원리적인 면에서는 스폿 용접과 같으나, 모재의 한쪽 또는 양쪽에 작은 돌기를 만들어 이 부분에 대전류와 압력을 가한 후 모재의 접촉 저항과 고유 저항에 의한 저항 열을 이용하여 용접부를 용융시켜서 압접하는 방법으로, 경우에 따라 돌기 대신에 모재의 각, 모서리, 끝, 돌출부 등을 이용하기도 한다.
프로젝션 용접 방법은 최초 통전 전 예압에 의해 돌기를 높이의 5~8%를 눌러준 다음, 전류를 통하면 저항 발열에 의하여 돌기는 완전히 찌그러지며 압접의 상태를 경과하여 너깃이 생성되고 용접이 완료된다. 이 방법으로 용접할 수 있는 판 두께는 특별한 제한은 없으나 일반적으로 0.5~0.6㎜ 정도가 보통이고, 판 두께비가 6:1 정도의 한도가 좋다.
이 방법은 열 용량이 심하다는 단점은 있지만, 여러 점을 동시에 용접할 수 있기 때문에 작업 능률이 높다는 장점이 있으며, 주로 전기기구나 자동차 부품의 제작에 널리 이용된다. 또한 이 용접 방식은 강판, 강력청동, 스테인리스강, 니켈 합금 등의 용접에 적합하고, 알루미늄 합금, 아연판 또는 강-황동 등과 같이 서로 다른 종류의 금속 용접도 가능하다는 특징이 있다. 이 용접법의 대상물로는 프레스 가공품이 제일 많고, 그 외 기타 봉재, 선재, 볼트, 너트, 파이프, 반도체 캡, 시일의 용접이나 단조품, 기계 가공품 전반에 걸쳐 널리 이용된다.

표 3. 프로젝션 용접법의 특징

■ 자료: 다이아몬드 톱용 무소음 톱판 개발, 과학기술부

3) 심 용접(Seam Welding)
심 용접법은 원판상의 전극 사이에 피용접물을 끼워 가압하면서 전극을 회전시켜 스폿 용접을 연속적으로 반복하는 방법이며, 주로 기밀 및 유밀을 필요로 하는 이음부에 이용된다.
심 용접 방법은 심 용접, 포일 심 용접, 맞대기 심 용접으로 크게 나눌 수 있고(표 4 참조), 심심 용접기의 종류에는 대표적으로 원둘레 시임 용접기와 세로 시임 용접기가 있으며, 심 용접에 있어서 용접 전류의 통전 방법은 띔 통전법, 연속 통전법, 맥동 통전법 등이 있다. 통전 방법 중 띔 통전법이 가장 일반적으로 사용되는데, 띔 용접법은 통전(ON)과 휴지(OFF)를 규칙적으로 진행하여 용접을 행하는 것으로, 큰 전류를 연속 통전하면 모재에 주는 열량이 너무 많아서 과열될 우려가 있기 때문에 이 같은 과열에 의한 용융부가 너깃 표면에 미치지 않게 하기 위해 약간의 휴지 시간을 두어서 냉각 후 다시 통전하는 것이다. 이 통전법은 저속 용접에 사용한다. 또한 연속 통전법은 용접 전류를 연속적으로 통전하여 용접하는 방법으로, 휴지 시간이 없어 모재가 과열될 우려가 있고 용접부의 품질이 저하된다는 단점이 있으며, 주로 고속 용접에 사용된다.

표 4. 심 용접 방법의 종류

■ 자료: 다이아몬드 톱용 무소음 톱판 개발, 과학기술부

4) 버트 용접(Butt Welding)
이 방식은 저항 용접 중에서 가장 먼저 개발된 방법으로, 현재 널리 사용되고 있는 용접법이며, 맞대기 버트 용접법 또는 업셋(Off Set) 용접이라고도 한다. 이것은 용접재를 세게 맞대고 여기에 대전류를 통하여 이음부 부근에서 발생하는 저항 발열로 가열한 후 적당한 온도에 도달했을 때 축 방향으로 큰 압력을 주어 용접하는 방법으로, 고상 압접에 속하며 이음면에서의 슬립 변형과 확산에 의해 접합이 완료된다. 따라서 압접 온도는 용접재의 융점 이하지만 가압력과 관련하여 정해지며, 가압력이 클수록 압점 온도는 낮아진다.
단면적이 큰 소재를 용접 시에는 용접 중에 접합면이 산화되어 이음부에 산화물이나 가공 등이 남아 있기 쉬우므로 용접하기 전에 이음면을 깨끗하게 해야 하며, 일반적으로 단면적이 큰 소재나 비대칭형 소재, 가압력에 의해 구부러지기 쉬운 얇은 판이나 관 등에는 적용이 어렵다. 
가압력은 보통 0.5~8.0㎏/㎠ 정도이며, 지름 10㎜ 이내에 많이 사용되지만, 지름 16㎜까지도 용접이 가능하다. 서로 다른 금속인 경우에는 열 평형을 조정해야 하므로 돌출부의 길이는 열 및 전기 전도도가 좋은 쪽을 길게 한다.

5) 플래시 용접(Flash Welding)
플래시 용접은 용접재의 업셋 단면이 접촉했을 때 그 접촉부를 흐르는 전류에 의한 줄열 및 접촉부가 용융되어 불꽃으로 흩어진 후에 발생하는 아크 열을 이용한 용접법이다. 덧붙이자면, 이 방법은 용접할 2개의 금속 단면을 가볍게 접촉시켜 여기에 대전류를 통하여 접촉점을 집중적으로 가열시킬 경우 접촉점은 과열 용융되어 불꽃으로 흩어지나 그 접촉이 끊어지면 다시 용접재로 내보내어 항상 접촉과 불꽃의 비산을 반복시키면서 용접면을 고르게 가열하여 적당한 온도에 도달했을 때 강한 압력을 주어 압접하는 방법이다.
이러한 용접의 과정은 예열, 플래시, 업셋의 3단계로 진행되는데, 일반적으로 플래시 전압이 너무 높으면 플래시가 거칠고 깊은 피트가 생기며 내부 결함이나 과열 조직이 생기기 쉽다.

(2) 저항 용접기의 분류
저항 용접기는 변압기와 가압 장치 등 각부를 구조적으로 조합하는 방법에 따라, 그리고 용접기의 전원 방식에 따라 그 분류도 달라진다.

1) 구조적 형태에 의한 분류

① 정치형 저항 용접기
정치형 저항 용접기는 각부를 전부 일체화하고 가압 장치와 전원 장치를 고정해 두는 방식으로, 주로 범용기로 이용되고 있다. 자동차 부품 이외에도 박판의 조립 현장에서 널리 이용되며, 가압용 에어 실린더가 장치 상부에 위치하고 있어 가압 및 용접 시 수직 하강 운동을 함으로써 용접 시 전극의 추종성을 높인다는 특징이 있다.

② 포터블형 저항 용접기
포터블형 저항 용접기는 자동차 제조 공장 등에서 많이 이용되며, 건/변압기 분리형과 건/변압기 일체형으로 나눌 수 있다.
저항 용접기는 일반적으로 가압 통전부(건부)와 전원부(변압기부), 전력 제어부(타이머 및 컨덕터부) 및 1차 케이블과 2차 케이블부(2차 도체부)로 나뉘는데(표 5 참조), 건/변압기 일체형의 경우 가압 통전부와 전원부를 일체화하여 구성하는 것으로 이로 인해 소모품인 2차 케이블부의 필요성이 없어져 원가 절감을 가져온다는 장점이 있다.

표 5. 저항 용접기의 구성

■ 자료: 저항 용접기의 종류와 신개발 동향, 태신지엔더블유(최민환, 박은희)

2) 전원 방식에 의한 분류
전원 방식에 따라서 저항 용접기는 크게 교류식, 직류식, 콘덴서식으로 분류되며, 여기서 교류식은 또 단상 교류식과 삼상 교류식으로, 직류식은 단상 정류식과 삼상 정류식, 인버터식으로 세분화된다.

① 교류식 저항 용접기
가. 단상 교류식 저항 용접기
가장 일반적으로 사용되는 저항 용접기로, 자동차 생산 현장이나 가전 등 박판 조립 공장에서 주로 적용된다. 단상 전원에 있어 위상 각 제어를 위해 사이리스터를 끼워서 용접 변압기의 1차 측에 접속하며, 이처럼 일반 공장 동력으로 사용되는 상용 주파수(60㎐)의 전원을 용접 변압기로 저전압 및 대전류로 변환하기만 하면 되므로 구조가 간단하고 값이 저렴한 것이 특징이다.

나. 삼상 저주파식 저항 용접기
단상 교류기의 경우 리액턴스가 커져 알루미늄 합금에서와 같이 대전류를 필요로 하는 경우 입력 kVA가 커짐에 따라 전원 설비상 여러 가지 폐해가 나타나므로, 이러한 결점을 해결하기 위해 개발된 것이 바로 삼상 저주파식 저항 용접기다. 이 용접기는 항공기와 전철 등 대형 차량 제조에는 이용되고 있지만, 자동차 제조업에서는 거의 이용되지 않고 있다.

② 직류식 저항 용접기
가. 정류식 저항 용접기
용접 변압기의 2차 회로에서 용접 전류를 직접 정류하는 방식으로, 수만~십 수만 A 같은 대전류를 비교적 용이하게 얻을 수 있으며 역률이 좋다는 등의 장점은 있으나, 장치가 복잡하고 고가라는 단점이 있다. 

나. 인버터식 저항 용접기
전류 특성으로 볼 때 직류기 중에서 인버터식 직류 저항 용접기는 다른 용접기에 비해 다양한 많은 장점을 지닌 장치로, 특히 고속 제어가 가능한 것이 특징이다. 인버터식 저항 용접기의 제어 원리는 상용 전원을 직류로 변환시키고 이 직류를 다시 스위칭 소자(IGBT)를 이용하여 고주파로 변환시켜, 이 고주파 전력을 변압기에 공급하여 용접에 필요한 저전압 및 대전류로 변환시키는 것이다.

③ 콘덴서식 저항 용접기
콘덴서식 저항 용접기는 대용량의 전해 콘덴서에 축적된 전기 에너지를 수 ms~수천 ms 정도로 단시간에 방출하여 용접하는 방법으로, 주 전원의 전기 용량을 대폭 줄일 수 있으며, 전언 전압의 변동에 의해 용접 전류가 변화하지 않는 데다 단시간 통전이 가능하다는 등의 장점이 있다. 그러나 통전 시간의 조정이 간단하지 않고 후판 강판과 같이 긴 통전 시간이 필요한 경우에는 사용할 수 없을뿐더러, 가격이 고가이며 충전 시간을 필요로 하기 때문에 타점 속도에 제한을 받는다는 단점도 있다. 이 장치는 주로 프로젝션 용접용으로 적용되고 있다.

출처: 메탈넷 코리아