[전기용접] 전기용접방법 

ARC용접 PROCESS별 장치 및 특성

아크용접기는 SMA용접법, GMA용접법, GTA용접법, SA용접법, ES용접법, EG용접법, PA용접법, STUD용접법 등을 할수 있도록 고안된 전기적인 장치로 정의 할수 있다.

용접기를 분류하는 방법으로 용접기의 출력특성, 전류파형, 전력원, 아크 보호기구, 토치조작방식, 아크발생방식 등으로 구분하고 있다.

1. 피복 아크용접(SMAW :Shielded Metal Arc Welding)

가. 원리

피복제를 바른 용접봉과 피용접물간에 발생한 전기아크의 열을 이용하여 용접하는 방법

* 피복제의 역활: 아크안정, 산화/질화방지, 용융금속 정련, 합금원소 첨가

나. 용접장치 비교

1) 용접전원

일반적으로 교류(AC) 혹은 직류 역극성[DCRP, 용가재 (+)극성] 사용

◐직류 아크용접기와 교류 아크용접기의 비교

2) ARC구성 및 장치 형태

[용접기 장치]                                     [아크구성]

다. 용접특성

arc 용접기는 낮은 전압으로 대전류를 흐르게 설계되어 있으며, 일반적으로 Ohm 법칙인 E = I*R에 의하여 전기회로에서는 전류(I)를 크게하면 전압(E)도 크게 되나, arc의 특성은 반대로 소전류의 범위에서는 전류의 증가에 따라 전압이 감소하며, 이를 부특성 dropping characteristics)이라 하고, arc 용접은 이 범위에서 행하여 지는 것이 보통이다. 그림(a)는 arc 전압의 특성이고, 그림(b)의 점선은 arc 길이를 일정하게 했을 때 전류와 전압의 관계로서 소전류에서는 부특성을 표시하고, 실선은 용접기의 외부 특성곡선을 표시한다. M 및 양 곡선의 교점 P에서 arc가 발생하나 안정된 arc를 얻기 위하여는 P점과 같이 용접기의 외부 특성은 수하특성을 가져야 한다.

(arc 전압의 특성)

라. 용접기 종류

1) 직류 arc 용접기:

직류용접에서는 모재를 (+)로하는 정극성과 모재를 (―)로 하는 역극성이 있으며, 전체 발열량의 60 ~ 75%가 양극측에서 발생한다. 따라서 정극에 두꺼운 모재를 연결하고, 얇은 모재나 녹기 쉬운 비철금속의 경우는 역극성으로 하는 것이 유리하다.

전류가 (+)극에서 (―)극으로 일정 방향으로 흐르기 때문에 arc가 안정되어 나선봉으로도 용접할 수 있다. 그러나 arc가 너무 안정되면 arc가 길기 때문에 용입불량이 생길 염려가 있으며, 전류가 한쪽 방향으로만 흐르기 때문에 주위에 자력선이 magnetic blow 현상을 발생케하여 불량용접의 원인이 되는 수도 있으므로 이때에는 극을 바꿔 주는 방법으로 대처하여야 한다.

직류 arc 용접기에는 발전기식과 정류기식이 있으며, 그림은 발전기식 직류용접기로서 교류전동기에 직류발전기를 직결하여 용접전류를 얻는 용접기이다. 금속 arc 용접에서 전극이 용융함에 따라 arc 길이가 변하고 전기적 특성이 변하나 용접기의 구조가 이에 적응하도록 되어 있어 안정된 arc를 얻을 수 있다. 이외에 gasoline 기관이나 diesel 기관 등으로 직류발전기를 구동시켜 직류를 얻는 용접기가 있으며, 전원이 없는 곳에서 이용하기가 편리하다.

정류기식 직류 arc 용접기에 이용되는 정류기에는 selenium 정류기, silicon 정류기, germanium 정류기 등이 있다. 3상교류에서 반도체 정류기는 한쪽 방향으로는 전류를 잘 통하게 하고 다른 방향으로는 저항을 크게하여 적은 전류만 통해도 온도를 상승시켜 발열 효과를 더욱 크게한다. 회전 부분이 없으므로 무부하 손실이 적으며, 값도 싸고 수리가 쉬어 수동 arc 용접, TIG 용접, MIG 용접, CO2 용접 등에 널리 이용된다.

2) 교류 arc 용접기

교류아크 용접기에는 출력전류를 조정하는 방식에 따라 가동철심형, 가동코일형, 탭절환형 및 가포화 reactor 형 등이 있으나 국내 널리 보급된 저가 기종은 가동철심형이다.

◐가동철심형

가동철심형 교류용접기는 용접에 적합한 낮은 전압, 큰 전류를 공급하도록 설계되었으며, 1차 coil은 교류전원에 연결하고 2차 coil은 70 ~ 100V의 낮은 전압으로 한다. 그림(a)에서와 같이 coil 전환 tap이 움직여 큰 범위의 전류를 조정할 수 있고, 가동철심으로 미세조정을 한다.

◐가동 coil 형

1차 coil을 교류전원에 연결하고, 가동 handle로써 1차 coil을 이동시켜 2차 coil과의 거리를 조정하면 reactance가 변하여 필요한 2차 coil 측의 전류를 얻는 용접기 이다.

◑ tap 전환형

그림에서 전환 tap A와 B를 옮겨 전류를 조정하여야 하기 때문에 다소 불편하다.

( tap 전환형 교류 arc 용접기의 원리 )

◐ 가포화 리액터형

그림과 같이 정전압의 변압기와 가포화 reactor를 조합한 것으로서 직류 여자 coil을 가포화 reactor에 감아 놓았다. 전류조정을 직류 여자 전류의 증감에 의하여 함으로 가동부가 필요 없으며, 원격 조정을 할 수 있어 편리하다.

(가포화 reactor 교류 arc 용접기의 원리)

마. 용접봉

1) 심선(心線):

연강용 피복 arc 용접봉의 심선의 지름은 1.0, 1.4, 2.0, 2.6, 3.2, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0mm 등이 있으나 3 ~ 6mm의 범위가 많이 사용된다.

심선의 재질은 모재가 연강일 때에는 C가 비교적 적은 연강봉이 사용된다. C를 적게 하여 용접온도를 높여 용입을 양호하게 하고, 연성을 준다. Mn은 탈산의 역할을 하나, 많으면 재질이 경화된다. P는 상온취성을 일으키고, S는 고온취성을 일으킨다.

2) 피복제(被覆劑):

arc 용접봉은 용접조건에 따라 여러가지 피복제가 사용되며, 대체로 피복제의 역할은 다음과 같다.

(1) arc 열에 의하여 피복제가 연소되면서 gas를 발생하여 용접부에 공기 중의  산소와 질소의 침입을 방지한다.

(2) 피복제 연소 gas의 ion화에 의하여 교류용접기에서 순간적으로 전류가  끊어졌을 때에도 arc를 계속 발생시켜 안정된 arc를 얻을 수 있다.

(3) slag를 형성하여 용접부의 급랭을 방지한다.

(4) 용착금속(熔着金屬)에 필요한 원소를 보충한다.

(5) 불순물과 친화력이 큰 재료를 사용하여 용착금속을 정련(精鍊)한다.

(6) 붕사, 산화티탄 등을 사용하여 용융금속의 유동성을 좋게한다.

(7) 발생 gas의 유속에 의한 저압으로 용적(熔滴)의 이동을 가속시킨다.

(8) 좁은 틈에서 작업할 때 절연작용(絶緣作用)을 한다.

피복제에는 gas 발생식, slag 생성식, 반 gas 발생식 등이 있으며, 이들을 용도에 맞게 잘 혼합하여 물을 가하고 심선에 도포한다.

gas 발생식 피복제는 고온에서 환원성(還元性) gas 혹은 불활성(不活性) gas를 발생하여 용접부를 덮어 공기의 악영향으로부터 보호한다. 이런 피복제에는 유기물이 많아 유기물식 용접봉이라고도 한다. 용접봉에서 arc가 세게 분출되므로 전류와 운봉법(運棒法)의 선정이 잘못되면 *undercut을 일으킬 염려도 있으며, gas 발생식 피복제의 특징을 열거하면 다음과 같다.

1) arc가 세게 분출되므로 arc가 안정된다.

2) 모든 자세의 용접에 적합하다.

3) 용접속도가 빨라 능률적이다.

4) slag는 다공성(多孔性)이고 쉽게 부서져서 slag의 제거가 용이하다.

slag 생성식 피복제는 고온에서 slag를 많이 생성하는 것으로서, 용접부가 공기와 접촉하는 것을 차단하고, slag가 용접부 위에 굳어져 용접부의 급랭을 방지한다. 피복제는 주로 무기물(無機物)로 되어 있기 때문에 이 피복제로 도포된 용접봉을 무기물식 용접봉이라고도 한다.

반 gas 발생 피복제는 gas 발생식과 slag 생성식의 특징을 절충한 것으로서, slag 생성식에 환원성 gas나 불활성 gas를 발생하는 성분을 첨가한 것이다.

arc 용접봉 피복제의 성분에는 산화물(SiO2, CaO, Al2O3, MgO, Fe2O3, MnO2), 규산염(Na2O3, Na2Si4O9), 탄산염(CaCO3, MnCO3, NaHCO3), 불화물(CaFe2), 유기물, 붕산염(Na2B4O7 + 10H2O), 규산철(Fe3Si), 망간철 등이 있고, 점착제에는 물유리, 아교, 고무, 해초, gelatin 등이 있으며, 섬유질이 있는 석면을 혼합하기도 한다.

용접봉의 종류는 KS D 7004의 규정에 따라 표시하는데, 표기된 각 위치는 다음의 의미를 갖는다. 　

바. 기타 용접구

전장에서 설명한 용접기 외에 다음과 같은 장비와 도구가 필요하다.

1) 누름판: 용접 중 모재의 움직임을 방지하기 위하여 무거운 중추를 모재위에 올려 놓는다.

2) clamp: 용접 중 모재의 움직임을 보다 확실하게 방지하기 위하여 clamp로 고정한다.

3) 냉각기: 용접 중 용접부 외의 모재가 열영향을 받지 않도록 열전도율이 큰 동(銅) block이나 수냉관을 이용하여 냉각시킨다.

4) spacer; 용접이 진행되면서 용접부의 간격이 좁아지는 것을 감안하여 벌려놓기 위해 spacer를 사용한다. 용접을 진행하면서 중간 중간에 밀어 옮긴다.

5) 동심 원통조립용 jig와 원통용 회전 jig: 원통을 용접할 때 작업자가 원통을 돌아가면서 용접하기가 불편하므로 원통을 회전시키면서 용접할 때 사용한다.

6) flange 고정: 모재를 세워 두는데 사용한다.

7) 용접봉 holder: 용접봉을 물고 용접을 진행하는데 사용되며, 전류를 cable에서 용접봉으로 전하므로 감전사(感電死)나 전격(電擊)의 위험이 없도록 용접봉을 무는 부분을 제외한 다른 부분은 철저히 절연되어야 한다.

8) 접지 clamp(ground clamp): 모재에 용접기를 접속시키는 것으로서, 접점에서 저항열이 발생하지 않도록 접속이 완전하여야 한다.

  (접지 clamp) ( earth(ground) clamp )

9) 전선(welding cable): 용접기에 사용하는 전선에는 전원에서 용접기에 연결하는 1차측의 전선과 용접기에서 피용접물까지의 2차측의 전선이 있다.

규격에 맞는 것을 사용하면 된다. 2차측의 전선은 유연성을 주기 위하여 수 많은 가는선으로 되어 있다.

(2차측 전선)             ( welding cable )

10) 환기장치: arc 발생 부근에 hood를 설치하여 용접시 발생하는 gas를 빨아내야 한다. 특히 황동, 청동, 납합금 및 아연 도금판 등을 용접할 때에는 유해 gas에 유의해야 한다.　

11) helmet과 hand shield: 용접 arc에서 강열하게 나오는 유해 광선인 자외선(紫外線), 적외선(赤外線) 및 spatter로 부터 눈, 얼굴, 머리 등을 보호하기 위하여 사용하는 차광 lens가 있는 가리개이다.　

(Helmet)                (hand shield)

12) 보호의(保護衣): 용접 중에 spatter로부터 몸을 보호하기 위하여 착용하는 것으로서, 가죽 또는 석면 등으로 만든 앞치마, 팔 cover, 장갑, 발 cover등이 있다 .

(앞치마)             (보호의를 착용한 모습)         (가죽장갑)           (작업복)

13) chipping hammer: 용접 후 slag를 쪼아 내는데 사용 된다.

이들 외에 측정자, 각도기 및 용접부의 slag을 털어 내기 위한 wire brush 등이 필요하다.

사. 운봉법

운봉법에는 용접선 위를 직선으로 움직이는 방법, 용접선의 폭을 넓게하고 용재의 부상(浮上)을 돕기 위하여 용접선 방향과 직각 방향으로 움직이는 운봉법 등이 있다.

사. 용접봉의 지름과 전류

강의 용접조건은 나선(裸線) 3 ~ 6mm의 용접봉으로 하향용접을 할 때 전압이 15 ~ 25V이고, 피복봉에서는 20 ~ 28V 정도이다. 전류가 너무 크면 spatter가 많고 undercut이 일어나기 쉽다. 전류가 너무 약하면 용접봉의 용융속도가 늦고 용적이 커져 모재에 옮겨져서 overlap이 생기고 용입이 불량해진다.

arc의 길이는 심선의 지름과 같은 정도가 좋다. 너무 길면 arc가 불안정하고 산화와 질화의 가능성이 커진다.

아. 용접부의 조직 및 성질

1) arc의 구분:

arc는 아래 그림과 같이 3부분으로 나누어 볼 수 있다.

1) arc 중심부 백열부분(白熱部分)은 금속 arc의 경우 3000oC이고, 탄소 arc의 경우 4000oC 정도이다.

2) arc 중심부 주위의 청색부분을 arc stream이라 한다.

3) arc 중심부 주위의 황색부분을 arc flame이라 한다.

2) 용융금속의 응고

그림과 같이 용융금속이 응고할 때 용금의 접촉면에 직각 방향으로 결정이 성장하며, 용접의 진행 방향에 경사지게 주상(柱狀)을 이룬다. 1층 용접 bead에 다시 2층 용접을 하면 1층의 bead의 금속은 고상동소변태점(固相同素變態點, 철에서는 910oC, 강에서는 730oC)을 지나 냉각되며, 이 때 하층(下層)의 bead 금속은 미세하게 된다.

3) 조직 및 성질

융합부(融合部)에 인접한 부분은 용접열에 의하여 조직이 변하며, 이 부분을 열영향부(熱影響部; heat affected zone, HAZ)라 하며, 뚜렷한 경계선은 없으나 편의상 용접부를 구분하면 아래 그림과 같다.

강의 arc 혹은 gas 용접에서 나타나는 용접부의 온도와 조직을 보여준다. 일반적으로 C는 저온측에서 고온측으로 이동하므로 융합부에서는 C가 많아지고, 융합부에 인접한 모재에서는 C가 적어지며, 융합부는 급랭에 의한 영향을 크게 받는다.

■ 전국용접협회 http://cafe.daum.net/nwa12