|
오버레이 용접 (육성용접 / Hardfacing or Overlay Welding)
모재에 약 1mm이상의 두께로 내마모, 내식, 내열성이 우수한 용접금속을 입히는 방법으로 기계부품은 마멸 충격, 침식에 의하여 마모되거나 환경의 영향으로 부식이 발생하여 많은 손실을 보게 된다. 이러한 손실을 감소시키기 위하여 재료의 표면에 내마모 또는 내식재료를 입히는 용접이다. 정의에 따라서는 용사,열처리에 의한 표면경화, 즉 침탄이나 질화처리,이온주입과 같은 표면 경화법은 오버레이 용접에 포함되지 않는다.
* 특징 1. 모재와 완전한 융합을 이루기 때문에 모재보다 접합강도가 높다. 품질이 우수하다.
* 경제성
(특히 표면에) 일정한 기계적인 성질을 띄는 재질로 만들어져야 하나 경제성 혹은
가공성의 이유로 안감은 싼 재질로 만든 다음 표면을 용접으로 2~3겹 감싼 경우를 말하며
해양 공사의 경우 표면에는 주로 Stellite (Co에 Cr, Tu, Mo등을 섞은 합금)이 사용됩니다.
코팅이 아니라 용접의 방식을 이용하는 것은 Stellite가 Galvanizing (Zn 도금)의 경우처럼
녹는 점이 낮지도 않을 뿐더러 특히 코팅의 경우는 만들 수 있는 도막의 두께에 어느 정도
한계가 있기 때문이다. 용접의 방식을 택하면 원하는 두께에 따라 2~3겹 정도 두께를
조절할 수 있으므로 위 방법이 쓰이게 됩니다.
참고로 스텔라이트 (Stellite)는 스텔라이트. Co에 Cr, Tu, Mo등을 섞은 합금으로 내열성
합금으로서 유명하며, 항공기용 가솔린기관의 배기밸브로 사용되기 시작하여 오늘날에는
내열성을 필요로 하는 각종 바이트나 착암용 드릴 등의 공구에 널리 사용되고 있는 합금입니다.
내식성도 또한 뛰어나다고 하네요.
오버레이 용접의 분류
오버레이 용접법은 일반적으로 아래표와 같이 분류된다.
1) 산소-아세틸렌가스용접(OAW) 이 용접법은 가스화염에 의한 열을 이용하여 소재의 표면에 내마모 또는 내식재료를 용해 적층시키는 방법으로서, 오버레이 용접시 소재의 표면만이 조금 용해될 뿐이다. 가스화염은 탄화수소가스와 산소가 연소하여 발생한다. 연료가스로는 아세틸렌이 가장 많이 사용되고 있으나 메틸아세틸렌 프로파디엔(MAPP)가스도 사용되고 있다.
2) 아크용접 아크에 의한 오버레이 용접은 전기아크방전에 의한 열을 이용하여 소재의 표면에 오버레이 용접재료를 용해, 적층시키는 것이다. 이 아크는 전극과 소재사이에 전압을 걸어 발생시킨다. 아크를 유지시키기 위한 전압은 전극과 소재사이의 간격에 따라 변화하며, 아크용접 공정에 따라서도 다르다. 오버레이 용접재료는 전극 자체를 사용하기도 하지만 전극과는 별도로 사용할 수도 있다.
① 피복 아크용접(SMAW) 이 용접법은 소모 전극식이며, 사용되는 전극은 일반적으로 특별한 재료로 피복되어 있다. 이러한 오버레이 용접봉은 직경이 3∼8mm이며, 주조 또는 압출하여 제조한다. 전극의 피복제는 오버레이 용접하는 동안 전극과 함께 용해됨에 따라 화학반응에 의하여 용접부를 산화로부터 보호하게 된다.
② 서브머지드 아크용접(SAW) 이 오버레이 용접법은 전극과 소재사이가 플럭스로 덮혀 산화로부터 보호를 받는 소모전극식 용접법으로서 와이어 형태의 전극이 연속적으로 공급된다. 사용하는 플럭스는 광물질로 구성되어 있으며, 별도의 가스공급없이 플럭스 분해 가스를 이용하여 용융금속을 보호하도록 되어 있다. 일반적으로 SAW용 플럭스는 미립으로서 전극의 진행방향으로 오버레이 용접할 표면을 덮고 있다. 플럭스가 용해되면 도전성이 있기 때문에 국부적으로 높은 용착속도를 낼 수 있다.
③ 불활성가스아크용접 ⅰ) 가스메탈 아크용접(GMAW) GMAW는 소모전극식 오버레이 용접법으로 용접봉과 모재의 표면은 불활성가스인 CO2, Ar 또는 He을 단독으로 사용하거나 약간의 O2를 혼합 사용하여 용접부를 산화로부터 보호한다. 이 방법은 반자동으로 복잡한 형상의 표면을 오버레이하는데 적합하며, 용접중 육안으로 오버레이층을 관찰할 수 있으므로 고품질의 용접이 가능하다. 일반적으로 직경이 1.6mm이하인 오버레이 용접 와이어를 사용하며, 스프레이 아크 또는 단락 아크 형태로 용착이 일어난다. 전자는 용접 와이어와 같은 굵기의 용융금속이 용접 와이어 끝에서 전자기력에 의해 지속적으로 분출되는 형태로서 희석정도가 높은 만큼 용착속도도 높다. 반면에 후자는 전류(전압)가 낮은 경우에 나타나는 형태로서 스패터가 발생하기 쉽다.
ⅱ) 가스텅스텐 아크용접(GTAW) 이 방법은 비소모 전극식 오버레이 용접법으로서 모재의 가열된 부분, 오버레이 용접층 및 전극이 토치를 통해 공급되는 Ar 또는 He에 의해 대기로부터 보호를 받는다. 이 오버레이 용접에서는 ThO2를 약간 함유하고 있는 텅스텐 전극을 많이 사용하며, 전극의 오염을 최소화하기 위해서는 직류 정극성(DCEN)을 이용한다.
④ 플라즈마 아크용접(PAW) PAW에 의한 오버레이 용접은 비소모 텅스텐 전극과 모재사이에 발생하는 아크를 열원으로 사용한다는 점이 GTAW와 비슷하지만 PAW에서는 2차 열원으로 플라즈마를 최대한 활용한다. 플라즈마는 전극을 둘러싸고 있는 노즐을 통해 흐르는 가스가 이온화되어 형성된다. PAW에서는 오버레이 용접재료로서 피복이 없는 봉 또는 와이어를 사용할 수 있으나, 분말을 많이 이용하고 있다. 분말을 사용할 경우에는 플라즈마 이행아크(Plasma Transferred Arc : :PTA)를 이용한다. 이 방법에서 사용하는 토치의 일반적인 형태는 아래의 그림에 나타냈으며 분말은 불활성 분위기의 플라즈마 토치로 이송되어 직접 아크로 분출되면서 용해되고 모재에 접합하여 용융결합을 이루게 된다.전극과 모재사이에 연결된 직류전원 공급장치에서 이행아크에 대한 에너지가 공급되며, 전극과 노즐사이에 연결된 2차전류의 공급장치는 비이행아크(non-transferred arc)를 유지시키고, 이행아크의 열을 보충하며, 이행이크가 발생할 때 길잡이 역할을 한다. 한편 보호가스는 공급장치를 통하여 아크 주변에 장막과 같은 보호막을 형성한다.
3) 마찰 오버레이 용접 이 방법은 두재료가 접촉하여 회전할 때 발생하는 마찰열에 의하여 가열된 상태에서 압접하는 용접방식으로 용접과정은 다음과 같다. ·오버레이 용접재료인 환봉을 일정한 회전수로 회전시킨다. 이러한 오버레이 용접법은 다음과 같은 장점이 있다: - 고상접합이기 때문에 희석률이 매우 낮고, 원하는 조성의 금속을 효과적으로 오버레이 할 수 있다.
4) 레이저 표면개질 레이저를 이용한 금속의 내마모성 향상기술은 고출력CO2 레이저의 응용으로 가능하게 되었다. 이 기술에는 레이저 합금화, 레이저 클래딩, 레이저 용해 입자분사, 변태경화, 그리고 레이저 글레이징등이 있다. 이들 중 몇가지는 레이저 대신 다른 열원을 이용하기도 하지만 부분적인 가열이 용이한 고출력 레이저를 이용하는 경향이 높아지고 있다.
3. 오버레이 용접재료 1) 내마모성 오버레이 용접재료 마모는 재료의 표면에서 상대적인 운동으로 발생하는 재료의 손실로 정의할 수 있다. 따라서 기계부품의 수명과 작동상태를 결정하는 중요한 요소가 되며, 전반적인 산업설비에 발생하므로 유지, 보수를 위해 많은 비용이 소요되고 있다. 이러한 마모의 원인은 하중의 형태와 방법, 속도, 온도, 재질, 윤활재의 존재여부 등 그 종류와 양 및 분위기가 매우 다양하므로 단순하게 한가지만 생각할 수는 없다. 따라서 마모의 형태도 다양하여 접촉마모(adhesion), 연삭마모(abrasion), 피로마모(fatigue wear), 침식(erosion) 및 부식마모를 들 수 있다. ① 마모상태의 분류 적절한 내마모재료를 선택하기 위해서는 마모의 종류를 상세히 분류할 필요가 있다. 마모의 분류방법은 다양하며, 마모상태에 따라 30가지 이상의 종류로 분류되기도 한다. 이들 중에서도 접촉마모와 피로마모는 마모를 일으키는 기구에 따른 분류이다. 또 미끄럼 마모(sliding wear)와 충격마모(impacting wear)는 마모가 일어나는 상태에 따른 분류로서 마모기구에 의한 분류보다 다소 부정확한 면은 있지만 일반적으로 마모를 쉽게 이해할 수 있다.
ⅰ) 미끄럼 마모 이 방법은 두 개의 고체표면이 연삭을 일으키는 입자(abrasive particle)없이 서로 접촉하여 문지르는 형태로서, 표면상태에 따라 마모특성이 다르게 나타난다. 두 표면이 접촉할 때 돌출부위가 먼저 접촉됨으로써 모든 힘은 접촉되고 있는 좁은 면적에 집중하게 된다. 실제 이러한 좁은 면적에 작용하는 압력이 매우 높기 때문에 접촉은 거의 완전하게 일어난다.
ⅱ) 프레팅(fretting) 프레팅은 일반적인 마모의 형태이면서도 경우에 따라서는 심각한 상태가 되어 많은 비용의 손실을 초래할 수 있다. 진동이 있는 곳에서는 쉽게 발견할 수 있는 현상이지만 진동이 직접적인 원인이 되지 않는 경우도 있다. 예를들어 기계를 육로 또는 항공편으로 수송할 경우 베어링, 기어 또는 접합부와 같이 두 면이 접촉하고 있는 쪽에서 프레팅이 발생할 수 있다. 이러한 프레팅은 진동이 바닥 또는 받침대를 통하여 전달되어 일어날 수도 있다. 이러한 프레팅은 진동이 바닥 또는 받침대를 통하여 전달되어 일어날 수도 있다. 이 마모는 산화성 마모와 연삭성 마모의 혼합형태로 나타나며, 일반적으로 두 금속사이에 진동이 발생하면 산화물이 형성되어 이 산화물의 연삭작용으로 마모가 발생하게 된다. 프레팅으로 손상된 표면은 부식과 구별하기 어려울 정도로 작은 구멍들이 존재하며, 철강재료의 경우에는 접촉면에 존재하는 갈색의 철산화물 부스러기가 프레팅의 특성이라고 할 수 있다.
ⅲ) 가우징 마모(gougig wear) 가우징 마모는 하중이 높은 상태에서 표면이 연삭되거난 긁히는 형태의 마모로서 굴착장비, 제철소 소결설비의 블레이드 또는 소결광이 낙하하여 부딫히는 표면은 매우 불규칙한 형태로서 거칠고, 입자의 충돌이 많이 일어난 곳에 마모가 집중되며 그 표면에는 긁힌 자국, 홈, 구멍 등이 존재한다. 일반적으로 이러한 마모는 입자가 크거나 무거울 때 또는 그 입자들이 어떤 충격으로 표면에 접촉할 때 나타난다. 입자가 충돌하는 부분의 응력은 국부적으로는 높더라도 표면에 작용하는 전체 하중이 낮으므로 응력이 어느정도 균일하게 분포한다.
ⅳ) 침식 침식은 연삭입자가 그다지 높지 않은 하중으로 임의의 각도에서 재료의 표면에 충돌하여 나타나는 마모형태로서, 슬러리를 이송하는 파이프, 숏 블라스팅 체임버, 원심 집진장치, 수력집진장치, 모래 또는 분진을 취급하는 설비에서 많이 발생한다. 물론 이러한 마모는 기체 속의 액체방울, 빠른 속도로 움직이는 액체 등에 의해서도 발생할 수 있다. 이마모는 표면손상이 불균일하며, 대부분 입자의 흐름 방향을 따라 나타난다. 심한 경우에는 입자의 영향을 받지 않은 부분에 비하여 어느 한 부분이 심하게 손상될 수도 있다. 일반적으로 손상된 표면은 매끈한 상태를 보이지만 입자의 경도가 모재보다 높고 충돌하는 각도가 높으면 구멍들이 형성되고 입자가 표면에 박히는 경우도 있다.
② 내마모성 오버레이 용접재료 모든 형태의 마모에 사용할 수 있는 재료 하나만 있다면 아주 간단할 것이다. 그러나 마모를 발생시키는 환경이 매우 다양하기 때문에 이들 환경에 대응하기 위하여 오버레이 용접재료도 다양화 되고 있다. 또한 마모특성에 따라 오버레이 용접방법과 용접재료의 형태(봉, 피복전극, 분말 및 와이어)도 변화시킬 필요가 있다. |