금속을 접합하는 방법에는 크게 나누어 기계적 접합법과 야금적 접합법의 2가지가 있다. 기계적 접합법에는 리벳이나 볼트 & 너트를 사용해서 접합하는 방법이며 야금적 접합법의 일종으로는 용접이 있다. 용접하고자 하는 부분에 열을 가해 원하는 부분을 하나로 만드는 것을 목적으로 형태를 만드는 접합법이다. 용접의 종류와 그에 관련된 특징 등을 살펴보는 기회를 가져보자
◆용접의 개요
1. 용접의 종류
용접은 아래에 설명하는 것과 같이 압접, 융접, 로우접의 3가지로 크게 구별된다. 이렇게 여러 가지의 용접법이 있다.
1) 압접
금속을 가열해 유연한 상태가 되었을 때 압력을 가해
접합하는 방법으로 압접법의 일종인 전기저항용접은 자동차의 제조, 수리에 활용되는 용접법이다.
2) 융접
접합하고자하는 부분을 가열용시키고 압력을 가하지 않고 붙이는 방법으로 가열방법에 따라 아크용접과 가스용접으로 구분된다.
3) 로우용접
접합할 금속을 녹이지 않고 그 금속보다도 낮은 융점을 가진 금속(로우)을 녹여 붙여 접합하는 방법으로 사용할 로우의 녹는 온도의 차이에 따라 무른 로우와 단단한 로우로 구분된다.
2. 용접에 의한 접합의 특징
용접은 전반적인 산업분야에서 넓게 이용되고 있고 우리들이 하는 보디수리작업에 사용되는 것이기도 하다. 아래에 그 특징에 대해 설명해 보겠다.
① 원하는 형태를 자유롭게 선택 가능하고 더불어 강도가 높고 일체감 있는 제품을 얻을 수 있다.
② 중량이 경감된다.
③ 기밀, 수밀성이 우수해 진다.
④ 작업의 효율성이 좋아진다.
⑤ 작업자의 능력에 따라 접합부의 강도가 좌우된다.
⑥ 용접 시 열을 필요이상 가하면 주변 판넬에 변형이 생긴다.
3. 자동차 보디 용접
자동차의 보디는 그 부위에 다라 요구되는 강도, 내구성이 다르다. 자동차 메이커에서는 보디의 조립에 있어 보디 부품의 사용부위, 사용목적, 형태, 판재의 두께 등에 따라 접합방식을 달리해 최적의 방법에 따라 제작한다. [그림 2]는 자동차 메이커에서 활용되는 접합방식을 설명한 것이다.
보디 수리에 있어서도 보디 본래의 강도, 내구성을 저하시키는 일을 줄일 수 있도록 최적의 용접 방법을 활용해 수리를 하지 않으면 안 된다. 그렇게 하기 위해 아래와 같은 기본적인 사항을 지킬 필요가 있다.
① 용접은 스포트 용접, 산소가스아크용접, 또는 미크용접으로 한다.
② 자동차 메이커에서 지시하는 부분이외는 로우 첨가 방식을 행하지 않는다.
③ 가스용접은 하지 않는다.
◆ 스포트용접
스포트 용접은 압접법에 속하는 전기저항용접의 일종이다. 용접의 원리는 일정두께를 가진 금속판을 전극을 가해 가압하고, 이곳에 대전류를 통하게해 전기저항에 의해 발생하는 열로 접합부를 용접하고 더해진 압력으로 용접하는 용접방법이다. 가압, 통전, 유지의 3가지 공정을 통해 작업이 완료된다. 이에 대해서는 지난 11월호에 기재된 바 있으니 짧게 정리하기로 한다.
◆ 산소 가스 아크 용접
1. 원리와 특징
산소 가스 아크용접은 촉매법에 의해 이루어진 용접의 일종이다.
용접원리는 용접와이어를 전극에 물려 용접 와이어와 모재의 사이에 아크(방전)을 발생시켜 그 아크열에 의해 용접 와이어와 모재를 붙게 하는 접합방법이다. 이때 용접와이어는 일정속도를 갖고 자동적으로 공급되어 반자동 아크용접이라고도 한다. 그리고 용접 중에 봄베에서 공급되는 산소가스(CO2)에 의해 용융부를 대기로부터 단절시켜 산화나 실화를 방지한다.
산소가스 아크용접은 쇼트아크법이라 불리는 독특한 용적이행형태로 용점이 이루어진다. 자동차 판넬 등의 얇은 철판을 용접하는 경우 용접부스러기나 오염물이 문제가 되고 이러한 부분을 방지하기 위해 열량을 제한할 필요가 있다. 쇼트 아크법에는 가는 용접 와이어를 사용하고 저전류, 저전압으로 아크를 단속적으로 발생시킨다. 이렇게 하기 위해 아크에 의해 모재가 받는 열량이 적고 찌꺼기가 적어져 얇은 판재의 용접이 가능하게 된다. 쇼크 아크법에 의한 용적의 이행 상태는 [그림 4]와 같다.
아크열에 의해 와이어 끝이 붙는 현상이 있어 모재와 접촉하는 곳을 단락시킨다. 단락을 시키면 대전류가 흘러 단락부는 피치력에 의해 끌어당기게 되고 재차 아크가 발생하게 된다.
※ 쉴드가스란?
쉴드 가스는 여러 종류가 있고 사용하는 쉴드가스에 따라 가스쉴드아크법은 아래에 표기된 3가지 종류가 있다.시판되는 용접기의 대부분은 가스봄베를 교환하는 것만으로 산소 가스 아크용접기, 마크 용접기, 미그용접기로 사용이 가능하다. 산소 가스 아크 용접은 미그용접으로 불리는 경우도 있다. 그러나 본래의 미그용접은 드 가스라는 아르곤, 헬륨 등의 완전한 불활성 가스를 사용하고 산소가스 (완전한 불활성은 아니다)을 사용하는 용접은 엄밀하게 미그용접이라고는 하지 않는다.
2. 용접기의 구성
용접기는 토치, 와이어 공급장치, 쉴드가스 공급장치, 제어장치, 용접전원으로 구성되어 있다. 이러한 조합을 통해 여러종류의 형태가 있다. 여기서는 아래 그름의 기종을 예를 들어 설명하겠지만 다른 기종도 조작방법이나 기본구성에 있어서는 크게 다르지 않다.
1) 토치
용접부의 쉴드가스를 토출하는 것과 함께 와이어에 용접전원을 흘려 아크를 발생시키는 것이다. 또한 용접의 개시와 종료를 조작하는 토치스위치가 그립부분에 장착되어 있다.
2) 와이어 공급장치
용접와이어를 토치에 보내기 위한 장치다. 와이어는 용접전류, 전압에 의해 정해진 속도대로 공급된다.
3) 쉴드가스 공급장치
가스붐베로부터 토치까지 쉴드가스를 보내는 장치로 가스붐베의 고압가스를 일정압력으로 감압해 흐름을 조절하는 레귤레이터와 가스의 공급, 정지를 행하는 전자석으로 이루어져 있다.
4) 제어장치
제어장치는 반도체를 많이 사용한 회로부품으로 용접전원부에 포함되어 있다.
토치스위치로부터 신호를 받아 와이어의 공급제어, 용접 전원의 개폐, 쉴드가스의 공급, 정지 등을 행한다. 이중에 가장 중요한 역할은 와이어의 공급개시, 정지 더불어 전류, 전압에 대한 공급속도의 제어를 하는 와이어의 공급제어가 있다. 아크의 길이를 가능한 한 일정하게 유지하는 기능도 적잖이 중요하다.
5) 용접 전원
아크를 발생시키기 위한 전력을 공급하는 부분이다. 전원의 200볼트의 교류를 변압기, 정류기에 의해 용접하기 적합한 수십 볼트의 직류로 변환시키는 일을 한다.
3. 용접의 조건
용접결과에 영향을 미치는 요인으로는 용접전원, 아크전압, 쉴드가스의 유량, 치프와 모재간의 거리, 토치의 각도, 용접방향. 용접속도가 있다. 이중에 용접전원, 아크전압, 쉴드가스 유량은 각기종의 취급설명서에 따라 조절하면 된다.
1) 용접 전원
용접 전원은 모재의 녹아 흐른 깊이(모재가 용접에 의해 새롭게 연결된 부분의 깊이) 더불어 와이어의 용매속도에 크게 영향을 끼친다. 또한 아크의 안정성, 용접 중에 날리는 슬럭나 금속가루분자의 발생량에도 영향을 미친다. 전류가 크게 되면 용접의 깊이, 비드 폭은 커지게 된다.
2) 아크 전압
좋은 용접결과를 얻기 위해서는 적정한 아크의 길이가 필요하다. 아크 길이는 아크전압에 의해 결정된다.
① 적정한 아크전압에서는 양호한 용접이 가능하다.
② 아크전압이 높으면 아크길이가 길어진다. 또한 용매지가 넓어져 비드의 찌꺼기가 남는다.
③ 아크전안이 낮으면 아크길이가 짧아지고 와이어가 용매지에 안착되지 못하고 스파크가 커지고 비드는 오버랩되는 현상이 된다.
3) 쉴드가스의 유량
쉴드가스의 유량은 많으면 많을수록 좋은 것이 아니라 과하게 되면 난류가 생겨 쉴드가 효과를 발휘하지 못한다. 노즐과 모재의 거리나 용접전원, 용접속도, 용접환경(풍속)에 의해 조절해 활용하고 10~15리터정도가 적정수준의 유량이다.
4) 치프와 모재간의 거리
치프와 모재간의 거리도 좋은 용접결과를 얻기 위해 중요한 요소다. 표준적인 거리는 8~15mm이다. 이러한 거리가 커지게 되면 와이어의 용매속도가 빨라지게 된다. 이것은 와이어가 뿌려지고 길이 역시 커지는 등 문제들이 발생하게 된다. 이러한 현상과 더불어 전류가 감소하고 용접 깊이가 감소하게 된다. 또한 이러한 거리가 지나치게 넓어지면 쉴드 효과가 나빠지고 지나치게 적어져도 용접범위가 작업성이 나빠지면서 눈으로 보기에도 좋지 않은 모습이 된다.
5) 토치각도와 용재방향
용재방향은 우측의 그림에 표시된 전진법과 후퇴법이 있다. 전진법은 용접에 있어 편평한 비드 형태를 만들고 후퇴법은 골이 깊은 형태의 비드 모양을 한 용접 결과를 갖는다. 전진법과 후퇴법에서 공히 사용할 수 있는 토치의 각도는 10~30°다.
6) 용접 속도
판재의 두께에 따른 적정한 용접 전류와 용접속도로 작업을 했을 때 용접 깊이, 비드의 폭 등이 양호하게 나타난다.
전류를 일정하게 하고 용접속도를 빠르게 하면 용접 깊이, 비드의 폴이 감소하고 요철형의 비드가 될 충분한 용접강도를 얻지 못한다. 용접속도를 느리게 하면 모재가 과열되어 이탈현상이 나타나기 쉬운 상황이 된다. 통상적인 판재의 두께 0.8mm 정도의 얇은 판재를 용접하려면 105~115cm/분의 속도로 용접한다. 일반적으로 판재가 얇으면 용접속도를 느리게 한다.
4. 용접 방법
1) 블록 용접
- 보디수리로 가장 많이 활용되는 방법으로 스포트 용접이 물리적으로 되지 않는 장소나 스포트 용접으로는 충분한 강도를 얻을 수 없을 때 사용된다.
- 합쳐진 2매 이상의 판넬의 산판에 블록(구멍)을 내고 구멍을 매꾼다는 생각으로 하판과 상판을 용접한다.
- 용접 판넬의 두께가 얇은 경우는 블록용접용의 구경을 끼운다.
2) 맞대기 용접
- 판넬을 포개어 용접할 수 없는 상황에 활용되는 용접법이다. 맞댄 2장의 판넬 사이에 용접을 통해 연결하는 작업이다.
- 잘라내고 교환된 판넬의 용접에 활용된다.
- 판이 얇은 것이나 두터운 것이나 두루 활용 가능하나 두툼한 판넬의 경우는 깔끔한 마무리를 위해 [그림 15]와 같이 개선처리가 필요하다.
3) 우육용접
- 합쳐진 2장의 판넬이 끝부분을 용접하고 2장의 판넬을 접합한다.
- 자동차 보디에서는 스포트 용접이나 블록용접이 안 되는 곳에 하는 용접법이다.
- 프레임이 있는 차량의 프레임제조에 자주 활용되는 용접법이다.