기타 특수용접

[하늘]

기타 특수용접

특수용접 중에서 전호(電弧; arc)를 이용한 용접은 3장의 ☞ 특수 arc 용접에서 다루고, arc를 이용하지 않는 특수용접만을 여기에서 취급하기로 한다. 저자에 따라서는 특수용접 전체를 같은 단원에서 취급하고 있으므로 특수용접의 단원으로 공부하려면 3장의 arc 특수용접과 본장을 모아 하나의 단원으로 공부하기 바란다.

[1] electroslag 용접

그림과 같이 arc열이 아닌 wire(solid or flux-cored electrode)와 용제(溶劑; flux) 사이에 전기저항열(Q=0.24·E·I cal/sec)을 이용하여 모재의 접합부와 용가재(熔加材; filler metal)인 전극 wire를 용융시키고, 수냉동판(水冷銅板)을 위쪽으로 이동시키면서 연속주조방식에 의해 단층상진용접(單層上進熔接)하는 것을 electroslag 용접이라 한다.
용제속에서 wire로 된 전극과 모재의 하부 사이에서 arc가 발생하고, 이 열이 용제를 용해한 후 저항이 큰 slag가 형성되면서 arc는 사라지고 전기저항열에 의하여 용접이 진행된다. 모재의 두께에 따라 wire의 수를 정하고, 용제가 내재된 wire 전극(flux-cored electrode)이 사용되는 경우도 있다. 전류는 600A 정도, 전압은 40 ~ 50V, 용접속도는 0.2 ~ 0.6mm/sec 정도이다. 주로 저탄소강의 용접에 사용되나 중탄소강 및 고장력강을 비롯한 stainless 강 등 광범위에 걸쳐 적용되며, 50 ~ 90mm 두께 정도의 용접이 가능하다.
이 용접의 특징을 들면 다음과 같다.

1. 두꺼운 판의 수직용접에 유리하다.
2. 홈가공 등을 할 필요가 없어 submerged arc 용접에 비하여 유리하다.

electroslag 용접장치 ☜

electroslag 용접 장면

[2] 전자(電子) beam 용접

전자 beam 용접(electron beam welding)은 고진공(10^-4 ~ 10^-6mmHg)실 내에서 적열(赤熱)된 filament로부터 방출된 전자가 용접부에 빛의 1/2의 속도로 충돌될 때의 운동 energy에서 발생하는 열을 이용하는 것이다. 이 용접기는 진공실 밖에서 제어할 수 있으며, 창을 통하여 용접진행 상황을 관찰할 수 있다. 10^-3mmHg보다 높은 기압에서는 공간이 전리(電離)되어 방전(放電)현상이 일어난다. 용접속도는 200mm/sec 정도로 크며, 150mm 정도의 두께까지 용접할 수 있다.
이 용접법의 특징은 다음과 같다.

장점

1. 가속된 강력한 energy가 전자 lens에 의해서 극히 좁은 부분에 방출되므로, 순간적으로 좁고 깊은 용입(熔入)을 얻을 수 있으며, 구멍뚫기나 절단에 더욱 유리하다.
2. 얇은 것에서부터 두꺼운 것까지 적용범위가 크다.
3. 대부분의 용접에서 용가재를 사용하지 않는다.
4. 접합강도가 크다.
5. 이종금속도 용이하게 용접한다.
6. 가까이 접근할 수 없어 상용용접이 어려운 곳의 용접이 가능하다.
7. 열영향부가 좁아 변형 및 수축이 적다.
8. 고진공실 내에서 용접이 되기 때문에 외부로부터 용접부가 오염되지 않는다.

단점

1. 진공실에 의하여 용접물의 크기에 제한을 받는다.
2. 전문가적 기술을 요한다.
3. Zn계 합금은 용접이 곤란하다.

전자 beam 용접 원리 ☜

전자 beam 용접 원리의 animation ☜

[3] thermit 용접

   산화철(FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄)과 aluminum 분말의 혼합물을 thermit(thermite)이라 하며, 이것에 점화시키면

와 같은 강력한 화학반응을 일으켜 1분 안에 약 3000℃의 고열을 내며, Al은 산화하여 Al₂O₃가 되어 위에 떠오르고 용금(熔金)은 밑에 잠긴다. 점화제는 BaO₂와 Mg 분말의 혼합물이다. 이와 같이 발생한 열을 사용하는 용접을 thermit 용접이라 하며 큰 단조물, 주물, 관(pipe) 및 rail 등의 용접이나 수리에 이용된다. thermit용접에는 thermit 주조용접과 thermit 가압용접이 있고, thermit 용접의 특징을 열거하면 다음과 같다.

장점 전력이 필요 없다. 설비가 간단하여 설치비가 저렴하다. 작업이 간단하다. 용접변형이 적다. 용접시간이 짧다.

단점 접합강도가 낮다.

thermit 주조용접(鑄造熔接)은 아래 그림(a)와 같이 용접부의 홈에 paraffin이나 wax를 채우고 둘레에 사주형(砂鑄型)을 만든 다음, 열로 paraffin core나 wax core를 제거하고 공동부(空洞部)에 thermit에서 얻은 용금(熔金)을 주입하면 모재와 융합한다. 용접부가 클 때에는 홈을 800~ 900℃로 예열하면 좋다. 이 방법은 축, gear, frame 등을 수리하거나 rail의 접합 및 기계부품의 마멸부(磨滅部)를 보수할 때에 이용되고, 불필요한 부분은 gas 절단, 연삭 또는 기계가공으로 제거한다.
thermit 가압용접(加壓熔接)은 그림(b)와 같이 모재의 단면을 맞대어 접촉시키고, thermit 반응으로 생긴 slag와 용금을 주위에 부어 가열한 후 가압하여 용접을 행하는 방식이다. 이 때 높은 온도의 응고점을 갖는 slag가 먼저 주입(注入)되고 용금이 다음에 주입됨으로써 용금과 피용접물의 직접 접촉을 막고, slag를 통한 열전도에 의하여 피용접재가 가열된다.

thermit 용접

thermit 용접 현장사진
☜

[4] laser beam 용접

laser는 빛의 증폭기(增幅器; light amplifier)를 말하며, 정확한 어원은 유도방사(誘導放射)에 의한 빛의 증폭기(light amplification by stimulated emission of radiation)이다. 그림과 같이 크세논 섬광관(xenon flash tube)에서 발생하는 섬광(flash)이 rubby 결정(結晶, Al₂O₃+15% Cr) 중의 Cr 원자에 의하여 자려발진(自勵發振)이 일어나고, 결정을 지나는 중에 증폭되어져 아주 격렬한 빛으로 된다. 이 빛을 lens를 통하여 집중시킨 열 energy를 이용한 용접을 laser 용접이라 한다. 이 용접의 특징은 다음과 같다.

1. 진공실이 필요없다.
2. 좁고 깊은 접합에 적합하며, 특히 얇은 부품의 용접에 유리하다.
3. 변형과 수축이 적다.
4. 용접속도가 크고, CNC 등에 의한 자동화가 쉽다.
5. 가까이 접근할 수 없는 부재(部材)의 용접을 할 수 있다.
6. 다양한 재료의 용접이 가능하며, 용접재가 부도체인 경우도 용접이 가능하다.
7. 미세정밀(微細精密)용접을 할 수 있다.
8. 대부분 용가재를 사용하지 않고 모재의 합금화에 의한다.
9. 이종재료의 용접도 성공적으로 수행할 수 있다.

laser 용접의 원리 ☜	laser 용접 예

plastic의 laser 용접 모형

[5] 저온용접(共晶低溫熔接)

2개 이상의 금속이 용융상태에서는 균일한 융액(融液)이 되나 냉각시에는 어느 일정온도에서부터 2종 이상의 결정이 생겨 응고점 이하의 고체에서 2개 이상의 결정립(結晶粒)이 혼재된 것을 공정(共晶)이라 한다. 이 때 공정이 생기는 온도를 공정점(共晶點)이라 한다. 이와 같이 공정합금의 용융점이 공정합금이 아닌 금속에 비하여 낮다는 성질을 이용한 용접을 저온용접(低溫熔接; low temperature welding) 또는 공정저온용접(共晶低溫熔接)이라 한다.
이 용접에서는 모재를 예열하고 모재와 같은 계통의 공정합금인 용접봉을 사용하여 직류 또는 교류의 arc 용접 또는 gas 용접을 하며, 용제를 사용하여 산화를 방지한다. 이 용접은 용가재인 용접봉의 용융온도가 모재의 용융온도보다 낮으므로 일종의 납접이라고도 할 수 있다.
저온용접의 특징은 다음과 같다.

1. 전력 및 gas의 소비량이 적다.
2. 모재의 변형과 변질이 적다.
3. 공정합금은 유동성이 좋고, 결정이 치밀하여 용접강도가 크다.

[6] 고상용접(壓接; pressure welding)

고상용접(固相熔接)은 접합면을 청정(淸靜)하고 기계적인 힘에 의하여 밀착시켜 원자와 원자의 인력(引力)이 작용할 수 있는 거리에 접근시켜서 접합하는 것을 고상용접이라 하며, 일명 압접(壓接; pressure welding) 이라고도 한다. 엄밀한 의미에서는 용접에 속할 수 없으나 접합한다는 공통적 의미에서 특수용접에 소속 시켰다.
고상용접에는 가열을 하지 않는 냉간압접과 가열하는 열간압접이 있으며, 열간압접에는 가열열원에 따라 전기저항용접, gas 압접, 단접, 마찰용접, 초음파용접 및 폭발압접 등이 있다. ☞ 맞대기저항용접과 ☞ gas 압접은 앞에서 취급하였으므로 여기에서는 나머지의 압접에 관해서만 공부하기로 한다.

(1) 냉간압접(冷間壓接; cold pressure welding):

가열하지 않고 상온에서 150 ~ 300kg/mm² 정도의 압력을 가하여 2개 면간의 거리를 Å(1Å=10^-8cm) 단위의 거리로 가까이 할 때 자유전자(自由電子)가 공통화 되고 공정격자점(共晶格子點)의 양 ion과의 인력으로 2개의 금속면이 결합한다는 것이다. 이 용접법에서는 접합면의 청정이 중요하며, 청정 후 1시간 이내에 접합 함으로써 산화막의 생성을 피한다. 이 용접법은 Al, Cu, Ag, Pb 및 각종 철강 등에 이용된다.

냉간압접

(2) 열간압접(熱間壓接; hot pressure welding):

금속을 소성상태로 될 때까지 화덕에서 또는 gas torch 등으로 가열한 상태에서의 타격이나 압력을 가하여 접합하는 것으로서, 일명 ☞ 단접(鍛接; forge welding)이라고도 한다. 주로 철강에 이용되나, 접합강도가 낮고 과열 또는 온도가 낮으면 접합상태가 불량하게 되는 등의 기술상의 문제 때문에 이용도가 낮다.

(3) 마찰용접(摩擦熔接; friction welding):

그림과 같이 접합면을 맞대고 압력을 가한 상태에서 회전을 시켜 접합부가 적당한 온도에 달했을 때 회전을 멈추고 가압력을 증가시켜 압접하며, 일명 마찰압접(摩擦壓接)이라고도 한다.
마찰용접의 특징은 용접부에 있는 산화물 등의 불순물이 마찰 중 밀려 나가기 때문에 접합강도가 크며 강과 동, 강과 aluminum, 강과 plastics, 동과 aluminum 등 이종금속(異種金屬)의 용접도 가능하다. 이 용접법은 자동차 valve, drill 등과 같이 고급 소재를 절약하거나 별도로 제작하여 용접하는 것이 편리할 때 이용한다.

마찰용접 장면 ☜

frictionweld.ram 마찰용접을 보여준다

(4) 초음파용접(超音波熔接; ultrasonic welding):

그림과 같이 tip과 anvil 사이의 접합하고자 하는 소재면에 정하중을 가하면서10~75 kHz 이상의 초음파진동을 1~7sec 동안 주어 진동마찰열을 발생시켜 압접하는 방법이다.
발생열의 온도는 보통 융점의 1/3~1/2 정도로 용접부의 열영향이 적고, 필요 energy는 접합재의 두께와 경도에 따라 증가한다. 초음파용접은 금속 및 비금속을 비롯한 이종재료에까지 그 적용범위가 넓다. 진동과 열에 의하여 용접재의 계면에 있는 산화막 및 오염막이 파괴되어 금속간의 접촉상태에서 강력한 결합이 이루어진다. tip과 cone(transducer)간의 coupling의 선택이 능률적인 작업에 중요하다. Al, Al-Cu 등의 금속에는 0.01mm~2mm, plastics 에는 1~5mm의 얇은 제품의 용접에 이용된다.

초음파용접의 원리(I)

초음파용접의 원리(II) ☜

용접 전

용접 후

(5) 고주파용접(高周波熔接; high frequency welding):

고주파용접은 450kHz 정도까지의 높은 주파수를 이용한다는 것 외에는 전기저항용접의 seam 용접과 같다. 관의 맞대기 용접을 위하여 개발된 것으로 그림(a)에서와 같이 2개의 접촉자(contacts)를 통하여 성형된 관의 가장자리에 전류를 보내어 저항열로 가열시키고 roller로 압착함으로써 용접을 완료하는 고주파저항용접법과 그림(b)와 같이 성형된 관의 가장자리를 고주파유도열로 가열한 후 roller로 가압하여 용접을 완료하는 고주파유도용접법이 있다.

고주파용접

(6) 폭발용접(爆發熔接; explosive welding):

그림과 같이 화약의 폭발압력에 의하여 2개의 금속판을 접합하는 방법이며, 다른 고상용접에서와 같이 이종재(異種材)도 용접이 된다. 일반적으로 부식저항이 큰 판을 base metal에 접합하거나, 큰 면적의 접합을 요할 때 적용되며, 접합부에 있던 표면막은 액체가 되어 밀려 나온다. 이 용접법에는 경사법(傾斜法)과 평행법(平行法)이 있으며, 경사법에서는 상판(上板)을 3~30°로 경사시키고 그 위에 있는 폭약을 뇌관을 통해 점화시키면 폭발압력에 의한 충격에 의하여 소성변형을 하면서 압접된다. 평행법에서는 2판의 적당한 간격에서 경사법과 같은 방법으로 폭발시키면 된다.
폭발용접의 특징은 다음과 같다.

장점

1. 이종금속을 포함한 다른 방법으로 용접이 어려운 재료의 용접을 할 수 있다.
2. 접합강도가 크다.
3. 6m ×2m 정도의 큰 면적의 용접도 할 수 있다.

단점

1. 취급에 위험이 따르므로 훈련된 기술자가 필요하다.

포발용접

폭발용접 ☜

[7] 용사(熔射; metallizing, metal spraying)

gas 화염 및 전기 arc 및 plasma arc를 열원으로 하는 용사 gun을 사용하여 Zn 및 Al과 같은 금속의 용액(熔液)을 금속 및 비금속의 표면에 100m/sec 정도의 압축공기로 분사시켜 0.25mm 정도의 층을 기계적으로 결합시키는 것이다. 용사는 내식성, 내마모성, 열전도도, 전기전도도, 단열, 절연 및 표면의 미려 등을 향상시키기 위한 목적에 이용된다. 용사장치에는 용선식(熔線式), 용봉식(熔棒式), 분말식(粉末式) 등이 있다. 용사전에 모재를 ☞ shot peening 및 grit blasting 등에 의하여 표면을 청정하고 거칠게 하거나 기계가공으로 홈을 냄으로써 밀착도(密着度)를 높이고 피막의 두께를 크게 할 수 있다. 다음 표는 모재와 용사재료의 관계를 나타낸다.

분말식 gas 용사장치

용사 animation ☜

 

[8] plastic 용접

plastic에는 열가소성수지(熱可塑性樹脂; thermo-plastic)와 열경화성수지(熱硬性樹脂; thermosetting plastic)가 있으며, 열가소성수지는 열을 가하면 연화(軟化) 단계를 거쳐 유동하고 냉각시키면 초기의 상태가 된다. 전자가 plastic 용접에 사용되며, 후자는 용접이 불가능하여 접합제에 의한 접합, rivet 및 나사와 같은 기계적 접합법을 이용하여 체결한다. 여기에서는 열가소성 plastic의 용접에 대해서만 기술하기로 하며, 열풍용접(熱風熔接)， 열기구용접(熱器具熔接), 마찰용접(摩擦熔接), 고주파용접(高周波熔接) 및 초음파용접(超音波熔接) 등이 있다.

(1) 열풍용접(hot gas welding):

그림과 같이 gas 가열식 hot gun 또는 전기 가열식 hot gun을 사용하여 모재와 용가재(용접봉)를 가열하여 용융하고 용접봉을 눌러 붙인다. 근래에 gas 가열식 hot gun은 사용하기에 불편하기 때문에 거의 사용되지 않고, 주로 전기 가열식 hot gun을 사용하고 있다. 모재가 두꺼울 때는 홈을 파고 다층용접을 한다. 아래 그림과 표는 hot gun의 구조, 용접법 및 피용접재에 대한 열풍온도(熱風溫度)를 보인다.

plastic 용접 장면 ☜

(2) 열기구 용접(heated tool welding):

그림과 같이 가열된 인두로 용접부를 가열하여 용접온도에서 압력을 가해서 용접을 행한다.

열기구 seam 용접

(3) 마찰용접(friction welding):

2개의 plastics 재를 맞대어 회전시킬 때 접합부가 용융점에 달하면 회전을 멈추고 가압하여 용접을 완료한다. 이때 용접부의 강도는 모재의 것의 50 ~ 95%에 달하며, 이종(異種) plastic은 더욱 낮은 용접강도를 갖는다.

(4) 고주파용접(high frequency welding):

그림과 같이 2전극 사이에 절연체인 plastics 재를 넣고 통전하면 plastics의 분자가 격열하게 진동하여 발열한다. 이 열을 이용한 용접을 고주파용접이라 한다.

고주파 (점)용접기의 원리

고주파 용접기로서 공압(空壓)을 이용 ☜

(5) 초음파용접(ultrasonic welding):

열가소성수지(熱可塑性樹脂; thermoplastic)의 2개의 부품중 1개는 고정구에 고정하고 다른 1개를 그 위에 올려 놓은 후 위에 있는 부품에 horn을 통하여 20 KHZ 정도의 진동을 주므로써 마찰열을 발생 시켜 계면을 용융하고 응고시켜 체결한다.
초음파용접의 특징은 다음과 같다.

1. 용융시간이 1초 이내이고 응고시간이 1 ~ 2초 정도로서 용접시간이 짧다.
2. 소비 energy가 적다.
3. 용접부가 청결하다.
4. 용가제가 필요 없다.
5. 용접신뢰도가 크다.

☞ 특수 arc 용접

특수 arc 용접

arc 용접이라 하면 일반적으로 손으로 용접봉을 이동하면서 하는 용접을 말하며, 용접물의 형상 및 크기에 따라 작업 조건이 다를 때에도 적응할 수 있어 편리하나, 선박과 같이 작업조건이 일정하고 연속적인 용접을 할 때에는 용가재(熔加材)의 공급과 용접방향의 이동을 기계화 또는 자동화하는 것이 능률적이고, 균일한 용접을 할 수 있다는 면에서 유리하다. 특수 arc 용접이라 하여 여기에 소개하는 용접법은 wire 형태로 된 용가재를 계속 공급하는 것이 가능하기 때문에 용가재의 공급과 용접 방향으로의 이동에 기계화 및 자동화가 가능하고, 자동 arc 용접기를 사용하면 다음과 같은 이점이 있다.

1. 용접속도가 수동 용접의 3 ~ 6배 정도로 크다.
2. arc가 안정되어 양호한 용접이 된다.
3. 작업자의 기능과 관계없이 일정하고 능률적인 용접을 할 수 있다.
4. 다량 생산에서 생산비를 줄일 수 있다.

특수용접 중에서 arc 용접에 속하지 않는 것은 8장에서 ☞ 기타 특수용접 이란 장을 두어 별도로 취급했으므로 특수용접을 정리해서 공부하기 위해서는 특수 arc 용접과 기타 특수용접을 모아 하나의 단원으로 공부하기 바란다.
특수 arc 용접에 속하는 것을 열거하면 다음과 같다.

1. 잠호용접(潛弧熔接; submerged arc welding)
2. 불활성 gas arc 용접(不活性 gas arc 熔接; shield inert gas arc welding)
3. 탄산 gas arc 용접(炭酸 gas arc 熔接; CO₂arc welding)
4. 원자수소 arc 용접(原子水素 arc 熔接; atomic hydrogen arc welding)
5. arc spot 용접(arc spot welding)
6. stud arc 용접(stud arc welding)

(1) 잠호용접(潛弧熔接; submerged arc welding):

그림에서와 같이 용가재로서 계속해서 공급되는 나선(裸線) 또는 동피복선(銅被覆線)이 입상(粒狀)의 용제(溶劑; flux) 속에서 모재와의 사이에 arc를 발생하여 arc가 보이지 않은 상태에서 진행하는 용접을 submerged arc 용접이라 한다. arc 경로 전방에 공급되는 용제가 arc 열에 의하여 용융되어 소결된 slag는 용접부를 공기의 접촉으로부터 차단하고 bead를 덮어 보온한다. 전류로는 직류 및 교류가 모두 채용되며, 비교적 두꺼운 판도 I형 용접을 할 수 있고, 수동에 의한 피복 arc 용접에 비하여 수 배의 전류를 사용하므로 용가제인 wire의 용융속도가 매우 크다.
Union melt 용접과 Lincoln 용접 등은 submerged arc 용접의 상품명이다. submerged arc 용접에서 용가재인 wire가 동시에 수 개 사용될 수 있다.
이 용접법은 탄소강, 합금강 및 stainless 강 등의 두꺼운 판의 용접에 주로 이용하며, 비철금속의 용접에는 많이 사용되지 않는다.

submerged arc 용접
☜

wire 2개를 20mm 간격에서 직열식으로 배치하여 DC로 홈 가공을 하고 AC로 홈을 메워 나가는 예 ☜

submerged.ram pipe의 submerged arc welding

arc 전압의 변동에 따라 용가재인 wire의 공급속도가 조절되며, 모재가 연강(軟鋼)일 경우에는 저탄소, 저 Mn 합금 wire가 사용된다. wire의 지름과 사용 전류의 관계는 아래 표와 같고, 수동 arc 용접에서 피복제와 같은 역할을 하는 submerged arc 용접의 용제(flux)에는 용융형(熔融形; SiO₂, MnO, FeO, CaO, MgO, Al₂O₃, BaO, TiO₂, Fe, P, S), 소결형(燒結形; Fe-Si, Fe-Mn), 혼성형(混性形)이 있다.

submerged arc 용접의 장단점을 정리하면 다음과 같다.

장점

1. 일정 조건에서 용접이 시행되므로 강도가 크고, 신뢰도가 높다.
2. 용가재가 중단 없이 공급되고, arc가 용제 속에 있으므로 열 energy의 손실이 적어 용접속도가 수동용접의 10 ~ 20배 정도로 크다.
3. 운봉(weaving)할 필요가 없어 용접부 홈을 작게 할 수 있으므로 용접재료의 소비가 적고 용접부의 변형이 적으며, 용접속도가 크게 된다.

단점

1. bead가 불규칙할 경우와 용제의 공급 때문에 하향용접 외의 용접은 곤란하다.
2. 용접 홈의 정밀도가 높아야 한다.
3. 장비가 고가이다.

(2) 불활성 gas arc 용접(不活性 gas arc 熔接; shield inert gas arc welding):

대기 중의 산소와 질소의 영향을 받지 않도록 argon(Ar)이나 helium(He)과 같이 고온에서도 금속과 반응을 하지 않는 불활성 gas 중에서 시행하는 용접을 불활성 gas arc 용접이라 한다. 이 용접법의 개발로 인하여 종래에 용접이 곤란하거나 불가능했던 금속의 용접이 용이해지거나 가능해졌다. 이 용접법은 Al 합금, Mg 합금, Cu 합금, Ni 합금, Ti 합금 등의 용접에 많이 이용된다.

불활성 gas arc 용접법의 장단점은 다음과 같다.

장점

1. 대체로 모든 금속의 용접이 가능하다.
2. 용제를 사용하지 않으므로 slag가 없어 용접 후 청소가 필요 없다.
3. spatter의 발생이 적고, 합금원소의 손실이 적다.
4. 전자세(全姿勢)의 용접이 가능하다.
5. 용접 가능한 판의 두께 범위가 크다.
6. 용접 능률이 높다.

단점

1. 용접 비용이 크다.

불활성 gas arc 용접은 불활성 gas 분위기에서 모재와 용가재 사이에 arc를 발생시키는 불활성 gas 금속 arc 용접(metal inert gas arc welding, MIG 용접)과 tungsten 전극과 모재 사이에 arc를 발생시키고 용가재를 별도로 공급하는 불활성 gas tungsten arc 용접(tungsten inert gas arc welding, TIG 용접)이 있다.

(2-1) MIG 용접:

MIG 용접을 용극식(熔極式) 불활성 gas arc 용접 또는 소모식(消耗式) 불활성 gas arc 용접이라고도 하며, 상품명으로 aircomatic 용접 및 sigma 용접 등이 있다. 용접기는 전동발전기식과 정류기식의 직류용접기이고, 모재를 음극으로 하는 역극성(逆極性)을 많이 채용한다. 동일 전류에서 arc 전압이 크게 되면 용융 속도가 저하한다. arc가 길어지면 전압이 증가하여 용융속도가 감소하므로 wire가 일정 속도로 공급될 때 arc 길이가 짧아져 원래의 길이로 되돌아간다. 이와 반대의 경우에도 원래의 길이로 돌아가며, 이를 MIG 용접 arc의 자기제어(自己制御)라 한다.
MIG 용접은 TIG 용접에 비하여 arc가 집중적이며, 용융속도가 크고, 응고속도가 커서 gas와 불순물이 부유할 시간적 여유가 없기 때문에 기공과 편석이 생길 염려가 있다. 따라서 용접하기 전에 모재를 깨끗이 청소하고, wire는 기공의 원인이 되는 수분이 없도록 충분히 건조시켜 사용하는 것이 중요하다.

MIG 용접기

MIG 용접

(2-2) TIG 용접:

TIG 용접을 비용극식(非熔極式) 불활성 gas arc 용접 또는 비소모식(非消耗式) 불활성 gas arc 용접이라고도 하며, 전원으로는 교류 및 직류를 사용할 수 있으나, 직류를 사용할 때에는 극성의 선택에 유의하여야 한다. tungsten 전극은 극성과 gas의 종류에 의하여 재질 및 크기가 정해져 있다.
정극성을 택하면 모재의 용입이 깊고 bead 폭이 넓게 되며, 역극성으로 하면 가속된 gas ion이 모재에 충돌하여 청정작용을 한다. He은 Ar에 비해 가볍기 때문에 청정효과가 적다. 따라서 aluminum은 표면에 2050℃에서나 녹는 내화성(耐火性) 산화물인 Al₂O₃가 있기 때문에 일반용접에서는 곤란하나, 불활성 gas arc 용접에서는 역극성으로 용제 없이도 쉽게 용접할 수 있다. 교류용접은 직류의 정극성과 역극을 혼합한 것이라 볼 수 있으며, wire 지름은 비교적 작은 편이고, 경합금(輕合金) 등의 표면에 있는 산화물을 청정하여 용입이 얕은 용접을 하기에 알맞다.

TIG 용접기

TIG 용접

(3) CO₂gas arc 용접(CO₂gas arc welding):

Ar, He과 같은 불활성 gas 대신에 값이 저렴한 CO₂gas를 사용하는 용접으로서, shield gas로 순수 CO₂외에 CO₂- O₂, CO₂- CO , CO₂- Ar , CO₂- Ar - O₂와 같은 혼합 gas가 사용된다. CO₂gas가 arc 열에 의하여 CO gas와 O₂로 분해되어 산화성으로 되기 쉬우나, 탈산제인 Mn과 Si를 적당히 함유한 wire를 Ar이 혼합된 shield gas와 함께 사용하면 기공이 없는 양호한 용접이 된다. 연강을 용접할 때 MIG 용접을 하면 비경제적일 뿐만 아니라 용착금속에 기공이 생기기 쉬우나, CO₂gas arc 용접을 하면 경제적이고 기공이 생길 염려가 적다.
그림(A)에서와 같이 wire와 모재 사이에 arc를 발생시키고, torch 선단 nozzle에 CO₂와 용제(溶劑; flux)를 보내어 대기로부터 arc와 용융금속을 보호한다. 이 용접법에도 불활성 gas arc 용접에서와 같이 금속 wire가 전극이 되는 용극식과 전극은 tungsten이고 별도의 용가재를 공급하는 비용극식이 있으나 용극식이 주로 채용된다.
그림(B)는 Union arc 용접으로서 심선(心線; wire)에 흐르는 직류전기에 의하여 생긴 자장(磁場)에 CO₂와 자성(磁性)을 가진 용제가 공급되면서 금속전극에 부착하여 마치 피복용접봉 처럼 된다.
CO₂gas arc 용접에서는 심선의 지름에 비하여 대전류(125 ~ 250A)를 사용하므로 용접속도가 크고 비용도 적게 들며, 전자세(全姿勢) 용접을 할 수 있고, bead도 곱고, 강도가 큰 장점이 있으나, 불활성 gas arc 용접에 비하여 spatter가 다소 많이 발생하여 이를 최소화시키기 위하여 용접조건의 선정에 세심한 주의를 요한다.
그림(C)에서와 같이 wire 속에 Mn, Si, Ti, 및 Al 등의 탈산제와 arc 안정제를 넣어 직류와 더불어 저렴한 교류를 사용하여 용접할 수도 있다.

(C) flux-cored wire

다음은 탈산제의 화학적 작용을 나타낸다.

1. CO₂gas가 arc 열에 의하여:    CO₂→ CO + O
2. O는 용강에 흡수되고 C와 작용하여:    O + Fe → FeO ,       FeO + C → Fe + CO↑
   CO의 기포가 생성되어 기공의 원인이 된다. 그러나 탈산제가 있으면 아래와 같이 산화철의 발생을 감소시켜 기포의 발생을 억제한다.
3. FeO는 탈산제 Si, Mn 등과 작용하여:    2FeO + Si → 2Fe + SiO₂ ,      FeO + Mn → Fe + MnO
   SiO₂와 MnO는 비중차에 의하여 bead 위에 slag로서 부유한다.

CO₂.ram
CO₂gas arc 용접을 한다.

(4) plasma arc 용접(plasma arc welding):

기체를 고온으로 가열하면 기체원자는 격심한 운동을 하며, 마침내는 전자와 ion으로 분리된다. 이 때 기체는 도전성(導電性)을 띠며, 이와 같이 전자와 ion이 혼합되어 도전성을 띤 gas체를 plasma라 한다. plasma 용접에는그림(a)와 같이 tungsten 전극과 모재 사이에 arc를 발생시키면서 plasma용 gas를 공급하는 plasma arc 용접(移行形 arc 용접), 그림(b)와 같이 tungsten 전극과 nozzle 사이에 arc를 발생시키고 plasma용 gas를 공급하는 plasma jet 용접(非移行形 arc 용접)이 있는데, 전자에서는 모재가 도전성 재료이어야 하고, 후자에서는 비도전성 용접재도 용접이 가능하다.
이용접법의 특징을 열거하면 다음과 같다.

1. 열 energy의 집중도가 좋아 고온(10000~30000℃)을 얻을 수 있고, 용입이 깊고, 용접속도가 크다.
2. 용접홈은 I 형이면 되므로 용접봉의 소모가 적고, 용접속도를 크게 하는 또 다른 원인이 된다.
3. 1층 용접으로 완료되므로 능률적이다.
4. 용접부가 대기로부터 보호되어 기계적 성질이 좋다.
5. 도전성 및 비도전성 재료의 용접이 가능하다(plasma jet 용접).

plasma 용접

plasma 용접의 보충설명 ☜

plasma 용접의 animation ☜

(5) 원자수소 arc 용접(原子水素 arc 熔接; atomic hydrogen arc welding):

그림과 같이 2개의 tungsten 전극 사이에서 arc를 발생시키고 이 arc에 H₂를 분사할 때 H₂가 H로 분해된 후 용접부에서 H₂로 환원될 때 발산하는 열(최고 4000℃)에 의하여 용접하는 것이다. 환원성 수소 중에서 행해지므로 산화와 질화를 방지할 수 있어 양호한 용접결과를 얻을 수 있다. arc의 전원으로는 직류 및 교류가 채용되나 일반적으로 교류전원을 사용하며, 전압은 300~400V, 전류 15 ~ 70A 정도 이고, 수소의 압력은 0.7kg/cm² 이하이다. 최근에는 불활성 gas arc 용접의 발달로 복잡한 구조를 가진 torch와 기술적으로 어려운 점이 많은 원자수소 arc 용접의 이용이 줄어들고 있다.

원자수소 arc 용접의 원리

(6) arc spot 용접(arc spot welding):

그림과 같이 arc를 0.5 ~ 5sec 동안 발생시켜 모재를 국부적으로 용해하고 응고시키면 상판(上板)과 하판(下板)이 접합된다. 일명 plug 용접이라고도 하며, 용극식과 비용극식이 있다. arc spot 용접을 할 때 1.0~3.2mm 두께의 상판과 3.2 ~ 6.0mm 두께의 하판을 맞추어 행하는 경우가 많고, 이보다 두꺼울 때에는 미리 구멍을 뚫고 spot 용접을 한다. arc spot 용접은 다음 장에서 취급할 ☞ 전기저항열에 의한 점용접에 비하여 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

1. 전기저항 spot 용접에서는 300 ~ 1000kg의 가압력이 필요하나, arc spot 용접에서는 손으로 누르는 정도로 충분하다.
2. 전기저항 spot 용접은 양면에서 전극으로 가압하나, arc spot 용접에서는 한쪽 면에서 가압한다.
3. arc spot 용접에서는 상·하판의 두께의 차가 커도 지장이 없다.
4. 전기저항 spot 용접에서는 전류가 널리 퍼지기 때문에 spot간의 거리인 pitch의 제한이 있으나, arc spot 용접에서는 제한이 없다.

arc spot 용접

(7) arc stud 용접:

그림과 같이 지름 10mm 이하의 강, 황동제의 짧은 ☞ stud bolt 등을 평판(平板)에서 약간 거리를 두어 0.1 ~ 2sec 동안 arc를 발생시켜 용융상태에서 압입하여 접합하는 것을 stud 용접이라 한다. 전원은 교류 및 직류이다. base metal의 두께가 충분하며, 용접시에 타지 않고 용접압력에 대한 저항이 커야 한다. stud 용접은 stud welding gun으로 stud를 물고 전기적으로 자동화되어 있으며, 가열시간이 짧기 때문에 열응력은 비교적 작으나 냉각속도가 커서 경화성이 큰 모재에서는 모재를 예열할 필요가 있다. 용접부에 있는 녹, paint 등은 wire brush로 제거한 후 용접을 시행해야 건전한 용접결과를 얻을 수 있다. ring 형태의 ceramic ferrule을 stud 선단에 끼워 용금의 유동범위를 제한하기도 하며, 또한 ferrule은 반도체로서 용제의 역할도 겸하거나, ferrule 내에 용제를 장입한다. 용접 후 ferrule은 제거한다. stud 끝에 용제를 충전하는 경우도 있다.

arc stud 용접의 animation ☜

princ.ram pinbrazing

stud 용접 및 stud gun

stud 용접의 animation

☞ 맞대기저항용접과 ☞ gas 압접

맞대기 저항용접

맞대기 저항용접은 금속봉, 선, 판 등의 단면(端面)을 맞대고 접합하는 방법이다. 맞대기 저항용접에는 모재를 압력으로 접촉시키고 대전류를 주어 저항열로 가열되었을 때 다시 가압하여 접합하는 upset 맞대기 용접과 적당한 거리로 벌려 놓은 상태에서 대전류를 주어 flash를 발생시키고 접근시켜 접촉 압력을 점차로 증가시키면 저항열에 의하여 가열되고 용접이 완료되는 flash 맞대기 용접이 있다.

upset 용접상태

(1) upset 맞대기 용접(upset butt welding):

upset 맞대기 저항용접은 그림과 같이 모재의 단면을 접촉시켜 가압하고 통전(通電)하면 접촉저항과 고유저항열에 의하여 압접온도에 달할 때 추가 압력을 가하여 접합하고 전류를 차단하여 용접을 완료하는 용접으로서, 고상압접(固相壓接)에 속하며, 접합온도는 융점 이하이고 가압력을 크게 하면 적용온도를 낮게할 수 있다. 그러나 가압력에도 한계가 있기 때문에 단면이 너무 큰 것의 용접은 곤란하다. 가압력으로는 수압, 유압, 공기압 등을 이용하고, 변압기는 보통 1차권선수(1次捲線數)를 변화시켜 2차전류를 조정한다.
upset 맞대기 용접의 특징은

1. 접합면 사이에 산화물 등의 불순물이 잔류하기 쉽다.
2. 다음에 취급하는 flash 맞대기 용접에 비하여 용접 속도가 늦다.

upset 맞대기 용접기의 원리

(2) flash 맞대기 용접(flash butt welding):

그림과 같이 모재를 서서히 접근시켜 통전하여 단면의 국부적 돌기에 전류가 집중되어 flash(불꽃)가 발생하고 비산한다. 더욱 접근하여 접촉시키면 나머지 부분에서도 flash가 계속 발생되면서 접합된 용융금속이 밖으로 밀려 나오며 미용융부(未熔融部)가 upset 맞대기 용접에서와 같은 방식으로 접합된다.
upset 맞대기 용접에 비교한 이 용접법의 특징은 다음과 같다.

1. 가열 범위가 좁아 열영향부가 적다.
2. 접합면에 산화물이 잔류하지 않는다.
3. 열이 능률적으로 집중 발생하므로 용접 속도가 크고, 소비 전력이 적다.
4. 이질재료(異質材料)의 용접이 가능하다.

flash 맞대기 용접기의 원리

gas 압접(壓接)

열원을 gas 화염에서 얻는 맞대기 용접으로서 가열 및 가압방식에 따라 밀착식 압접과 개방식 압접이 있다.
밀착식 압접(closed butt welding)은 그림(a)와 같이 접합면을 접촉시켜 적당한 압력으로 밀착시킨 상태에서 torch로 외부로부터 가열하여 접합면이 용융상태에 접근할 때 압력을 가하여 용접을 완료한다. 용접물이 두껍거나 지름이 크면 내부까지 균일하게 가열하는 것이 어렵고, 접합면에 불순물이 개재될 가능성이 있다.
개방식 압접(open butt welding)은 용접면을 벌려 놓고 단면을 torch로 직접 가열하는 방법에 의한 압접으로서, 용융되기 시작할 때 torch를 빼내고 가압하면 용융금속은 밀려 나오고 고상압접이 되며, 균일한 가열이 용이하고 불순물이 용해되어 탈락하므로 미리 청소할 필요가 없고, 큰 단면재의 압접이 가능하다.
이들 gas 압접법은 맞대기 저항용접에 비하여 장치가 간단하며, 전력이 없는 곳에서도 압접이 가능하는 등 저항용접이 곤란한 큰 단면재에 적용할 수 있다.

gas 압접

 

☞ 단접(鍛接; forge welding)☞ shot peening 및 grit blasting

[1] shot peening

☞ shot peening은 경화된 소강구(小鋼球)인 shot을 공작물 표면에 분사하여 공작물을 다듬질하고, 피로강도(疲勞鋼度), 인장강도 및 기타 기계적 성질을 향상시키며, micro crack을 없애주는 방법이다.

(1) shot peening 방법:

shot peening machine의 주요부는 shot 분사기와 공작물의 고정장치이다. shot 분사기는 압축공기를 이용하는 분사방식과 원심력에 의한 원심식이 있다. 분사방식은 sand blasting machine을 그대로 사용할 수 있으며, 다음 그림은 원심식 shot peening machine에서 shot을 고속으로 분출하고 공작물을 자동이송시키는 예이다.

shot peening에서 공작물의 자동이송장치

(2) shot:

shot에는 chilled 주철 shot, 가단주철 shot, 주강 shot, cut wire shot와 드물게 사용되는 구리 또는 유리 shot가 있다.

(2-1) chilled 주철 shot:

용탕(熔湯)을 수중(水中)에 산포하여 급랭경화(急冷硬化)한 것으로서, 그 성분은 3% C, 1.4% Si, 0.3% Mn인 것이 보통이다. 경도는 800 ~ 900 H_V로서 작업능률은 높지만 쉽게 파괴되기 때문에 열처리해서 경도를 낮추는 경우도 있다.

(2-2) cut wire shot:

강선(鋼線)을 절단하여 만들며, 인성이 크기 때문에 수명이 chilled 주철 shot의 수10배 이다.

(3) 가공조건:

shot peening에서 중요한 것은 분사속도, 분사각도 및 분사면적이다. 분사속도가 크면 peening 효과도 크게 되지만 속도에도 한계가 있어 공기분사식에서 압력을 4kg/cm² 이내로 한다. 압력이나 속도가 너무 크게 되면 가공물 표면의 조직이 파괴된다. 분사각도가 90^o일 때 가공층의 두께가 크고, 분사각이 더 커지면 단위면적의 peening 효과가 떨어지며, 분사면의 각 위치에서 분사각이 서로 다르기 때문에 peening 효과가 위치에 따라 다르다. shot peening은 최초에는 판(板) spring에 주로 이용되었으나 현재에는 자동차 및 항공기에 사용되는 coil spring, 연결봉, washer, pin 류, 차축, gear 등에 사용된다.

[2] grit blasting

shot을 분쇄하여 만든 grit을 가공면에 고속으로 분사하여 주물 표면 등의 청정에 사용되며 녹 제거, 기타 paint 전처리 등에 사용되는 sand blasting에 비하여 분진이 없어 위생적이고, 보다 능률적인 작업이다. sand blasting machine을 그대로 사용할 수 있으며, 공기분사식과 원심력을 이용하는 원심식이 있다.

(1) 가공조건:

(1-1) grit의 크기 :

grit 입자가 크면 다듬질량은 많으나 가공면이 거칠고, 입자가 작으면 다듬질량이 적고 가공면은 매끄럽게 되므로 공작물의 재질과 요구되는 가공면의 정도에 따라 grit을 선정한다. 일반적으로 경도가 큰 공작물에는 큰 grit을, 연한 공작물에는 작은 grit을 사용한다. cylinder liner, crank shaft, 선반 bed와 같은 것에는 #15 ~ 20 정도가 적당하며, 두께가 아주 얇고 작은 공작물에는 #60 정도의 grit을 사용한다.

(1-2) 공기의 압력과 공기량:

공작물의 경도가 작을 때에는 공기압력을 낮게 하고, 경도가 클 때에는 공기압력을 크게 한다.

(1-3) 분사거리와 각도:

분사거리를 멀리 하면 가공면적은 넓어지나 다듬질량이 적으므로 경도가 큰 공작물에 대해서는 분사거리를 짧게 하고, 연한 공작물에는 멀리하여 가공면적을 넓게 한다. 다음 그림은 각각 분사거리와 분사각도가 다듬질량에 미치는 영향을 보여 준다.

분사거리 및 분사각도의 영향

[3] burnishing

앞서 개요의 ☞ 그림에서와 같이 원통의 내면 및 외면을 강구(鋼球; steel ball)나 roller로 거칠게 나온 부분을 눌러 골 부분으로 유동시켜서 매끈힌 면으로 다듬는 가공을 burnishing이라 하며 일종의 소성가공이다. burnishing에는 분류기준에 따라 ball burnishing과 roller burnishing , 내경 burnishing과 외경 burnishing 이 있다.

(1) 강구에 의한 burnishing:

공작물의 두께가 얇으면 burnishing할 때 가공물이 탄성변형하여 burnishing 효과가 적으며, 두께가 크면 효과가 크다. 공작물이 강재(鋼材)일 때는 강구가 쉽게 마모되므로 aluminum과 같이 경도가 낮은 비철금속에 주로 사용된다. 지름을 정하여야 한다.

다음 그림은 강구와 구멍의 치수차에 대한 구멍의 확대 정도를 표시한 것으로서, burnishing 공구(강구)의 크기가 일정하고 가공물의 두께가 얇을 때는 변형이 거의 탄성적으로 행하여져서 소성변형이 극히 적어 burnishing 효과가 없거나 적어진다. 따라서 실제의 burnishing에서는 이와 같은 관계를 고려하여 강구의 직경을 정한다.

강구와 구멍의 치수차에 대한 구멍의 확대 정도

다듬질면의 조도는 치수정밀도와 더불어 중요한 burnishing 효과의 문제이다. 가공면의 조도는 일반적으로 강구의 조도와 같은 정도이나, 다듬질하기 전 구멍의 치수와 강구의 치수가 가공유(加工油)의 종류에 따라 다르다. 구멍과 강구의 치수가 적을 때에는 가공 전의 요철(凹凸)이 가공면에 잔류하여 조도가 좋지 않고, 치수차가 커지면 조도는 양호하여지나, 치수차가 너무 크면 다듬질면에 뜯긴 자국이 생기고 면의 광택도 좋지 않다.

(2) roller에 의한 burnishing:

roller burnishing에는 외면 burnishing, 내면 burnishing 및 평면 burnishing이 있으며, 공구인 roller에는 1개로 된 것과 다수 개로 된 것이 있다. roller burnishing에서도 ball burnishing에서와 같이 전 기계가공에서 생긴 scratch, 공구자국 등을 제거하고 가공면의 피로강도, 부식저항, 내마모성, 치수정밀도, 조도 등이 향상된다. 다음 그림은 각각 burnishing roller와 적용예를 보인다.

내경용 burnishing roller

burnishing roller의 적용예

☞ 단접(鍛接; forge welding)

단접(鍛接; smith welding, forge welding):

강과 같은 금속재료가 고온에서 점성과 금속간에 친화력이 크게 되는 성질을 이용하여 부품에 압력 또는 타격을 가하여 접합하는 것을 단접이라 한다. 예로서 연강의 단접온도는 1100 ~ 1200℃ 정도가 적당하다. 접촉면의 산화물 등을 제거하기 위하여 붕산 및 붕사 80%와 염화암모니아 20%의 혼합제 또는 철분 85%와 붕산 10% 및 붕소 5%의 혼합물인 용제가 사용된다. 다른 접합에 비하여 단접의 접합강도가 특별히 큰 것도 아니고, 기술적인 어려움 등으로 인하여 현대에는 다른 접합법으로 대체되고 있다. 다음 그림은 단접방법을 보여주며, 공통점이 있는 것을 group 별로 분류하면 다음과 같다.

1. 맞대기단접(butt smith welding): 1, 2
2. 겹치기단접(lap smith welding): 3, 4, 5, 6
3. 쪼개어 물리기단접(split smith welding): 8, 9, 10

단접방법