목 차
1장 개요
2장 용접의 종류와 기호
3장 arc 용접
4장 전기저항용접
5장 gas 용접
6장 납접
7장 금속의 절단
8장 기타 특수용접
9장 각종 금속의 용접
10장 용접결함, 검사 및 시험
11장 부 록
예상문제
1 장 개 요
기계 및 여타 물건들은 개별적으로 만들어진 부품이 조립되고 체결되어 있다. 체결(joint)에는 bolt와 nut 및 rivet에 의한 기계적인 것과 용접이 있으며, 용접(熔接; welding)이란 2개의 금속을 용융상태 혹은 반용융상태에서 접합하는 것을 말한다. 기계 및 여타 완제품을 단일 편으로 만들지 않고 여러 편의 부품을 제작하여 조립하고 체결하는 이유를 다음과 같이 들 수 있다.
용접의 발달사에서 중요한 변화만을 시대별로 소개하면 다음과 같다.
용접을 가열온도와 가열방식, 이음형식, 이음부 형상 및 자세에 따라 분류하면 다음과 같다.
[1]용접의 종류
(1) 가열온도와 가열방식에 따른 종류:
(2) 이음형식에 따른 종류: 그림에서와 같이 맞대기용접(butt welding)(1), 겹침용접(lap welding)(2, 3, 4), 구석용접(fillet welding)(5, 6), 모서리용접(corner welding)(7), 끝단용접(edge welding)(8), 마개용접(plug welding)(9) 등이 있다.
(3) 맞대기 이음부의 형상에 따른 종류: 맞대기 용접에서 모재가 두꺼울 때 접합부에 홈을 파서 다층용접을 하며, 모재의 두께와 용접부의 요구되는 강도에 따라 I 형 용접, V 형 용접, X 형 용접, L 형 용접, K형 용접, U형 용접, H형 용접, J형 용접, 양면 J형 용접 등이 있다.
(4) 용접자세에 따른 종류: 모재를 수평으로 놓고 용접봉을 아래로 향한 아래보기용접(下向熔接; flat welding, F), 모재의 용접면이 수직 또는 수직면에 대하여 45° 이내이고 용접선이 수평인 수평용접(水平熔接; horizontal welding, H), 용접면이 수직 또는 수직면과 45° 이내의 각을 이룬 면상에서 용접선이 상하로 위치하는 수직용접(垂直熔接; vertical welding, V), 용접면이 수평인 면에서 용접선이 수평이며 용접봉을 모재의 하방향에 대고 위를 향한 위보기용접(上向熔接; overhead welding, OH) 등이 있다.
[2]용접 기호
용접설계도면에 의하여 제품을 제작할 때나 설계도면에 의하여 설계자의 의사를 전달할 때 아래 그림과 같은 기호를 이용한다.
3 장 arc 용접(교과서 p.107) arc(電弧)란 용접봉과 모재 사이에 전압을 걸고 용접봉의 선단을 모재에 가볍게 접촉시켰다 떼는 순간 방전으로 강한 빛과 고열을 내는 원호 모양의 불꽃을 말하며, arc를 통하여 계속 큰 전류가 흐른다. arc 용접은 용접봉과 모재사이에 발생하는 arc(電弧) 열에 의해 모재의 용접부를 용융시키고 용가재(熔加材; filler metal)의 용적(熔滴)이 용접부에 첨가되어 부품이 결합되는 융접이다. arc 용접에는 전극이 용가제의 역할을 겸하는 용극식 arc 용접(熔極式 arc 熔接, 소모식 arc 용접)과 전극은 탄소봉이고 용가재가 별도로 있는 비용극식 arc 용접(비소모식 arc 용접)이 있으며, 전원이 직류인 직류 arc 용접과 교류인 교류 arc 용접 등 다양한 용접법이 있다. arc 용접의 전류는 50A ~ 300A 이며, 보통 10KW 이하가 사용된다. 탄소 arc에서는 4000℃ 정도, 금속 arc에서는 3000℃ 정도에 달하는 열을 낸다. 공기저항을 깨고 arc를 발생할 수 있는 개로전압(開路電壓)은 직류에서는 50 ~ 80V이고, 교류에서는 70 ~ 135V 정도이다. [1] 피복 arc 용접(shielded metal arc welding)
전극과 용가재를 겸하는 피복금속용접봉(被覆金屬熔接棒)과 모재(母材; parent metal, base metal) 사이에서 발생하는 arc(電弧)의 열에 의한 용접으로서, 역사가 가장 깊은 용접법의 하나이며,이 용접을 stick welding 또는 stick rod welding, electrode welding 또는 coated electrode welding, manual metal arc welding 이라고도 부른다. 의 장점 때문에 산업체 및 유지보수의 용접에서 50% 이상을 점유하고 있으나 다음과 같은 단점도 있다. 일반적으로 arc 용접이라 하면, 용극식 피복 arc 용접을 의미하며 용접봉을 수시로 교체하여야 하기 때문에 수동용접(手動熔接)을 한다. 본서에서도 피복 arc 용접이 아닌 arc 용접, 즉 용가재에 피복이 되어 있지 않아서 용가재를 연속적으로 공급할 수 있는 arc 용접을 ☞ 특수 arc 용접으로 분리하여 다음에 별도로 공부하기로 한다.
[1-1] arc 용접기
arc 용접기는 낮은 전압으로 대전류가 흐르게 설계되어 있으며, 일반적으로 Ohm 법칙인 E = I×R에 의하여 전기회로에서는 전류(I)를 크게 하면 전압(E)도 크게 되나, arc의 특성은 반대로 소전류의 범위에서는 전류의 증가에 따라 전압이 감소하며, 이를 부특성(負特性, 垂下特性; dropping characteristics)이라한다. 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.
(1) 직류 arc 용접기: 직류용접에서는 모재를 "+"로하는 정극성(正極性; straight polarity)과 모재를 "―"로 하는 역극성(逆極性; reverse polarity)이 있다. 전체 발열량의 60~75%가 양극측에서 발생한다. 따라서 정극에 두꺼운 모재를 연결하고, 얇은 모재나 녹기 쉬운 비철금속의 경우는 역극성으로 하는 것이 유리하다.
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. 이 외에 gasoline 기관이나 diesel 기관 등으로 직류발전기를 구동시켜 직류를 얻는 용접기가 있으며, 전원이 없는 곳에서 이용하기에 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 크게 하여 적은 전류만 통해도 온도를 상승시켜 발열 효과를 더욱 크게 할 수 있다. 회전 부분이 없으므로 무부하(無負荷) 손실이 적으며, 값도 싸고 수리가 쉬워 수동 arc 용접 및 다음에 특수용접에서 논할 TIG 용접, MIG 용접, CO₂용접 등에 널리 이용된다.
(2) 교류 arc 용접기: 교류용접기는 일종의 변압기로서 용접전류로 사용되는 2차 전류를 얻을 때 2차 전압이 떨어지도록 설계되어 있다.
구조에 의하여 교류용접기를 분류하면 가동철심형(可動鐵心形), 가동 coil 형(可動 coil 形), 가포화 reactor 형(可飽和 reactor 形) 등이 있다.
가동 coil 형 교류arc 용접기는 그림과 같이 1차 coil을 교류전원에 연결하고, 가동 handle로서 1차 coil을 이동시켜 2차 coil과의 거리를 조정하면 reactance가 변하여 필요한 2차 coil 측의 전류를 얻는 용접기이다.
tap 전환형 교류 arc 용접기는 그림에서 전환 tap A와 B를 옮겨 전류를 조정하여야 하기 때문에 다소 불편하다.
가포화 교류 arc 용접기는 그림과 같이 정전압(定電壓)의 변압기와 가포화 reactor를 조합한 것으로서 직류 여자(勵磁) coil을 가포화 reactor에 감아 놓았다. 전류조정을 직류 여자 전류의 증감에 의함으로 가동부가 필요 없으며, 원격 조정을 할 수 있어 편리하다.
[1-2] arc 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.
(2) 피복제(被覆劑): arc 용접봉에는 용접조건에 따라 여러 가지 피복제가 사용되며, 대체로 피복제의 역할은 다음과 같다.
피복제에는 gas 발생식, slag 생성식, 반 gas 발생식 등이 있으며, 이들을 용도에 맞게 잘 혼합하여 물을 가하고 심선에 도포한다.
gas 발생식 피복제는 피복제의 연소에 의하여 발생하는 일산화탄소, 수소 및 탄산 gas와 같은 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 있다. gas 발생식 피복제의 특징을 열거하면 다음과 같다.
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 발생식 피복제는 gas 발생식과 slag 생성식의 특징을 절충한 것으로서, slag 생성식에 환원성 gas나 불활성 gas를 발생하는 성분을 첨가한 것이다. 용접봉의 종류는 KSD 7004의 규정에 따라 표시하는데, 표기된 각 위치는 다음의 의미를 갖는다.
[1-3] arc 용접장비 및 작업(교과서 p.114)
(1) 용접장비: 전면에서 설명한 용접기 외에 다음과 같은 장비와 도구가 필요하다.
(2) 용접작업: 용접재를 소정의 치수로 절단하여 홈(groove)가공을 하며, 용접부에 불순물이 있으면 제거한다. 모재가 두꺼워 다층(多層)용접을 할 때는 각 층마다 slag를 제거한 후에 다음 층의 용접을 시행한다. 고탄소강, 주철, 및 특수강처럼 국부적으로 가열하면 터지기 쉬운 것은 모재를 100 ~ 400℃ 정도로 예열한다. 용접순서는 잔류응력(殘留應力)과 변형의 방지, 공정수의 절감을 고려하여 정하며 모재의 재질, 두께, 형상과 용접자세에 따라 용접봉을 선택하고 용접 조건을 정한다.
(2-1) 용접방향:
용접 방향에 따라 용접을 분류하면 전방용접, 후방용접, 좌우용접 등이 있다.
(2-2) 운봉법(運棒法; weaving, beading):
운봉법에는 용접선(bead) 위를 직선으로 움직이는 방법, 용접선의 폭을 넓게 하고 용재의 부상(浮上)을 돕기 위해 용접선 방향과 직각 방향으로 움직이는 운봉법 등이 있다.
(2-3) 용접봉의 각도:
용접부의 조건에 따라 다르나 용접작업의 편리함과 용접효과를 높이기 위하여 적정한 용접봉의 각도가 있으며, 일반적으로 다음 그림의 값을 택하고 있다.
(2-4) 용접봉의 지름과 전류:
강의 용접조건은 나선(裸線) 3 ~ 6mm의 용접봉으로 하향용접할 때 전압이 15 ~ 25V이고, 피복봉에서는 20 ~ 28V 정도이다. 전류가 너무 크면 spatter가 많고 ☞ undercut이 일어나기 쉽다. 전류가 너무 약하면 용접봉의 용융속도가 늦고 용적(熔滴)이 커져 모재에 옮겨져서 overlap이 생기고 용입(熔入)이 불량해진다.
[1-4] 용접부의 조직 및 성질
(1) arc의 구분: arc는 아래 그림과 같이 3부분으로 나누어 볼 수 있다.
(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 1층 bead의 금속은 고상동소변태점(固相同素變態點, 철에서는 910℃, 강에서는 730℃)을 지나 냉각되며, 이 때 하층(下層)의 bead 금속은 미세하게 된다.
(3) 조직 및 성질: 융합부(融合部; fusion zone)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.
아래 그림은 강의 arc 혹은 gas 용접에서 나타나는 용접부의 온도와 조직을 보여 준다. 일반적으로 C는 저온측에서 고온측으로 이동하므로 융합부에서는 C가 많아지고, 융합부에 인접한 모재에서는 C가 적어지며, 융합부는 급랭에 의한 영향을 크게 받는다.
[2] 특수 arc 용접(교과서 p.122) 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.
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. (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.
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
단점
(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
단점
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.
(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.
(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.
다음은 탈산제의 화학적 작용을 나타낸다.
(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.
(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.
(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.
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.
전기저항용접(電氣抵抗熔接; electric resistance welding)은 용접재를 서로 접촉시켜 적당한 압력을 주면서 통전(通電)함으로써 접촉저항 및 금속자체의 비저항에 의하여 발생하는 열로 가열되었을 때 압력을 가하여 접합하는 것이다. 전기저항용접에서는 arc 용접에 비하여 단시간에 많은 전류를 흐르게 하는 것이 필요하나, 용접온도는 arc 용접에서 보다 낮다. 전기저항용접기는 저전압, 대전류가 흐르도록 되어 있고, 가압장치 및 가압제어장치 등이 부설되어 있다.
이 중 Rc는 고온에서 크나 곧 소실되고, 용접물의 저항 Rm은 온도 상승과 더불어 증가하며, Re는 온도가 상승하면 급격히 감소한다. 일반적으로 전기저항이 크고, 열전도도가 낮으며, 용융점이 낮고, 소성구역의 온도범위가 큰 재료가 전기저항용접이 쉽다. 열전도도가 상대적으로 큰 재료에서는 보다 많은 전류를 단시간에 흐르게 하여야 한다. [1] 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.
(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.
(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.
(2) seam 용접(seam welding): 그림과 같이 원판 전극을 사용하여 용접전류를 공급하면서 가압 회전시켜 점용접을 연속적으로 행하면 선용접인 seam 용접이 되며, 액체의 누설(漏泄)를 막고, 기체의 기밀(氣密)을 요하는 용기 및 관 등의 용접에 이용된다. seam 용접에 공급되는 전류의 일부는 이미 용접된 인접 용접부로 흘러 손실되고, 일부는 원판 전극 사이에 흐르므로 대전류를 요한다.
seam 용접에는 아래 그림(A)와 같은 simple lap seam 용접, 그림(B)와 같이 판두께의 1/2 정도를 포개고 가압하면 맞대기 용접한 것과 같이 되는 mash seam 용접, 그림(C)와 같이 판의 끝을 맞대고 가압하는 butt seam 용접 등이 있다. 그림(D)에서와 같이 단속기간을 크게하여 nugget의 간격이 벌어질 때의 용접을 roll spot 용접(roll spot welding)이라 한다.
(3) projection 용접(projection welding): 금속판의 한쪽 또는 양쪽에 돌기부를 만들고 가압하면서 통전하면 돌기부에 전류가 집중되어 용접온도에 달할 때 가압력을 증가시키면 일시에 다점(多點) 용접을 할 수 있는 용접이다. 두꺼운 판과 얇은 판을 겹쳐 용접할 때에는 두꺼운 판에 돌기(projection)를 가공하고, 동기지의 전극은 편평하다. 돌기 높이는 대체로 판두께의 1/3 정도이며, 용접전류는 1mm 두께의 연강판에 대하여 8000A, 가압력은 250kg, 용접시간은 1/3 sec 정도이다. 이 용접의 특징을 정리하면 다음과 같다.
체결방법의 종류
☜
본 편에서는 용접에 의한 체결에 대하여 공부하며, 용접의 기계적 체결에 대한 장단점을 들면 다음과 같다.
장점
단점
용접기의 발달 과정
2 장 용접의 종류와 기호
이음의 기본 형식
홈의 형상
용접 자세
☜
용접기호
☜
용접치수와 기호 기재법
피복 arc 용접은
weld-arc.ram
arc 용접 장치와 용접을 보여준다.
arc-1.ram
arc 용접을 한다.
수동 금속봉 arc 용접
arc 전압의 특성
전류가 "+"극에서 "―"극으로 일정 방향으로 흐르기 때문에 arc가 안정되어 나선봉(裸線棒)으로도 용접할 수 있다. 그러나 arc가 너무 안정되면 arc가 길기 때문에 용입불량(熔入不良)이 생길 염려가 있으며, 전류가 한쪽 방향으로만 흐르기 때문에 arc 주위에 자력선이 형성되어 magnetic blow 현상을 가져오고, arc가 정해진 위치를 이탈하여 불량용접의 원인이 되는 수도 있으므로, 이 때에는 극을 바꿔 주는 방법으로 대처하여야 한다.
직류용접기
직류용접기의 극성
발전기식 직류용접기
selenium 정류기식 직류용접기
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.
가동철심형 교류 arc 용접기의 원리
가동 coil 형 교류 arc 용접기의 원리
tap 전환형 교류 arc 용접기의 원리
가포화 reactor 교류 arc 용접기의 원리
심선의 재질은 모재가 주철, 특수강, 비철합금일 때에는 모재와 동일 재질의 심선이 많이 사용되나, 모재가 연강일 때에는 탄소가 비교적 적은 연강봉(軟鋼棒)이 사용된다. C를 적게 하여 용접온도를 높여 용입(熔入)을 양호하게 하고, 연성을 준다. Mn은 탈산의 역할을 하나, 많으면 재질이 경화된다. P는 ☞ 상온취성(常溫脆性)을 일으키고, S는 고온취성(高溫脆性)을 일으킨다.
arc 용접중 피복상태
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.
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arc 용접작업
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arc 용접장비 및 용구☜
이들 외에 측정자, 각도기 및 용접부의 slag을 털어 내기 위한 wire brush 등이 필요하다.
clamp
용접봉 holder
접지 clamp
접지 clamp
2차측 전선의 외관
2차측 전선이 가는 선의 모음으로 되어 있다.
환기장치
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helmet
hand shield
ear muff
dust mask
보호의를 착용한 모습
가죽장갑
작업복
앞치마
chiping hammer
chipping hammer
chipping hammer
용접작업 시발점에서 용적(熔滴)이 누적되어 용접선이 과대해지거나 종점에서 crater가 생기지 않도록 유의해야 한다. 용접선의 폭이 너무 크면 운봉을 빨리 하고, 그 반대이면 느리게 한다. arc가 중단되면 crater가 생기므로 보다 전방에서 arc를 발생시켜 후방으로 이동하면서 crater를 메우고 용접을 계속한다.
운봉법, 용접변형 감소법, 작업표준
맞대기 용접에서 용접봉의 각도
arc의 길이는 심선(心線)의 지름과 같은 정도가 좋다. 너무 길면 arc가 불안정하고 산화와 질화의 가능성이 커진다.
arc 화염
응고조직
용접부 구분
4 장 전기저항용접(교과서 p.130)
용접부의 온도와 조직
특수 arc 용접에 속하는 것을 열거하면 다음과 같다.
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
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wire 2개를 20mm 간격에서 직열식으로 배치하여 DC로 홈 가공을 하고 AC로 홈을 메워 나가는 예
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submerged.ram
pipe의 submerged arc welding
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
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
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
CO의 기포가 생성되어 기공의 원인이 된다. 그러나 탈산제가 있으면 아래와 같이 산화철의 발생을 감소시켜 기포의 발생을 억제한다.
SiO₂와 MnO는 비중차에 의하여 bead 위에 slag로서 부유한다. 
CO₂.ram
CO₂gas arc 용접을 한다.
이용접법의 특징을 열거하면 다음과 같다.
원자수소 arc 용접의 원리
arc spot 용접
arc stud 용접의 animation
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princ.ram
pinbrazing
stud 용접 및 stud gun
stud 용접의 animation
Q: 발열량(cal), I: 전류(A), R: 전기저항(ohm), t: 시간(sec)라 하면
가 된다. 전극간의 전저항(全抵抗)은 다음과 같이 3부분으로 이루어져 있다.
전극의 재질은 전기와 열전도도가 크고 고온에서 기계적 내구성이 있어야 하며, 동이 많이 사용된다. 동은 처음 접촉저항에 의하여 Re가 크나, 온도 상승과 더불어 감소하며 열전도도가 좋아 쉽게 방열되어 전극이 과열되지 않기 때문이다. 이 용접기는 교류전원에 저전압(低電壓, 1 ~ 10V), 강전류(强電流, 100 ~ 100000A)의 전력을 얻는 변압기이다.
전기저항용접은 이음형식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.
upset 맞대기 용접의 특징은
upset 맞대기 용접기의 원리
upset 맞대기 용접에 비교한 이 용접법의 특징은 다음과 같다.
flash 맞대기 용접기의 원리
아래의 예는 단극식(單極式)이며, 1회의 조작으로 다수의 점을 용접할 수 있는 다극식(多極式)도 있다.
spot 용접기의 전극
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이동식 spot 용접 gun
이동식 spot 용접 gun
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spot-1.ram
spot 용접을 한다.
robotspotarcweld.ram
robot에 의한 spot welding을 보여준다.
점용접기의 원리
점용접부(nugget)
점용접에서 저탄소강판의 두께에 대한 동력, 가압력, 가압시간
통전법에는 단속통전법(斷續通電法), 연속통전법 또는 맥동통전법(脈動通電法)을 채용하나, 대전류를 연속적으로 공급하면 열량이 과대하여 용접부 전체를 용융시키므로 단속적인 통전을 하는 경우가 많다. 강의 경우에는 (통전시간) : (휴지시간)=1 : 1, 경합금(輕合金)의 경우에는 (통전시간) : (휴지시간)=1 : 3 정도이다. seam 용접의 전류는 점용접의 1.5 ~ 2배 정도이며, 가압력은 1.2~1.6배 정도이다.
전극의 내부 또는 외부를 수냉하여 전극이 과열되는 상태를 피한다.
seam 용접기 ☜
seam 용접의 원리와 조건
(a)
(b)
(c)
(B) mash seam welding
(C) pipe의 butt seam welding
(D) roll spot welding
projection 용접기
(a) projection 용접의 원리
(b) projection 용접 전후 ☜
plasma 용접 
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| 5 장 gas 용접
gas 용접은 각종 가연(可燃) gas와 산소의 연소반응열을 용접열원으로 이용하는 용접이며, 용접부에 압력을 가하지 않는 경우와 압력을 가하는 경우가 있는데, 전자를 gas 용접, 후자를 gas 압접이라 한다. gas 용접에서는 가열부 및 용금이 gas에 노출되기 때문에 오염되기 쉽고 가열이 집중적으로 되지 않기 때문에 열영향부가 많아 용접변형이 잘 생긴다. 따라서 이와 같은 것이 허용되지 않는 용접에서는 arc 용접을 하는 것이 좋다.
acetylene gas 용접은 저탄소강, 합금강, 주강 등을 용제없이 용접할 수 있고, stainless 강, 주철 등은 용제를 사용하여 표준화염 및 산소과잉 화염으로 용접한다. Al과 같은 경합금(輕合金)은 acetylene 과잉화염, 동합금은 표준화염 및 산소과잉 화염으로 용접한다.
용접장치는 산소용기와 acetylene gas 용기로부터 ☞ hose를 통해 torch에 도입시키고, ☞ torch에서 적당한 비율로 혼합하여 화구(火口; tip)로 분출되는 혼합 gas에 점화하여 열원을 얻는다. 아래 그림에서와 같이 산소는 산소용기(oxygen bomb)에서 공급받고, acetylene gas는 acetylene 발생기나 용해 acetylene 용기에서 공급받는다. acetylene 발생기를 이용할 때에는 acetylene 청정기(淸淨器)와 안전기(安全器)를 설치하는 것이 좋다.
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를 (1 : 1)로 혼합하면 그림의 A 부분(torch의 tip 부근)에서 다음의 화학반응을 일으킨다.
acetylene 과잉화염 
중성화염 
산소 과잉화염 
산소-acetylene 용접장치 
acetylene gas 용기 valve 
acetylene gas 발생기 
투입식 acetylene gas 자동발생기 
안전기 
산소용기 valve 
needle valve를 갖는 저압식 torch 
needle valve를 갖는 저압식 torch의 작동 원리 
needle valve를 갖지 않는 저압식 torch 
판재의 홈 가공, root 간격 및 가접 
전진용접과 후진용접 
gas 압접 |
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|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 6 장 납접
[1] 납접 납접은 모재의 용융온도보다 낮은 땜납(solder)을 용가재(熔加材; filler metal)로 사용하는 용접이며, 땜납은 용융온도에 따라 대체로 450℃ 이하인 연납(軟납; soft solder)과 450℃ 이상인 경납(硬납; hard solder)으로 분류하고, 미국에서는 427℃를 기준으로 택한다.
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lap soldering 
soldering kit 
solder and flux 
soldering iron과 fume extractor 
soldering robot 
soldering robot의 twin head 
bite의 경납접 
경납 금속의 절단은 chip을 발생하는 기계적인 절단과 열에 의한 용단(熔斷)으로 크게 나눌 수 있다. 용단이 기계적인 절단에 비하여 절단면이 매끄럽지 못하고 용단이 되지 않는 금속이 있지만, 구조상 기계적 절단이 어려운 것을 절단할 수 있어 편리하게 사용되고 있다.
용단은 열원이 전기인 경우와 gas 연소에 의한 것 등으로 분류할 수 있으나, 본 장에서는 gas 연소에 의한 절단 중에서 일반적으로 많이 이용되는 산소-acetylene 절단에 중점을 두어 설명하고자 한다.
[1] arc 절단
☞ arc 절단은 주철, 황동 등과 같이 gas 절단이 어려운 금속의 절단에 편리하며, 용접의 경우보다 큰 전류의 긴 arc를 사용한다.
arc 절단에는
- 탄소 arc 절단: 전극으로 탄소봉을 이용하여 전극과 모재 사이에 발생하는 arc 열에 의한 절단이다.
- 금속 arc 절단: 특수피복 금속봉과 모재 사이에 발생하는 arc 열에 의한 절단으로서, 직류인 경우에는 정극성을 채용한다.
- 산소 arc 절단: 피복전극과 모재 사이에 arc를 발생시키고 심선 중심부의 중공을 통하여 용금을 불어 내어 절단한다.
- ☞ 불활성 gas arc 절단: MIG 용접과 TIG 용접 장치에서 높은 전류밀도를 사용하여 깊은 용입이 되게한다.
- ☞ plasma arc 절단: 도전성을 띤 gas체인 plasma에 의하여 용융시키고 불어 낸다.
[2] laser beam 절단
☞ laser beam 절단은 박판의 절단 및 구멍뚫기에 사용되나, 장비가 고가이고 energy 소비가 크다. 자동차 공장에서 body panel의 trimming 등에 이용된다.
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laser 절단
☜ tube1.ram
관의 laser 절단 tube2.ram
관의 laser 절단
[3] gas 절단
대부분의 용단(熔斷)은 산소-gas 절단이며, 비철금속에서는 용단부를 단순이 용해시켜 불어 내는 것으로서 용단이 수행되나, 철의 절단에서는 혼합 gas 염으로 800 ~ 1000℃ 정도로 예열하고 이것에 순도가 높은 산소를 고압으로 분사하면 강열한 화학반응에 의한 고온으로 철은 산화( 연소)되며, 기류가 산화철을 불어 내어 2~4mm 폭의 홈이 생긴다.
이 때의 화학반응은 다음과 같다.
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gas 절단 torch의 tip
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(1) 수동절단:
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절단 torch에는 예열용 acetylene gas의 압력을 기준으로 하여 저압식(低壓式, 0.07kg/cm2 이하)과 중압식(中壓式, 0.07kg/cm2 이상)이 있으며, 그림은 저압식 torch로서, 예열용 산소-acetylene 혼합 gas 도관과 순수 산소만을 보내는 도관으로 되어 있다.
gas 절단의 animation 
저압식 torch의 구조
gas 절단에서는 절단홈의 밑으로 갈수록 slag의 방해, 산소의 오염 등에 의하여 산화작용이 느리고, 불어 내는 압력이 저하하기 때문에 그림과 같이 上下의 절단거리에 차이가 생기며, 이 차이를 drag 또는 drag 거리라 한다. 이 drag는 절단성을 판정하는 기준이 되며, 절단속도, 산소소비량 등에 따라 변하고, 절단속도가 아주 느리면 drag는 0 이 된다. 산소량과 산소압력을 증가시키면 drag는 짧아지나, 산소압력을 증가시켜도 더 이상 drag가 짧아지지 않는 한계가 있다. drag가 길게 되는 조건에서 절단하면 절단비용은 감소하나, 절단깊이의 밑부분에서는 절단이 되지 않을 수도 있으므로 drag는 강판두께의 20% 정도가 작업능률의 관점에서 좋다.
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(2) 자동절단:
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공작물을 절단할 때 절단기가 이동대와 함께 track 위를 자동 이동하면서 직선 또는 곡선절단할 수 있는 자동절단기가 있다. 아래 표의 조건에 따라 강판과 torch tip 간의 거리 등을 선정하고, 절단 시작점을 충분히 예열하여 용융점에 이를 때 순수 산소 valve를 열어 산화, 분출시키면서 이동대를 track상에서 이동시켜 절단한다.
programable 2-axis 용접 및 절단기
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2 ~ 3개의 torch로 홈을 자동절단하는 예
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(3) 수중 gas절단:
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수중절단은 침몰선의 해체, 교량의 보수 등 불가피하게 수중 작업을 요하는 곳에서 이용되며, 일반 torch와 다른 점은 그림과 같이 용접 중 물의 침입을 막기 위하여 압축공기를 분출하는 구멍이 하나 더 있다. acetylene gas는 수중 7.5m 깊이까지 사용할 수 있고, 보다 깊은 곳에서는 압력에 의한 안전상 수소 gas를 사용한다.
수중 절단 torch tip
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(4) gas gouging:
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일명 따내기라고도 하며, 가공물의 일부분을 용융시켜 불어 냄으로써 홈을 내는 가공이다. 아래 그림과 같이 gouging torch tip을 30 ~ 45°경사지게 하여 예열하고, 표면이 점화온도에 달하면 tip을 6 ~ 12mm 정도 후퇴시켜 산소 valve를 서서히 열고 작업을 진행한다.
U형 홈 가공용 gas gouging torch tip 
gouging 작업
8 장 기타 특수용접(교과서 p.158)
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.
- 두꺼운 판의 수직용접에 유리하다.
- 홈가공 등을 할 필요가 없어 submerged arc 용접에 비하여 유리하다.
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electroslag 용접장치
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electroslag 용접 장면
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
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단점
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전자 beam 용접 원리
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전자 beam 용접 원리의 animation
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[3] thermit 용접
산화철(FeO, Fe
와 같은 강력한 화학반응을 일으켜 1분 안에 약 3000℃의 고열을 내며, Al은 산화하여 Al
장점
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단점
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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.
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thermit 용접
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thermit 용접 현장사진
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[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.
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- 진공실이 필요없다.
- 좁고 깊은 접합에 적합하며, 특히 얇은 부품의 용접에 유리하다.
- 변형과 수축이 적다.
- 용접속도가 크고, CNC 등에 의한 자동화가 쉽다.
- 가까이 접근할 수 없는 부재(部材)의 용접을 할 수 있다.
- 다양한 재료의 용접이 가능하며, 용접재가 부도체인 경우도 용접이 가능하다.
- 미세정밀(微細精密)용접을 할 수 있다.
- 대부분 용가재를 사용하지 않고 모재의 합금화에 의한다.
- 이종재료의 용접도 성공적으로 수행할 수 있다.
laser 용접 예 
plastic의 laser 용접 모형
laser 용접의 원리
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[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.
- 전력 및 gas의 소비량이 적다.
- 모재의 변형과 변질이 적다.
- 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.
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(1) 냉간압접(冷間壓接; cold pressure welding):
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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
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(2) 열간압접(熱間壓接; hot pressure welding):
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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.
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(3) 마찰용접(摩擦熔接; friction welding):
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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
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frictionweld.ram
마찰용접을 보여준다
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(4) 초음파용접(超音波熔接; ultrasonic welding):
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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)
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용접 전 
용접 후
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(5) 고주파용접(高周波熔接; high frequency welding):
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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
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(6) 폭발용접(爆發熔接; explosive welding):
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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
- 이종금속을 포함한 다른 방법으로 용접이 어려운 재료의 용접을 할 수 있다.
- 접합강도가 크다.
- 6m ×2m 정도의 큰 면적의 용접도 할 수 있다.
단점
- 취급에 위험이 따르므로 훈련된 기술자가 필요하다.
포발용접 
폭발용접
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[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.
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분말식 gas 용사장치 
용사 animation
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[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.
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(1) 열풍용접(hot gas welding):
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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 ☜
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(2) 열기구 용접(heated tool welding):
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그림과 같이 가열된 인두로 용접부를 가열하여 용접온도에서 압력을 가해서 용접을 행한다.
열기구 seam 용접
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(3) 마찰용접(friction welding):
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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.
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(4) 고주파용접(high frequency welding):
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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
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(5) 초음파용접(ultrasonic welding):
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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.- 용융시간이 1초 이내이고 응고시간이 1 ~ 2초 정도로서 용접시간이 짧다.
- 소비 energy가 적다.
- 용접부가 청결하다.
- 용가제가 필요 없다.
- 용접신뢰도가 크다.
9 장 각종 금속의 용접(교과서 p.170)
용접기술의 발달에 따라 대부분의 금속재료는 용접이 가능하나, 재료에 따라 최적 용접을 위한 방법이 다르다. 주어진 조건에서 피용접재의 용접의 용이성 및 성능을 의미하는 용접성(熔接性; weldability)이 있다. 용접성이 좋다는 것은 용접의 필요조건에 쉽게 달할 수 있다는 것이 된다. 용접성은 피용접재, 용가재 및 용접방법 등의 용접조건에 의하여 결정되며, 그 중에서 피용접재 및 용가재가 용접성에 영향을 미치는 성질은 이 재료의 강도, 인성, 연성, notch 취성, 탄성계수 등의 기계적 성질과 비열, 융점, 열팽창계수, 용금의 표면장력 등의 물리적 성질 이다. 재료에 따라서는 용접이 곤란하거나 불가능한 것들도 있으나, 각종 방법을 연구하여 이를 극복해 가고 있다.
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[1] 철 및 탄소강의 용접철(鐵; iron)은 탄소 함량이 아주 적기 때문에 급랭경화(急冷硬化)현상이 없고, 다양한 방법으로 쉽게 용접할 수 있다. 저탄소강(低炭素鋼, C=0.03 ~ 0.10%)과 중탄소강(中炭素鋼, C=0.15 ~ 0.55%)은 용접이 용이하나, 고탄소강(高炭素鋼, C=0.45 ~ 2.00%)은 균열과 기공이 많이 생기고 급랭경화현상이 나타나므로 용접이 곤란하다. 고탄소강의 단층용접에서 급랭효과가 나타나므로 모재를 600 ~ 650oC로 예열 또는 후열처리 하고, 전류를 낮게 하고, 용접속도를 느리게 할 필요가 있다. 고탄소강 용접의 용접봉으로 저수소계(低水素系)의 모재와 같은 재질의 것, 연강, austenitic stainless steel, 특수강 등을 사용한다. austenitic stainless steel 용접봉을 사용하면 용착금속의 연성(延性)이 커져 잔류응력이 저하되고, 수소로 인한 취화도 일어나지 않는다. 모재와 동일 재질, 연강 및 특수강 용접봉을 사용할 때는 모재를 예열하고, 용접속도를 느리게 하며, 용접 후 바로 풀림열처리를 한다.
[2] 주철의 용접
주철(鑄鐵; cast iron)은 C: 1.6 ~ 6.67%의 Fe-C합금이지만 일반적으로 사용되는 주철은 C: 2.5~3.5%, Si: 1.5~2.5%, Mn: 0.2~1.2%, P<0.5%, S<0.1%의 조성을 갖고 있으며, Ni, Cr, Mo 등도 필요에 따라 함유하고 있다. 주철은 연강에 비하여 취약(脆弱)하며, 급랭에 의한 백선화(白銑化)로써 기계가공이 어렵고, 국부적 수축으로 균열이 생기기 쉬우므로 용접에 어려움이 있다. 이를 극복하기 위하여
- 용접을 하고 600~900℃에서 후열처리를 하여 용접부를 연화한다.
- 백선화를 방지할 목적으로 C: 3.5%, Si: 3~4%, Al: 1%의 용접봉을 사용하는 것도 좋다.
- 그림(a)와 같이 용접성이 좋은 stud bolt를 사용한다.
- 그림(b)와 같이 요철의 홈가공을 하여 용접 면적을 크게 하는 방법을 채용하기도 한다.
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stud bolt와 groove가공을 이용한 주철의 용접
[3] 고장력강의 용접
고장력강(高張力鋼; high tensile steel)은 인장강도 50kg/mm² 이상의 강을 말하며, 인장강도를 높이기 위하여 Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V, Ti 등를 첨가한 것이다. 인장강도가 100kg/mm² 이상인 것도 있다. 고장력강의 용접에는 연강 용접법이 그대로 이용되나, 연강에 비하여 열영향인 경화가 심하므로 예열 및 후열처리를 하여 연성(延性)을 부여한다. 냉간균열(冷間龜裂)을 방지할 목적으로 용접봉을 470℃ 정도에서 1시간 정도 건조시켜 수분을 0.1% 이하로 한 저수소계 용접봉을 사용하며, 공기 중의 수분이 용접부에 들어오므로 습도가 낮은 곳에서 용접하는 것이 좋다.
[4] stainless강의 용접
stainless 강은 철에 Ni과 Cr을 첨가시킨 합금강으로서 내부식성(耐腐蝕性), 내열성(耐熱性) 등의 좋은 성질을 갖고 있다. stainless 강에는 martensite계 stainless 강, ferrite계 stainless 강, austenite계 stainless 강의 3종이 있으며, 이들의 용접성도 다르다.
martensite계 stainless 강의 용접부는 급랭경화로 경도가 큰 martensite계 조직으로 된다. 특히 C가 많을수록 경화현상이 심하며, 냉각 후 균열이 생기기 쉽다. 이 경화 현상을 줄이기 위해서는 200~400℃로 예열 또는 층간온도(層間溫度)를 계속 유지하거나, 용접 후 냉각하기 전에 700~800℃로 가열하여 공랭(空冷)하면 연성(延性)으로 된다.
ferrite계 stainless 강의 용접에서는 용접부가 거의 경화하지 않으나, 용착금속 부근의 가열된 영역은 조직이 조대(粗大)하여 연성과 인성이 떨어진다. Cr>16% 강을 400~600℃로 장시간 가열하든가 이 온도 구간에서 서냉(徐冷)하면 탄화 chromium이 석출하여 매우 약하게 된다. 특히 475℃에서 장시간 예열하면 이런 현상이 심하여 이 것을 475℃ 취화(脆化)라 한다. 모재를 70~100℃로 예열하여 용접하고 서냉시키는 것이 좋다.
austenite계 stainless 강은 stainless 강 중에서 가장 널리 사용되며, austenite계 조직을 갖고 있다. 용접에서 용착금속 인근의 열영향부는 조대화 되고, 그 옆의 부분은 탄화물이 석출되어 입계부식(粒界腐蝕)이 쉽게 된다. 입계부식을 피하려면 C<0.03%인 stainless 강 용접봉을 사용하든가 Ti 및 Nb 등의 원소가 첨가된 것을 사용한다.[5] aluminum과 그 합금의 용접
aluminum과 그 합금은 내식성이 우수하며, 강도가 비교적 크고, 비중이 2.7로서 연강의 1/3 정도로 가벼운 경합금(輕合金)이다. aluminum과 그 합금은 전신재(展伸材; wrought alloy)와 주조재(鑄造材; cast alloy)로 대별하고, 열처리 경화가 되는 열처리합금(熱處理合金; heat treatable alloy)과 경화가 되지 않는 비열처리합금(非熱處理合金; nonheat treatable alloy)으로도 분류한다. 열처리합금에는 Mg-Si, Cu, Zn-Mg-Cu, Si계가 있으며, 그 중 가장 대표적인 것은 duralumin(Al-Cu-mg-Si)이다.
aluminum 합금은 불활성(不活性) gas arc 용접이 비교적 용이하나, 일반 용접법으로는 용접이 곤란하며 그 이유는 다음과 같다.- 비열과 열전도도가 커서 용접온도까지 가열하기 위하여는 고온의 열원이 필요하다.
- 용융점이 비교적 낮고, 색에 의한 온도의 식별이 어려워 지나친 용해온도가 되기 쉽다.
- 산화 aluminum은 융점이 2050℃ 정도로 높기 때문에 용융되지 않은 채로 유동성을 해치고, aluminum 표면을 덮어 융합을 방해한다.
- 산화 aluminum은 비중이 4.0으로 aluminum의 것보다 크기 때문에 부유하지 않고 용착금속 내에 남는다.
- 고온강도가 낮고 용접변형이 크며, 균열이 생기기 쉽다.
- 수소 gas 등을 흡수하여 응고할 때 용착금속에 기공을 발생시킨다.
aluminum 용접에서는 용접봉과 용제(溶劑)의 선택이 중요하며, 불순물이 적은 aluminum 용접봉을 사용해야 한다. aluminum 합금의 용접봉으로는 모재와 동일한 화학조성을 갖는 것을 사용하는 것 외에 Si: 4 ~ 13%인 Al-Si계 합금이 사용된다. 이 외에 Cd, Cu, Mn 등의 합금도 사용된다. aluminum 용접에서는 산화가 심하고 gas의 흡수가 심하므로 적절한 용제의 선택이 중요하다. 용제의 대표적인 것은 LiCl을 주성분으로 한 것이다.
[6] 동과 그 합금의 용접
동(銅; copper)은 전기 및 열의 양도체이기 때문에 전기 재료로 많이 사용되고, 내식성도 커서 다방면에 많이 사용된다. 용접에서는 열전도성이 크기 때문에 석면 등으로 보열(保熱)하거나 예열을 충분히 하며, 높은 전류를 사용해야 한다. 용접봉은 모재의 강도보다 큰 인청동, 규소망간동, 청동의 피복봉이 쓰인다.
황동(黃銅; brass)은 Cu와 Zn의 합금으로서 Zn의 함량이 20 ~ 40%이다. Zn의 비등점이 960℃이며, 고온도의 용접열로 기화하여 생긴 독성의 아연 및 산화 아연증기 때문에 작업이 곤란하고, 용접부는 다공성(多孔性)으로 되며, Zn 함유량의 감소로 변색이 되는 등의 용접에 어려움이 있다. 용접봉은 모재와 같은 조성의 것이 좋고, 될 수 있으면 Zn 함량이 많은 것은 피하는 것이 좋다. gas 용접에서는 산화 불꽃을 사용하고, torch를 모재에서 약간 멀리한다. 특히 금속 arc 용접에서는 Zn 함량이 많은 것은 곤란하다.
청동(靑黃銅; bronze)은 Cu와 Sn의 합금으로서 Sn: 6~10%이며, 540℃ 이상에서 ☞ 고온취성(高溫脆性)이 있으므로 용접시 충격 및 응력집중 등에 유의하여야 한다. 용접봉은 모재와 같은 성분의 것과 합금 용접봉이 사용되며, 일반적으로 황동의 용접성보다는 좋다. gas 용접에서는 화염의 집중으로 용접속도를 높일 수 있고, 좁게 가열하므로 모재의 변형도 적다. arc 용접에서는 직류정극성이 좋다.[7] magnesium과 그 합금의 용접
magnesium은 비중이 1.74 ~ 1.83으로서 aluminum의 1/1.5이며 절삭성, 고온가공성 및 용접성이 양호하다. magnesium과 그 합금의 용접성은 aluminum과 그 합금의 것과 비슷하고, 불활성 gas 용접의 이용이 많다.
[8] titanium과 그 합금의 용접
titanium과 그 합금은 합금강과 같은 정도의 강도를 갖고 있으며, 비중이 약 4.5로서 강보다 30 ~ 40% 가볍고, 400 ~ 450℃의 고온에서도 강도의 저하가 거의 없다. 이 재료는 내식성과 내열성이 크기 때문에 항공기, missile 등 그밖의 용도가 광범위하다. titanium은 고순도에서는 연(軟)하나 불순물이 들어가면 단단하고 취성을 갖게 된다.
titanium 합금은 고온에서 다른 원소 및 화합물과 반응하여 쉽게 취화되므로 gas 용접, 피복 arc 용접 및 잠호용접은 사용하지 않고 불활성 gas 용접만이 사용된다. titanium과 그 합금의 용접에서 문제 되는 것은 기공, 균열 및 취화이다.
10 장 용접결함 검사 및 시험(교과서 p.175)
용접에서 발생하는 결함의 종류와 검사 및 시험의 종류는 다음 표와 같고, 이 중에서 특히 중요시 되는 것만을 설명하기로 한다.
[1] 용접결함
[1-1] 치수결함
단시간에 가열, 냉각 및 용착금속의 수축 등으로 변형과 잔류응력(殘留應力; residual stress)이 생긴다. 이와 같은 현상을 최소화하기 위해서는 용접설계와 시공법에 관한 연구가 필요하며, 그림은 용접에서 발생할 수 있는 변형의 예를 든 것인데, 이런 결함이 설계자의 요구조건을 벗어나면 불량용접의 판정을 받게된다.
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용접변형의 종류
[1-2] 구조결함
용접결함 중에서 가장 중요한 것으로 역학적인 원인과 금속학적인 원인이 있을 수 있다.
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(1) 역학적 원인:
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- 온도구배에 의한 열응력
- 변태에 의한 체적변화
- 구조상 또는 판재의 두께에 의한 내외부의 작용력
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(2) 금속학적 원인:
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- 열영향에 의한 모재의 취화
- 응고시 입계에 존재하는 P, S, Sn, Cu, Zn 등의 편석에 의한 취화
- 용접시에 침입한 H2에 의한 취화
아래의 그림은 각종 균열의 형상을 도시한 것이다.
각종 균열의 형상
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(3) slag의 혼입:
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- 산화물, 용제 및 피복재가 용착금속에 혼입
이를 방지하기 위해서는 각 용접층에서 wire brush 등으로 slag를 충분히 제거하고, shielding gas를 충분히 공급하며, 적합한 용접봉의 선택이 중요하다.
- 산화물, 용제 및 피복재가 용착금속에 혼입
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(4) undercut과 overlap:
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그림과 같이 녹은 모재부의 홈에 용착금속이 충분히 차 있지 않으면 모재와 용착금속의 경계에 오목한 부분이 생기는데, 이를 underfill 이라 하며, 전류가 과대하여 모재가 파이는 것을 undercut 이라 한다. underfill은 용접부 단면적의 감소를 가져오고, undercut 부위는 응력이 집중되는 notch효과를 초래한다. 용융금속이 넘쳐서 표면에 융합되지 않은 상태로 덮여 있을 때, 이를 overlap이라 하며 이 부분에 응력이 집중되어 균열의 원인이 되기도 한다. 이들의 원인을 나열하면 다음과 같다.
undercut과 overlap
underfill의 원인
- 용접속도가 너무 클 때
undercut의 원인
- 전류가 과대하여 arc를 짧게 할 수 없을 때
- 용접봉의 사용방법이 부적절할 때
overlap의 원인
- arc가 너무 길어서 용착금속의 집중을 저해할 때
- 용접봉의 용융점이 모재의 것보다 너무 낮을 때
- 용접전류가 다소 부족하여 용적이 클 때
- 용접속도가 너무 느릴 때
[1-3] 성질결함
용접부는 국부적 가열을 크게 받기 때문에 모재의 기계적, 물리적 및 화학적 성질을 그대로 유지하기 힘들다. 용접부의 이런 성질들이 설계자의 요구를 만족시키지 못하면 이 용접부는 성질결함이 있다고 말 할 수 있다.
[2] 검사법
용접부의 검사에는 비파괴검사와 파괴검사가 있으며, 비파괴검사는 제품 전체를 대상으로 검사할 수 있으나, 파괴검사는 sample 검사를 한다.
[2-1] 용접결함의 비파괴검사
이상의 결함을 검사할 때 1편 9장 ☞ 주조결함에서 소개한 방사선검사(放射線檢査), 초음파검사(超音波檢査), 자기탐상검사(磁氣探傷檢査) 및 형광탐상검사(螢光探檢査) 등 비파괴검사법을 이용할 수 있다.
[2-2] 용접결함의 파괴검사
파괴검사에는 기계적 성질을 알기 위한 기계적 시험과 화학적인 성질과 성분을 알기 위한 금속학적 시험이 있겠으나 여기에서는 용착금속 및 용접이음부에 대한 기계적 시험법을 소개한다.
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(1) 인장강도시험:
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아래 그림과 표는 용착금속의 인장강도를 시험하기 위한 치수와 시편 채취위치를 보여 준다.
용착금속의 인장시험편 채취위치와 규격은 다음과 같다.
채취위치
시편규격인장강도와 연율은 다음 식에 의한다.
아래 그림은 맞대기용접 이음의 인장시편 규격이다.
아래 그림과 표는 덧붙임면 fillet 용접이음의 인장시편이다.
단위(mm)
아래 그림과 표는 덧붙임 측면 fillet 용접이음의 전단시편 규격이다.
일반적으로 이음효율은
에 의한다.
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(2) 굽힘시험:
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굽힘시험에는그림과 같이 표면굽힘, 후면굽힘, 측면굽힘 등이 있으며, 합격기준에 따라 정해진 굽힘각도의 크기, 균열의 크기 및 균열의 수로서 용접 결과를 판정한다.
아래 그림과 표는 굽힘시험 jig의 규격과 굽힘시험편의 규격이다.
