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용접공학

특수아크용접

특수 아크 용접법 구분

특수아크용접법

구분

용융지의 보호방법에 따라서

1) 가스보호(gas shield)와 2) 자체보호(self shield)로 구분

- Self shield는 flux가 wire에 내장된 형태인 (FCAW, flux cored arc

welding), FCW(flux cored wire)를 사용하는 용접법

- 용접 중 내장된 flux에서 가스가 발생하여 용융지를 보호하는 방식

- Gas shield 방법은 대체로 FCW가 아닌 solid wire를 사용, shield

gas에는 활성가스(CO2, O2, 혼합가스)와 불활성가스(Ar, He) 구분

특수 아크 용접의 구분

  • CO2 용접이란 shield gas로 CO2를 이용하는 것을 의미하며, wire 형태는 solid wire가 될 수도 있고, FCW가 될 수도 있다.

  • FCAW는 solid wire가 아닌 FCW를 사용하는 용접법으로 self shield 방법이 주로 사용되지만 gas shield 방법을 병행하여 사용하기도 함.

  • MAG(metal active gas)는 보호가스로 CO2나 O2, 혼합가스 등의 활성가스를 사용하는 방법이며, MIG나 TIG 용접의 경우는 보호가스로 Ar, He, Ar + He 등의 불활성 가스를 사용하며, GMAW(gas metal arc welding) 또는 GTAW (gas tungsten arc welding)으로 표기한다. 표 2-7에 Shield 가스의 종류에 따른 특수용접법의 분류를 나타내었다.

불활성 가스 아크 용접법 (IGAW, inert gas arc welding)

불활성 가스 아크 용접법

불활성 가스 아크 용접법 (IGAW, inert gas arc welding)

가스의 열전도성이 좋거나, 나쁘다거나 하는 각 가스의 특성을 이용하여 혼합가스를 사용하기도 하며, 불활성 가스에 활성가스를 혼합하여 사용하는 이유는 안정된 아크를 얻기 위함

- Ar 가스는 열전도도가 낮아서 플라스마가 집중되어 용접부 중심쪽으로 약간 깊은 종 모양의 비드를 만들고, 청정작용과 안정된 스프레이 이행 가능

- He은 열전도성이 좋기 때문에 에너지가 아크 내에 분산되어 타원형의 비드를 만들며 Ar 가스보다 2~3배 많이 소모

- Ar + He 혼합가스는 Ar과 He의 장점을 이용하여 용입이 깊고, 안정된 spray 이행을 얻을 수 있으며 모재가 두꺼울수록 He을 증가

- CO2 가스는 가격이 저렴하고 용입이 깊다는 장점, 가스 특성상 단락이행과 입상용적이행만 나타나 아크가 불안정하고 스패터 발생량이 많으며, 박판 용접에 어려움

특성

불활성 가스 아크 용접법 (IGAW, inert gas arc welding)

특성

불활성가스 아크 용접법은 아르곤, 헬륨 가스와 같이 고온에서도 금속과 반응하지 않는 불활성 가스 분위기에서 텅스텐 전극봉 또는 와이어와 모재와의 사이에 아크를 발생시켜 그 열로 용접하는 방법

 

- 보호가스는 용융금속을 대기로부터 차단하여 산화 및 질화를 방지하여 용접 제품의 품질을 제고하려는 목적으로 사용하는 가스

- 이외에 아크 특성 및 용적 이행, 용입 깊이 및 비드 형상, 용접속도 및 언더컷 결함 발생 정도, 청정작용과 용착금속의 기계적 성질 및 용접비용 등에 영향

- 불활성 가스 용접에 사용되는 보호 가스로는 Ar, Ar+O2, Ar+CO2가 있으며, 이것은 광범위하게 TIG, MIG 용접법으로 구분

불활성 가스 아크 용접법 (IGAW, inert gas arc welding)

비드형상 및

특성비교

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법(TIG)

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법은 텅스텐 전극봉을 사용하여 아크를 발생시키고 아크로 녹이면서 용접하는 방법으로 비용극식 또는 비소모식 불활성 가스 아크 용접법 (Tmelting temperature: 3,653K)

- 보호 가스로는 Ar을 사용하는 방법으로 잔류 용제 및 슬래그가 잔존하지 않기 때문에 용접 작업이 용이하며, 아름다운 비드 외관을 얻을 수 있고, 불활성 가스 중에서 용접이 행해지기 때문에 청정한 용착 금속

- 또한 용접 입열의 조정이 용이하므로 박판용접에 좋고, 플럭스가 불필요하여 비철금속의 용접이 용이하고 청정작용

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

장점 및 단점

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

① 용접입역의 조정이 용이하기 때문에 박판용접에 좋다.

② 플럭스가 불필요하며 비철금속의 용접이 용이하고 청정작용이 있다.

③ 용접 스패터 발생이 적고 전자세 용접이 가능하다.

④ 열영향부(HAZ)가 매우 적고 용접부의 변형이 적고 비드가 깨끗하다.

⑤ 용접상태의 관찰이 용이하여 작업성이 양호하다.

⑥ 용접기 조작이 간단하고 용접부가 좁고 깊은 용입을 얻는다.

⑦ 용접봉을 교체할 필요가 없어, 양호한 용접을 얻는다.

장점

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

① 용극식 용접봉을 사용하는 경우보다 용접 속도가 느리다(이를 개선한 방법이 Hot Wire 용접법이다.

② 전극봉(텅스텐재질)이 용접부에 녹아 들어갈 경우, 용접부는 취성을 갖는다.

③ 텅스텐 전극의 오염 우려가 있고, 용접기의 장비가 복잡하고 가격이 비싸다.

④ 보호가스 기류가 실드 효과를 발휘하도록 보호되어야 한다.

⑤ 용접금속의 냉각속도가 빨라서 HAZ 등의 기계적 성질에 영향을 미친다

단점

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

전원극성

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

직류용접

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

교류용접

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

극성비교

불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (GTAW, inert gas tungsten arc welding, TIG)

텅스텐 전극봉

불활성 가스 금속 아크 용접법 (GMAW, inert gas metal arc welding, MIG)

불활성 가스 금속 아크 용접법(MIG)

MIG 용접 장점

MIG 장 단점

  • 용접조작이 비교적 간단하고 용착효율(약95%)이 좋다(SMAW:약 60%)
  • 용접봉을 교체할 필요가 없으므로 용접속도가 빠르다.
  • 슬래그가 없으므로 슬래그 제거시간이 절약된다.
  • 전류밀도가 크기 때문에 용입이 깊고 전자세 용접이 가능하다.
  • 청정작용이 있다.
  • 솔리드 와이어의 대전류밀도를 사용하며, 불활성가스 중 용적이행이 원활하다.
  • 용접부가 좁고 깊은 용입을 얻는다.
  • 열영향부가 매우 적고 전자세 용접이 가능하다.

MIG 용접 단점

MIG 장 단점

  • 용접장비가 무거워 이동이 곤란하고, 복잡하며 가격이 비싸다.
  • 토치(torch)부가 용접부에 접근하기 곤란한 경우는 용접이 어렵다.
  • 바람이 부는 옥외에서는 보호가스가 충분히 제 역할을 하지 못하므로 방풍대책이 요구된다.
  • 보호가스가 다소 비싸다.
  • 슬래그가 없기 때문에 용접금속의 냉각 속도가 빨라 HAZ의 기계적 성질에 영향을 미친다.

GMAW 용접의 보호가스 특성

용접 보호가스 특성

Ar -> 열전도가 낮아서 플라스마 집중

용접부 중심에 약간 깊은 종 모양의 비드

청정작용과 안정된 스프레이 이행

열에너지 집중, 불화성 산화물 제거 (청정작용), Al 용접에 적합

He -> 열전도성 우수, 에너지가 아크 내에 분산

용입이 비교적 작고 비드가 넓어지는 타원형 비드

Ar + He -> 용입이 깊고 안정된 스프레이 이행

모재가 두꺼우면 He 증가

He에 Ar 25% 혼합 시 순아르곤보다 용입 깊고,

아크안정성은 순아르곤과 동일

CO2 -> 가격 저렴, 용입 깊다. 단락이행과 입상용적이행

아크 불안정, 스패터 발생량 많다. 박판 용접에 어려움

Ar + CO2 -> 아크 안정, 용융금속 이행 촉진 ,스패터 감소

용융금속의 유동성 제고, 언더컷 방지 (연강, 저합금강, STS)

Ar + 1~5 O2 -> 제한된 산화, 언더컷 감소, 우수한 비드 형태

불활성 가스 금속 아크 용접법 (GMAW, inert gas metal arc welding, MIG)

MIG용접 특성

MIG 용접 특성

<극성특성>

극성특성

<와이어 송급방식>

와이어 송급장치는 와이어를 spool 또는 reel에서 뽑아 torch cable을 통하여

용접부까지 공급하는 장치.

- 송급방식에는 push 방식, pull 방식, push-pull 방식, double push 방식 등 4 종류가 있다.

와이어 송급방식

와이어 송급장치

용적이행과 임계전류

용적 이행과 임계전류

아크자기 제어

아크자기제어

스패터 발생

탄산가스 아크 용접법

(CO2 gas arc welding)

탄산가스 아크 용접법

(CO2)

CO2 아크 용접 방법

탄산가스 아크 용접법

(CO2 gas arc welding)

탄산가스 아크 용접 방법

탄산가스 아크 용접법

(CO2 gas arc welding)

탄산가스 아크 용접의 특성

탄산가스 아크 용접의 특성

FCAW (flux cored arc welding)

플럭스 코어드 아크 용접

FCAW (flux cored arc welding)

FCW(Flux cored wire)

FCW (flux cored wire)

FCW는 튜브 내부에 플럭스가 충전되어 있는 형으로 기존의 피복 아크 용접봉과 solid wire의 장점을 따서 최근에 새로이 개발한 아크 용접 재료

- 피복 아크 용접봉은 외부 피복제에 의해 스패터 발생이 적으며, 아크가 안정고 부드러운 등 용접 작업성이 우수하나 릴에 감을 수가 없어서 자동화가 불가능하며, solid wire는 자동화가 가능하나 플럭스가 없어 전자세 용접이 힘들고 스패터 발생량이 많은 등의 용접 작업성이 불량

- FCW는 튜브의 내부에 충전된 플럭스가 용접 작업성, 내크랙성 및 기계적 성 등의 제특성을 향상시키기 위한 주역할을 맡고 있고, 슬래그 형성제, 아크 안정제, 탈산제, 합금제 및 철분 등으로 구성

- FCW는 보호가스로 이산화탄소나 아르곤 가스 등을 사용하는 gas shielded 아크 용접 FCW와 보호가스를 사용하지 않는 self-shielded 아크용접용 FCW로 대별

FCAW (flux cored arc welding)

FCW 특징

일렉트로 가스 아크 용접 (electro gas arc welding)

  • 일렉트로 가스 아크 용접은 일렉트로 슬래그 용접과 같이 수직 자동 용접의 일종으로, 실드가스는 주로 탄산가스 또는 탄산가스와 아르곤가스와의 혼합가스를 사용

  • 단층입향용접법

  • 이 탄산가스 분위기 속에서 아크를 발생시켜 아크열로 모재를 용융시켜 용접하는 방법이다. 전극 와이어는 솔리드 와이어 또는 용제를 넣은 복합 와이어가 사용되며, 가이드 로울러에 의해 자동으로 공급

  • 용접법은 CO2 또는 Ar + O2 분위기 속에서 모재를 수직으로 고정한 I형 맞대기 이음에 수냉 구리 미끄럼판을 서서히 위쪽으로 이동시키므로 연속적인 용접 실시

  • 용접 홈은 판 두께와 상관 없이 12~16mm 정도가 좋으며 (주로 20mm 전후의 판두께에 적용), CO2 공급량은 15~20 l/min 정도

일렉트로 가스 아크 용접

일렉트로 가스 아크 용접 (electro gas arc welding) 장점

  • 수동 용접에 비하여 약 4~5배의 용융속도를 가지며, 용착금속량은 10배 이상 된다.
  • 수동 용접의 수직 자세에서는 용융금속의 낙하나 스패터 등의 손실을 고려해야 하나 이 용접법은 전혀 고려할 필요가 없으므로 용착 효율이 95% 이상 된다.
  • 판 두께에 관계없이 단층으로 상진 용접하며, 판 두께가 두꺼울수록 경제적이다.
  • 용접 장치가 간단하며, 취급이 쉽고 고도의 숙련을 요하지 않는다.
  • 수직 상태에서 횡경사 60˚~90˚ 용접이 가능하며, 수평면에 대해서는 45~90˚ 경사용접이 가능하다.

장점

일렉트로 가스 아크 용접 (electro gas arc welding) 단점

  • 정확한 조립이 요구되며, 이동용 냉각 동판에 급수 장치가 필요함
  • 스패터 및 가스의 발생량이 많다.
  • 용접 작업시 바람의 영향을 많이 받으므로 풍속 3m/sec 이상시 방풍막 필요
  • 일반적으로 용접 시작부의 5~15mm는 용입불량이 생기고, 끝부분에는 10~20mm 정도의 수축공이 생기므로 탭판을 써서 용접 후 절단하거나 용접 후 교정필요

단점

스터드 용접 (stud welding)

스터드 용접

스터드 용접이란 볼트, 환봉 등과 같은 스터드 형상의 물체를 직접 강판이나

형강에 용접하는 방법으로 볼트나 환봉을 피스톤형의 홀더에 끼우고 모재와

볼트 사이에 순간적으로 아크를 발생시켜 용접하는 방식

아크를 발생시켜서 용접을 시행하는 점에 있어서는 일반적으로 SMAW

(Shielded Metal Arc Welding)과 유사한 특성이 있으나 연속적인 용접 비드

를 형성하지 않는 차이점

스터드 용접은 사용되는 전원의 종류에 따라 직류 전원을 이용하는 아크 스

터드 용접 방식과 컨덴서를 이용한 컨덴서 방전 방식으로 구분

대체로 급열, 급랭을 받기 때문에 저탄소강에 적합

주로 철골, 건축, 자동차의 볼트 용접에 이용됨.

스터드 용접 (stud welding)

특징

  • 아크의 유지시간이 매우 짧고 입열량이 매우 작아서 변형을 최소화 할 수 있으며 용접금속과 열영향부가 최소화된다.
  • 용접부를 사전에 기계가공하거나 별도의 작업이 필요하지 않다.
  • 페룰은 아크열을 집중시키고 주위의 공기를 차단하여 용융금속의 산화 및 유출, 용착부의 오염을 방지하고 아크로부터 눈을 보호한다.
  • 적당한 비파괴검사법이 없으며 육안검사나 굽힙시험(30˚ 정도)을 활용한다.

잠호용접

(SAW, submerged arc welding)

모재 표면 위에 미리 미세한 입상의 용제를 살포하여 두고 이 용제 속으로 용접봉을 꽂아 넣어 아크를 발생시켜 아크열로 용접하는 자동 아크용접법

- 일명 잠호 용접, 유니온 멜트(Union Melt) 용접, 링컨(Lincoln) 용접법

- 모재 위에 미리 입상의 용제를 살포하고, 그 속에 와이어를 꽃아 용접하므로 아크는 용제에 의해 덮여 있어 외부에서는 보이지 않는 특징

- 용제는 대기를 차단하고, 용접 금속의 정련에 관여하며, 비드나 슬래그 형성에 기여

- 아크는 용제로 덮여 보호되며 용제는 용융되기 전에는 부도체이나 일단 융되면 전도체로 되어 전류가 흐른다. 아크와 가스가 용제 속에서 발생하여 보이지 않기 때문에 서브머지드 아크용접 또는 잠호용접이라고 불리며, 비교적 긴 용접선의 연속 용접이 가능한 두꺼운 물체에 매우 효과적

잠호용접(SAW)

잠호용접

(SAW, submerged arc welding)

장 단점

잠호용접 (SAW, submerged arc welding) 장점

  • 용접 중에 대기와 차폐가 이루어지므로 산소, 질소 등의 영향이 적다.
  • 자동 용접으로 용접속도가 빠르다.
  • 용접 금속의 기계적 성질이 우수하고 신뢰도가 높으며 품질이 양호하다.
  • 용제의 단열 작용으로 용입을 크게 할 수 있다.
  • 높은 전류 밀도로 용접할 수 가 있다.
  • 용접 조건이 일정하면 용접공의 기술 차이에 의한 용접 품질의 격차가 적고, 강도가 좋아서 이음의 신뢰도가 높다.
  • 용입이 깊으므로 용접 홈의 크기가 작아도 상관이 없고 용접 재료의 소비가 적어 경제적이다.
  • 대량 생산에 적합하고 용접 후 변형이 적다.
  • 열효율이 높고 비드 외관이 아름답다.
  • 위빙할 필요가 없어 용접부 홈을 작게 할 수 있으므로 용접재료의 소모가 적다.
  • 유해환경이나 퓸(fume)의 발생이 적어 작업 환경이 개끗하고 바람의 영향을 거의 받지 않는다.
  • 대전류, 다전극 용접의 채용이 가능하다.

잠호용접

(SAW, submerged arc welding)

용접 전류

  • 직류용접
  • 교류용접
  • 다전극 용접

용접전류

잠호용접

(SAW, submerged arc welding)

잠호 용접 재료

  • 와이어
  • 용제

용접 재료

잠호용접

(SAW, submerged arc welding)

용접 조건

  • 용접 조건 선정
  • 용접 장치

용접조건 및 요소

플라스마 아크 용접

(PAW, plasma arc welding)

  • 비소모성 전극과 용융지 사이의 제한된 아크(transferred arc, 이행식) 또는 비소모성 전극과 고도로 조정된 노즐 사이의 제한된 아크(nontransferred arc, 비이행식)와 플라스마 기류에 의한 용접법

  • 기체를 가열하면, 기체원자는 전리되어 양이온과 음이온으로 나누어진다. 이와 같이 양이온과 음이온이 혼합되어 도전성을 띈 가스를 플라스마

  • 1만~3만도의 고온 플라즈마를 적당한 방법으로 한 방향으로만 분출시키는 것을 플라즈마 제트(plasma jet)라 부르고 각종 금속의 용접, 절단 등의 열원으로 이용하는 것으로서 이 플라즈마 제트를 용접 열원으로 하는 용접법이 플라스마 제트 용접

  • 이행식: 전극- 모재 + (모재가 도체인 경우만 용접 가능)
  • 비이행식: 전극- 수축 노즐 + (모재가 부도체인 경우도 용접 가능)

플라즈마 아크 용접

플라스마 아크 용접

(PAW, plasma arc welding)

플라즈마 용접의 장점

  • 플라즈마 젯트의 에너지 밀도가 크고, 안정도가 높아 보유 열량이 크다.
  • 비드 폭이 좁고, 용입이 깊다.
  • 용접 홈은 I 형이면 되고, 용접봉의 소모가 적다.
  • 용접 변형이 적다.
  • 용접 속도가 빠르고, 각종 재료의 용접이 가능하다.
  • 토치와 용접재와의 거리에 다른 용접변수가 작으므로 다양한 용접자세가 가능하다.
  • 용접부가 대기로부터 보호되어 야금적, 기계적 성질이 양호하고 변형도 적다

장 단점

플라즈마 용접의 단점

  • 용접 속도를 크게 하면 가스의 보호가 불충분하다.
  • 용접부의 경화현상이 일어나기 쉽다.
  • 장비가 고가이고 아크의 집중도가 높아 용접부의 정렬 어긋남이 발생할 수 있다.
  • 키홀 용접시 언더컷이 발생하기 쉽다.

플라스마 아크 용접

(PAW, plasma arc welding)

GTAW와 비교

기타 아크 용접

기타 아크 용접

  • 키 홀 플라즈마 아크 용접 (key-hole plasma arc welding)
  • 단락 옮김 아크 용접법 (Short arc welding)
  • 원자 수소 아크 용접 (atomic hydrogen arc welding)

키 홀 플라즈마 아크 용접

(key-hole plasma arc welding)

두께 1.6~9.5mm 정도의 비교적 박판을 PAW을 사용시 플라즈마 아크의 높

은 에너지 밀도로 인하여 용접 비드 선단에 용접재를 관통하게 되는 깊은 용

입으로 용융 홀이 생기는데 이를 key-hole

용접이 진행되면 key-hole 앞부분은 용융이 되고 뒷부분은 응고가 된다. 따라

서 1패스 용접이 가능하고 key-hole을 통해 불순물과 계면의 가스가 빠져나

갈 수 있다.

다만 오리피스 가스의 유속이 과다하면 절단이 이루어지므로 오리피스 가스

의 유속에 세심한 주의를 기울여야 한다.

키 홀 플라즈마 아크 용접

Key-hole Plasma Arc Welding은 용융금속 내에 기공으로 잔류할 수 있는 가스의 방출을 쉽게 해 준다.

키홀을 중심으로 용융금속의 대칭적인 형상으로 가로 방향의 변형을 줄일 수 있다.

또한 높은 용입 효과로 약 10mm 이하의 경우 1패스 용접이 가능하며, 용접조인트의 그루브 가공 없이 맞대기 용접을 할 수 있어서 경제적

다만 용접 변수가 GTAW 보다 다양하여 제어가 어렵고 후판의 경우 작업자의 숙련된 기술이 필요

알루미늄을 제외하고는 아래보기 자세로 제한되며, 플라스마 토치의 세심한 관리가 필요

단락 옮김 아크 용접법

(Short arc welding)

단락 옮김 아크 용접법은 MIG 용접이나, 탄산 가스 용접 등에서 와이어가 용

융 풀에 접촉할 때, 와이어에서 용적이 이행하도록 하여 얇은 판에서도 용락

없이 용접할 수 있도록 고안된 용접법

(딥 트랜스퍼 아크(deep-transfer arc) 또는 숏 아크(short arc) 용접)

탄산가스 아크 용접에서는 스패터를 적게 하기 위하여 아크 길이를 짧게 하지

만, 단락전류가 과대해지기 때문에 순간적 단락으로 용융금속을 뿜어 날려 스

패터로 된다. 따라서 단락 전류를 적당한 값으로 조정하고, 핀치 효과와 용융

풀의 표면장력을 이용하여 단락 이행과 아크의 발생을 반복시키고, 와이어의

용적을 원활히 이행

용접기에 적당한 인덕턴스를 추가한 것이 이용되고, 단락 전류는 와이어 직경

1.2mm이면 250A 이하, 2.0mm이면 350A 이며, 단락 횟수는 매초 100회 정

단락 옮김 아크 용접

원자 수소 아크 용접

(atomic hydrogen arc welding)

가스 실드 용접의 일종으로 수소 가스 분위기에서 2개의 텅스텐 전극 사이에 아크 발생

이때 분자상 수소는 아크로 해리하여 원자 상태의 수소가 되고 원자상태의 수소는 모재면에서 냉각되고 재결합되어 분자상 수소

분자상 수소가 원자상태의 수소로 해리되었다가 재결합 할 때의 발생하는 열(3000~4000도)을 이용하여 용접하는 방법

원자 수소 아크 용접

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