3.3 TIG 용접(Tungsten Inert Gas Welding, TIG)

3.3.1 TIG 용접의 기초

(1) TIG 용접의 원리

TIG 용접은 비소모성 텅스텐 용접봉과 모재간의 아크열에 의해 모재를 용접하는 방법으로서 그림 3.3.1의 원리도와 같이 용접부 주위에 불활성가스를 공급하면서 용접하는 것이다.

그림 3.3.1 TIG용접의 원리도 및 용접 사진

(2) TIG 용접의 장점 및 단점

1) TIG 용접의 장점

TIG 용접은 용접 입열의 조정이 용이하기 때문에 박판 용접에 매우 좋다. 텅스텐 전극봉이 비소모성이므로 용가재의 첨가 없이도 아크열에 의해 모재를 녹여 용접할 수도 있고 거의 모든 금속의 용접에 이용할 수 있다. 그러나 용융점이 낮은 금속 즉, 납, 주석 또는 주석의 합금 등의 용접에는 이용하지 않는다.

▶ 용접부의 기계적성질이 우수하다.

▶ 내부식성이 우수하다.

▶ 플럭스가 불필요하여 비철금속 용접이 용이하다.

▶ 보호 가스가 투명하여 용접작업자가 용접 상황을 잘 파악할 수 있다.

▶ 용접 스패터를 최소한으로 하여 전자세 용접이 가능하다.

▶ 용접부 변형이 적다.

2) TIG 용접의 단점

TIG 용접은 일반적으로 SMAW, SAW, GMAW 등의 방법으로 쉽게 용접이 가능한 경우에 이들 용접방법과는 비용에 있어서 경쟁이 안될 정도로 전체의 가격 상승을 가져오는 경우가 있는데 그것은 다음과 같다.

▶ 소모성 용접봉을 쓰는 용접 방법보다 용접 속도가 느리다.

▶ 용접 잘못으로 텅스텐 전극봉이 용접부에 녹아 들어가거나 오염될 경우 용접부가 취화되기 쉽다.

▶ 부적당한 용접 기술로 용가재의 끝부분이 공기에 노출되면 용접금속이 오염된다.

▶ 불활성 가스와 텅스텐 전극봉은 다른 용접 방법과 비교해 볼 때 고가이다.

▶ SMAW와 같은 다른 용접 방법에 비해 용접기의 가격이 비싸다.

3.3.2 용접 장치 및 재료

(1) 용접기기

1) 장치도

다음 그림 3.3.2와 같이 전원(Power supply), 토치, 비소모성 전극, 실드가스 공급을 조절하는 유량계로 이루어져 있다.

그림 3.3.2 TIG 용접의 기본적인 장치도

2) 전 원

현재 사용되고 있는 TIG 용접기 전원은 정전류 특성인 AC 또는 DC이다. 이때 AC 또는 DC 용접기의 선택은 요구되는 용접 특성 및 모재의 재질에 따라 좌우된다. 예를 들어 어떤 금속은 AC 전원으로 보다 쉽게 용접되는 반면에, 다른 금속들은 DC 전원으로서 좋은 결과를 얻을 수 있다. AC, DC 전원으로 용접할 때의 특성은 다음과 같다.

(가) 직류 봉 마이너스(DCEN)

같은 크기의 용접봉으로도 높은 전류를 사용할 수 있기 때문에 그림 3.3.3과 같이 용입이 깊고, 용접속도가 빠르고, 비드 폭이 좁아진다. 일명 직류 정극성(DC Straight polarity)라고도 한다.

그림 3.3.3 직류 봉 마이너스에서의 이온들의 움직임과 용입현상

(나) 직류 봉 플러스(DCEP)

거의 사용하지 않고 특수한 경우 Al, Mg 등의 박판용접에 사용한다.

▶ 용접봉에 발생열이 많기 때문에 용접봉 끝이 녹아 내릴 염려가 있고, 같은 전류에서 DCEN보다 4배 정도 사이즈가 큰 용접봉을 사용한다.

▶ 아르곤을 쉴드가스로 사용할 때 청정작용(Cleaning action)이 있다.

▶ 그림 3.3.4와 같이 용입이 얕고, 비드 폭이 넓다.

그림 3.3.4 직류 봉 플러스에서의 이온들의 움직임과 용입현상

(다) 교류(AC)

▶ 고주파(HF) 전원을 첨가하여 사용한다.

▶ 용입과 비드 폭은 DCEN과 DCEP의 중간이다.

▶ 청정작용은 DCEP일 때의 반 정도가 일어난다.

표 3.3.1 극성에 따른 비드 형상비교

■ 고주파 교류전원의 일반 교류 전원에 비한 장점

▶ 전극을 모재에 접촉시키지 않아도 아크가 발생한다.

▶ 아크가 안정된다.

▶ 긴 아크를 유지할 수 있으므로 육성 용접이나 표면경화 작업에 용이하다.

▶ 텅스텐 용접봉에 많은 열을 받지 않는다.

▶ 일정한 용접봉 사이즈로 사용할 수 있는 전류 범위가 크고, 보다 낮은 전류로 용접이 용이하다.

3) 청정작용(Cleaning action)

청정작용이란 용접시 용접봉과 모재 사이의 극성 배치가 그림 1.4와 같이 전극봉이 양극(＋), 모재가 음극(－)으로 연결되었을 때(DCEP일 때) 음극쪽인 모재 표면에 발생하는 음극 청정작용(Cathode Cleaning Action)으로 산화막이 제거되는 것을 뜻한다. 이 청정작용은 대부분의 금속에서 발생하며 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg) 등과 같이 산화력이 높으며, 산화물의 용융온도가 모재의 용융온도보다 높은 재질에서 특히 중요하다. 이 재질의 용접시에는 산화물이 녹지 않고 용융지를 덮고 있어 용융지의 흐름이나 용적과 용융금속간의 결합을 방해하기 때문에 용접이 곤란하다. 따라서 가스 용접이나 수동아크 용접시에는 산화물을 화학 반응으로 제거할 수 있는 용제를 사용해야 하며, 불활성 가스 아크 용접시에는 청정작용으로 모재 표면의 산화막이 제거되어 용제 사용없이 용접할 수 있다.

그러나 TIG 용접시 DCEP일 경우에는 아크에서의 열평형이 텅스텐 전극봉쪽으로 70% 정도 쏠려 전극봉이 과열되어 녹을 염려가 있기 때문에 DCEN의 경우보다 지름이 큰 전극봉을 사용해야 하며, 사용할 수 있는 전류의 세기도 제한된다. 따라서 Al합금의 TIG 용접시에는 교류전류를 사용하며, MIG 용접시에도 DCEP을 사용하는 것이 일반적이다.

그림 3.3.5에는 아크의 극성변화에 따른 양이온과 음이온의 거동을 나타내었다.

그림 3.3.5 아크의 극성 변화에 따른 양이온과 음이온의 거동

4) 토 치

종류는 냉각 방법에 따라 공랭식(100A 이하)과 수냉식(100A 이상)의 두가지가 있다.

가스컵(가스 노즐)의 크기는 사용하는 텅스텐 전극봉 직경의 4-6배 정도가 적당하며, 컵 사이즈가 작으면 과열되어 잘 깨지고, 너무 크면 실드가스 소모가 많다.

그림 3.3.6 TIG 용접 토치의 단면도

3.3.2 용접 장치 및 재료

(2) 용접재료

1) 전극봉

각 용접에서 정확한 종류와 사이즈의 전극봉을 사용하는 것은 중요하며, 적당한 전극봉으로 용접해야 만족할만한 결과를 얻는다.

표 3.3.2 텅스텐 전극봉의 종류

(가) 전극 가공

(a) DCEN으로(연강 또는 스테인리스강) 용접할 때는 끝을 뾰족하게 가공하는데, 전극봉 끝의 경사각에 따라 비드 형상, 아크력, 언더컷 및 험핑비드에 영향을 준다.

(b)AC(알루미늄, 마그네슘), DCEP(알루미늄, 마그네슘 등의 박판)로 용접할 때는 끝을 볼(ball)형상으로 가공하거나 가공전 상태의 텅스텐 전극봉을 DCEP로 용접하거나 구리판에 아크를 발생시키면 전극봉 끝이 자동적으로 반원의 볼(ball)형상이 된다. 이러한 볼형상의 크기는 전극봉 직경의 1.5배 이상되지 않아야 한다.

(나) 전극봉 끝의 경사각에 따른 비드 형상

그림 1.7에 가공된 전극 끝의 형상을 나타내었다.

그림 3.3.7 가공된 전극 끝 형상 DCEN 전극은 경사각에 따라 비드 형상이 달라지는데 그 이유는 전자가 전극봉의 경사진 표면으로부터 수직으로 발산되기 때문이다.

다음 그림 3.3.8의 30°각도인 경우와 같이 연필처럼 길게 경사진 경우는 아크가 약하며, 용입이 얕고 비드폭이 넓어진다. 반대로 끝이 무뎌질수록 아크가 집중되어 용입이 깊어진다.

그림 3.3.8 같은 전류 범위에서 텅스텐 전극 경사각이 용입과 비드폭에 미치는 영향

(다) 텅스텐 전극봉의 수명을 단축시키는 요인

(a)너무 높은 전류를 사용함으로써 전극봉 끝이 녹아 내린다.

(b) 용접이 끝난 후 보호 가스를 제대로 공급하지 않아 텅스텐이 산화된다.

(c) 용접중 텅스텐 전극봉과 모재 또는 용가재와 부딪칠 경우 전극봉 끝이 오염된다.

(d) 가스 노즐 속으로 공기가 침투하여 전극봉이 산화되어 용융지에 녹아 들어간다.

2) 보호 가스(Shield gas)

주로 아르곤과 헬륨을 많이 사용하며, 각각의 특징은 표 3.3.3과 같다.

표 3.3.3 아르곤과 헬륨의 특징

[비고] 혼합가스 : 헬륨(25% 또는 50%)과 아르곤(75% 또는 50%)을 혼합한 가스는 순아르곤일 때보다 용입이 깊고, 아크 안정성은 순아르곤일 때와 거의 같다.

3.3.3 플라즈마 아크 용접의 용도

1) TIG 용접에서 용접 가능한 탄소강, 합금강, 스테인리스강, 구리합금, 니켈합금 및 티타늄 합금 등의 재료는 용접가능하다.

2) 0.05-1.6mm의 두께도 저전류 플라즈마 용접으로 가능하다.

3) 6.4mm 이하의 두께는 단층 용접으로 가능하며, 6.4mm 두께에서는 I형 맞대기로 용가제 없이 용접가능하므로 TIG 용접보다 2배 빨리할 수 있다.

3.4 가스 금속 아크용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)

3.4.1 GMAW의 원리 및 특징

가스 금속 아크용접은 기본적으로 용가재로서 작용하는 소모전극 와이어를 일정한 속도로 용융지에 송급하면서 전류를 통하여 와이어와 모재사이에서 아크가 발생되도록 하는 용접법이다. <그림1>에는 GMA용접의 원리를 나타내었다.

< 그림 1 > GMA용접의 원리

이 용접법에서는 <그림1>에서 보는 바와 같이, 연속적으로 송급되는 와이어가 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하게 되며, 용융부위는 가스노즐을 통하여 공급되는 보호가스에 의해 주위의 대기로부터 보호된다.

<표1> GMAW의 장·단점(SMAW에 대한 비교)

<표1> GMAW의 장·단점(SMAW에 대한 비교)

장 점	단 점
* 용접봉을 갈아 끼우는 작업이 불필 요하기 때문에 능률적이다. * 슬래그가 없으므로 슬래그 제거 시 간이 절약된다. * 용접재료의 손실이 적으며 용착효 율이 95%이상이다.(SMAW :약 60%) * 전류밀도가 높기 때문에 용입이 크다.	* 용접장비가 무거워서 이동하기 곤란하고, 구조가 복잡하고 고장률이 높으며 고가이다. * 용접토치가 용접부에 접근하기 곤란한 조건에서는 용접기 불가능하다. * 바람이 부는 옥외에서는 보호가스가 보호역할을 충분히 하지 못하므로 방풍막을 설치하여야 한다.

이 용접법은 사용되는 보호가스의 종류에 따라 분류되고 있는데, Ar과 같은 불활성 가스를 사용하는 것을 미그용접(Metal Inert Gas, MIG)이라고 하고, 순수한 탄산가스 만을 사용하는 것을 탄산가스 아크용접(CO2

용접)이라고 한다. 그리고, 탄산가스와 Ar가스가 혼합된 가스를 사용하는 것을 마그용접(Metal Active Gas, MAG)이라고 부르고 있다. GMA용접법은 피복아크 용접(SMAW)법에 비해서 능률적이다. 이것은 비교적 세경(0.9-1.6mm)의 전극와이어를 사용하므로 대전류 밀도(SMAW의 약 6배)가 가능하게 되어 용착속도가 높기 때문이다. 또, 용접 로봇이나 자동하기기 등을 사용하여 용접 자동화가 비교적 용이한 것도 용접 생산성을 높일 수 있는 요인 중의 하나이다. 결점으로는 SMAW에 비해서 장비가 다소 복잡하고 고가라는 측면과 경우에 따라서는(CO2

용접) 스패터가 다량 발생한다는 것이다. 스패터가 모재 표면에 부착하면 외관을 손상 시키고, 노즐에 부착하면 보호가스의 공급을 원활치 못하게 하여 품질을 저하시키고 화재의 위험성이 있다.

3.4.2 GMAW의 분류

(1) MIG용접

- 개요 : 불활성가스에 소량의 산소 또는 수소를 혼합하는 경우도 있는 데, 산소나 수소는 아크 안정제의 역할.

- 적용 : 알루미늄 합금에 많이 적용, 내열합금 또는 스테인리스 강에도 적용.

(2) MAG용접

- 개요 : 열적 핀치효과가 CO2

가스보다 작고, 전위경사도가 낮은 Ar가스를 80%정도 혼합하기 때문에 스패터가 적고, 대전류 영역에서는 완전한 Spray 이행이 생김. MAG용접용 와이어에는 탈산제가 적게 포함됨.

- 적용 : 박판용접(얕은 용입), 저합금강, 고장력강에 주로 적용하며, 아연도금강판에 적용하면 기공(Blow hole)이 방지됨.

(3) CO2용접

- 개요 : 열적 핀치효과가 크고 전위경사도가 큰 CO2

가스를 실드가스로 쓰기 때문에 용입이 깊고 스패터가 많이 생기지만, 가격이 싸다. 와이어에는 2대 탈산 원소(Si, Mn)를 많이 첨가. 심한 스패터가 최대의 문제.

- 적용 : 일반 연강, 고장력강, 주로 t3.2mm이상의 중후판에 적용.

3.4.3 용융금속의 이행 현상

(1) 용적에 작용하는 힘

용적에 작용하는 힘은 여러 가지가 있으나, 크게 <그림1>에 나타낸 바와 같이 다음 4가지의 힘으로 설명되고 있다.

① 중력(gravitational force) : FG

② 표면장력(surface tension) : Fr

③ 전자기력(electromagnetic force) : Fem

④ 항력(plasma drag force) : FS

< 그림 1 > 용적에 작용하는 힘

< 그림 2 > 전류변화에 따라 용적에 작용하는 힘들의 변화

<그림2>에는 이들 힘의 크기와 방향이 용접전류 증가에 따라 이떻게 변하는가를 보여주고 있는데, 이 그림에서 보듯이 Fr

은 전류의 영향을 거의 받지 않지만, 나머지 힘들(FG

, Fem

, Fs

)은 용접전류의 크기에 따라 크게 영향을 받고 있다. 특히, Fem

은 용접전류가 증가함에 따라서 직선적으로 증가하여 250A이상에서는 가장 큰 힘이 된다. 따라서, 낮은 전류영역에서는 표면장력(Fr

)이 가장 큰 힘으로 작용하지만, 높은 전류영역에서는 전자기력(Fem

)이 주도적인 역할을 하게된다. 이러한 역할 변화로 인하여 금속이행은 용접전류에 따라 그 양상이 변화하게 된다.

3.4.3 용융금속의 이행 현상

(2) 금속이행 형태의 분류

국제용접학회(IIW)에서는 용가재가 아크열에 의해 용융되어 용융지로 이행하는 모든 형태를 <표1>과 같이 분류하고 있으며, <그림1>은 이들 이행 현상을 도식적으로 보여주고 있다. 여기서는 GMAW에서 나타나는 이행형태에 대해서만 설명하고자 한다. GMAW에서 용융금속이 이행하는 양상(mode)은 크게 두 가지로 분류된다. 하나는 와이어 선단에서 생성된 용적이 와이어로부터 이탈되어 금속방울 상태로 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하는 형태로써, 이를 자유비행 이행이라고 한다. 이것은 다시 이행되는 용적의 크기에 따라 입상용적 이행과 스프레이 이행으로 분류된다.

<표1> 국제용접학회(IIW)의 금속이행 현상 분류

이행 현상 명칭	용접기법(예)
1) 자유비행( free flight) 이행 * 입상용적(globular) 이행 - 드롭(drop) 이행 - 반발(repelled) 이행 * 스프레이(spray) 이행 - 프로젝티드(projected) 이행 - 스트리밍(streaming) 이행 - 회전(rotating) 이행 * 폭발(explosive) 이행	저전류 GMAW CO2 GMAW 중저전류 GMAW 중전류 GMAW 고전류 GMAW SMAW
2) 브리징(bridging) 이행 * 단락(short circuiting) 이행 * 연속브리징(bridging without interruption)	GMAW(단락조건),SMAW 용가재를 첨가하는 용접
3) 슬래그 보호(slag-protected) 이행 * 플럭스유도(flux-wall guided) 이행 * 기타	SAW SMAW, FCAW, ESW

< 그림 1 > GMA용접의 용적 이행 현상

(a) 입상용적이행 (b) 반발이행 (c) 프로젝티드이행 (d) 스트리밍이행 (e) 회전이행 (f) 폭발이행 (g) 단락이행

다른 하나는 와이어 선단에 형성된 용적이 용융지와 순간적으로 접촉하여 가교(bridging)를 형성한 상태에서 용융금속이 용융지로 흘러내리는 형태인데, 가교가 형성된 상태에서는 전기적 단락이 발생하기 때문에 이르 단락이행이라고 한다.

1) 단락(short circuiting) 이행

단락이행은 보호가스 조성에 관계 없이 저전류, 저전압 조건에서 나타나는 이행형태이다.

<그림2>에는 단락이행 과정과 그에 수반되는 용접전류-전압의 순간적인 변화를 보여주고 있다.

< 그림 2 > 단락이행 과정과 용접전류, 전압의 변화

먼저, 와이어 선단에서 형성된 용적이 충분히 성장하지 못한 상태에서 용융지와 접촉하게 되면, 전기저항이 급격히 저하하고 용접아크는 소멸된다. 따라서, 단락과 동시에 용접전압은 거의 수직으로 감소하고, 용접전류는 단락이 유지되는 동안(a-d) 급격히 상승한다.

용융금속은 단락이 유지되는 동안 중력과 용융지로부터의 흡인력(표면장력)에 의해 용융지로 이동하게 되는데, 단락 말기에는 단면적이 적어지면서 전류 밀도가 증가하여 저항열에 의한 단락부의 온도 상승과 전자기력에 의한 핀치효과가 추가되어 용융금속의 이행은 더욱 촉진되며 결극 와이어와 용융지는 분리된다.(e) 용융지와 와이어가 분리되는 순간 아크는 재생성되면서 아크전압 상태로 급상승하게 되고, 전류는 아크가 유지되는 동안 점차적으로 감소하여 최종적으로 아크 전류 상태가 되면서 한 주기를 마무리하게 된다. 단락이행 과정에서 용접전류는 상승과 하강을 반복하게 되는데, 상승 및 하강속도는 용접전원의 인덕턴스에 의해 결정된다. <그림3>은 CO2

용접에서 일어나는 단락이행 과정을 고속촬영하여 순차적으로 보여주는 것이다.

단락이행 과정에서 가장 큰 역할을 하는 힘은 전자기력, 중력과 표면장력인데, 표면장력의 크기는 보호가스의 조성에 따라 변화한다. 다라서, 보호가스의 조성은 단락 기간과 횟수 등에 큰 영향을 주게 된다.

< 그림 3 > CO2

용접에서의 단락이행 과정

2) 입상용적(globular) 이행

GMAW에서 전류가 비교적 낮은 경우에는 보호가스 조성에 관계없이 입상용적 이행하는 형태가 나타난다. 그러나, 보호가스가 CO2

나 He

일 경우에는 사용 가능한 용접전류 전 범위에서 입상용적 이행이 나타난다. 입상용적 이행은 이행되는 용적의 직경이 용접 와이어의 직경보다 크다는 것과 용적이 용융지와 직접 접촉하지 않는다는 것이 특징인데, 와이어 선단에서 와이어 직경의 2-3배 정도의 크기로 성장된 용적이 중력에 의해 이탈되어 초당 수 개에서 수십 개씩 용융지로 자유낙하되는 형태로써, <그림 4>에는 입상용적 이행 과정을 단계별로 보여주고 있다. 이러한 용적이행 조건에서 아크 길이가 짧아지게 되면(즉, 용접 전압이 낮아지면) 성장된 용적이 용융지와 접촉되지 쉽기 때문에 순간적인 단락현상이 나타나게 된다.

< 그림 4 > 입상용적(drop) 이행과정

순간 단락이 발생하면 급격한 전류 상승을 동반하여, 용적은 급격히 가열되고 폭발성으로 분산되기 때문에 심한 스패터를 발생하게 된다. 따라서, 입상용적 이행이 안정적으로 이루어지기 위해서는 용적이 완전히 이탈될 수 있을 정도의 아크 길이를 유지할 필요가 있다.

한편, 입상용적 이행에 있어서 보호가스의 조성은 용적이행 및 아크 안정성에 커다란 영향을 미친다. 먼저, Ar 가스를 주성분으로 하는 조성에서는 용적이 구형이며(그림4), 아크는 용적 전체를 감싸고 있어 이행이 매우 안정적으로 이루어진다. 그러나, CO2

의 경우에는 아크가 용적의 하단부에만 집중되어 있어 용적에는 전자기적인 반발력이 작용하게 된다. 결국 CO2

용접에서는 그림 2.8과 같이 용적이 매우 불규칙한 형상을 가질 뿐만 아니라 이행과정에서 큰 스패터가 다량 발생한다. 이와 같이 입상용적 이행에서는 용적형상이 반발력 유무에 따라 상이한 관계로, 전자를 드롭(drop)이행, 후자를 반발(repelled)이행이라고 구분하기도 한다.

< 그림 5 > CO2

용접(플럭스 코어드 와이어 사용)에서의 용적 이행

3) 스프레이(spray) 이행

Ar 가스를 주성분으로 하는 보호가스 분위기에서는 용접전류가 증가함에 따라 <그림6>에서 보여주는 바와 같이 특정 전류에서 용적의 크기가 급격히 변화한다. 이러한 전류를 천이전류라고 하는데, 용접전류가 천이전류보다 낮은 경우에는 입상용적 이행이 나타나고, 그 이상일 때는 와이어의 직경보다 작은 용적들이 초당 수백회 정도의 높은 빈도수로 이행하는 현상이 나타난다.

< 그림 6 > 용적의 크기 및 이행횟수에 미치는 용접전류의 영향

이러한 이행 형태를 스프레이 이행이라고 하는데, 입상용적 이행이 스프레이 이행으로 바뀌는 천이전류는 용접재료의 화학조성 및 와이어직경에 따라 <표2>과 같다.

스프레이 이행에서는 전자기력이 가장 큰 영향을 미치는 힘이 되는데, 전자기력은 와이어 축에 수직한 방향으로 작용하며 핀치효과가 있어 용적이 크게 성장하기 전에 와이어 선단으로부터 이탈시켜 용융지로 투사하는 원동력이 된다. 스프레이 이행 형태는 전류가 증가함에 따라 프로젝티드(projected) 이행, 스트리밍(streaming) 이행 및 회전(rotating) 이행 등으로 구분된다. 실제 용접 아크를 자세히 관찰하여 보면 프로젝티드 이행인 경우는 삼각형 모양의 아크 기둥만이 보이고, 스트리밍 이행인 경우에는 삼각형의 아크 기둥 중아에 용적이 물줄기를 이루고 있는 검은선을 관찰할 수 있으며, 회전이행의 경우에는 아크 기둥이 종 모양으로 바뀌면서 매우 큰 소음을 낸다.

< 표 2 > 용접재료 및 직경에 따른 천이전류

① 프로젝티드(projected) 이행 - 와이어 직경과 비슷한 크기의 둥글고 작은 용적이 와이어 선단부에서 빠른 속도로 모재로 방출된다. 이 형태는 스프레이 이행으로 천이한 초기이행 형태로써 와이어의 끝이 뾰족하지 않다.(그림7) 아크는 매우 안정적이며 소음도 적다.

< 그림 7 > 프로젝티드 이행

② 스트리밍(streaming) 이행 - 프로젝티드 이행 조건에서 전류를 증가시키면 나타나는 형태로써, 와이어 선단이 연필심과 같이 뾰족한 모양을 하고 있다. 뾰족한 와이어의 끝으로부터 매우 미세한 용적이 빠르게 형성되어 용융지로 투사되기 때문에 외관상으로는 액체가 흐르듯이 연속적으로 이행하는 것처럼 보인다.(그림8) 아크는 안정하며 소음도 매우 적다.

< 그림 8 > 스트리밍 이행

③ 회전(rotating) 이행 - 스트리밍 이행 조건보다 높은 전류에서 발생하는 이행 형태로써, 저항열과 아크 열에 의해 용융된 와이어의 끝이 전자기력의 영향을 받아 나선형 궤적을 그리면서 빠른 속도로 용융지로 이동하는 형태이다.(그림9) 불안정한 회전 이행 조건으로 용접이 이루어지면 아크가 불안하고 대형 스패터를 일으킨다.(그림10)

< 그림 9 > 회전 이행

< 그림 10 > 불안정 회전 이행

3.4.4 용접재료

(1) 보호가스

보호가스의 일차적인 목적은 용융금속을 대기로부터 차단하여 금속의 산화 및 질화를 방지하는 것이다. 그밖에도 보호가스는 다음과 같은 사항에 상당한 영향을 끼치기 때문에 적절한 조성의 선택에 주의하여야 한다.

* 아크 특성

* 용적이행 모드

* 용입 깊이 및 비드 형상

* 용접 속도

* 언더컷 결함 발생 정도

* 청정작용

* 용착 금속의 기계적 성질

* 용접 비용

일반적으로 GMAW에 사용되는 가스는 Ar, He, CO2

로써 이들 가스 중 2가지 이상을 혼합하여 사용하거나 산소 등을 소량 첨가하는 경우도 있다. <표1>는 용접 재료에 따른 보호가스의 선택 기준을 보여주고 있다.

< 표 1 > GMA용접의 보호가스 선택 기준

재 료	보호가스	장 점
탄 소 강	Ar+O2 (2-5%) Ar+CO2	* 아크 안정성을 증대시킨다. * 순 Ar일 때보다 용접속도가 빠르고, 언더컷을 최소화한다.
	CO2	* 가격이 저렴하다.
스테인리스강	Ar+O2 (1%)	* 아크 안정성을 증가시킨다. * 용융금속의 유동성이 좋고 용융지 조성이 쉽 다. * 결합이 잘 되고 비드 형상이 좋다.
	Ar+O2 (2%)	* 후판에서 언더컷이 최소화된다. * 박판 스테인리스강 용접에서 1%O2 혼합가스 보다 용접속도 및 아크 안정성이 우수하다.
알 루 미 늄	Ar	* 25mm이하 : 용융금속 이동 형태와 아크 안정 성이 좋고 스패터가 적다.
	Ar(35%)+He(65%)	* 25-75mm : 순 Ar보다 용접 입열이 크다.
	Ar(25%)+He(75%)	* 75mm이상 : 용접 입열이 최대로 되고 기공이 감소된다.

1) Ar 및 He 가스

Ar과 He가스는 화학적으로 불활성이므로 용접부에서 다른 물질과 결합하지 않는다. 그러나, 이들은 <표2>에서 보는 바와 같이 밀도, 열 전도도, 전기 전도도 및 이온화에너지 등에 있어서 커다란 차이가 있기 때문에 아크 특성 및 보호 효과에도 차이가 있다. Ar은 공기보다 약 1.4배 무거운 반면, He는 약 0.14배 정도 가볍다. 따라서, 아래보기 자세에서 용융금속을 보호한다는 관점에서 보면 Ar 가스가 보다 효율적인데, He 가스로써 같은 정도의 보호 효과를 얻으려면 2-3배 정도의 유량이 필요하게 된다. 또한, Ar 가스는 열 전도성이 낮아서 에너지가 플라즈마 중앙부에 집중되어 종 모양의 비드를 만드는 반면, He 가스는 열전도성이 높기 때문에 에너지가 아크 내에 균일하게 분산되어 타원형의 비드 형상을 가지게 된다. <그림1> 아크특성에 있어서는, He의 이온화에너지가 Ar 보다 높기 때문에 용접전압을 높게 사용하여야 한다. 그리고, He 가스만을 사용하면 안정된 스프레이 이행을 얻을 수 없기 때문에 스패터가 많이 발생하고 비드 외관이 거칠어진다는 단점이 있다. 따라서, Ar과 He 가스를 혼합해서 사용하게 되면 두 가지 가스의 장점을 모두 얻을 수 있다.

< 표 2 > 주요 보호가스의 특성 비교

항 목	He	Ar	CO2
밀도(21℃, 1atm) kg/m3	0.1667	1.656	1.833
열전도율(5,000K) W/m·K	0.9	0.144	0.127
전기저항(10,000K) ohm-m	6.0×10-2	3.0×10-4	-
이온화 전위 eV	24.580	15.7551	15.3-20.3

< 그림 1 > 보호가스에 따른 비드 형상 및 용입 깊이의 변화

2) Ar과 O2

(또는 CO2

)의 혼합가스

Ar은 안정된 스프레이 이행을 하므로 스패터 발생이 적은 보호가스이다. 그러나, 순수한 Ar 가스만을 사용하면 비드 가장자리에 언더컷과 같은 결함을 야기시킨다. 이와 같은 결함 발생을 방지하기 위해 Ar에 O2를 1-5% 또는 CO2를 3-25% 정도 첨가한다. 이들이 첨가되면 용융금속에서 약간의 산화 작용이 일어나게 되고 아크 안정성이 현저하게 개선되며, 생성된 산화물은 일종의 플럭스 역할을 하여 언더컷이 발생하지 않는다. 따라서 Ar+O2 혼합가스는 스테인리스 강 용접에 일반적으로 많이 사용되고 있다. 한편, 연강이나 저합금강에서는 스패터 발생량을 줄이기 위해서 Ar+CO2 혼합가스가 주로 사용되고 있다.

3) CO2

가스

CO2는 반응성이 매우 강한 가스이지만 가격이 저렴하고, 용입이 깊다는 장점이 있어서 연강이나 합금강 용접에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 CO2는 가스의 특성상 단락이행과 입상용적 이행 모드만이 나타나기 때문에 저전류 범위에서 아크가 불안하고 아크 소음이 크다. 또, 스패터 발생량이 많다는 취약점이 있어서 이러한 단점을 개선하기 위하여 새로운 용접기 및 용접재료가 다양하게 개발되고 있다.

4) 3원계 이상의 혼합가스

Ar 가스를 기본으로 하고, 여기에 He, CO2

또는 O2 등을 2종 이상 혼합한 가스가 여러 가지 조성으로 상품화 되고 있다. 이들은 각각의 가스들이 가지는 장점을 극대화하여 용접 작업성을 향상시키고자 한 것이다. 특히, 상기 가스를 모두 혼합하여 사용한 4원 혼합가스는 용착속도를 극대화하기 위해 개발된 것으로 흔히 TIME 프로세스로 불리며, 450A 이상의 고용착 조건에서 안정된 회전이행을 한다고 알려져 있다.

(2) 용접 와이어

GMAW에서 사용되는 용접 와이어의 직경은 0.6-1.4mm인데, 다음에 설명되는 플럭스 코어드와이어와 구분하기 위하여 솔리드(solid) 와이어라고 부른다. 와이어의 표면은 전기 전도성 및 방청성을 높이기 위하여 Cu도금 되어 있는 것이 보통이다. 와이어의 도금방법에는 화학도금과 전기도금의 두가지 방법이 있는데, 전기도금이 도금층의 접착력 측면에서 우수하고 도금층 박리량도 적기 때문에 와이어 송급속도가 빠른 고전류 용접에는 전기도금 와이어를 선호한다.

한편, 와이어는 용착금속을 만들어 결과적으로 용접부 기계적성질을 결정하기 때문에, 적절한 와이어의 선택이 매우 중요하다. 따라서, 와이어 선택에 있어서는 다음과 같은 기본적인 사항을 고려해야 한다.

* 모재의 화학적 성분

* 모재의 기계적 성질

* 사용할 보호 가스

* 용접부 이음 형상

* 사용 또는 적용에 요구되는 규격

KS D 7025에서는 연강 및 고장력강용 와이어의 종류를 보호가스, 주요 적용 강종에 따라 <표1>과 같이 규격화되어 있으며, 와이어 표기 방법은 다음과 같다.

< 표 1 > 연강 및 고장력강용 솔리드 와이어 규격

와이어의 종류	보 호 가 스	주요 적용 강종	용 도
YGW 11 YGW 12 YGW 13 YGW 14	CO2	연강 및 인장강도 490N/mm2급 고장력강	대전류 용접용 단락이행용접용(220A 이하) 수평필렛용접용
YGW 15 YGW 16 YGW 17	80% Ar-20% CO2		-
YGW 21 YGW 22	CO2	인장강도 590N/mm2급고장력강	-
YGW 21 YGW 22	80% Ar-20% CO2		-

철강재료를 용접할 때 사용하는 와이어들은 몇 가지 합금 원소들을 함유하고 있는데 합금 원소들의 주요 기능은 용융지의 탈산과 용접금속의 기계적 성질을 향상시키는데 있다. 일반적으로 Ar과 O2

(1-3%)의 혼합가스나 Ar에 적은 양의 CO2

를 혼합해서 용접할 때 용착금속의 화학적 성분은 용접 와이어의 성분과 대동소이하다. 그러나, CO2

만을 보호 가스로 사용할 때 Si, Mn 과 같은 탈산제 원소들은 슬래그화하여 상당량 감소 되므로 보호가스와 와이어의 적절한 조합이 필요하게 된다. 연강 및 고장력강용 와이어에 첨가되는 여러 합금 원소들의 특징을 설명하면 다음과 같다.

* Si: Si은 GMAW용 와이어의 탈산제로서 가장 많이 사용되고, 일반적으로 0.40-1% 정도 함유하고 있다. 이 정도 범위의 Si으로서 아주 훌륭한 탈산제 역할을 수행하나, 용착금속 중에 Si 양이 증가하면 용접부 강도가 증가하지만 인성과 연성은 감소하게 된다.

*Mn : Mn은 일반적으로 탈산제 및 강도 증가의 두가지 목적으로 사용되고 있는데, 연강 와이어는 1-2% 정도 함유한다. Mn 함량이 증가하면 용접금속의 강도는 증가하나 고온균열에 민감하게 된다.

* Al, Ti, Zr: 이들 원소들은 대단히 강력한 탈산제로써 고전류 CO2

용접용 와이어에 첨가되는데, 첨가량은 일반적으로 0.2% 이하이다.*

C : C는 어느 원소보다 구조적 및 기계적 성질에 지대한 영향을 미치는 원소이다. 일반적으로 C 함량은 0.05-0.12%의 범위인데, 이 범위의 값은 용착금속의 인성, 연성 그리고 기공에 영향을 미치지 않고 필요한 강도를 얻을 수 있게 한다. 만약, 와이어나 모재의 C 함량이 0.12% 이상이면 CO2

용접에서 용접금속 중의 C는 O2

와 결합하여 CO로 되어 기공의 원인이 되므로 추가적인 탈산제에 의한 이러한 현상을 극복해야 한다.

* 기타 : Ni, Cr과 Mo은 스테인리스강의 주요 원소인데, 저합금강에는 내부식성과 기계적 성질을 향상시키기 위해 첨가된다.

3.4.5 용접장비

(1) 용접장치의 구성

GMAW에 사용되는 용접장비를 크게 나누면 반자동 용접장비와 자동 용접장비로 분류된다. 반자동 용접에서는 용접사가 용접토치를 손으로 쥐고 다루는데 비하여 자동용접에서는 용접토치가 주행대차나 로봇에 부착되어 기계적으로 또는 자동적으로 용접선을 따라 이동하는 점이 다르다. GMA 용접장비에서 특히 중요한 기기로는 용접전원, 와이어 송급장치, 용접토치가 있으며, 이들은 <그림1>과 같이 구성되어 있다.

< 그림 1 > 반자동 GMA 용접장치의 구성

(2) 용접전원

용접전원은 기본적으로 와이어와 모재 사이에 발생하는 아크에 전력을 공급하기 위한 것이다. 그러나, 용접전원의 진정한 역할은 아크의 안정성과 입력전압 변동과 같은 외부조건 변동에 대하여 출력이 안정되게 하며, 출력전류 파형을 제어하여 스패터 발생을 억제하는 것 등이다. 그 밖에도 GMAW 전원은 와이어 송급 속도제어, 가스 공급제어, 용접 순서제어 등의 제어장치를 내장하고 있는 것이 일반적이다.

용접전원의 용량은 통상 최대 출력 전류치로 나타내는데, 100-750A 정도가 일반적이다. 전원 출력으로는 직류용이 대부분을 차지하고 있지만 Al 합금의 용접에서는 극성효과를 이용할 목적으로 교류용이 사용되고 있으며, 비철금속의 용접에는 펄스 기능을 가진 용접기도 사용된다.

* 용접전원의 사용율

전체 사용시간에 대해 얼마의 시간을 사용하는가에 대한 개념을 보통 10분을 잡는다.

* 정격사용율 : 정격전류로 안전하게 사용할 수 있는 사용율

일반적으로 용접기의 출력전류와 사용시간이 과다하게 높거나 길게 되면 용접기내부의 발열(Q=I2Rt)로 인하여 변압기의 출력이 감소하고 효율도 떨어지게 된다. 따라서 사용전류와 사용시간에 대한 많은 관리가 필요하다.

(3) 와이어 송급장치

와이어 송급장치는 와이어를 스풀(spool) 또는 릴(reel)에서 뽑아 토치 케이블을 통해 용접부까지 정속도로 공급하는 장치이다. 와이어 송급장치는 <그림1>과 같이 직류전동기, 감속장치, 송급기구, 송급속도 제어장치로 구성되어 있다.

< 그림 1 > 와이어 송급창치의 기본 구성

송급기구는 가압롤러(상단)와 송급롤러(하단)가 각각 한 개씩 1조가 된 것이 주로 사용되고 있지만, Al 등과 같이 연질의 와이어를 사용 할 경우에는 와이어 단면형상이 변형되거나 와이어 표면이 손상되는 것을 방지하기 위하여 2조(4롤러)로 된 것을 사용하고 있다.<그림2> 와이어 송급방식에는 송급장치의 배치에 따라 <그림3>의 4종류가 있으며 반자동 용접기에는 주로 푸쉬 방식이 사용되고 있다.

< 그림 2 > 4롤러 송급방식의 와이어 송급장치

< 그림 3 > 와이어 송급방식의 종류

1) 푸쉬(push) 방식

푸쉬 방식은 와이어 스풀 바로 앞에 송급장치를 부착하여 송급 튜브를 통해서 와이어가 용접 토치에 송급되도록 하는 방식으로, 용접 토치가 가볍게 되기 때문에 반자동 용접에 적합하다.

2) 풀(full) 방식

송급장치를 용접 토치에 직접 연결시켜 토치와 송급 장치가 하나로 되어 있어 송급시 마찰 저항을 작게 하여 와이어 송급을 원활하게 한 방식으로 주로 직경이 작고 재질이 연한 와이어(Al 등)에 이 방식이 사용된다.

3) 푸쉬-풀(push-pull) 방식

와이어 스풀과 토치의 양측에 송급장치를 부착하는 방식으로 송급튜브가 길고 재질이 연한 재료에 사용된다. 이 방식은 송급튜브가 길고 재질이 연한 재료에 사용된다. 이 방식은 송급성은 양호하지만 토치에 송급장치가 부착되어 있어 조작이 불편하다.

4) 더블 푸쉬(double push) 방식

이 방식은 푸쉬식 송급장치와 용접 토치와의 중간에 또 하나의 푸쉬 송급장치(보조 송급장치)를 장착시켜 2대의 푸쉬 전동기에 의해 송급하는 방식으로, 송급튜브가 매우 긴 경우에 사용된다. 용접 토치는 푸쉬 방식의 것을 사용할 수 있어 조작이 간편하다.

(4) 용접 토치

일반적으로 사용되는 반자동 토치는 <그림1>과 같이 토치 선단부 형상에 따라 커브형과 권총형이 있으며, 냉각 방식에 따라 공냉식과 수냉식이 있다.

토치의 구성은 종류에 따라 다르지만 전원 케이블, 가스 송급호스와 스위치 케이블이 있고, 수냉식은 냉각수 공급 및 배출 호스가 토치 뒤쪽에 있으며 몸체는 내구성과 내화성이 높은 열경화성 수지로 절연되어 있다. 토치의 앞쪽에는 와이어와 가스가 송출되도록 Cu나 Cu 합금으로 된 부품이 조립되어 있다.

< 그림 1 > GMA 용접 토치

토치 부품의 종류는 <그림2>과 같이 와이어를 송급하는데 필요한 부품과 보호가스를 분출시키는데 필요한 부품으로 되어 있다. 그림에서 스프링 라이너(spring liner)는 와이어 송급장치로부터 토치 몸체까지 와이어가 원활하게 송급되도록 안내하는 역할을 하며, 가스분출기는 토치 내부의 가스 공급 호스로부터 나오는 가스를 분출시키는데 사용된다.

< 그림 2 > GMAW 토치 부품의 명칭

팁은 와이어가 송출되면서 전류를 통전시키는 역할을 한다. 인슐레이터는 노즐과 토치 몸체 사이에서 통전을 막아 절연시키는데 사용되며, 노즐은 보호가스가 용융지 전체를 덮어 주도록 가스를 분출시키는 역할을 한다. 용접 토치가 갖추어야 할 요건으로는 와이어가 일정하게 송급될 수 있어야 할 것, 보호가스가 균일하게 공급되어야 할 것, 무게가 가벼워서 취급이 쉬워야 할 것, 내구성이 우수하여야 하는 것 등이 있다. 이러한 요건을 만족시키기 위하여 다각도의 고안과 개선이 시행되고 있는데, 예를 들면 팁 선단부나 노즐 선단부에 탄소 또는 세라믹을 입혀 스패터 부착을 방지하는 것, Al이나 스테인리스강 등의 미그 용접용에서는 와이어 송급 경로에 테프론 튜브 등을 사용한 것, 그 외에 용접 케이블, 스프링 라이너, 가스 호스, 제어 케이블을 하나의 외피내에 내장시킨 싱글 케이블 토치 등이 있다.

3.4.6 용접변수의 영향

(1) 와이어 송급속도

GMA용접에서 다른 변수가 일정할 경우 와이어 송급속도가 증가하면 용접전류도 증가한다. <그림1>은 저합금강 용접에서 와이어 송급속도와 용접전류와의 관계를 보여주고 있다.

이 그림에서 용접전류는 송급속도가 증가함에 따라 제곱근 함수적으로 증가한다. 한편, 컨텍트팁과 모재간 거리(contact tip to work piece distance, CTWD, 그림2)가 증가하면 용접전류는 감소하게 되는데, 이는 CTWD가 증가함에 따라 와이어 돌출길이가 길어져 저항열(I2R)이 올라가기 때문이다.

일반적으로 와이어 송급속도와 용접전류 및 와이어 돌출길이 사이에는 다음과 같은 관계식이 성립한다.고 알려져 있는데, 이 관계식에서 보듯이 동일한 송급속도에서 와이어 돌출길이(L)가 증가하면 용접전류(I)는 감소한다. 한편, 와이어 송급속도와 돌출길이가 결정되면 용접전류는 종속적으로 결정되는 변수이다.

< 그림 1 > 와이어 송급속도에 따른 용접전류의 변화

WFS = aI + bLI2

여기서, WFS : 와이어 송급속도, L : 와이어 돌출길이, I : 용접전류, a, b : 비례상수

(2) 용접전류

용접전류는 금속이행 모드 뿐만 아니라 용착속도 및 용입깊이를 결정하는 가장 중요한 변수이다.

GMAW에 사용되는 정전압 특성의 전원은 토치 선단에는 송출되는 와이어에 아크를 유지할 수 있는 필요 전류를 자동적으로 공급하는 특성을 갖고 있다. 따라서, 용접전류는 와이어 송급속도를 조정함으로써 제어된다(그림1) 일반적인 용접에서 와이어 송급속도는 용착속도와 일치하므로, 외견상으로는 용접전류가 증가함에 따라 용착속도가 증가하는 것처럼 보이게 된다.

그리고, 전류를 높게 하면 모재에 유입되는 열이 그만큼 증가하므로 용입깊이는 증가하게 된다. 지나치게 높은 전류는 볼록한 비드를 형성하여 외관이 좋지 못한 결과를 초래하므로 적당한 값을 선택해야 한다. 일반적으로 전류값을 높이면 아크 전압도 함께 높여 주어야 양호한 용접비드 형상을 얻을 수 있다.

< 그림 1 > 와이어 송급속도에 따른 용접 전류의 변화

(3) 용접 전압

용접전압은 아크전압 뿐만 아니라 용접 케이블과 접속 단자에서 발생하는 전압 강하도 포함되는데, 케이블 등에서의 전압 강하는 작기 때문에 용접전압은 아크전압과 큰 차이가 없다. 아크 전압은 와이어 끝과 모재간의 전압으로서 아크길이에 비례하며, 용접 비드의 형상 및 금속 이행 형태에 중요한 변수로 작용한다. 용접전압이 증가하게 되면 덧살은 낮아지고 비드 폭이 넓어져서 납작한 비드 형상을 가지게 된다. 또, 용입깊이는 어느 정도까지 증가하다가 감소하게 된다. 따라서, 양호한 비드 형상을 얻기 위해서는 용접전압과 전류가 적절한 조합을 이루어야 한다.

용접전압은 용접전류(또는 와이어 송급속도)와 함께 금속이행 양상에도 커다란 영향을 미친다. <그림1>은 Ar+2%O2

가스에서 직경 1.2mm의 저합금 와이어(ER100S-1)가 용접전압 및 전류의 변화에 따라 보여주는 용적이행 양상의 변화이다. 와이어 송급속도가 낮은 조건(저전류측)에서는 입상용적 이행이 나타나고, 저전압 측에서는 단락이행이 나타나며, 고전류 고전압 측에서는 스프레이 이행이 나타난다. 그리고, 고전류측에서 용접전압이 35V이상이 되면 회전아크 현상이 나타난다. 한편, 보호가스가 CO2

이면 200A이하에서는 단락이행만이 나타나고, 그 이상에서는 전압이 증가함에 따라 단락이행에서 입상이행으로 천이한다.

< 그림 1 > 용접전압 및 전류 변화에 따른 용적이행 현상

< 그림 2 > 용접전압 및 와이어 송급속도 변화에 따른 용적이행 현상

< 그림 3 > 보호가스에 따른 적정 아크 전압

(4) 와이어 돌출길이

와이어 돌출길이는 컨택트 팁 선단으로부터 와이어 전극 선단부까지의 길이를 의미하는데, GMA용접과 같이 소모전극 와이어를 사용하는 용접법에서는 매우 중요한 변수 중의 하나이다. 이 길이가 길어지면 전기저항열(I2

R)이 증가하여 와이어 용융속도도 증가하게 된다. 그러나, 지나치게 길어지면 보호가스에 의한 보호효과가 저하되고, 아크가 불안해지며 기공 등의 결함이 발생한다. 돌출길이가 지나치게 짧으면 가스 보호효과가 는 좋아지나, 노즐에 스패터가 부착되기 쉽고, 용접부의 외관이 나빠지며 작업성도 악화된다. 일반적으로 적정 돌출길이는 단락이행 조건에서는 10-15mm 이며, 그 밖의 이행 조건(200A이상)에서는 15-25mm 정도이다.

< 그림 1 > 아크길이 및 와이어 돌출길이의 정의

(5) 용접속도

용접속도는 아크가 용접 이음부를 따라 진행하는 속도이다. 용접속도는 용접전류, 용접전압과 함께 용입깊이, 비드형상 및 아크 안정성 등에 영향을 준다. 다른 조건이 모두 동일하다면, 용입 깊이는 적정 용접속도에서 최대가 된다. 용접속도가 너무 늦으면 아크가 모재부보다는 용융금속부에서 발생하기 때문에 용입이 작아지고, 용접속도가 너무 빠르면 단위길이당 투입되는 에너지가 작아지기 때문에 용입은 감소하게 된다. 따라서, 모재가 용융되는 양은 용접속도가 증가할 때 초기에는 증가하지만, 어느 이상의 속도부터는 감소하게 된다. 종래의 용접기는 사용하는 반자동 용접에서는 일반적으로 30-50cm/min 범위의 속도가 적절하다.

(6) 토치 방향

용접 진행방향에 대한 토치 방향에 따라 전진법과 후진법으로 구분된다.

전 진 법	후 진 법
1. 용접선이 잘 보임. 정확한 운봉 가능 2. 비드 높이가 낮고, 평탄한 비드가 형성 3. 스패터가 많으며, 진행 방향쪽으로 흩어짐 4. 용융금속이 아크보다 앞서기 쉬워 용입이 얕아진다.	1. 용접선이 가려서 정확한 운봉 불가능 2. 비드 높이가 높고, 폭이 좁은 비드형성 3. 스패터의 발생이 전진법보다 적다. 4. 용융금속이 앞으로 나가지 않으므로 깊은 용입을 얻을 수가 있다. 5. 비드형상이 잘 보이기 때문에 비드폭, 높이 등을 제어하기 쉽다.

< 그림 1 > 전진법과 후진법의 비교

<그림1>에 보는 바와 같이 전진법에서는 토치를 용접진행 방향 반대쪽으로 15-20˚로 유지하는 방법이고, 후진법은 용접 진행방향으로 기울이는 방법이다.(각각에 대한 장단점에 대해서도 <그림1>에 나타내었다.) 아크 안정성, 용융지의 보호효과 측면에서 후진법이 양호하기 때문에 일반적인 용접에서는 후진법이 사용된다. 그러나, Al 합금과 같이 용융지 전방에 있는 모재에 대해 청정작용이 필요할 경우에 있어서는 전진법이 유리하다.

3.5 네로 갭 용접(Narrow Gap Welding)

1963년 미국의 Battele연구소에서 개발, 적용 판두께 : 30mm이상, Groove gap : 20-30mm

3.5.1 적용 가능한 용접법

1) GMAW

2) SAW(Submerged Arc Welding)

3) Electro gas Welding

4) Flux cored arc welding 등

3.5.2 Narrow gap welding의 장점

1) 용착금속의 량이 작기 때문에 용접입열이 작아도 되는 고능률 용접.

2) 용접부의 기계적 성질이 우수함.--Tempered bead 형성

3) 용접이음부의 변형이 매우 작음.--체적이 작으며 상하대칭형인 용착금속

4) 고품질의 용접부가 얻어짐.

3.5.3 Narrow gap welding의 단점

1) 용접 장치비가 매우 고가임.

2) 장치의 설치가 어렵고 시간이 걸림.

3) 30mm이상의 후판의 아래보기 자세에만 적용가능함.

3.6 논가스 실드 아크 용접(Non Gas Shield Arc Welding)

3.6.1 원리, 특징 및 분류

플러스 코어드 아크용접(Flux Cored Arc Welding, FCAW)의 원리는 GMAW와 유사하나, 이름 자체가 의미하는 바와 같이 와이어 중심부에 플럭스가 채워져 있는 플럭스 코어드 와이어(FCW)를 사용한다. 따라서 FCAW는 FCW를 일정한 속도로 공급하면서 전류를 통하여 와이어와 모재 사이에 아크가 발생되도록 하고, 발생된 아크열로 용융지와 용접비드가 형성되도록 하는 용접법이다. FCAW는 보호가스 사용여부에 따라 가스보호 FCAW와 자체보호 FCAW로 분류된다. 가스호보 FCAW(그림1)에서는 외부에서 별도의 보호가스를 공급하여 용융부가 보호가스뿐만 아니라 플럭스에서 생성된 슬래그에 의해 보호된다. 따라서, 자체보호 FCAW(그림2)에서는 외부에서 추가적인 보호가스가 공급되지 않기 때문에 FCW의 플럭스에서 발생하는 가스와 슬래그에 의해 용접부가 보호된다. 따라서, 이것은 SMAW의 원리와 유사하다.

< 그림 1 > 가스보호 플럭스 코어드 아크용접의 원리

< 그림 2 > 자체보호 플럭스 코어드 아크용접의 원리

한편, 코어드 와이어는 내부에 충진된 재료에 따라 슬래그를 형성하는 플럭스가 주성분일 경우에는 플럭스 코어드 와이어라고 하며, 금속 분말이 주성분일 경우에는 특별히 메탈 코어드 와이어라고 부른다. 메탈 코어드 와이어는 슬래그가 생성되지 않고 보호가스를 필히 사용해야 하기 때문에 GMAW 와이어의 일종으로 분류하기도 한다

FCAW에서는 플럭스가 용융되어 슬래그를 형성하기 때문에 SMAW에서와 같이 응고된 슬래그는 브러시나 치핑해머 등으로 철저하게 제거하여야 한다.

이러한 측면에서 FCAW는 SMAW와 GMAW의 특성을 조합시킨 용접법이라고 할 수 있는데, GMAW법이 가지는 장점 외에 다음과 같은 점이 추가된다.

* 와이어의 단면적 감소로 인한 전류밀도 상승으로 용착속도 증가

* 플럭스에 의한 용접부의 금속학적 성질 향상

* 슬래그에 의한 매끄러운 비드 외관 유지

* 수직상진 용접에서 슬래그에 의한 비드 처짐 방지로 고전류 사용 가능

특히, <표1>에서 수직상진 용접에서 고전류 사용이 가능하며 용착속도가 높은 것이 커다란 장점이다.

< 표 1 > 용접기법 및 자세에 따른 용착속도 비교

용접법(용접재료)	용접자세	적정용접조건		용착속도 (g/min)
		전류(A)	전압(V)
피복아크용접 (D5016, 4mm)	아래보기	170	25	24
	수직상진	140	23	22
CO2 용접 (1.2mm, 솔리드와이어)	아래보기	280	30	87
	수직상진	130	20	28
FCA 용접 (1.2mm, FCW)	아래보기	300	32	88
	수직상진	200	24	45

3.6.2 플럭스 코어드 와이어 용접재료

(1) 제조공정

FCW는 금속튜브와 튜브 내에 충진된 플럭스로 구성되어 있는데, 금속튜브의 단면 모양이나 플럭스 조성은 매우 다양하다.

<그림1>는 FCW의 제조공정을 개념적으로 보여주는 것인데, 먼저 10-15mm 폭을 가진 스트립을 U자형으로 성형하고, 성형된 U자형 튜브를 원하는 직경까지 인발 또는 압연하여 생산되고 있다.

<그림2>은 성형 단계에서 플럭스 공급장치에 의해 U자형 금속튜브 내에 충진되는 모양을 보여주고 있으며, <그림3>은 와이어 신선 다이에 의해 신선되는 과정을 보여준다.

< 그림 1 > 플럭스 코어드 와이어의 제조공정

< 그림 2 > 공급벨트에 의한 플럭스 충진 공정

< 그림 3 > 신선 공정

신선단계에서는 다이의 마찰력을 줄이기 위하여 윤활제를 사용하게 되는데, 사용되는 윤활제는 무기질 또는 유기질의 두 가지 종류가 있다. 무기질 윤활제로써는 흑연, MoS2

등이 있는데 이들은 용착금속에 H2가 유입되지 않는다는 장점이 있다. 그러나, 표면에 묻어 있는 윤활제는 사용 과정에서 라이너에 축적되거나 심하면 팁을 막아서 와이어 송급이 나빠지는 취약점을 가지고 있다. 한편, 유기질 윤활제는 라이너에 축적되는 문제는 없으나, 용착금속에 H2

가 유입되기 때문에 철저히 규제된 상태에서 사용되어야 한다.

신선이 끝난 와이어는 재료 표면에 묻은 윤활제를 분해하기 위하여 베이킹 공정이 추가되기도 하는데, 베이킹 공정은 150-370℃의 온도에서 1-10시간 정도로 실시한다. 가공경화가 매우 큰 스테인리스 재료의 경우는 신선 과정 중간에 풀림 공정을 추가한다. 와이어의 최종 직경은 0.8-3.2mm로 상품화되고 있는데, 이 중에서 1.2mm가 가장 많이 쓰인다.

(2) 와이어 단면 형상

FCW는 제조능력, 생산성, 경제성, 용접작업성, 용접품질 등을 극대화하기 위하여 <그림4>와 같이 여러 가지 단면형상을 가지고 있다. 이들 단면 형상은 다음과 같이 크게 3가지 형태로 구분되고 있다.

< 그림 4 > 플럭스 코어드 와이어의 단면 형상

* 튜브형상 : 스트립의 끝이 맞대기 형상을 하고 있는 경우로 이음부가 없거나 스트립의 끝이 겹쳐있는 형상

* 이중겹침 형상 : 튜브 내부에 또는 다른 튜브를 가지고 있는 모양으로, 외부공간에는 플럭스 성분을 채우고 내부공간에는 금속분말을 첨가한다.

와이어 단면 형상은 기계적 성질, 용착금속의 화학성분 등에는 영향을 미치지 않지만 플럭스 충진율, 아크 안정성, 용적이행 현상, 와이어 용융속도 등에 큰 영향을 미친다.

(3) 플럭스 성분계

FCW에서 플럭스가 차지하는 비중은 약 15-50%(무게비)인데, 용착금속의 기계적 물성치와 용접작업성은 플럭스 성분계와 관계가 깊다. 플럭스는 아크 안정제, 슬래그 형성제, 탈산제, 탈질제, 가스 형성제, 그리고 합금성분 등을 포함하며, 이들의 적절한 비율은 플럭스 성분계의 필수적인 요소이다. FCW는 피복 아크 용접봉과 마찬가지로 플럭스 성분계에 따라 분류되며 분류방법은 다음과 같다.

1) 메탈 코어드 와이어

대부분의 메탈 코어드 와이어는 Fe, Fe-Cr, Fe-M, Ni, Cr, Fe-Si, Fe-Mn 등의 금속분말을 중량비로 적어도 95%이상 포함하고 있다. 소량 첨가되는 아크 안정제는 스패터 발생량을 줄이고 아크 안정성을 향상시키는데 도움을 준다. 이 제품은 사용할 때 보호가스로써 Ar 또는 Ar+O2

의 혼합가스를 사용하는 것이 보통이다. 이 용접재료에는 슬래그 성분이 없기 때문에 용착효율이 솔리드 와이어와 같은 98% 수준이며, 용착속도는 단면적 감소에 따른 전류밀도 상승으로 솔리드 와이어보다 20-30% 정도 높다.

2) 자체보호 FCW

이 재료는 이름 그대로 자체적으로 보호가스를 방출하는 FCW로써 플럭스의 50%정도가 CaF2, CaCo3와 같은 가스형성제로 구성되어 있다. 그러나, 작업조건 및 용접사 기량에 따라 보호 효과도 충분치 못하기 때문에 공기 중의 질소가 용착금속부에 다량 혼입된다.(표1)

따라서, 이 제품에는 강력한 탈질제(예를 들어 Fe-Al, Fe-Ti 등)가 다량 첨가되어 있다. 그 밖에도 루타일(TiO2

)이나 K, Na, Li 등의 아크 안정제는 슬래그 성분계의 근거로서 첨가되며, 약간의 산화물(SiO2, MgO, Al2O3, ZrO2, MnO, Fe3O4 등)은 슬래그 박리, 점도, 표면장력 특성 등의 균형에 도움을 준다. 이러한 화합물은 일반적으로 전체 슬래그 성분계의 25% 이하로 관리한다. 자체보호 FCW에서는 와이어 돌출길이를 보통 25mm이상으로 길게 하여 사용한다. 따라서, 자체보호 FCW의 용융속도와 용착속도는 매우 높은 것이 특징이다. 또, 이 재료의 장점으로는 보호가스를 사용하지 않기 때문에 옥외의 바람이 부는 곳에서도 조작하기 쉬우므로 작업자의 피로도가 적어서 작업 능률이 향상될 수 있다. 탈산제와 탈질제로써 사용되는 Al은 아크 주위의 O2

와 질소의 영향을 억제하는 역할을 하지만, 용착금속 중에 Al의 함량이 증가하여 연성과 저온 충격강도를 저하시킨다. 이러한 이유 때문에 자체보호 FCW 방법은 비교적 안정이 크게 요구되지 않은 부위의 용접에 사용한다.

< 표 1 > 용접재료에 따른 가스발생량 및 용착금속의 질소함량

용접재료	가스발생량(ℓ/min)	질소함량(ppm)
설룰로스계 용접봉
5.4	50-80
저수소계 용접봉	1.4	80-150
자체보호 FCW	0.1-0.2	380-480

3) 자체보호 FCW

메탈 코어드 와이어를 사용하여 적정한 용접성을 확보하기 위해서는 고가의 Ar가스를 사용해야 한다는 단점이 있는 반면, 자체보호 FCW에서는 용착금속의 질소량이 용접사의 기량이나 용접조건에 따라 많은 차이가 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 개발된 것이 가스보호 FCW인데, 주로 100% CO2

나 혼합가스를 보호가스로 사용한다. 이 재료는 산성 슬래그 조성을 가지기 때문에 작업성이 매우 우수하다. 비드외관이나 슬래그 박리성을 좋게 하기 위해서 소량의 특정 화합물도 첨가되고 있으며, 슬래그의 물리적 성질을 조정하여 수직상진 및 하진 용접성이 우수하도록 제조된 전용 제품도 있다.

(4) FCW의 규격

연강, 고장력강 및 저온용강에 사용되는 FCW는 KS D 7104에 의해 규격화되어 있는데 와이어 종류를 표기하는 방법은 다음과 같다.

실제 용접현장에서는 미국용접학회(AWS)의 규격을 많이 사용하고 있는데, AWS A5.20 규격에 따른 표기방법은 다음과 같다.

< 표 2 > AWS A5.20 규격에 따른 플럭스 코어드 와이어의 분류 및 특성

규 격	특 성
T - 1	- 루타일이 플럭스의 주성분임 - CO2 또는 Ar+CO2 의 혼합가스 사용 - 중후판의 다층용접에 적합함 - 아래 보기 전용(EXOT-1), 전자세(EXIT-1)용이 있음
T - 2	- 루타일이 플럭스의 주성분임 - CO2 , 아래보기, 단층용접 전용
T - 3	- 자체보호(TiO2 계) - 박판의 고속용접에 적합 - 역극성에서 스프레이 이행
T - 4	- 자체보호(CaF2 계)와이어 - 고용착의 단층 또는 다층용접에 적합 - 역극성에서 입상용적 이행
T - 5	- 염기성 계통의 플럭스 조성으로 극저수소계 - CO2 또는 혼합가스 사용 - 고인성(-29℃에서 27J) 고강도 강재에 적용
T - 6	- 자체보호 와이어 - T-5와 동등한 충격인성 확보 - 역극성에서 스프레이 이행 - 용입이 깊고 슬래그 제거성이 양호함
T - 7	- 자체보호 와이어 - 정극성에서 전자세 용접 - T-5와 동등한 충격인성 확보
T - 8	- 자체보호 와이어 - 정극성에서 전자세 용접 - T-5와 동등한 충격인성 확보
T - 10	- 정극성 조건에서 사용 - 기타 특성은 T-3와 동일
T - 11	- 스프레이 이행 - 기타 특성은 T-7과 동일
T - G	기타 재료

T-1 계열은 가장 오래된 재료일 뿐만 아니라, 현재에도 광범위하게 사용되고 있는 재료인데, 루타일이 플럭스의 주성분이다, 보호가스로는 CO2

보호 조건에서는 입상용적 이행을 한다. FCAW 아크는 금속단면에서 발생하고, 내부의 플럭스는 그 복사열 또는 열전도에 의해 용융되므로 내부 플럭스가 금속튜브보다 늦게 녹는다. 따라서, 직경이 굵은 자체보호 FCW는 미용융 풀럭스가 아크 내부에 돌기 형태로 돌출되어 나타난다.

3.6.3 용융금속 이행 현상

FCAW에서의 용융금속 이행 현상은 GMAW에서와 마찬가지로 보호가스, 사용전류에 따라 단락이행, 입상이행, 스프레이 이행이 모두 나타나는데, Ar을 주로하는 보호가스에서는 스프레이 이행을 하며 CO2

보호 조건에서는 입상용적 이행을 한다. FCAW 아크는 금속단면에서 발생하고, 내부의 플럭스는 그 복사열 또는 열전도에 의해 용융되므로 내부 플럭스가 금속튜브보다 늦게 녹는다. 따라서 직경이 굵은 자체보호 FCW는 미용융 플럭스가 아크 내부에 돌기 형태로 돌출되어 나타난다.

3.6.4 용접장비

가스보호FCAW에 사용되는 용접장비의 구성은 GMAW장비의 구성과 거의 동일하다. 따라서 GMAW장비는 모두 FCAW에 사용될 수 있다. 그러나, 자체보호 FCAW에서는 보호 가스 공급을 위한 설비가 필요없기 때문에 다소의 차이는 있다. 자체보호 FCAW장비에는 교류 전원용과 직류 전원용이 있으며, 각각 용접 토치를 손으로 조작하는 반자동형과 기계로 주행시키는 자동형이 있다. <그림1>은 일반적인 반자동형 용접장비의 구성을 보여 주는데, 장비구성은 용접전원, 용접 케이블, 와이어 송급장치(와이어 송급장치, 제어장치, 와이어 스풀이 일체로 조립되어 있는 경우가 많은) 및 용접 토치로 되어 있다.

< 그림 1 > 자체보호 FCAW장비의 구성

(1) 용접전원과 제어장치

자체보호 FCAW에 사용하는 용접전원에는 직류와 교류가 있다. 직류의 경우에는 정전압 특성의 전원을 사용하며, 와이어는 정속도 송급방식으로 송급한다. 교류 전원에서는 전원이 수하특성이기 때문에 아크 전압 제어방식으로 와이어를 송급한다. 직류의 경우는 교류에 비해 용접 아크가 안정되기 때문에 대부분 정전압 특성의 직류형 용접전원이 사용된다. 자체보호 FCAW에서는 저 전압측에서 아크를 안정되게 유지하기 위하여 1V 이하의 미세전압 조정이 가능한 용접전원과 제어장치가 필요하다.

(2) 와이어 송급장치

와이어 송급장치는 스풀, 송급장치 및 용접조건 제어장치가 일체화되어 있는 것이 일반적이다. 자체보호 FCAW용 와이어는 직경은 1.6∼3.2mm 정도로써 가스보호 FCAW용(주로 직경 1.2mm)보다 다소 굵기 때문에 와이어 송급 과정에서 단면 형상이 찌그러지기쉽다. 이를 방지하기 위하여 송급롤로 혹은 구동롤러의 수를 증가시킨 송급장치들이 사용된다. Conduit 케이블 내부에서의 송급저항이 큰 경우에는 아크 길이의 변동이 커지기 때문에, 이를 적게하기 위하여 송급 롤러 홈에 톱니 모양으로 가공을 하거나 4롤러 송급방식을 사용한다.

(3) 토치

자체보호 FCAW용 토치는 보호가스 공급용 호스가 없기 때문에 구조가 간단하고 가볍다. 특히, 보호가스 노즐이 없기 때문에 깊은 홈의 좁은 부위를 용접하기에 적합하며, 아크 열에 노출되는 면적이 적어서 500A용 토치에서도 수냉형을 사용하지 않는 것이 일반적이다. <그림2>는 자체보호 FCAW에 사용되는 토치의 구조를 보여준다. 일반적으로 토치의 손잡이에는 보호카바가 달려 있어 용접열과 스패터로부터 작업자의 손을 보호하도록 되어 있다.

< 그림 2 > 자체보호 FCAW 토치의 구조

3.6.5 용접변수의 영향

FCAW에서의 용접변수는 GMAW과 동일하며, 용접에 미치는 영향도 거의 동일하다. 따라서 여기서는 FCAW에 있어서 고려되는 변수와 그 영향을 요약한다.

(1) 용접전류

용접전류는 와이어 송급속도에 비례하여 증가하며, 용접전류가 증가할수록 용착속도, 용입깊이도 증가한다. 용접전류가 적절치 못하면 비드 형상이 나빠지고, 스패터가 심하게 발생하며, 슬래그 제거가 어려워진다.

(2) 용접전압

용접전압은 아크길이를 결정하는 변수로써, 용접전압이 지나치게 높으면 스패터가 심하고 비드 모양이 불규칙하며 폭도 넓어진다. 자체보호 와이어의 경우에는 보호효과가 적어져서 질소가 다량 혼입되어 용착금속의 기계적성질이 나빠지고 기공이 다량 발생한다.

(3) 와이어 돌출길이

가스보호 FCAW에서 돌출 길이는 12∼19mm 범위인데, 용접에 미치는 영향을 솔리드 와이어의 경우와 동일하다. 돌출 길이가 너무 길면 스패터 발생량이 증가하며, 불규칙한 아크 현상이 나타나며, 보호 효과가 감소한다. 반대로 짧으면 볼록 비드가 되고, 노즐과 컨택트 팁에 스패터가 빨리 쌓이게 된다. 자체보호 FCAW에서는 돌출 길이가 길어서 19∼95fmm 범위인데, 돌출 길이가 50mm 이상으로 길어지면 가이드 팁(guide tip)을 사용한다.

(4) 용접속도

용접속도는 비드 모양과 용입 깊이에 영향을 주는데, 용접속도가 증가할수록 용입깊이는 작아진다. 고전류에서 용접속도가 낮으면 비드 외관이 거칠고 슬래그 혼입이 발생하게 된다.

3.7 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)

3.7.1 원리와 특징

SAW란? : 선행하여 놓여지는 粒狀플럭스중에 솔리드 와이어를 송급하여 그 플럭스내에서 아크를 발생시켜 융접하는 자동용접법. 1940년대부터 적용되던 고능률 용접법으로서 지금도 전체용접중 약7% 정도 적용됨.

< 그림 1 > 서브머지드 아크 용접의 원리

원리 : 서브머지드 아크 용접법은 <그림1>과 같이 선행하여 놓여지는 입상 플럭스 중에 솔리드 와이어를 송급하여 플럭스로 덮여진 상태에서, 아크를 발생시켜 융접하는 자동 용접법이다. 그림과 같이 아크에 접촉하는 플럭스가 용융하며 이 용융 슬래그가 용융쇳물을 덮어서 용접금속을 보호한다. 보통 대직경 와이어에 대전류를 흘러보내기 때문에 고능률의 용접이 이루어진다.

< 그림 2 > 서브머지드 아크 용접

용적이행 : 용적은 벽면을 타고 Molten pool로 이행하는 벽면이행(IIW)을 한다.

용융슬래그의 역할 : 아크와 Molten pool은 주로 용융 슬래그에 의해 보호됨. 비드외관이 아름다운 것도 용융슬래그가 액체금속의 표면에 접촉한 상태에서 응고하기 때문임. 솔리드 와이어를 쓰는 CO2

용접 비드 표면은 액체금속이 응고할 때 그 표면에 기체인 실드가스가 접촉된 상태임.

SAW의 장점

1) 1500-3000A의 전류까지 통전할 수 있는 고능률 용접법.

2) 용입이 깊고 결함이 잘 생기지 않아서 용접 이음부의 신뢰도가 높음.

3) 아크가 보이지 않고 Fume이 작게 발생하여 청정한 환경이 보장됨.

SAW의 단점

1) Flat position과 Horizontal fillet position에 대해서만 적용가능.

2) 용접 Groove의 정밀도가 우수해야 하며 그 준비에 많은 공수가 요구됨.

3) 강종에 따라서는 대입열 용접시 열영향부(Heat affected Zone, HAZ) 또는 본드부(Bond)의 취화가 우려됨. 아래 그림 참조

4) 용접선이 직접 보이지 않기 때문에 반자동 용접이 곤란하고, 자동 용접의 경우도 Seam tracking 성능이 우수한 高價의 시스템이 요구됨.

3.7.2 용접재료

(1) SAW용 입상 플럭스의 종류와 특징

1) 용융형 플럭스

◇ 제조법 : 원광석을 1300℃이상으로 용해, 냉각시킨후 분쇄하여 적당한 입도로 선별. 유리형상의 산화물과 불화물로만 구성됨.

◇ 특징 : 플럭스에 합금원소 첨가 곤란. 흡습성이 낮음.

◇ 적용 : 粗粒(coarse grain)은 소전류에 細粒(fine grain)은 대전류에 적용. 박판 고속용접에 적합. 최근에는 전체적으로 많이 적용되지 않고 있음.

2) 소결형 플럭스

◇ 제조법 : 원료광석 분말에 점결제를 가하여 입자(grain)로 만들어서 800 - 1000℃로 소결한 것.

◇ 특징 : 고온 소결하므로 합금원소의 첨가가 곤란. 용융플럭스와 유사

◇ 적용 : 용융형과 본드형의 중간 경우에 적용. 그다지 적용되지 않음.

3) 본드형 플럭스

◇ 제조법 : 원료광석을 분쇄하여 분말(powder)로 만든후 점결제(bond)를 가하여 입자(grain)로 만들어서 300-650℃로 가열 정립한 것.

◇ 특징 : 탈산제, 합금제 및 탄산염을 첨가할 수 있음. 흡습이 용이(사용전 200-300℃에서 1시간 건조). 용접 금속의 성분 변동이 큼. 용접부의 기계적 성질이 우수(염기도가 높은 중성 플럭스).

◇ 적용 : 후판 대입열 용접에 적용. 최근 가장 널리 적용. 초고속용접에 적용되는 플럭스도 개발되어 적용됨.

☆ 염기도가 낮은 산성 플럭스를 적용하면 용접작업은 잘되고 비드 외관도 우수하지만, 용접부의 기계적 성질 특히 인성(toughness) 즉 충격치가 나빠서 "타이타닉호“와 같이 되기 쉽다. 염기도가 높으면 중성 또는 염기성 플럭스라 하며 용접금속내의 산소함유량이 작아져서 tough하고 충격치가 높은 용접금속이 됨.

3.7.3 고능률 용접법

SAW의 Tandem용접- Leading torch와 Trailing torch로 구성되는 2개이상의 토치를 동시에 진행시키면서 높은 생산성을 얻기 위해 적용하는 용접.

- 텐덤용접 전원의 적용 : 각 전극에 별도의 용접 전원을 접속.

L토치-DC & T토치-AC의 조합 또는 L토치-AC & T토치-AC의 조합.

3.7.4 SAW의 편면 맞대기 용접법

- 대형 용접 구조물로서 Flat position에서 앞면 용접후 뒷면 용접을 위하여 반전하기가 곤란할 때에 적용.

- Backing의 적용이 중요하며, Copper backing, Ceramic backing, Flux backing 또는 이들의 혼합 backing 등이 적용됨.

- Backing재를 가진 맞대기 용접부에 대하여 대전류 저속용접 또는 Tandem용접을 적용하면 높은 생산성이 보장되지만, 입열량이 과대해지면 용접부의 결정립이 粗大化되어 항복강도와 toughness가 나빠짐.

* Hall-Petch의 식: 항복강도(Yield Strength)

- 금속재료의 항복강도는 결정입자의 직경d가 작을수록 커진다. -

3.8 플라즈마 용접(Plasma Welding)

3.8.1 플라즈마 개요

플라즈마란 용어는 가스가 충분히 이온화되어 전류가 통할수 있는 상태를 말하는데,우리는 흔히 주휘의 세상에는 세가지의 상 즉 고체,액체,기체로 이루어져 있는 것으로 항상 이식하고 있다.그리고 이와 같은 세가지의 상의 차이를 알고 있으며,온도가 증가함에 따라 상의 상태가 변한다는 사실도 알고있다.만약 가스상태의 물질에 에너지 즉,열이 가해지면 가스의 온도가 급격히 증가한다.여기서충분한 에너지가 가해지면 온도가 더욱 증가하여 가스는 각자의 분자상태로 존재할수 없게 되어 물질의 기본 구성 요소인 원자로 분해된다.온도가 더욱 높아지면 원자들은 전자를 잃어버려서 양이온으로 되고 이렇게 되면 주위의 물질들은 양이온과 자유전자로 이루어지는데 이러한 상태를 제4의 물질상태,즉 플라즈마 상태라고 한다.

플라즈마는 기체와 유사한 많은 성질을 가지고 있고 또한 자기자신의 독특한 성질도 가지고 있다.용접에 관한한 가장 중요한 플라즈마의 성질은 전류를 잘 통하게 하는 자유전자를 가지고 있는 점이다.그러므로 아크용접에서 아크상에 전류가 흐르는 것은 아크가 플라즈마 상태이기 때문이다.

3.8.2 플라즈마(Plasma)용접의 원리

기체가 방전되어 아크의 열원안을 통과할때,고온에 의하여 기체의 원자가 전자와 이온으로 분리되어지는 이 상태를 플라즈마(초고온기체)라고 말하며,플라즈마 용접은,그림과 같이 방전아크를 냉각하여 소구경의 수냉노즐로 TIP끝단까지 아크를 집중시킵니다.

알곤가스가 고온 아크를 통과하면서 플라즈마로 변화되며, 그 열원은 다른 용접법 보다 열 집중도가 매우 높은 플라즈마 기류를 동반하여 한 줄기의 열원이 되어지므로 침투도가 높고(키홀효과)용접폭이 좁아 모재에 미치는 열 변형이 적어 뒤틀어짐이 없는 안정적인 용접가능하게 합니다.

(1) 플라즈마 아-크(Plasma ARC)의 발생원리

플라즈마(Plasma)는 노즐 내 전극봉의 위치로 인하여 TIG(티그)와 같은 접촉형태로 아크를 발생시키지 못하며, 따라서 파일로트 아크(PILOT ARC)를 발생시켜 아크를 형성시킨다.

고주파발생기를 사용하여 텅스텐전극과 구속노즐( 인서드 짚) 사이에 파이로트 아크를 발생시킴. 이 아크는 파이로트 가스류에 의하여 구속노즐의 구멍으로부터 플라즈마류가 분출함.다음에 텅스텐전극과 모재사이에 전압을 차차 증가시키머로서 플라즈마(메인 아크)가 발생하게되고 이 플라즈마 아크는 수냉되여 있는 구속노즐공으로 구속되며 거기다 쉴드 가스로 극단으로 냉각당하는 고에너지밀도의 아-크열원을 모재에공급할수있는 용접법임.

(2) 열집중 (THERMAL　PINCH) 효과

TIG아크는 THERMAL PINCH(열집중)효과를 거의 얻을 수 없다.플라즈마(Plasma) 아크는 외부에서 냉각시키고 냉각된 주변의 플라즈마 안에 이온(ION)하고 전자는 재결합하고, 전기적으로 중성의 원자 또는 분자로 되돌아오고,원자하고 분자에 되돌아간 기체는 이미 전류를 흐르지 못하게 억제하므로, 아크는 중앙부로만 통과합니다.따라서 플라즈마(Plasma) 아크의 중앙부는 전류밀도가 증대하고 그 결과, 주울(JOULE)열이 증대해서 큰 에너지 밀도의 높은 플라즈마(Plasma)가 형성된다.플라즈마(Plasma) 아크를 냉각하는 것에 따라서 에너지 밀도가 크게 되는 효과를 플라즈마 (Plasma)아크의 THERMAL　PINCH(열집중)효과라고 한다.

3.8.3 플라즈마(Plasma) 용접의 특징

(1) TlG 용접법과 비교

장 점	단 점
1. 비드(BEAD)폭이 작고 용접변형이 적다. 2. 아크(ARC)집중성이 뛰어나기 때문에 용접속도가 빠르다. (TIG용접의 펄스사용시보다 2~3배 빠르다.) 3. 아크(ARC)지향성이 뛰어나기 때문에 “I"BUTT 용접이 가능하다. 4. RUNNIG COST(운영비용)가 적게 든다.(보통 TIG용접의 1/2 ~ 1/8) 5. 전극소모가 작기 때문에 장시간의 용접이 가능하다.(TIG용접의 1/3이하) 6. 자동 용접에 최적	1. 수동 용접에는 부적합하다.

(2) CO2 용접법과 비교

장 점	단 점
1. SPATTER(불똥)발생이 없다. 2. 보강재(WIRE 송급)비드 조정이 쉽다. 3. 박판(2mm이하)의 용접이 가능하다.	1. 용접속도가 CO2용접에 비하여 느리다.

(3) 플라즈마(Plasma)용접기의 우수성

TIG용접의 문제점	CO2용접의 문제점
1. 용접 품질이 불안정 2. 용접변형이 많다 3. 용접속도가 느리다. 4. 아연강판의 용접이 불가능하다.	1. SPATTER(불똥)의 후처리가 필(GRINDING 작업) 2. 개선가공이 필요 3. 용접비드 발생

생산가공의 실현

공정감소의 실현

플라즈마(Plasma) 용접기가 해결

(모재 SUS304 6t 1M 용접시)

플라즈마(Plasma)용접	플라즈마(Plasma)용접	티그(TIG)용접	미그(MIG)용접
용접속도(mm/min)	280	150	400
가스사용량	43L	200L	76L

(4) TIG/PLASMA/LASER 용접비교표

용접방법	에너지밀도(w/cm²)	적용두께(mm)	비드현상		용접변형 열변형	고속 용접성	제품치수정도	토치조작성	유지비운영비용
			폭	용입
TIG용접	103 - 104	0.5이상	넓다	얇다	많다	낮다	보통	양호	비용이 많다
PLASMA용접	107	0.1이상	좁다	깊다	적다	적다	약간정밀	약간복잡	보통
YAG레이져	109	10이하	많이좁다	많이깊다	많이적다	많이적다	정밀	복잡	적다

3.8.4 전극,노즐,가스의 역할 및 SERIES ARC의 발생원인

1. 전극

전극주변으로 공급하는 플라즈마 가스(Plasma GAS)를 파이롯 아크(PILOT ARC)로부터 플라즈마화 하여 메인 전류(전극으로부터 모재에 아크를 이행시킴)를 공급하는 역할(임무)를 하고 있습니다.

따라서,전극에는 아크 발생이 쉽게되는 높은 융점의 텅스텐 전극을 사용하고 있습니다.

(1)텅스텐 전극의 용점(℃)

텅스텐	W	WO₃
용점	3,370	2,130
전극의 온도	2,700 ~ 3,200

플라즈마 가스(Plasma GAS)는 고순도를 요구합니다.

(2)텅스텐 전극의 종류

종류	색상	전극봉 경	색상
순텅스텐(W)	백색	1~6.4	AL,NI
토리 텅스텐(WT)	적색	1~6.4	철강,SUS
엘 텅스텐(WL)	황록색	1~6.4	철강,SUS
와이 텅스텐(WY)	주황색	1~6.4	AL,NI

2. 노즐

노즐은 플라즈마 기류를 냉각시켜,아크를 모으기(집속)위하여,열전도성이 좋은 동을 사용학고 있습니다.

(1) 역할 (임무)

① 노즐은 열집중 효과의 역할을 하고 있습니다. ② 따라서 노즐형상(모양)에 따라서 용접에 영향을 줍니다.플라즈마 용접에는,어떤모양의 노즐에 따라 높은 에너지밀도와 지향성을 얻을 수 있는 중요한 요소입니다.

노즐경의 최대전류

NOZZLE(노즐) DIA (�)	최대전류치
1.2	~45A
1.6	~100A
2.0	~125A
3.2	~300A
4.0	~500A

3. 가스(GAS)

(1) 플라즈마(Plasma) 가스의 비교

항목	Plasma(PILOT) GAS
	Ar	Ar+He	Ar+H₂
용접전압	小	中	大
용접속도	느리다	보통	빠르다
전극소모	빠르다	보통	느리다
아크착화성	양호	불량	보통

* 사용 : 아크 착화성,가스가격이 저렴하므로 일반적으로 알곤가스를 사용* 주의 : 수소 포화를 받는 모재에는 수소 혼합가스의 적용은 불가(2) 쉴드가스(SHIELD GAS)의 비교

항목
	Ar	Ar+He	Ar+H₂
용접전압	小	中	大
용접속도	느리다	보통	빠르다

* 사용 : 열집중 효과를 얻기 위하여 일반적으로 알곤+H2 가스를 사용* 주의 : 수소 포화를 받는 모재에는 수소혼합가스의 적용은 불가

(3) 플라즈마(PILOT) 가스의 역할

①플라즈마 가스가 아크방전에 의하여 플라즈마화 한전극과 모재간의 거리에 전기회로를 형성

②플라즈마 기류안에 흐르는 전류에 따라서 발생한 JOULE열을 모재에 전달

③아크 방전에 따라서 플라즈마에 있는 에너지 (분해 에너지)를 모재 위에 방출하여 모재 표면온도를 향상시킴

. ④전극의 산화 방지를 이행.전극의 수명을 향상시킴.

(4) 수소혼합가스를 사용하는 이유

① 플라즈마 가스(파이롯 가스)3~5% 수소 혼합가스 사용으로 THERMAL PINCH(열집중) 효과를 얻을수 있습니다.

일반적으로, 수소(분자,원자,이온)는 대단히 가벼우므로 플라즈마안에서 바깥으로 분리하려는 특성을 가지고 있으며,수소는 플라즈마로부터 열 에너지를 얻기 위하여 분리하므로,플라즈마에서 열 에너지를 모으면서 냉각(Plasma)하여 THERMAL　PINCH(열집중)효과를 발생합니다.플라즈마 용접에서THERMAL PINCH효과의 정도는 아크전압에서 결정됩니다.즉,높은 아크전압은 높은THERMAL PINCH(열집중)효과를 발생시킬수 있습니다.

② SHIELD GAS3~25% 수소 혼합가스 사용으로 THERMAL PINCH(열집중)효과를 얻을 수 있습니다.이 경우,수소 혼합비가 많으면 많을수록 THERMAL PINCH효과를 많이 얻을수 있습니다.플라즈마 안으로 SHIELD　GAS 가 투입되었을 때, 수소(분자,원자,이온)의 역할은 상기 플라즈마 가스역활과 같습니다.

4. SERIES ARC 발생원인

① 최대 전류치 한계

② 노즐의 수냉효과 의 원인

③ 플라즈마 & SHIELD GAS 종류의 원인

④ 플라즈마 가스의 유량이 원인

3.8.5 플라즈마(Plasma) 용접기 각부 명칭

1. 용접기 구성

2. Switch 기능

3.8.6 키홀(Key-hole)용접법

플라즈마 기류가 용융금속을 뚫고 진행하여 모재의 뒷면까지 완벽하게 관통하여,키-홀형상을 형성 품질 용접을 진행하는 용접방법입니다.

아크주변의 용융금속은 측벽을 전달하여 뒤로 이동하고,대부분은 표면측을 흐르지만,일부는 뒷면을 따라서 용융지를 형성하여 BACK BEAD를 만들어, “I"형 편면(One-side)용접을 실현

연강	2~6mm
스텐레스판	2~9mm
알루미늄판	3~8mm

3.8.7 FILLER WIRE 의 사용방법

1. 사용목적

① FILLET 용접의 보강(WIRE)

②KEYHOLE용접의 보강(WIRE)

③ 육성용접

④ 용접금속의 화학성분의 조정(용사방법)

3.8.8 AFTER SHEILD 의 사용법 (BACK SHIELD의 사용법)

1. AFTER SHEILD 의 사용목적

-> 비드(BEAD)표면의 산화방지

2. BACK SHIELD의 사용목적

-> BACK BEAD 표면의 산화방지

-> BACK BEAD 형상의 균일화

3.8.9 플라즈마(Plasma) 용접의 적용분야

자동차오토바이분야	트랜스미션기어,연료탱크,머플러,촉매,차량문,바디,알루미늄호일,라지에타,AT용토크컨버터,캠샤프트,로커암,프라이휠,콘테이너내장,완충장치등
차량전장분야	카에어콘 Motor, 배터리 단자, Water 온도센서등
LNG선케미컬탱크분야	판연결,파이프후렌지연결등
가전품분야	냉장고용컨덴서,냉장고콤프레셔,냉장고Door,세탁기Motor,세탁조,온풍히터 Pilot단자등
OA기계분야	OA기기,배터리상자,프린터프레임,프린터가이드,복사기샤시,복사기도어,공중전화기용 프레임,톱니바귀등
가정용기기	싱크대, Flexible 파이프, 포트,물통,주전자,밥통,나이프,포크,칼,책상,파이프의자,가스급탕기,자전거후레임,골프클럽,손목시계밴드,소화기,트랜스등
산업용기기	다리미,사이리스터케이스,압력측정기,띠톱,타이어프레임,Motor case등
용기류	고압가스용기,맥주통,우유탱크,물통,연료탱크등
건축건설용기기	방화문,화재방지기센서,맨브레인등
기타	벨로즈,코일판이음,드라이브페이스,조관등

3.9 일렉트로 슬레그 용접(Electro-slag welding)

◆ 원 리 : 양면의 수냉 銅받침판에 의해 둘러 쌓인 용융금속위에 떠있는 도전성 용융 slag를 통하여 흐르는 전류의 저항발열을 이용하여 모재와 전극와이어를 용융시킨후 응고시켜서 접합하는 공법. 두께30mm이상의 판에 주로 적용.

< 그림 1 > 일렉트로 슬레그 용접

◆ 용접용 전원 : 주로 교류 정전압 특성이 적용(대출력, 저가).

◆ 용접 와이어 : 솔리드와이어, Flux coated wire 또는 Flux cored wire.

합금성분의 첨가용이, 플럭스의 자동 보급 용이

1) 장 점

▷ Groove가공 간단(I-Groove채용, 열적 절단면 그대로 적용).

▷ 용접후의 각변형(Angular distortion) 극소.

▷ 슬래그혼입, 기공, 스패터 등의 결함이 거의 없음.

▷ 용접금속중 산소, 질소의 함유량이 적음.

▷ 수직자세의 후판일수록 고능률 용접이 됨(전극와이어의 수 조정).

▷ SAW에 비해 플럭스의 소비량이 현저히 적게 됨.

2) 단 점

▷ 아크용접법에 비해 용융풀이 현저히 커져서 냉각속도가 늦어짐.

▷ 용접금속과 열영향부의 결정립을 조대화시켜 노치인성이 우려됨.

▷ 저융점 합금원소의 편석과 작은 형상계수로 인해 고온균열 발생. (두께 30mm이상 판의 수직상진 자세에만 적용가능)

3.10 Electro-Gas Welding

◆ 원 리 : 양면의 수냉 銅받침판에 의해 용융금속을 막고 CO2

가스 또는 Ar+CO2

가스중에서 아크를 발생시키고 이 열에 의하여 모재와 와이어를 용융시켜 접합하는 공법. 두께20mm전후 강판의 수직 상진자세에 적용.

◆ 용접용 전원 : DC 정전압 특성 전원 적용. 일렉트로 스래그용접에 비해 가볍고 편리한 장치.

◆ 용접 와이어 : Solid wire, Flux cored wire(아크 안정성과 비드외관 우수).