용접

기본원리

용접은 압력이나 용가재(溶加材)를 사용하거나 사용 없이 적정 온도로 열을 가하여 2개 이상의 금속재료를 접합시키는 기술이다.

용융시켜 용접할 때는 필요한 크기의 용융지(鎔融池)를 생성·유지시키기 위해 전기나 가스 불꽃의 형태로 충분한 열이 공급된다. 저항용접은 금속이 약간 용융되기 때문에 용융용접으로 분류할 수 있다. 고상 용접법은 모재(母材)의 용융과 용가재의 첨가 없이 압력과 약간의 열을 가하여 용접하는 방법이다. 초음파 용접과 마찰용접에는 마찰열이 이용되고, 확산접합에는 노(爐)의 열이 사용된다.

용접에 사용되는 전기 아크는 일반적으로 고전류(10~2,000A)·저전압(10~50V)의 방전이다.

아크 기둥은 아크 플라스마라고도 하는데, 여기에서는 기체 및 금속원자가 양이온과 음이온으로 해리되어 운동한다. 이 기둥 속의 전압은 전극에서의 거리에 비례하여 변화하지만, 그 비례정수는 주로 피복제의 종류나 아크 전류의 크기에 따라 영향을 받는다. 용접봉이 소모성이면 양극이 되고 비소모성이면 음극이 된다. 주로 직류(DC) 아크를 사용하지만, 교류(AC) 아크도 사용할 수 있다. 모든 용접법에 사용된 총에너지는 발생된 모든 열이 효과적으로 이용되지 못하므로 접합에 필요한 에너지 양을 초과한다.

효율은 용접에 따라 60~90％ 정도이며, 몇몇 특수 용접법에서는 이 범위를 훨씬 벗어난다. 열은 모재를 통한 전도와 주변으로의 방열에 의해 손실된다.

대부분의 금속은 가열될 때 대기나 주변의 금속과 반응하여 용접의 성질에 큰 해를 끼친다. 예를 들면 금속은 용융시 급속도로 산화되는데, 이때 생기는 엷은 산화막은 금속이 완전히 접합되지 못하게 하여 접합부를 약하게 한다. 특수 성질이 첨가된 몇 가지 용융금속은 공기에 노출시 너무 빨리 반응하기 때문에 원래의 성분을 유지하지 못한다.

이러한 문제 때문에 융제나 비활성기체가 이용되었다. 용융식 용접에서 융제는 금속의 반응을 제어한 후 용융금속 위에 피복(被覆)을 형성시킴으로써 산화를 방지한다. 융제는 활성화되어 용접을 돕거나 비활성화되어 용접중에 용융부를 보호할 수도 있다. 비활성기체는 융제와 비슷한 보호역할을 한다. 비활성기체 금속 아크 용접법(inert gas metal arc welding/MIG)과 비활성기체 텅스텐 아크 용접법에서 비활성기체(주로 아르곤)는 토치 주위를 고리 형상으로 계속 흘러 공기로부터 아크를 보호하며, 금속과 화학반응을 일으키지 않고 단순히 금속이 공기 중의 산소와 접촉하는 것을 막아 금속을 보호한다.

용접된 금속의 야금법은 용접부의 기능상 성질에 중요하다.

아크 용접은 용접부의 기본적인 모든 특징이 나타난다. 용접 아크가 지나가게 되면 용접금속·열영향부·원질부(原質部) 등의 3부분이 나타난다. 용접금속은 용접하는 동안 용융되는 접합부이고, 열영향부는 용접은 되지 않지만 용접열로 인해 미세 구조나 기계적 성질이 변하는 용접금속에 인접한 부분이다. 원질부는 성질이 변할 만큼의 열을 받지 않은 곳이다.

고체상태의 용접금속의 성분과 표면 상태는 접합부의 성능에 중요한 영향을 미친다.

아크 용접에서 용접금속은 용가재와 용융된 모재(母材)로 이루어진다. 아크가 지나가고 나면 용접금속은 급속히 냉각된다. 한번만 용접하면, 용융지의 가장자리에서 용접부의 중심까지 뻗어 있는 수지상정(樹枝狀晶)의 주조조직이 된다. 다중경로 용접시 이 주조조직은 용접되는 금속에 따라 변한다. 열영향부에 인접한 모재는 온도순환에 따라 달라지며, 구조물의 온도변화는 주어진 점에서의 최대온도·노출시간·냉각속도에 정비례한다. 모재의 종류는 크게 용접열에 영향을 받지 않은 재료, 구조적 변화로 경화된 재료, 석출과정으로 경화된 재료 등의 3가지로 나눌 수 있다.

용접시 용접금속의 수축과 팽창, 그리고 열영향부의 수축에 의하여 재료에 응력이 발생된다.

가열되지 않은 금속은 열영향부 위에 구속력을 가하여 용접금속이 자유로이 수축하지 못하게 되므로 접합부에 응력이 발생한다. 보통 이 힘을 잔류응력(殘留應力)이라고 하는데, 심한 경우 전체를 열처리해 제거해야 한다. 잔류응력은 모든 용접구조물에서 발생하며, 이를 제어하지 못하면 휘거나 비틀린다. 따라서 용접기법, 고정구, 조립과정, 최종 열처리 등을 사용해 제어한다.

종류

개요

용접법은 용접시의 금속이 고체상태냐 액체상태냐, 압력을 가하느냐 아니냐 등에 따라 융접·압접·납땜(soldering) 등으로 분류한다. 융접은 접합하려는 모재의 접합부를 가열하여 모재만으로, 또는 모재와 용가재를 융합하여 접합하는 방법이다. 압접은 이음부를 가열하여 큰 소성 변형을 주어 접합하는 방법이다. 납땜은 모재를 용융하지 않고 모재보다도 낮은 융접을 가지는 금속의 첨가재를 용융시켜 접합하는 방법이다. 용접법에는 여러 가지가 있지만 그중 가장 중요한 몇 가지는 다음과 같다.

단접(forge welding)

이 독특한 용융기법은 철을 최초로 사용하면서부터 시작되었다. 이 방법은 먼저 작은 철조각들을 접합하여 보다 유용한 큰 재료를 만드는 데 사용되었다. 접합할 부분을 먼저 짜맞추고 단조로에서 용접온도까지 가열한 다음 이것들을 망치질하거나 압력을 가한다. 단접의 한 예로 다마스쿠스 칼은 연철 막대를 얇게 망치질한 다음 그것들을 겹쳐 다시 망치질하여 단접한 것이다. 이 과정을 여러 번 반복할수록 더욱 단단한 칼을 얻을 수 있다. 중세에는 몇 개의 철판을 용접하여 대포를 제조했고 쇠뇌에서 발사되는 끝이 강철로 된 화살도 단접으로 제작했다. 단접은 주로 대장간에서 사용하는 기술로 남아 있고, 체인 제작에서도 아직 사용되고 있다.

아크 용접

피복 아크 용접(그림1)은 오늘날 가장 많이 사용하는 방법이다. 이 방법에서는 금속 용접봉과 모재 사이에서 발생하는 전기 아크를 이용한다. 작은 용융 금속방울은 금속 용접봉에서 용접부로 이동한다. 아크 용접은 교류나 직류로 할 수 있기 때문에 어떤 용접기는 광범위하게 활용할 수 있도록 2가지 모두를 사용하기도 한다. 절연 손잡이가 달린 전극 홀더는 용접전류를 용접봉으로 전도시키기 위해 사용된다. 공작물에 쇠집게를 물려서 개회로를 만든다.

아크가 아르곤이나 헬륨 같은 비활성기체에 의해 공기와 차단되는 비활성 가스 아크 용접은 보다 높은 효율로 많은 재료를 처리할 수 있고 신속하게 자동화가 이루어져서 그 중요성이 증대되고 있다. 텅스텐 용접봉은 합금비가 높은 박판재료에 주로 사용된다. 직류나 교류가 사용되고 용가재는 고온이나 저온으로 아크와 작용한다. 소모성 용접봉과 비활성기체로서 이산화탄소를 사용하는 이산화탄소 아크 용접은 강의 용접용으로 널리 사용된다. 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding)은 아크 부분이 입상의 용재로 덮여 있다는 사실을 제외하고는 위의 방법과 비슷하며, 용접봉이 융제 속에 있기 때문에 아크는 볼 수 없다. 플라스마 용접(plasma welding)은 열원이 고온의 플라스마인 아크 용접이다. 이것은 TIG 용접과 몇 가지 비슷한 점이 있는데 장점으로 에너지 집중의 증대, 아크의 안정성, 수동 조작의 용이 등을 들 수 있다. 대부분의 플라스마 용접장치에서는 먼저 2차 아크가 이온화 가스 흐름을 생성하기 위해 작용한 뒤 주(主) 아크가 작용한다. 작은 구멍을 통해 가해지는 아크 플라스마의 높은 온도(1만~1만 8,000℃) 때문에 냉각수를 사용해 용접장치를 냉각시켜야 한다(그림2).

가스 용접

이 용접법은 가연성 가스의 연소열을 이용해 금속을 가열하여 용접하는 방법이다. 한때는 금속 아크 용접법만큼 중요했지만, 지금은 특수한 판제작 분야로 사용이 제한되었고, 공업과 예술에서의 사용빈도가 같을 정도이다. 가스 용접 중 가장 많이 사용되는 것은 산소 아세틸렌 용접인데, 이것은 조절할 수 있는 강렬한 불꽃을 만드는 산소와 아세틸렌을 연소시켜 얻은 열을 이용하는 용접법이다. 중성 또는 환원성 불꽃은 주로 모재의 산화를 방지하기 위함이다. 가열할 때 열량 조정은 쉬우나 용접속도가 느리다. 융제는 접합부의 산화방지를 위하여 사용된다.

테르밋 용접(thermite welding)

이것은 용접 열원을 외부에서 가하는 것이 아니고 금속 산화물과 알루미늄 간의 탈산반응인 테르밋 반응(thermite reaction)에서 생성되는 열을 이용하여 금속을 용접하는 방법이다. 철이나 비철금속 모두에 사용되지만, 보통 철에 사용된다. 미세한 알루미늄 분말과 산화철 분말을 4：1의 중량비로 혼합한 테르밋 혼합물에 점화하면 2,760℃로 과열된 용융금속을 얻을 수 있다. 반응은 30~120초 사이에 완료된다. 이 방법은 4각형이나 원형의 크고 치밀한 단면을 가진 부분을 접합하는 데 적합하다(→ 알루미늄테르미트 공정).

저항용접

이 용접법은 접합에 필요한 열이 접합부의 전기저항으로 접촉면에 발생하게 하는 용접법이다. 용접은 양쪽에 1개씩 있는 두 전극을 통해 접합부에 가해지는 힘과 함께 저전압·고전류 전원을 사용하여 비교적 짧은 시간(보통 0.2초) 사이에 이루어진다. 스폿 용접(spot welding)은 겹쳐진 박판 위에 일정한 간격으로 이루어진다. 접합강도는 용접의 횟수와 크기에 따라 결정된다. 심 용접(seam welding)은 일련의 겹침점이나 연속이음매를 만들기 위해 접합부에 연속적으로 전류 펄스를 가하는 연속용접이다. 이 방법은 스폿 용접으로는 불충분한 컨테이너나 구조물에 사용된다. 프로젝션 용접(projection welding)은 원리적인 면에서 스폿 용접과 같으나 모재의 한쪽 또는 양쪽에 작은 돌기(projection)를 만들어 이 부분에 대전류와 압력을 가해, 모재의 접촉저항에 의한 저항열을 이용하여 용접하는 방법이다. 이 방법은 미리 정한 많은 점(spot)을 한번에 용접할 수 있다. 플래시 용접(flash welding)은 용접할 부분을 고정시키고 양끝을 서서히 접근시킨 뒤 이를 분리시키면서 아크나 불꽃을 일으키는 저항용접법이다. 불꽃이나 아크는 용접부 전체가 가열될 때까지 계속되며, 양끝에 힘을 가한 뒤 결합되어 냉각될 때까지 양단에 압력을 유지한다.

전자 빔 용접

이 방법은 높은 진공 중에서 음극 필라멘트를 가열하여 방출된 전자를 양극전압으로 가속하는 동시에 전자 코일로 집속하여 용접물에 충돌시켜 접합하는 용접법이다. 이때 전자의 충격은 열로 전환된 것이다. 전자 빔은 온도가 매우 높아서 결합 부위에 순간적으로 구멍을 뚫는다. 150kV 이상의 고압을 사용하면, 아주 가늘고 깊게 용접할 수 있다. 작업물은 자동장치에 의해 정확한 위치에 놓여진다. 13㎜ 두께의 재료를 용접하면 용접폭은 1㎜밖에 안 되고, 일반적인 용접속도는 분당 125~250㎝이다.

냉간압접(cold pressure welding)

이 방법은 가열하지 않고 상온에서 단순히 압력만을 가해 일어나는 두 재료 상호간의 확산을 이용하는 압접법이다. 압접 전의 재료 표면은 청결이 유지되어 있어야 하고, 접합부에서 재료의 35~90％ 정도를 변형시킬 수 있는 충분한 압력이 필요하다. 이 방법은 봉·선·관 등의 접합에 주로 사용된다. 압력은 펀치 프레스나 압축공기식 기계로 가해진다. 알루미늄 접합에 필요한 압력은 1.4~2.8×10⁹Pa 정도이며, 다른 모든 재료에서는 이보다 높은 압력이 필요하다.

마찰용접

이 용접법은 1891년에 특허신청을 하면서 등장했다. 2개의 공작물 중 하나를 고속으로 회전시키면서 서로 하중을 가한다. 마찰열이 접촉면에서 발생하면 재료가 소성되며, 이때 회전을 멈추고 결합을 강하게 하기 위해 하중을 증가시킨다. 소성변형으로 강하게 결합되므로 이 방법을 압접의 한 형태로 볼 수 있다. 이 방법은 자동제어가 가능한데, 연결부의 온도가 상승하면 마찰계수가 감소하므로 과열되지 않는다. 이 용접기계는 마치 선반과 비슷하며, 주요변수는 속도·힘·시간이다. 이 방법은 자동차 산업에서 차축 케이싱을 제작하기 위해 사용되어왔다.

레이저 용접

이 용접은 공작물에 레이저원에서 방출되는 빛 에너지를 집중시켜 재료를 녹임으로써 서로 접합시키는 방법이다. 레이저는 대부분의 용접을 위해 필요한 충분한 전력을 내는 데 대한 한계와, 용접할 수 있는 속도와 두께가 전력이 아닌 금속의 열전도율과 표면에서 금속의 기화성에 의해 조종되는 단점이 있어 사용이 제한된다. 그러나 0.5㎜까지의 소형 전기회로같이 매우 얇은 재료의 용접의 경우에는 효율적이다.

확산용접

이 용접법은 모재의 접합면을 오랜 시간 동안 재결정온도 또는 그 이상의 온도에서 압력을 가해 생기는 확산을 이용한 용접법이다. 일반적으로 가해진 압력은 변형이 5% 이하로 일어나므로 기계부품을 마무리하는 데 사용될 수 있고, 벌집 구조물같이 용접하기 힘든 형상을 가진 재료의 접합용으로 항공우주산업에서 거의 독점적으로 사용되었다. 강은 수분 동안 980℃ 이상에서 확산 용접이 이루어진다.

초음파용접

이 용접법은 두 모재를 가압한 후 초음파 진동 에너지를 국부적으로 작용시킴으로써 모재를 접합하는 고상 용접법으로, 이는 받침대(anvil)와 용접 팁(tip) 사이에 가압된 재료에 팁으로 진동 에너지가 작용되면 접촉면의 불순물이 제거되고 부분적인 소성변형으로 인한 금속 원자 사이의 결합이 이루어진다는 원리를 이용한 것이다. 이 용접법에서 주요변수는 물리적 힘, 입전력, 용접시간이다. 용접시간은 가는 철사는 0.005초, 1.3㎜ 두께의 재료는 1초이다. 집적회로, 알루미늄 캔의 납접합에 널리 활용된다.

폭발용접(explosive welding)

이 용접은 2개의 판이 폭발력에 의해 고속으로 충돌할 때 이루어진다. 하부판은 무거운 강판 같은 단단한 표면 위에 놓인다. 상부판는 위에 판형 폭발물이 설치된 상태로 하부판과 약 5˚ 경사지게 놓인다. 이 폭약은 두 판의 중심점에서 폭발하여 접촉면에서 급속도의 소성변형과 발열에 의해 100만 분의 수초 동안에 용접이 이루어진다. 충돌점에서는 고압하에서 점성유동과 같이 심한 소성유동이 생기고 또한 고속의 금속분류가 일어나 용접이 완료되면 판 사이 접합부에 물결 모양이 생긴다.