Arc Welding(피복 금속 아크 용접)

아크 용접이란 전극과 모재의 표면사이에 발생하는 전기적 아크와 열에 의해 두 금속이 접합(coalescence)하는 과정이다.

아크 용접을 이해하기 위해 아크의 개념에 대해 알아보자.

아크란 용접봉과 모재사이에 전압을 걸고 용접봉 끝부분을 모재에 살짝 접촉시켰다가 떼는 순간에 불꽃 방전에 의해 원호(arc) 모양의 청백색의 강한 빛을 내는 부분을 말한다.

아크의 중심부에 있는 지름이 작고 백색에 가까운 아주 밝은 부분을 아크중심이라 하며 이 부분의 길이를 아크길이(arc length)라 하며, 이 중심부위를 둘러싼 담홍색부분을 아크기둥(arc column)이라 하고 그 외부를 둘러싼 불꽃을 아크불꽃이라 한다.

이 아크를 통하여 강한 전류(약 10∼500 A)가 흐르며 이 강한 전류가 금속증기나 그 주위의 각종 기체분자를 해리하여 양이온과 전자로 해리시켜 양이온은 음극으로 전자는 양극으로 끌려가게 된다.

이 아크의 전류는 강한 열(5000℃)을 발생시키고 이 열에 의해 용접봉은 녹아서 금속증기 또는 용적(熔滴, globule)이 되며, 동시에 모재도 녹아서 용융지(熔融池, molten weld pool)를 형성한다.

용접봉의 금속증기 또는 용적이 용융지에 흡착외어 모재의 일부와 융합하여 용접금속(熔接金屬, welding metal)을 형성한다.

따라서 아크용접에서는 모재와 용접봉이 각기 전극의 역할을 하게 되는데 모재와 용접봉 중 어느 것이 각각 양극 또는 음극이 되는가와 모재와 용접봉의 성질에 따라 용접의 성능이 변화하게 된다.

아크용접에 있어서 직류전원을 사용한 경우를 직류용접(DC arc welding) 이라 하고 교류전원을 사용한 경우를 교류용접(AC arc welding)이라 한다.

아크를 발생시키는 전원은 직류와 교류를 다 사용할 수 있다.

직류인 경우 양극(+)극에 발생하는 열량이 음극(-)에 발생하는 열량보다 훨씬 많다.

그 이유는 전자가 음극에서 양극으로 흐르기 때문(전류는 양극에서 음극으로 흐르고 전자는 이와 반대)에 전자의 충격을 받는 양극에서 발열량이 많다.

따라서 용접봉을 연결할 때 전원을 고려하여야 한다. 그러나 교류인 경우 양극과 음극이 주파수에 의해 바뀌므로 발생하는 열량은 각 극에서 거의 비슷하다.

직류(DC)전원을 사용하는 경우 용접봉을 음극에, 모재를 양극에 연결한 경우를 직류 정극성(直流正極性, direct current straight polarity, DCSP)이라 하는데 이 경우는 용접봉의 용융이 늦고 모재의 용입(penetration)이 깊어진다. 반대로 용접봉을 양극에, 모재를 음극에 연결한 경우를 역극성(直流逆極性, direct current reverse polarity, DCRP)이라 하는데 이때는 용접봉이 전자의 충격이 더 세므로 용접봉의 용융속도가 빠르고 모재의 용입이 얕아지게 된다.

따라서 극성이 유해물질 발생에 영향을 미치는 한 인자가 된다.

이 아크용접은 전극, 플럭스(flux), 피복가스, 기타 장비에 의해 여러 가지종류로 구분된다.

전극은 비피복선(非被覆線, bare wire)을 사용하거나 flux 물질로 약하게 또는 강하게 피복되어진 것을 사용한다.

비 피복 전극(bare wire electrodes)은 가격이 싸나 용접이 잘되지 않고 유지하기가 힘들므로 잘 사용하지 않는다.

때로는 사용 전 산화를 방지하기 위해 flux 대신 용가재(filler material)에 구리를 코팅시키기도 한다.

아크용접을 하기위해서는 다음과 같은 장치가 필요하다.

① 용접기 - 아크 용접의 열원으로 직류와 교류용접기가 있다.
② 용접용전선(welding cable) - 전원에서 용접기까지 연결하는 1차전선(교류인 경우)과 용접기에서 호울더나 모재까지 연결하는 2차 전선이 있다.
③ 용접봉 호울더(electrode holder) - 용접전류를 케이블에서 용접봉으로 전하는 기구로 용접봉 끝부분을 물게 되어 있다.
④ 접지클램프(ground clamp)와 커넥터(connector)

접지 클램프는 용접기와 모재를 접속하는 것으로 저항 열을 발생시키지 않도록 해야 한다.

케넥터는 길이가 긴 용접용 전선을 이어서 사용할 때 연결하는 장치이다.
⑤ 핸드 시일드와 핼멧

용접 작업 중 발생하는 자외선·적외선 및 스패터로 부터 눈, 얼굴, 머리를 보호하는 장비로 손잡이가 달려있는 것을 핸드 시일드(hand shield)라 하고 머리에 착용하는 것을 헬멧이라 한다.

이 핸드 시일드와 헬멧에는 차광렌즈가 끼워져 있다.
⑥ 차광렌즈(filter lenz)

용접 중 자외선·적외선으로부터 작업자의 눈을 보호가기 위한 것으로 렌즈의 번호가 높을수록 차광 량이 많다.

대개 2번은 연납 땜에, 3∼4번은 경납 땜 작업 시, 4∼6번은 가스용접 및 절단에, 보통 전기용접에는 10∼12번이 사용된다. 차광렌즈 바깥쪽에는 차광유리가 스페터에 의해 손상되지 않도록 유리가 끼워져 있다.
⑦ 용접보조 장비로는 슬랙을 제거하기 위한 슬랙해머, 와이어 브러쉬, 치수를 재는 용접지그(welding jig) 등 여러 장비가 있다.
⑧ 작업자를 보호하기 위한 용접장갑, 발 덮개, 앞치마 등이 있는데 이들 중에는 석면제품이 많으므로 유의하여야 한다.

인근 작업자를 보호하기위한 차광막도 필요하다. 또한 국소환기장치가 필요하다.

아크 용접은 매우 다양한 종류가 있는데 그 중 대표적인 것 몇몇을 설명하면

shielded metal-arc welding(SMAW), gas tungsten arc welding(GTAW), gas metal arc welding(GMAW), submerged arc welding(SAW), plasma arc welding(PAW)등이 대표적이다.

1.3.1. Shielded Metal Arc Welding(SMAW, 피복아크용접)

피복아크용접은 압력을 가하지 않는 용접의 가장 흔한 형태로, 피복금속아크용접, 막대용접(stick welding or stick rod welding), 전기용접, 전극용접(electrode welding, or coated electrode welding), 또는 수동금속아크용접(manual metal arc welding)이라 불리기도 한다.

이는 피복제를 바른 용접봉과 모재사이에 전기아크에 의해 발생되는 열을 이용하여 용접하는 방식으로 그림 1-3에는 용접부위에 관한 설명과 용어가, 그림 1-4에는 피복아크용접회로가 나타나 있다.

그림 1-3에서 보는 바와 같이 용접회로는 전원(직류, 교류 모두 가능), 전극 케이블, 용접봉 홀더, 피복아크 용접봉, 모재(피 용접물), 접지케이블로 이루어져 있다. 직류인 경우 전압은 대개 10-50 V이며 이 때 전류는 2000A까지 올라갈 수도 있다.

용접봉은 용접 보재사이의 틈을 채우기 위하여 필요하며 용가재(filler metal)이라고도 하며 또한 모재와 용접봉사이의 아크를 발생시키는 전극의 역할을 하므로 전극봉(electrode)라고 한다.

용접봉을 분류하는 방식은 여러 가지이다.

모재의 재질에 따라 연강용(탄소강), 저합금강용(고장력강), 스테인레스 강용, 구리합금용, 주철용, 특수용도(내마모성용, 내균열성용, 표면경화용)으로 구분할 수 있는데 대개 모재와 같거나 비슷한 금속합금으로 되어 있는데,

주요 세종류는

① 셀룰로이계(cellulosic; TiO₂, sand, magnesium silicate),

② 금홍석계(rutile; TiO₂, CaCO₃, cellulose),

③베이직계(basic; CaCO₃와 fluride가 고함량)가 있다.

또한 용접부 보호방식에 따라 가스발생식(피복제 성분이 주로 셀룰루스며 연소하여 가스를 발생하여 용접부를 보호), 슬랙 생성식(피복제 성분이 주로규사, 석회석등 무기물로 슬랙을 형성해 용접부를 보호), 반 가스 발생식(가스발생식과 슬랙 생성식의 중간방식)으로 구분할 수도 있다.

피복 용접봉은 금속심선의 주위에 여러 가지 기능을 가진 유기물, 무기물 또는 그 혼합물을 피복한 것으로 피복제는 적당한 고착제를 사용하여 심선에 도포한다.

피복제는 아크열에 의해 분해되어 아크를 안정하게 하고, 가스(CO₂, CO) 또는 슬랙을 발생시켜 용융 금속이 대기중의 산소나 질소와 접촉하는 것을 막아 산화 및 질화를 방지하며(중성 또는 환원성 분위기를 만듦), 적당한 화학반응에 의하여 용접 금속은 정련된다.

또한 필요한 합금 원소를 심선이나 피복제에 첨가함으로써 좋은 용착 금속을 얻을 수 있다.

비 피복 용접봉(bare electrode)을 사용하면 가스 시일드가 형성되지 않으므로 공기가 침투하여 건전한 용착금속을 얻을 수 없고 아크도 안정화되지 않는다.

이와 같은 피복제의 기능을 요약한 것이 표 1-2이다.

용접부의 차폐 분위기(shielding atmosphere; 통상 '시일드'라 함)는 용제(flux)라고 불리는 피복제의 분해로 인해 생성된다.

용가재는 금속심선(金屬心線, metal core wire) 또는 피복제에 포함된 금속 입자에 의해 공급되어진다.

<표 1-2> 피복제의 기능과 성분

따라서 아크의 차폐(시일드)는

① 아크 속에서의 용융금속과 용융지의 공기접촉을 막고

② 용접금속의 성질구조를 정련하기 위한 제거제 또는 항산화제 역할을 하며

③ 용 융지와 고형화된 용접부에 slag blanket을 형성한다.

①, ③ 기능에 의해 공기로부터 산소와 질소 의 유입을 막아 산화물과 질화물의 형성을 막는다.

후에 슬랙은 손이나 공기 해머에 의해 제거한다.

피복아크 용접에서 유해인자를 파악하기 위해서는 반드시 용접봉과 피복제의 성분을 확인 하여야 한다.

용접봉의 분류는 용접봉에 씌어 있는 번호로 한다. 다음은 미국용접학회에서 사용하는 분류방식이다.

우리나라에서 피복아크 용접봉의 분류는 KS D 7004에 규정되어 있는데 이는 피복제의 종류, 사용전류, 용접자세에 따라 분류되고 있다.

  Exxx 또는 xxxx로 표시 예)E8410

  ·E : E는 전기아크 용접전극 또는 용접봉을 표시
  ·84 : E 다음의 두 자리는 용착금속의 최소 인장강도(kgf/mm2)로서 위 용접봉은 인장강도가 84 kgf/mm2을

         나타낸다.
  ·그 다음의 한 자리 숫자는 용접봉이 사용되는 용접 자세를 나타낸다.

1: 전 자세,

2: 아래보기 또는 수평용접 자세,

3: 깊은 홈(deep grove)
  ·4번째 자리 숫자는 극성, 피 복형과 비드 모양 등 작업특성을 나타낸다.

    여기서 0은 직류(DC) 역 극성을 의미한다.

다음 표 1-2는 4번째 숫자의 의미인데 개략적인 성분과 전원의 특성을 알 수 있다.

<표 1-3> 용접봉 표시 형식 중 4번째 자리 숫자의 의미

저 수소 용접봉(low hydrogen electrode)에는 탄소, 망간, 실리콘, 크롬, 니켈, 몰리브덴, 바나디움등의 금속과 더불어 탄산칼슘-불화칼슘(CaCO₃-CaF₂)가 첨가되어 있다.

기존의 연구에 의하면 저 수소 전극에서 발생되는 흄의 9 %가 불소라고 보고되었으며 이 불소 중 10-22 %가 수용성이라고 하였다.

다른 연구에서는 피복제의 함량과 심선의 두께에 따라 불소가 총 흄의 20 %까지 차지 할 수 있다고 하였다.

수용성 불소가 되는 기작은 확실치는 않으나 불화칼슘이 아크 속에서 분해되어 SiF₆를 형성하고 이것이 수증기가 존재하는 상태에서는 HF가 된다고 추측하고 있다