아크 용접 (arc welding) 알아보기
- 브레이징
- 2021. 12. 2.
아크용접이란?
금속과 금속을 접합하는 데 아크방전을 이용하는 방법
1. 아크 용접의 기초
▩사용하는 전극(Electrode)의 종류에 따른 분류
▷ 주로 사용하는 두 종류
(1) 피복 금속 아크 용접 : 소모 전극 사용(전극이 용융됨: 전극=용접봉) / 용접봉이 피복
→ 접봉의 피복제가 녹아서 아크 위를 덮음
(2) 탄소 아크 용접 : 비소모전극 사용 (전극이 용융 안됨: 전극≠용접봉) /별도의 용접봉
→ 용가봉 필요 / 용가봉이 피복 안돼 있음
▩ (피복) 금속 아크 용접과 탄소 아크 용접의 구조 비교
▩ 피복 금속 아크 용접의 경우 구조 및 용접 메커니즘
(1) 용접봉 : 전극인 동시에 용융되어 모재에 용융금속 제공
- 심선: 금속전극 및 용융재 역할
- 피복제: 아크열에 의해 용융되어 용융금속위의 슬랙(용융 산화물) 형성 산화 / 질화 방지 / 용융 금속 급랭 방지
(2) 아크 : 기체 방전 시 전극재의 일부가 기화하여 높은 열과 섬광을 나타내는 것
(3) 용적(Droplet) : 아크열에 의해 녹은 용접봉 용융 금속액
(4) 용융지(Molten Pool) : 모재 용융 금속과 용적으로 이루 어지 액체 금속 영역
(5) 용착 금속(Deposited Metal) : 용융지가 응고되어 접합된 부분
(6) 크레이터(Crater): 용융지와 용착 금속의 경계
▷ 용접 메커니즘
모재와 용접봉을 각각 전원에 연결시킴 → 용접봉을 모재에 Touch → 아크 발생
(6000℃ 의 고열/섬광) → 모재 용융/용접봉 용적 발생 → 용융지 형성 → 피복제 슬랙 형성
→ 용접봉 접합부를 따라 이동 → 용융지 응고 → 용착 금속 형성 (용접 완료)
: 위 과정은 용접봉이 접합부를 따라 계속 이동함에 따라 반복 진행
▩ 사용하는 전원의 종류에 따른 분류
▩ 아크 용접에 사용하는 전압과 전류
- 전압 : 20~40V
- 전류 : 50~400 A (가전제품 : 보통, 1 A 이하) : 용접봉의 용융 속도에 비례
▷ 아크발생 길이 : 1.0~4.0 mm
▩ 용융지의 깊이 결정
▷ 중요성 : 접합시킬 두 소재의 용접 범위 결정
▷ 고려해야 할 사항
(1) 전류량
(2) 극성
(3) 아크 길이의 안정성
(4) 전극의 기울기
(5) 용접봉의 지름/운봉 속도
2. 아크의 성질
1) 아크
▩ 아크의 발생 메커니즘
모재에 용접봉을 Touch → 기체방전 발생 → 전극재(모재/용접봉)의 일부가 기화되어 금속증기 형성 →
금속증기 주위에 각종 기체분자가 양이온과 전자로 분리 → 음의 전극재 로는 양이온 고속이동 / 양의 전극재 로는 전자 고속이동 → 아크 발생
2) 용접입열
- 정의 : 용접부에 외부에서 주는 열량
- 피복 금속 아크 용접에서 용접입열량의 정의
→ 단위길이 1cm당 발생하는 용접부에 제공하는 전기에너지
- E : 아크 전압 (20~40 V)
- I : 아크 전류 (50~400 A)
- EI : 아크 전력 (1,000~16,000W) W = J/sec
- V : 용접 속도 (8~30 cm/min)
- 아크 길이 : 1.5~4.0mm
3) 용착 속도
- 정의 : 단위 시간에 용착하는 금속의 양
- 단위 : g/min, kg/hour
- 용도 : 용접 능률을 판정하는 기준 (cf. 용융 속도)
▷유사용어 정리
- 용융 속도 : 용접봉(심선)이 1분간 용융되는 길이 (mm/min) or 중량(g/min)
→ 전압과 전류가 높을수록 용접봉의 지름이 작을수록 증가
- 용착 효율 : 용접봉(심선) 소모량에 대한 생성 용착금속의 중량비
- 용접 속도 : 용접비드를 만들 때의 속도 (→1분간 만들어진 비드의 길이)
4) 용융 금속의 이행
- 정의 : 용접봉이 아크에 의해 용융되어 모재에 용융 금속이 추가되는 것
- 용융 금속 이행의 3가지 방식
(1) 입적 이행(粒適移行 = 단락형 입적이행)
→ 용적(용접봉 용융 금속액)이 모재와 접촉하여 빨려 들어가는 형태로 이행되는 방식
(2) 스프레이 이행
→ 용적이 작은 입자 형태로 모재에 이행되는 방식 / 대부분의 피복아크 용접봉
(3) 핀치 효과 이행
→ 핀치 효과(Pinch Effect)에 의해 용접봉 융융부의 일부가 절단되어 떨어져 나가 모재로 이행되는 방식
※ 핀치 효과 : 원형 단면 주위를 흐르는 전류 띠(전류 소선) 사이에 발생하는 인력에 의해 유발된 압력에 의해
원형 단면 막대의 일부가 축소되어 결국 절단되는 현상
5) 자기 불림
- 정의 : 용접 전류에 의해 형성된 자장이 평형을 잃고 아크에 영향을 주어 아크가 정상 상태에서 벗어나
한 곳으로 쏠려 용접점이 밖으로 벗어나는 현상
- 자기 불림이 발생하는 2가지 경우
(1) 전류 경로의 방향 변환에 의한 자기 불림 현상
(2) 전극 위치의 기울어짐에 의한 자기 불림 현상
3. 아크 용접봉
1) 용접봉
▩ 피복 여부에 따른 아크 용접봉 분류
▩ 용도에 따른 아크 용접봉 분류
2) 심선
- 역할 : 용접봉의 주 소재 / 아크열에 의해 용적 형성하여 모재에 용융 금속 공급
- 제조방법 : 강괴(Billet)의 열간 선재 압연에 의해 생산
- 재질 :
(1) 모재와 동일한 재질의 것 사용
(2) 용착 금속의 균열 방지를 위해 저탄소/탈황/탈인/탈구리 성분 금속 사용
(3) 예:연강 아크 용접용 심선 - 저탄소 림드강(Rimmed Steel)
3) 피복제의 역할
(1) 공기 중의 산소 / 질소의 침입방지
(2) 용융금속의 탈산작용 / 용착 금속의 기계적 성질향상
(3) 용융금속에서 필요한 원소 공급 및 기계적 성질향상
(4) 아크의 발생과 아크의 안정성 향상
(5) 슬랙(Slag) 형성 → 용착 금속의 급랭 방지
(6) 아크를 용접부에 집중시킴
4) 연강용 피복 아크 용접봉의 분류 및 피복제의 계통별 특성
▩ 피복제에 따른 연강용 피복 아크 용접봉의 분류(1)
▩ 피복제에 따른 연강용 피복 아크 용접봉의 분류(2)
▣ 용접봉 코드 읽는 방법
5) 용접봉의 선택 방법
- 용접봉 선택 시 고려사항
(1) 용접봉의 내균열성 (저수 소계 > 일루미 나이트계 > 고 산화철계 > 고 셀룰로우스 계 > 티탄계)
(2) 아크의 안정성
(3) 스패터링(Spattering)
(4) 슬랙의 성질
- 작업 시 알맞은 용접봉의 선택 (피복제의 계통에 따른)
4. 아크 용접기
- 역할 → 용접작업에 적합한 낮은 전압 / 큰 전류 형태의 전력을 공급
- 종류 :
5. 아크의 발생과 운봉법
- 아크의 발생시키는 원리
용접봉의 끝을 모재에 가까이 근접시켜 아크 발생시킬 위치 확인
→ 용접봉을 모재에 순간적으로 접촉
→ 재빨리 용접봉 위로 끌어 올림
→ 아크발생
- 아크 발생법의 종류
(1) 용접봉을 모재에 긁는 방법 (그림 (a), (b)) → 초심자 발생법
(2) 용접봉을 모재에 찍는 방법 (그림 (c)) → 숙련자 발생법
- 운봉법 : 용접봉을 움직여 용접 용융 금속(비드)을 발생시키는 방법
- 운봉법의 종류
(1) 직선 비드법 → 용접봉을 좌우로 움직이지 않고 직선적으로 용접
(2) 위빙 비드법 → 용접봉을 좌우로 반달형으로 움직이면서 전진 용접
(3) 휘빙비드법 → 지그재그 운봉
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