용접은 수많은 산업 분야에서 사용되는 기본적인 제조 공정입니다. 이 가이드에서는 용접의 원리와 다양한 방법에 대한 자세한 설명, 그리고 용접의 미래를 형성하는 첨단 기술에 대한 고찰을 제공합니다.
용접 소개
용접은 제작 과정 고열을 이용하여 부품을 녹인 후 냉각시켜 용융시키는 방식으로 재료(주로 금속)를 접합하는 방식입니다. 압력은 열과 함께 또는 그 자체로 용접을 형성할 수 있습니다. 이 과정은 접합부에서 분자 간 힘을 통해 영구적인 결합을 형성합니다.
용접 방법은 크게 다음과 같이 분류됩니다. 가열 수준 및 공정 특성에 따른 3가지 주요 유형.
1. 퓨전 용접: 이 용접은 접합부에서 작업물을 국부적으로 가열하여 용융 상태로 만들어 용접 풀을 형성하는 것을 포함합니다. 이 때 용가재를 첨가하는 경우가 많습니다. 용접 풀이 냉각되고 응고되면서 용접 이음매가 형성되어 분리할 수 없는 하나의 조각이 됩니다. 일반적인 용접 방법으로는 가스 용접, 아크 용접, 일렉트로슬래그 용접, 플라즈마 아크 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접 등이 있습니다.
2. 고체 용접(압력 용접): 이 용접 유형은 외부 열 유무와 관계없이 압력을 가하는 용접입니다. 접합은 모재를 용융시키지 않고 고체 상태에서 이루어집니다. 일반적인 용접 방법으로는 저항 용접, 마찰 용접, 냉간 가압 용접, 확산 용접, 폭발 용접 등이 있습니다.
3. 납땜 및 납땜: 이 방법은 모재보다 융점이 낮은 용가재(브레이징 또는 납땜 합금)를 사용합니다. 용가재는 모세관 현상에 의해 용융되어 접합부로 유입되고, 모재와 확산되어 강력한 접합을 형성합니다. 작업물 자체는 용융되지 않으며 일반적으로 소성 변형이 발생하지 않습니다.
용접의 장점
재료 절약 및 가벼운 구조: 용접은 재료를 효율적으로 사용할 수 있어 주조나 리벳팅에 비해 더 가볍고 간결한 설계가 가능합니다.
다양하고 복잡한 구조: 더 작고 간단한 부품을 결합하여 크고 복잡한 부품을 만들 수 있으므로 주조, 단조 및 기계 가공 공정이 간소화되어 최적의 경제적, 기술적 결과를 얻을 수 있습니다.
고성능 조인트: 용접 접합부는 뛰어난 기계적 강도와 밀봉 특성을 제공합니다.
이중금속 구조: 용접은 서로 다른 금속을 접합하여 각 재료의 고유한 특성을 활용한 구조물을 만드는 것을 가능하게 합니다.
용접 공정 개요
I. 아크 용접
아크 용접은 전원 공급 장치를 사용하여 전극과 모재 사이에 전기 아크를 발생시켜 접합 지점에서 금속을 용융시킵니다. 아크는 강렬하고 지속적인 가스 방전 현상입니다. 양극과 음극 사이에 전압이 유지되고, 그 사이의 가스 매질은 이온화됩니다. 아크는 일반적으로 전극을 모재에 잠시 접촉시켰다가 떼어내면 단락 회로가 형성되어 아크가 점화됩니다. 아크가 형성되면 전원 공급 장치는 전위차를 유지하여 아크를 유지합니다.
호: 용접 아크는 저전압(일반적으로 20~30V), 고전류(수만 암페어에서 수천 암페어), 고온(최대 5000K), 높은 에너지 밀도, 그리고 이동도를 특징으로 합니다. 아크는 음극 영역, 양극 영역, 그리고 아크 기둥의 세 영역으로 구성됩니다. 아크 용접 전원은 AC, DC, 펄스, 그리고 인버터 전원으로 분류됩니다.
일반적인 아크 용접 유형은 다음과 같습니다.
1. 차폐 금속 아크 용접(SMAW)
수동 금속 아크 용접(MMAW)으로도 알려진 SMAW는 가장 오래되고 널리 사용되는 아크 용접 공정 중 하나입니다. 플럭스가 코팅된 소모성 전극을 사용하여 용접합니다. 아크의 열은 플럭스를 녹이고, 이는 아크를 보호하는 차폐 가스와 용융된 용접 풀을 덮는 슬래그 층을 생성합니다. 이 슬래그는 또한 야금 반응을 촉진하고, 용접 금속의 특성을 향상시키는 합금 원소를 첨가할 수 있습니다. SMAW는 수리 및 조립 시, 특히 접근하기 어려운 곳의 짧은 용접에 이상적입니다. 대부분의 산업용 탄소강, 스테인리스강, 주철, 구리, 알루미늄, 니켈 합금에 적합합니다.
2. 서브머지드 아크 용접(SAW)
SAW에서 아크는 입자가 굵은 용융성 플럭스 아래에 숨겨져 있습니다. 이 공정은 용접 이음매를 따라 플럭스 층을 증착한 후, 소모성 와이어 전극을 접합부에 공급하고 플럭스 아래에 아크를 발생시키는 방식으로 진행됩니다. 아크가 접합부를 따라 이동하면서 와이어가 자동으로 공급됩니다. SAW의 장점은 다음과 같습니다.
높은 용접 품질: 플럭스는 대기로부터 탁월한 차폐력을 제공하여 용접부의 질소 및 산소 함량을 매우 낮춥니다. 자동화된 공정과 긴 용접 풀 시간은 철저한 금속 반응을 가능하게 합니다.
개선된 근무 조건: 플럭스 층은 아크 플래시를 덮어 작업자의 안전과 편안함을 향상시킵니다.
높은 생산성: 전극 스틱아웃이 짧을수록 전류와 전류 밀도가 높아져 용입 깊이가 깊어지고 용착 속도가 빨라집니다. 절연 플럭스 블랭킷은 열 효율을 높여 용접 속도를 높입니다.
SAW는 높은 용착률과 깊은 용입을 특징으로 하며, 중간 두께에서 두꺼운 판재의 길고 직선적인 용접에 적합합니다. 조선, 압력 용기 제조, 교량 건설, 중장비 건설 등에 널리 사용됩니다. 주로 탄소강이나 저합금강과 같은 철금속에 사용됩니다.
3. 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW/TIG)
일반적으로 TIG(텅스텐 불활성 가스) 용접으로 알려진 이 용접은 소모성 전극을 사용하는 공정입니다. 텅스텐 전극과 작업물 사이에 아크가 형성됩니다. 텅스텐 전극은 녹지 않고 아크를 생성하는 역할만 합니다. 토치에서 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스가 흘러 용접 영역을 보호합니다. 필요한 경우 용가재를 별도로 추가할 수 있습니다.
장점: 열 입력을 탁월하게 제어하여 매우 높은 품질과 깨끗한 용접을 만들어냅니다.
얇은 재료의 용접과 루트 패스(root pass)에 이상적입니다. 거의 모든 금속, 특히 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 지르코늄과 같이 내화성 산화물을 형성하는 반응성 금속에 사용할 수 있습니다. 주요 단점은 다른 아크 용접법에 비해 용접 속도가 느리다는 것입니다.
4. 가스 금속 아크 용접(GMAW)
MIG(금속 불활성 가스) 또는 MAG(금속 활성 가스) 용접이라고도 하는 GMAW는 연속적으로 공급되는 소모성 와이어 전극과 모재 사이에 전기 아크가 형성되는 융착 용접 공정입니다. 와이어는 전극과 용가재 역할을 모두 합니다. 차폐 가스는 아크와 용접 풀을 보호합니다.
CO₂ 용접(MAG의 한 종류)
고온의 아크는 CO₂를 CO와 O로 분해하여 아크를 수축시킵니다. 이로 인해 집중된 아크가 생성되지만, 더 큰 액적 이동과 스패터 증가로 이어질 수 있습니다. 그러나 CO₂는 높은 밀도로 인해 탁월한 차폐 효과를 제공합니다. 이 공정은 에너지 효율이 높고 비용이 저렴합니다. CO₂는 산화성 가스이므로 합금 원소의 손실을 초래할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 용접 와이어에 탈산제가 포함됩니다. 자동차, 조선 및 제조 산업에서 널리 사용됩니다. 주로 탄소강, 저합금강 및 고강도 저합금강에 적합합니다. 비철 금속이나 스테인리스 강.
5. 플라즈마 아크 용접(PAW)
PAW는 플라즈마 아크가 수냉식 노즐을 통해 압축되는 GTAW의 발전된 형태입니다. 이 압축은 아크의 온도, 에너지 밀도, 그리고 속도를 증가시킵니다.
키홀 플라즈마 아크 용접: 더 높은 전류(100~300A)를 사용합니다. 아크가 공작물을 완전히 관통하여 "키홀"을 형성합니다. 토치가 움직이면서 용융 금속이 키홀 뒤로 흘러 용접부를 형성하여 최대 10mm 두께의 판재(스테인리스강)를 단일 패스 용접할 수 있습니다.
마이크로플라즈마 아크 용접: 얇은 호일과 시트(0.025~2.5mm)를 용접할 때 매우 낮은 전류(0.1~30A)를 사용합니다.
높은 에너지 밀도, 강력한 침투력, 빠른 용접 속도, 그리고 최소한의 변형과 같은 장점을 가지고 있습니다. 텅스텐 전극이 수축되어 있어 용접부에 텅스텐 개재물이 생기는 것을 방지합니다. 항공우주 및 기타 첨단 산업에서 구리, 티타늄 합금, 스테인리스강 및 기타 고성능 금속의 용접에 널리 사용됩니다.
6. 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)
FCAW는 GMAW와 유사하지만 플럭스가 채워진 관형 와이어 전극을 사용합니다. 플럭스는 차폐, 탈산제 및 합금 원소를 제공합니다. 일부 FCAW 와이어는 "자체 차폐"되어 있는 반면, 다른 와이어는 외부 차폐 가스(주로 CO₂)가 필요합니다. FCAW는 SMAW의 다재다능함과 GMAW의 높은 생산성을 결합한 기술입니다. 플럭스는 추가적인 야금학적 이점을 제공하여 용접 품질을 향상시킵니다.
이 제품은 광범위한 철강 금속과 접합 분야에 적합하며, 건설 및 중공업 분야에서 많이 사용됩니다.
II. 융합 용접 공정
1. 가스용접(산소연료용접)
가스 용접은 아세틸렌과 같은 연료 가스를 산소와 함께 연소시켜 발생하는 열을 이용합니다. 산소-아세틸렌 불꽃은 최대 3200°C까지 가열될 수 있으며, 여러 종류가 있습니다.
중성 화염: (O₂ 대 C₂H₂ 비율 ≈ 1.1:1) 완전 연소; 강철 및 비철 합금에 사용됨.
탄소화염: (O₂ 대 C₂H₂ 비율 < 1) 과잉 아세틸렌; 고탄소강 및 주철에 사용됨.
산화 화염: (O₂ 대 C₂H₂ 비율 > 1.2) 과잉 산소; 황동 및 청동 브레이징에 사용됨.
형질: 가열 속도가 느리고 생산성이 낮으며, 열영향부가 넓어 심각한 변형을 유발할 수 있습니다. 그러나 이 장비는 간단하고 휴대가 간편하며 가격이 저렴하여 전기가 없는 곳에서도 유용합니다. 오늘날 이 장비는 주로 박판, 구리 합금, 주철 수리에 사용됩니다.
2. 전기슬래그 용접(ESW)
ESW는 매우 두꺼운 재료를 수직으로 용접하는 매우 생산적인 공정입니다. 용융 슬래그의 전기 저항을 이용하여 열을 발생시킵니다. 이 공정은 플럭스를 녹이는 아크로 시작하여 용융 슬래그 풀을 형성합니다. 슬래그 풀이 충분히 깊어지면 아크가 꺼지고, 전도성 슬래그를 통과하는 전류에 의해 열이 발생합니다.
장점: 단일 패스로 매우 두꺼운 부분(30mm에서 1000mm 이상)을 높은 증착 속도로 용접할 수 있습니다.
제한 사항 : 가열 및 냉각 속도가 느리면 용접부와 열영향부에 매우 큰 결정립 구조가 형성되어 인성이 저하됩니다. 용접 후 열처리(노멀라이징)는 거의 항상 필요하며, 수직 방향으로만 제한됩니다.
대형 단조품과 주조품을 접합하는 중장비, 예를 들어 기계 베이스와 압력 용기에 사용됩니다.
3. 전자빔 용접(EBW)
EBW는 고속 전자 빔을 집중시켜 열을 발생시키고 재료를 용융시킵니다. 이 공정은 일반적으로 진공 챔버에서 수행됩니다. 전자총은 전자를 생성하고 빛의 속도의 약 절반으로 가속합니다. 자기 코일이 빔을 작업물에 집중시키면, 운동 에너지가 열 에너지로 변환되어 재료가 즉시 용융됩니다.
장점: 매우 높은 에너지 밀도로 깊고 좁은 용접부를 형성하며, 열 영향 영역이 매우 작고 변형이 최소화됩니다. 진공 환경은 높은 순도와 강도를 보장합니다. 매우 얇은 포일부터 두꺼운 단면(최대 300mm)까지 소재를 용접할 수 있습니다.
반응성 금속, 내화 금속 및 이종 금속의 고품질 용접에 이상적입니다. 항공우주, 원자력 및 자동차 산업에서 사용됩니다.
4. 레이저 빔 용접 (LBW)
LBW는 고집적된 간섭성 단색광 빔을 열원으로 사용합니다. 레이저 빔은 렌즈나 거울에 의해 집속되어 매우 높은 출력 밀도를 달성하며, 이는 용접, 절단, 드릴링에 사용될 수 있습니다. 가장 일반적인 산업용 레이저는 YAG(고체 레이저)와 CO₂(가스 레이저)입니다. 진공 없이 공기 중에서 작업할 수 있습니다. 빔은 광섬유를 통해 전송될 수 있으므로 미세 부품의 로봇 및 자동 용접에 적합합니다. 매우 낮은 열 입력과 왜곡으로 고속 용접이 가능하며, 자기장의 영향을 받지 않고 X선을 생성하지 않습니다.
이 기술은 실리콘 강판이나 아연 도금 강철과 같은 부품의 정밀 용접을 위해 전자, 의료, 자동차 산업에서 널리 사용됩니다.
III. 고체 용접
1. 저항 용접
이 공정은 전기 저항에서 발생하는 열을 이용하여 재료를 접합합니다. 큰 전류가 작업물에 흐르고, 전극에 의해 압력이 가해지면서 결합됩니다. 가장 큰 저항은 부품 사이의 계면에서 발생하며, 이때 발생하는 열이 용접 너겟을 형성합니다. 용접 방식에는 스팟 용접, 심 용접, 프로젝션 용접, 플래시 버트 용접 등이 있습니다. 빠르고 자동화가 용이하며, 용가재나 차폐 가스가 필요하지 않아 비용이 저렴하고 생산성이 높습니다. 용융된 너겟이 주변의 단단한 금속으로 보호되므로 야금 공정이 간단합니다.
자동차 및 가전 산업에서 얇은 금속판(일반적으로 두께 <3mm)을 접합하는 데 사용됩니다.
2. 마찰용접(FRW)
FRW는 가압 상태에서 움직이는 공작물과 고정된 공작물 사이의 기계적 마찰을 통해 열을 발생시키는 고체 공정입니다. 계면이 소성 상태에 도달하면 회전을 멈추고 더 높은 단조력을 가하여 접합합니다. FRW는 용접 품질과 일관성이 우수하며, 생산성이 높습니다(플래시 용접보다 5~6배 빠름). 이종 금속(예: 구리-알루미늄, 강철-알루미늄) 접합에 탁월합니다. 비용이 저렴하고 에너지 효율이 높습니다.
구리-알루미늄 전환 조인트, 고속 강철 절삭 공구, 밸브 및 액슬 샤프트와 같은 자동차 부품과 같은 이중 금속 제품을 제조하는 데 사용할 수 있습니다.
3. 확산용접(DFW)
확산 접합이라고도 하는 이 접합은 두 개의 깨끗하고 평평한 표면을 진공 또는 보호 분위기에서 고온 고압(녹는점 이하)으로 접합하는 고체 상태 공정입니다. 원자가 계면을 가로질러 확산되면서 원래 경계면이 사라지고 고체 접합이 형성됩니다.
장점: 금속과 세라믹을 포함한 다양한 유사 및 이종 소재를 접합할 때 소재의 특성에 미치는 영향을 최소화합니다. 높은 정밀도와 최소한의 변형으로 접합합니다.
제한 사항 : 매우 깨끗하고 매끄러운 표면이 필요합니다. 공정 속도가 매우 느리고 장비와 준비 비용이 많이 듭니다.
항공우주, 원자력, 전자 산업에서 복잡하고 다층적인 구조를 만들고 융접이 불가능한 재료를 접합하는 데 사용됩니다.
IV. 브레이징
브레이징은 모재보다 융점이 낮은 용가재를 사용하여 재료를 접합합니다. 용가재는 녹아 모세관 현상에 의해 접합부로 끌어당겨집니다. 용접과 달리 모재는 녹지 않습니다. 접합은 액체 용가재와 고체 모재 사이의 확산을 통해 형성됩니다. 열 입력이 적어 응력과 변형이 최소화됩니다. 이종 금속을 접합하고 깔끔하고 깨끗한 접합부를 만드는 데 매우 적합합니다. 그러나 브레이징 접합부는 일반적으로 용접 접합부보다 강도와 내열성이 낮습니다.
필러 메탈(브레이징 합금) 및 플럭스:
브레이징(경납땜): 융점이 450°C 이상인 필러 금속을 사용합니다. 일반적인 필러로는 황동 및 은 기반 합금이 있습니다. 강철, 구리 합금 및 공구의 고강도 용도에 사용됩니다.
납땜(소프트 브레이징): 융점이 450°C 미만인 필러 금속을 사용합니다. 주석-납 합금이 널리 사용됩니다. 고강도가 필요하지 않은 전자 및 배관 분야에 사용됩니다.
유량: 가열 중 재산화를 방지하고 표면의 산화물을 깨끗이 하는 데 사용되는 화합물로, 젖음성과 모세관 흐름을 촉진합니다.
난방 방법 : 화염 브레이징, 유도 브레이징, 용광로 브레이징, 딥 브레이징 등
초경 공구, 자전거 프레임, 열교환기, 전자 부품 제조에 사용됩니다.
기타 용접 공정
고주파 용접(HFW)
고주파 전류(접촉 또는 유도)를 사용하여 재료의 가장자리를 소성 상태로 가열한 후 단조하는 공정입니다. 세로 또는 나선형으로 용접되는 파이프와 튜브 제조에 거의 독점적으로 사용되는 생산성이 높은 공정입니다.
폭발용접(EXW)
화학 폭발 에너지를 이용하여 한 소재를 다른 소재에 매우 빠른 속도로 가속시켜 충돌 시 금속 결합을 형성하는 고체 공정입니다. 이종 금속(예: 티타늄과 강철)으로 대형 판을 클래딩하는 데 매우 효과적입니다.
초음파 용접(USW)
고압 하에서 고주파 초음파 진동을 이용하여 재료를 접합하는 고체 공정입니다. 진동은 계면에서 강한 마찰을 일으켜 열을 발생시키고 접합을 형성합니다. 얇은 포일, 전선, 플라스틱, 특히 이종 금속의 접합에 이상적입니다.
첨단 용접 기술
1. 용접 로봇
기계화에서 자동화 및 지능화로의 진화는 용접 분야의 핵심 트렌드입니다. 용접 로봇은 이러한 변화의 핵심 요소로, 소량 생산도 자동화할 수 있도록 지원합니다.
티치펜던트 로봇: 이러한 로봇은 용접 경로와 매개변수를 "학습"한 후 정확하게 반복합니다. 조립 라인의 대량 생산에 널리 사용되지만, 환경 변화에 적응할 수 있는 유연성이 부족합니다.
지능형 로봇: 이러한 첨단 로봇은 비전 시스템과 같은 센서를 사용하여 용접 이음매를 자동으로 식별하고, 실시간으로 추적하며, 토치 위치와 용접 매개변수를 조정하여 품질을 보장합니다. 더욱 유연하고 다양한 작업에 활용될 수 있지만, 아직은 주로 연구 개발 단계에 있습니다.
2. 컴퓨터 소프트웨어의 응용
소프트웨어는 용접 산업을 여러 핵심 분야에서 혁신시키고 있습니다.
컴퓨터 시뮬레이션: 용접의 복잡한 물리 현상(열 공정, 야금, 응력, 변형)을 시뮬레이션함으로써 엔지니어는 설계 및 용접 절차를 디지털 방식으로 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 비용과 시간이 많이 소요되는 물리적 실험의 필요성이 크게 줄어들어 인력, 재료, 시간이 절약되며, 특히 새로운 재료나 구조물을 작업할 때 더욱 그렇습니다.
데이터베이스 및 전문가 시스템: 소프트웨어 시스템은 용접 절차 사양(WPS), 용접사 자격, 재료 특성 및 산업 표준을 관리하는 데 사용됩니다. 전문가 시스템은 최적의 용접 공정 선택, 결함 진단 및 비용 예측을 지원할 수 있습니다.
컴퓨터 지원 품질 관리(CAQ): 일관된 품질을 보장하기 위해 용접 매개변수의 실시간 모니터링 및 생산 데이터의 통계적 분석에 사용됩니다. 또한, CAD/CAM 시스템은 용접 구조물 설계, CNC 절단기 및 로봇 용접기 프로그래밍에도 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
회사 소개 게츠셰이프
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