챕터 4. 용접

챕터 4. 용접

1. 용접의 개요

  금속 또는 비금속 등의 접합할 부분을 가열하여 용융상태 또는 반용융상태에서 접합하는 것

 (1) 용접의 장단점

   - 장점

     ㄱ. 이음효율이 향상된다.

     ㄴ. 자재가 절약된다. 즉 중량을 경감시킨다.

     ㄷ. 제품의 성능과 수명이 향상

     ㄹ. 공정수가 감소

     ㅁ. 두께에 제한이 없다.

     ㅂ. 보수와 수리가 용이하며 제작비가 싸다.

   - 단점

     ㄱ. 품질검사가 곤란

     ㄴ. 응력집중 및 잔류응력에 대해 극히 민감

     ㄷ. 용접모재가 열영향을 받아 변형

     ㄹ. 용접은 영구적인 접합방법이므로 분해, 조립이 어렵다.

     ㅁ. 용접모재의 재질에 대한 영향이 크다.

   1. 용접 중 변형을 방지하기 위해 가접 및 피닝을 한다.

   2. 용접 후 잔류응력을 없애려면 풀림처리 한다.

 (2) 용접법의 종류

   1) 융접 : 접합하고자 하는 물체의 접합부를 가열용융시키고 여기에 용가재를 첨가하여 접합

   2) 압점 : 접합부를 냉간상태 그대로 또는 적당한 온도로 가열한 후 여기에 기계적 압력을 가하여 접합

   3) 납땜 : 모재를 용융시키지 않고 별도로 용융금속을 접합부에 넣어 용융접합

용접법의 종류

 (3) 용접이음형식과 용접부 모양

   1) 용접이음형식

용접이음형식

   2) 용접부 모양

용접부의 모양

2. 가스용접

 

  (1) 가스용접의 개요

   1) 개요

     가스용접은 가연성가스(아세틸렌가스, 수소, 프로판, 메탄, 일산화탄소 등)와 산소의 혼합가스를 연소시켜 발생하는 고온의 불꽃으로 용접부를 가열하여 접합시키는 방법

   2) 장단점

     - 장점

      ㄱ. 토치의 크기, 화염의 크지조절이 용이하여 가열이 자유롭다.

      ㄴ. 전원설비가 필요하지 않고, 이동이 자유로움

      ㄷ. 유해광선의 발생률이 적다.

      ㄹ. 박판용접에 적당하다.

     - 단점

      ㄱ. 열집중성이 낮으므로 아크용접에 비해 온도가 낮다.

      ㄴ. 열효율이 낮아서 용접속도가 느리다.

      ㄷ. 용접부의 기계적강도가 떨어진다.

 (2) 가스용접장치

  1) 아세틸렌 가스발생기

     1. 투입식 : 물속에 카바이드를 투입하는 방법

     2. 주수식 : 카바이드에 물을 주입하는 방법

     3. 침지식 : 투입식과 주수식의 절충형

     카바이드(물과 반응하면 아세틸렌 가스를 발생시키는 물질. 탄화 칼슘의 상품명이다.) 1kg에서 아세틸렌 348L 가 발생한다.

  2) 안전기

     용접작업중 역화현상이 생기거나 토치가 막혀 산소가 아세틸렌 쪽으로 역류하면 가스통의 폭발 등의 위험이 있으므로 이를 방지

  3) 압력조정기(감압밸브)

     고압산소를 감압하여 1~5기압 정도에서 사용하며, 아세틸렌가스압력은 낮으므로 스프링상수가 적은 것을 사용

  4) 팁의 능력

     팁은 순수구리나 10%의 아연을 함유한 황동으로 만듬.

     1. 프랑스식(가변압식)

      표준불꽃을 사용해서 1시간동안 용접하는 경우 아세틸렌의 소비량(L)으로 표시

     2. 독일식(불변압식)

      연강판의 용접을 기준하여 용접할 판 두께로 표시

 (3) 산소-아세틸렌 불꽃

  1) 불꽃의 종류

불꽃의 구성

  2) 불꽃의 종류

     1. 표준불꽃(중성불꽃) : 산소와 아세틸렌의 혼합비가 1:1로 가장 적합한 불꽃

     2. 탄화불꽃 : 아세틸렌가스가 과잉공급될 때의 불꽃

     3. 산화불꽃 : 산소가 과잉공급될 때의 불꽃

 (4) 가스용접작업

  1) 전진법 (좌진법)

     우에서 좌로 토치를 이동하여 용접, 박판(5mm이하)용접, 열이용율 작음, 용접변형 큼, 냉각속도 빠름,

    산화정도 심함, 비드모양 매끄러움

  2) 후진법 (우진법)

     전진법과 반대이다.

 (5) 용접봉과 용제

  1) 용접봉

     용접봉은 용접할 모재에 보충재료로서 모재와 같은성분으로 사용

  2) 용제

     용접작업 중에 생기는 산화물이나 비금속불순물과 결합하여 슬래그가 되며, 용접부를 공기와 차단하여 산화작용 방지

3. 아크용접

 (1) 아크용접의 개요

  1) 개요

     모재와 용접봉과의 사이에 전류를 통하여 아크를 발생시켜 그 열로서 접합부를 용융접착시키는 것

  2) 아크용접기

     1. 직류아크용접기

      ㄱ. 특징

         - 고장이 많고 소음이크며, 비싸다

         - 감전위험이 적고, 아크를 안정되게 유지

         - 모재의 재질, 두께 등 용접조건에 따라 필요한 극성으로 변경 가능

      ㄴ. 아크용접의 극성 : 정극성(모재 +, 용접봉 -), 역극성(모재 -, 용접봉 +)

      ㄷ. 종류 : 정류기식, 발전기식

     2. 교류아크용접기

      ㄱ. 특징

         - 감전위험이 크고, 아크가 다소 불안정

         - 고장이 적고, 사용이 간편하며, 싸다

      ㄴ. 종류 : 가동철심형, 가동코일형, 탭전환형, 가포화리액터형

  3) 아크용접기의 전기적 특성

     1. 수하특성 : 부하전류가 증가하면 단자전압은 반대로 낮아지는 특성

     2. 정전압특성 : 부하전압이 변하더라도 단자전압은 거의 변하지 않는 특성

     3. 상승특성 : 전류가 높아지면 전압이 약간 높아지는 특성

  4) 아크용접봉

     1. 심선 : 재질은 모재성분과 동일한 것을 사용, 지름은 3.2~6mm

     2. 피복제

      ㄱ. 피복제 역할

         - 대기중의 산소나 질소 침입 방지, 용융금속 보호

         - 아크 안정, 용착효율 높임

         - 용접금속의 탈산 및 정련작용

         - 기계적성질 개선

         - 응고와 냉각속도 지연

         - 전기절연작용

         - 슬래그 제거, 비드 깨끗이 함

         - 합금원소 보충역할

       ㄴ. 피복제의 종류 : 가스발생식, 슬래그생성식, 반가스발생식

  5) 아크용접작업

     1. 용접부 조직

       - 원질부 : 용접부에서 가장 거리가 멀게 되어 용접의 영향을 받지 않는 부분

       - 변질부(열영향부) : 용접부가 인접되어 결정립이 현저하게 성장하게 되는 부분

       - 융합부 : 모재와 용접봉이 융합된 부분

       - 용창금속부 : 용접봉이 용접되어 형성된 부분

     2. 아크길이 : 용접봉과 모재의 간격을 말하며 2~3mm로 한다.

      ㄱ. 아크길이가 길면

         - 아크 불안정

         - 용착이 얕고 표면이 지저분

         - 용접부의 금속조직이 취약하게되어 강도 감소

         - 아크열 손실 많음

         - 용접봉이 불경제적

      ㄴ. 아크길이가 짧으면

         - 아크를 지속하기 곤란

         - 용접을 연속적으로 하기가 곤란

         - 용착 불량

     3. 용접봉 표시법

       E 43 △ □

       E : 전기용접봉 ( 가스용접법일때는 G ) 

       43 : 용착금속의 최저인장강도

       △ : 용접자세 ( 0,1 : 전자세, 2 : 하향 및 수평용접, 3 : 하향용접, 4 : 전자세 및 특정자세 )

       □ : 피복제의 종류

 (2) 서브머지드아크용접(잠호용접, 유니언멜트용접, 링컨용접)

     1. 자동금속아크용접법으로서 분말로된 용제를 용접부에 뿌리고, 용제속에서 용접봉의 심선이 들어간 상태에서 모재와 용접봉사이에

    아크를 발생시켜 아크열로서 용접

서브머지드 아크용접

     2. 특징

       ㄱ. 장점

          - 일정조건하에서 용접이 시행되므로 강도가 크고, 신뢰도가 높다.

          - 열에너지의 손실이 적고, 용접속도는 수동용접의 10~20배 정도 크다.

          - 위빙할 필요가 없어 용접부 홈을 작게 할 수 있으므로 용접재료의 소비가 적다.

          - 용접변형이나 잔류응력이 작다.

       ㄴ. 단점

          - 비드가 불규칙일 경우와 하향용접만 가능

          - 용입이 크므로 용접홈의 가공정밀도가 좋아야 한다. 

          - 설비비가 많이 든다.

 (3) 불활성가스 아크용접

  1) 개요

     용제 대신 아르곤, 헬륨등의 불활성가스 분위기속에서 심선과 모재사이에서 아크를 발생시키는 용접방법

  2) 종류

     1. 불활성가스 금속아크용접(MIG용접) : 용접할 부분을 공기와 차단된 상태에서 용접하기 위하여 불활성가스에 금속용접봉(소모식)을

                                                        통하여 용접부에 공급하면서 용접하는 방법

     2. 불활성가스 텅스텐아크용접(TIG용접) : 텅스텐전극봉(비소모식)을 전극으로 사용하여 가스용접과 비슷한 조작방법으로 욜가제를

                                                        아크로 용해하면서 용접한다.

 (4) 탄산가스(CO2) 아크용접

     불활성가스 아크용접에 사용되는 불활성가스 대신 탄산가스 또는 이것을 주로 한 혼합가스로 된 시일드가스를 사용한 소모식 용접법

 (5) 원자수소 아크용접

     2개의 텅스텐전극 사이에 아크를 발생시키고 이것에 수로를 공급하여 분자상태의 수소가 아크열로서 원자상태의 수소로 분해된 후

    다시 용접면에서 분자상태의 수소로 환원할 때 발생하는 열

4. 특수용접

 (1) 테르밋용접

     알루미늄과 산화철의 분말을 혼합한 것을 테르밋이라고 하며, 이것을 점화시키면 화학자용으로 금속산화물이 알루미늄에 의하여

    산소를 빼앗기고 알루미나가 된다. 이때의 화학반응열은 3000ºC로 고열을 얻을 수 있어 용융된 철을 용접부분에 주입하여 모재를 용접

 (2) 일렉트로슬랙 용접

     와이어전극을 용융슬래그 속으로 계속 공급하면 슬래그의 전기저항열에 의하여 모재와 전극와이어가 용융접합

 (3) 전자빔용접

     진공상태에서 음극의 텅스텐 필라멘트를 가열하면 방출되는 전자를 양극의 고전압으로 가속하고 전자코일로 집속한 전자빔을

    충돌시킨 열로 이용한 용접

 (4) 고주파용접

     플라스틱과 같은 절연체를 고주파전장 내에 넣으면 분자가 강력하게 진동되어 발열하는 성질을 이용하여 이음부를 전극사이에 놓고

    고주파전류를 가열하여 연화 또는 용융시켜 용접하는 방법

 (5) 레이저용접

     크세논방전관에서 발생된 플래시가 루비결정 중의 크롬원자에 의하여 증폭되어 강렬한 에너지를 갖는 적색광선의 레이저가 된다.

    이것을 렌즈로 집속한 것이 레이저 빔이 되며 이열을 이용한 접합

 (6) 플라즈마 용접

     노즐내의 텅스텐전극과 모재 또는 노즐선단부 사이에 아크를 발생시키면서 아르곤, 헬륨, 수소가스 등을 텅스텐 전극 주위로 공급하면

    노즐내부에서 아크의 열을 받으면 플라즈마가 된다. 이때 플라즈마 주변을 냉각하면 고압의 플라즈마가 되는데 이를 이용한 용접

 (7) 고상용접

    2개의 깨끗하고 매끈한 금속면을 원자와 원자의 인력이 작용할 수 있는 거리에 접근시키고 밀착하면 용접이 된다.

    - 종류 : 롤용접, 냉간압점, 열간압점, 마찰용접, 초음파용접, 폭발용접, 확산용접

5. 전기저항용접

 (1) 개요

    1. 접합하고자 하는 모재에 전극으로 전류를 흐르게 하면 전기저항열에 의하여 고온상태가 되는데

      이때 압력을 가하여 접합하는 용접법

    2. Q=0.24I^2Rt[cal]

       I : 전류, R : 저항, t : 통전시간

    3. 용접전류, 통전시간, 가압력을 전기저항용접의 3요소

    4. 전기저항용접은 아크용접에 비해 많은 전류를 단시간에 흐르게 하는 것이 필요

 (2) 종류

  1) 점용접

     환봉모양의 전극사이에 접합하고자 하는 철판을 두장 또는 여러장 끼워놓고 전극으로 가압하면서 큰 전류를 보내면 

    고온상태가 되어 점의 형태로 접합되는 용접

  2) 심용접

     점용접을 연속적으로 하는 방법

  3) 프로젝션용접

     점용접과 같은 원리로서 접합할 모재의 한쪽판에 돌기를 만들어 고정전극 위에 겹쳐놓고 가동전극으로 통전과 동시에 가압하여

    저항열로 가열된 돌기를 접합시키는 용접법

  4) 업셋용접

     접합할 두 모재의 단면을 적당히 가압밀착시키고 전류를 공급하여 밀착면이 전기저항열로 고온상태가 되었을 때 길이방향으로

    압력을 가하여 접합하는 용접법

  5) 플래시용접

     두 모재에 전류를 공급하고 서로 가까이하면 접합할 단면과 단면사이에 아크가 발생하여 고온상태가 된다.

    이때 모재를 길이방향으로 압축하여 접합하는 용접으로 불꽃용접이라고도 한다.

6. 압접

 (1) 가스압접

  1) 개요

     가스불꽃을 사용하여 모재의 접합부를 고온상태로 균일하게 가열한 다음 길이방향으로 압력을 가하여 접합시키는 방법

  2) 종류

     1. 밀착법 : 접합면을 밀착시키고 그 주위를 토치로 균일하게 가열하여 고온상태가 되었을 때 압력을 가하여 접합

     2. 개방법 : 접합면사이를 일정한 간격으로 가까이 하고 그 주위를 토치로 균일하게 가열하여 고온상태가 되었을 때

                  압력을 가하여 접합

 (2) 단접

     탄소강재를 맞대어 가열하고 해머로 타격하여 접합하는 방법

7. 납땜

 (1) 개요

     고체상태의 모재이음면에 용융점이 낮은 금속을 용가재로 사용하여 용가재의 표면장력에 의하여 생기는 흡입력으로 접합시키는 방법

 (2) 종류

   1) 연납땜

      용융온도가 450ºC 이하이며, 납과 주석의 합금이 사용된다.

   2) 경납땜

      용융온도가 450ºC 이상이며, 황동납, 은납, 금납, 양은납이 사용된다.

8. 용접결함검사 및 시험

 (1) 용접결함

용접결함의 상태

 (2) 용접부 검사

  1) 방사선검사

     X선 또는 감마선을 피검사물에 투과시켜 내부의 결함 또는 불균일층을 알아내는 검사법

  2) 초음파검사

     검사할 재료의 한쪽면에 초음파발전기에서 초음파를 발전시키고 결함부위에 반사해온 초음파를 접촉자에서 받아

    오실로그래프로 관찰 및 기록

  3) 자분검사

     표면에 철분과 같은 자성물질을 석유에 혼합, 살포하여 결함부를 찾아내는 방법

  4) 형광 탐상검사

     형광물질을 혼합한 액체 속에 담궈서 건져낸 후 이것에 자외선을 비치면 결함부에서는 특이한 밝은 형광광채를 발생하여

    결함부를 찾음

  5) 침투탐상법

     침투액, 세척액, 현상액의 약품을 사용하여 결함부를 발견

9. 용접기호

용접기호