용접

용접

용접(鎔接) 또는 웰딩(welding)은 금속, 유리, 플라스틱 등을 열과 압력으로 접합하는 기술이다. 이는 두 물질 사이의 원자간 결합을 이루어 접합하는 것으로 재료를 절감할 수 있다. 용접은 보통 매우 높은 온도에서 작업이 이루어지므로 보호 용구를 꼭 착용하여야 한다.

개요

용접은 접합하고자 하는 2개 이상의 물체나 재료의 접합 부분을 냉간(상온) 반용융(녹기직전) 또는 용융 상태로 직접 접합시키거나 접합하고자 하는 두 가지 이상의 물체 사이에 용융된 용가재를 첨가하여 간접적으로 접합시키는 것을 말한다. 금속은 금속끼리 접할 때 전자를 교환하며 붙는 금속결합을 하게 되는데 주로 고열을 이용해 녹여서 서로 다른 재료의 결합 표면을 일치시키고 불순물을 제거 혹은 섞여 들어가게 하여 붙이게 된다.

용접의 분류에는 융접, 압접, 납땜이 있다. 융접은 모재를 융해시켜서 붙이는 것으로 퓨전 웰딩(Fusion welding)이라고 부르며 압접은 모재를 소성변형시켜 붙이는 것으로 프레셔 웰딩(Pressure welding) 혹은 스폿 웰딩(Spot welding)이라고 한다. 쉽게 말하면 열로 녹여 붙이기와 눌러서 붙이기, 납땜은 나머지 둘과는 달리 모재를 녹이지 않고 용가재만 녹여서 붙인다. 경납땜(Brazing)과 연납땜(Soldering)이 있는데 450도 온도 이상에서 이루어지는 것을 경납땜이라며 하고 450도 온도 이하에서 이루어지는 것을 연납땜이라 한다. 경납땜은 높은 온도에서 금속 성질을 활용하여 필러 금속을 침투시키는 것이고 연납땜은 다소 강도가 약한 흔히 사람들에 알려진 기판 납땜이다. 보통 용접이라 하면 대개 고온에서 금속을 녹이면서 접합하는 것을 말한다.

융접은 접합부에 금속재료를 가열, 용융시켜 서로 다른 두 재료의 원자 결합을 재배열하여 결합시키는 방법으로 아크용접, 가스용접, 테르밋용접 등이 있다. 압접법은 접합부에 외부의 강한 물리적 압력을 가해 접합하는 방법으로 가스압접이나 단접(鍛接)처럼 압력을 가하는 동시에 가열하는 방법을 특히 가열압접 또는 고온압접이라고 한다. 일반적으로 압접을 사용하는 재료에는 알루미늄, 구리 등과 같이 연성(延性)이 높은 재료를 사용하며 상온에서 가압하는 것만으로도 용접이 가능하여 냉간 압접(冷間壓接)이라고 한다.

종류

융접

융접(Fusion welding)은 모재나 재료를 녹여서 가공물을 접합하는 가공 방식으로 가장 보편적인 용접법에 속한다. 고체상에서 완전히 용해되는 물질은 융접이 잘 되며, 두 금속 사이에 용해되는 중간 매개 재료를 넣어 접합하기도 한다. 용접법의 종류는 매우 다양하며 이를 분류하는 방법도 여러 가지가 있다. 일반적으로 용접하는데 필요한 에너지의 근원에 따라 분류할 수 있는데, 기계적, 전기적, 화학적, 광학적으로 분류할 수 있다. 또한 자동화에 정도에 따라 수동, 반자동, 자동의 세 가지로 구분할 수도 있다.

아크 용접

아크방전을 이용해서 용접하는 방법으로 금속과 금속 간의 용접에 쓰이며 설비비가 싸고 용접이 간편하다. 하지만 자외선이 방출되므로 헬멧은 필수로 착용해야 된다.

원자 수소 용접

원자 수소 용접(atomic hydrogen welding) 은 2 개의 텅스텐봉을 전극으로 하고, 그 사이에 아크를 발생시켜 그 속에서 수소를 불어 넣어 용접하는 방법으로, 특수강, 스테인레스강, 공구의 날(초경합금) 등의 용접에 사용된다.

탄소 아크 용접

용접봉과 탄소 전극 봉을 전극으로 사용하여 그 사이에서 아크를 발생시켜 용접하는 방법이며 전원은 직류이다.

플라즈마 아크 용접

아크 용접의 일종으로 텅스텐봉에서 아크를 발생시켜 수냉 노즐의 구멍을 통해서 아크를 세밀하게 만들어, 플라즈마 젯트를 접점부에 대어 열로 재료를 녹인다. 반자동 용접과 동일하게 실드 가스를 사용한다. 재료를 더하는 것도 가능하다. 정밀한 접합에 좋다. TIG 접합과 비슷하지만, 텅스텐 전극이 노즐보다 뒤쪽에 있어서 플라즈마가 노즐로부터 밀도가 높게 안정되는 이점이 있다. 사용하는 방법과, 경제성의 문제로 덧붙이는 용접 등의 용도로 한정된다.

피복 아크 용접

아크 용접의 기본으로서 용접봉을 사용하는 용접을 말한다. 바람에 강하기 때문에 실외에서 아크 용접을 하는 경우에 대체적으로 이 용접이 사용된다. 용접에 필요한 재료가 간단하고 가격이 저렴하다. 사용하는 용접봉은 두껍고, 비교적 대전류의 아크방전을 사용하기 때문에 얇은 판자 용접은 할 수 없다. 다른 아크 용접방법과 비교해서 가장 어렵다.

서브머지드 아크 용접

아크용접의 일종이다. 반자동용접과 비슷하게 용접 와이어가 자동적으로 공급되지만, 실드 가스와는 다르다. 특수한 모래 알갱이의 플럭스로 용접부를 덮고, 그곳에 아크를 발생시켜 용접을 한다. 따라서 용접 중에는 용접부의 상태를 보는 것이 불가능하다. 또 용접자세는 아래를 향하게 된다. 플럭스는 아크를 대기로부터 보호한 뒤, 굳어져서 용접 비드를 보호한다. 3.2 mm 이상의 두꺼운 용접 와이어가 사용되는 경우가 많다. 때문에 상당히 능률과 품질이 높은 용접으로 분류되지만 설비가 대형화하기 때문에 배나 건물의 철골, 파이프라인 등 커다란 구조물이나 압력용기 등 용접부의 재질이 특별히 요구되는 경우의 용접에 사용된다.

MIG 용접

불활성 가스 용접(Metal inert gas welding, MIG) 혹은 가스 금속 아크 용접(영어: Gas metal arc welding;GMAW)은 아르곤(Ar)이나 헬륨(He), 이산화탄소(CO2) 같은 불활성 기체를 이용하여 용융 금속을 주위의 공기에서 보호하는 용접 방식이다. 박판 및 후판 강용접이 가능하고, 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 합금, 스테인리스강의 용접에도 널리 사용한다. 전류밀도가 높을수록 용입깊이가 증가하고, 사용하는 보호가스에 따라서도 용입깊이가 영향을 받는다. 최대 용입깊이를 얻을 수 있는 보호가스는 헬륨이고 아르곤이 중간, 이산화탄소는 최솟값을 얻을 수 있다.

TIG 용접

아크용접의 일종으로 융점이 상당히 높은 텅스텐 봉으로부터 아크가 발생해 그 열로 재료를 녹인다. 반자동 용접과 같이 실드 가스를 이용한다. 녹이는 재료를 첨가하는 것도 가능하다. 정밀한 용접의 경우에 좋아 고압 파이프나 정밀기기의 용접 등에 사용된다. 고융점의 텅스텐을 전극으로 하기 때문에 전극자체의 소모는 적으나 용접금속을 부가하기 위해 왼손에 용접봉을 들고 작업해야 한다. 양손을 사용하기 때문에 숙련도가 필요하다. 비교적 난이도는 높지만, 비철금속에 대한 용접에 적응력이 높다. 실제로 알루미늄이나 스테인레스 용접을 사용하면, 아크가 프라즈마상태로 되어 가스 용접이나 납땜과 같이 녹아 붙기 때문에 기본적으로 맞대기용접 중에서는 가장 간단한 방법이다. 유일하게 용접작업 시 불꽃이 튀지 않은 특징이 있다.

가스 용접

산소 아세틸렌 또는 프로판 불꽃으로 접한 부분을 가열한 다음 압력을 가해 용접하는 방법이다. 즉 접합면을 말대로 적당한 압력을 가해서 가열 접합하는 방법과 접합면을 개별로 불꽃으로 용융 온도까지 가열한 다음 맞대고 가합하는 방법이 있다.

일렉트로 슬래그 용접

접점부를 중동쇠에 감싸면서 연속적으로 용접한다. 두꺼운 판자의 맞대기의 세로 붙이기 용접에 많이 사용한다. 설비는 대규모이고 어떤 방법으로도 용접부를 수평으로 할 수 없기 때문에 대형화학프란트나 탱크, 대형 선박의 용접에 이용한다.

레이저 용접

레이저로 용접부를 가열하는 용접. 레이저빔 용접이라고도 한다. 가열되는 열량이 작고, 상당히 깊숙이 녹아드는 것이 가능하다. 전자빔용접과 다르게 실드가스를 사용하면 대기 중에서도 용접이 가능하다. 현재는 레이저빔원으로 YAG 레이저와 CO2 레이저를 사용한다. YAG 레이저는 광케이블을 사용하기 때문에 산업용 로봇에 부착해서 사용하는 것이 가능하다. CO2 레이저는 광케이블을 사용할 수 없지만, 거대한 출력이 가능하다. 이미 스폿용접의 대체기술로서 도입되고 있다. 배나 자동차에 쓰이는 두꺼운 판자의 용접이 가능하도록 레이저 광원의 대출력화 개발이 이루어지고 있다. 자동차 부품, 항공부품 등의 응용이 진행되고 있는 중이다.

전자빔 용접

전자빔을 용접부에 접촉해서 가열하는 용접. 가해지는 열량은 작고, 상당히 깊숙하게 녹아드는 것이 가능하기 때문에 정밀한 용접에 이용된다. 다른 종류의 금속을 접합하는 것도 가능하다. 다만 진공 중에서만 용접이 가능하기 때문에 비용은 상당히 비싸다. 예전에는 비용을 무시할 수 있는 특수한 제품이 아니면 사용할 수 없었다. 인공위성이나 심해 조사(잠수)함, 고에너 지가속기의 접합 등에 사용한 예가 있다. 그러나 최근에는 자동차의 자동화에 따라, 트렌스밋숀기어의 용접에 사용되게 되었다. 미국의 자동차 메이커는 제동 X선이 발행하는 것 때문에 채용하지 않고 레이저 용접을 채용하고 있다.

압접

압접은 용접 종류 중 하나로 재료를 녹이지 않고 주로 고체 상태에서 강한 압력을 통해 두 물질을 접합하는 가공 방식을 뜻한다. 압접은 이러한 고체 상태에서의 용접 방식을 고상용접(Solid phase welding)이라고도 한다. 압접을 할 때는 주로 서로 용해성이 없고 연성이 높은 재료를 사용한다.

냉간 압접

냉간 압접(Cold pressure welding)은 철사나 전자부품, 박판 등에 사용하는 고상용접법이다.

마찰 용접

마찰용접은 고체 상태에 이루어지는 압접(Pressure Welding)의 일종으로 마찰열을 이용해 압력을 가하여 접합하는 방법이다. 고속 회전하는 소재와 고정된 소재에 1차 추력(Thrust load)을 가하며 접촉시키면 접촉면에서 마찰에 의해 열이 발생되는데, 접촉면이 마찰열에 의해 소성변형될 때 회전을 멈춘 후 2차 추력을 가해 접합하다. 마찰용접은 전통적인 의미에서 용접 가공(Welding Process)이지만 재료(용접하는 소재)의 용융이 발생하지 않기 때문에 기술적으로는 단조(Forging)의 일종으로 볼 수 있다.

폭발 용접

접합될 소재 중 얇은 쪽 위에서 폭약을 폭발시켜 그로 인해 발생하는 압력을 이용해서 용접하므로 접합 강도가 높은 편에 속한다.

초음파 용접

모재에 초음파(18kHz 이상) 횡진동을 주어 진동에너지에 의해 접촉부의 원자가 서로 확산되어 접합하는 방법이다.

전기 저항 용접

전기 저항 용접(영어: Electric resistance welding)은 고전류 전기회로를 통해 재료를 가열하면서 외압을 가해 강한 접합부를 얻을 수 있는 용접법이다. 모든 전기 저항 용접은 외력 없이는 접합이 불가능하기에 압접에 속한다. 전기 저항 용접은 다시 맞대기 저항 용접과 겹치기 저항 용접으로 나눌 수 있다.

맞대기 저항 용접

맞대기 저항 용접(Butt resistance welding)은 선이나 봉 등의 단면을 맞대어서 접합하는 전기 저항 용접이다. 맞대기 저항 용접은 용접재의 맞대기 여부에 따라 업셋 용접과 플래시 용접으로 나뉜다.

업셋 용접

업셋 용접(Upset welding)은 접합하는 두 개의 재료를 맞대고 나서 전류를 흘리면서 가압하여 접합하는 용접법이다.

플래시 용접

플래시 용접(Flash welding)은 두 재료를 맞대기 전에 통전하여 온도를 높인 뒤 가압하여 접합하는 용접법이다.

역사

용접은 금속의 접합기술로서 오래전부터 적용되어 온 기술이다. 금속을 용융시켜 이음부를 형성하는 기술은 1801년 영국의 험프리 데이비(Humphry Davy)가 아크를 발견하여 아크 열을 이용한 용접법의 개발이 시도된 이래 1885년 탄소 아크에 의한 용접법이 발명된 것이 용접이 본격적으로 발달하게 된 계기라고 할 수 있다. 그 후 새로운 열원에 의한 다양한 용접법이 개발되었고 오늘날에 와서는 30종류가 넘게 개발되어 각각의 장점을 이용한 용접기술이 발전되고 있다. 이와 같은 용접기술이 본격적으로 적용되기 시작한 계기는 제1차 세계대전으로 용접선에 의한 중량 경감을 목표로 선박의 제작에 본격적으로 용접기술이 이용되기 시작하였다. 1921년에는 영국에서 세계 최초로 용접선인 Fullager호가 건조된 이래 용접기술이 현저하게 발전하였으며, 제2차 세계대전 중에는 미국에서 전시 표준선이 1942년 3월부터 5년간 5000척이나 건조되었는데, 이는 용접기술이 없이는 불가능한 것이었다.

한편으로 불활성 가스 용접의 개발은 경합금, 스테인리스강의 이음에 용접기술을 넓게 활용할 수 있는 길을 열었으며 이에 따라 공업적으로 광범위하게 적용되던 용접기술은 1960년 이후 눈부신 발전을 이룩하였다. 근래에는 접합기술의 자동화, 무인화, 고능률화에 더하여 신재료의 개발에 따른 새로운 용접법, 용접재료의 개발에 박차를 가하고 있는데 이처럼 용접, 접합의 기술 동향은 자동화와 더불어 로봇의 도입에 의한 무인화의 경향이 뚜렷하며 구조나 제품의 생산성을 향상시키기 위해 용접기술의 적용이 필요불가결한 실정이다. 용접기술의 본격적인 발달은 전기적인 에너지가 용이하게 이용될 수 있었던 것을 시점으로 하여 아크 용접, 전기저항 용접, 테르밋 용접, 가스 용접 등 현재 사용되고 있는 대부분의 용접법은 19세기 말에 발명되었다. 테르밋 용접과 가스 용접은 전기적인 열원을 사용하는 경우는 아니지만 이의 원료 금속인 A1, 칼슘카바이드는 전기를 이용하여 제조된다는 사실을 고려할 때 전기가 용접법의 발달에 큰 영향을 주었음을 알 수 있다.

그 후 용접방법 및 응용기술이 발달하고 용접의 이용도가 증가됨에 따라 고능률의 용접방법이 요구되어 1930년부터 서브머지드 아크 용접(submerged arc welding), 불활성가스 아크 용접 등이 개발되어 제2차 세계대전 무렵부터 이용되었다. 최근 40년간에 걸쳐 개발된 새로운 용접방법에는 일렉트로 슬래그 용접, 탄산가스 아크 용접, 마찰 용접, 전자 빔 용접, 초음파 용접 및 플라스마 용접과 레이저 용접 등이 있다. 이들 용접법은 실용화되어 각광을 받고 있으며, 이러한 용접법을 적용할 때 어떻게 하면 에너지 절약 및 무인화, 자동화할 수 있느냐에 대한 연구과 신재료 개발에 따른 용접성 문제에 대해서도 많은 연구가 진행되고 있다.

21세기에 접어든 현재 과학기술의 발전과 각종 산업 활동 규모의 확대는 눈부실 정도이다. 항공우주공학(航空宇宙工學, aerospace engineering), 전자공학(電子工學, electronics)을 위시하여 신재료(新材料), 유전자공학(遺傳子工學, genetic engineering) 등 여러 분야에 걸쳐서 공학 기술은 인류사회에 큰 공헌을 하고 있다. 이들 중 기계, 전기, 건축 등 주요 금속산업에 한정하여 생각하면 신제품의 개발속도가 질적, 양적인 면에서 크게 발달하였다. 특히 대형 선박, 자동차, 고층 건축물, 각종 전기 전자 제품 등의 양산화와 품질 향상에서 신가공기술, 컴퓨터에 의한 새로운 생산 방식의 개발 등이 눈부시게 발달하여 용접기술의 발전도 현대산업의 발전에 크게 기여하고 있으며 공업의 기초가공기술로서 중요한 일익을 담당하고 있다. 이와 같이 용접기술은 현대산업에 폭넓게 활용되어 기계, 조선, 전기, 전자, 건축 등 모든 금속구조물의 제작에 필수적인 기술이 되었으며, 대형 제품이나 복잡한 구조물이 될수록 더욱더 활용 범위가 넓어질 것이다. 특히 용접의 개념이 단순히 재료의 이음부 형성을 떠나 생산공정 전반에 걸쳐 생산성을 고려한 기법이 창출될 것이 기대되는 바이며 필연적으로 이러한 과정을 겪게 될 것으로 예상된다.

장점

• 접합 대상 재료의 두께에 제한이 없다.
• 이음 효율은 리벳이음의 60~80%에 비해 90~100%로 될 수 있다.
• 이음부의 강도가 높고 신뢰성이 높다.
• 리벳 이음과 같이 구멍을 뚫는다든지 기밀, 수밀 하기 위한 처리를 하지 않아도 되며 전체적으로 생산시간의 단축과 원가 절감이 가능하다.
• 주조, 단조에 비하여 대형 제조설비와 주형, 금형 등이 필요 없으며 생산설비가 싸고 범용성이 있다.
• 구조물 전체의 중량을 경감시킬 수 있고 공장자동화가 가능하다.

단점

• 재질 변화, 변형, 수축, 잔류응력 및 여러 가지 용접결함이 생기기 쉽다.
• 품질검사가 곤란하고 응력집중에 민감하며 구조용 강재의 경우에는 저온에서 취성파괴의 위험이 있다.

주요 용어

• 간접용접: 점, 돌기, 봉합 용접에서 한 부위만 행하는 용접이다.
• 개재물: 용접금속의 응고 시 이물질이 분산되어 존재하는 잔류물이다.
• 기재: 용재나 표면경화 육성용접이 적용되는 모재이다.
• 노즐(nozzle): 용접기 토치 선단에 붙은 기구로 분사 가스의 안내 역할을 한다.
• 단접(forge welding): 가열한 금속을 타격이나 압력을 가하여 접합하는 고상용접의 일종이다.
• 루트(root): 용접 이음부에서 홈의 아래 부분이다.
• 마찰용접(friction welding): 금속 부재를 접촉 가압하면서 접촉면에 상대운동을 일으켜 발생하는 마찰열을 이용한 용접이다.
• 맞대기용접(butt welding): 저항 용접의 일종이다. 용접물을 서로 맞대고 전류를 흘려 발생하는 저항열로 행하는 용접으로 ‘버트 용접’이라고도 한다.
• 모재(substate): 육성 용접에 의하여 덧살이 입혀지는 재료이다.
• 비드(bead): 용착금속이 연속된 상태를 의미한다.
• 슬래그(slag): 용접 비드 위에 쌓인 금속산화물이다.
• 아크 용접(arc welding): 아크 열로 금속을 용착하는 용접이다.
• 예열(preheat): 용접 또는 절단 전에 모재를 가열하는 조작이다.
• 오버랩(overlap): 용착금속이 토우 부분에서 모재와 융합하지 않고 겹쳐진 것이다.
• 용입(penetration): 모재가 용접으로 용접금속이 된 부위이다.
• 융제(flux): 금속의 용융이나 정련 시 불순물 제거나 산화 방지를 위하여 첨가하는 물질이다.
• 입열량(heat input): 용접 시 용접부에 공급된 열량이다.
• 크레이터(creter): 용접 시 용융지가 응고되어 생기는 요부이다.
• 티그용접(TIG welding) : 불활성 가스를 차폐 가스로 사용하고 비소모 텅스텐을 전극으로 하여 행하는 용접이다.

참고자료

• 〈용접〉, 《위키백과》
• 〈용접〉, 《나무위키》
• 〈용접(welding, 鎔(熔)接)〉, 《네이버 지식백과》
• 〈용접〉, 《네이버 지식백과》

같이 보기

• 금속
• 유리
• 플라스틱
• 재료
• 온도
• 작업
• 자외선
• 자동차
• 부품

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