선체시공 (2008 년 1 학기 ) 용접공학 주요용접공정 Logo
1. 용접아크현상 아크용접은용접봉과모재사이에전기적방전에의하여발생하는고온의아크를이용하여 모재를접합하는방법이며방법에따라용접봉이나용가재가용융및모재로이행된다. 1.1 아크의원리 -. 전압기울기 : 전압기울기가어느일정한값이상이되면전극사이에서스파크가발생 -. 기체의플라즈마상태 : 양극사이에있는기체의온도가올라가면서운동량이증가하게 되고이온화되어플라즈마상태로되어방전에의해전류가흐른다. 1.2 아크의특성 1) 열전자방출현상 -. 고온에의하여전자가방출되는현상, 음극의온도가올라가면음극표면에서전자가방출된다. -. 일함수가낮을수록많은전자가방출되어전류밀도가증가한다. -. 전류는용입과관계가있다. -. 고온에서녹지않는탄소, 텅스텐같은재질이요구되며, 일함수를낮추기위해텅스텐에미량원소 ( 토륨 ) -. 비소모성용접봉
1. 용접아크현상 2) 비열전자방출현상 -. 고온에서전자가방출되기전에전극이용융 -. 음극의표면이산화되어산화막이형성되고이산화막의일함수는금속에비해낮기 때문에전자는금속보다산화막에서방출된다. -. 낮은온도에서전자가발생하게되어용접에필요한전류를얻는다. -. 소모성전극봉 3) 전극 -. 음극의냉각효과 : 음극의표면은에너지를가진전자를방출 -. 양극의역할 : 전자를받아들여아크를유지, 양극은음극에비해발생되는열량이크다. -. 극성과관련해서모재와용접봉의용융량이결정된다. 4) 아크기둥 -. 전기적중성 -. 아크의전압은아크의길이에비례 -. 아크기둥은저항열에의해고온으로유지되며고온에의한압력과핀치력에의해평형을유지한다.
1. 용접아크현상 1.3 용접아크의제현상 1) 극성과청정효과 -. 극성 : 정극성 (DCSP, DCEN): 직류용접기에서전극이음극, 모재가양극 양극인모재의발열량이크므로모재의용융량이증가 (GTAW) 역극성 (DCRP, DCEP): 직류용접기에서전극이양극, 모재가음극 양극인용접봉의발열량이크므로용접봉의용융량이증가하여용착량이증가 (GMAW) -. 청정효과 Al 과같이표면에치밀하고전기전도도가낮은산화막이형성된경우역극성에서는모 재에서전자가발생되기때문에산화피막의제거효과가있다. 교류용접기의경우는정극성과역극성의특성을모두포함한다. 2) 자기제어효과 -. 정전압전원을사용하는 GMAW 에서나타나는현상 -. 아크의전압은길이에비례, 용접봉의용융속도는전류에비례, 용접봉의 송급속도가일정한경우자기제어효과를이용할수있다.
1. 용접아크현상 3) 핀치효과와아크쏠림 (Arc Blow). -. 핀치효과 용접전류는주위에자기장을형성하고, 전류와유도된자기장에의해아크기둥 내부로가해지는힘을발생시키는효과, 핀치력 / 로렌쯔력 축방향의전류와원주방향의자기장에의해발생 힘의방향 : 극성과무관하게반경방향의내부로작용 -. 아크쏠림 모재에잔류자기장이존재하거나접지위치에따라아크가전자기력을받아휘는현상 전자기력은접지점의반대방향으로작용 아크의위치가변하여용접품질에영향 * 아크쏠림의방지 : 교류사용, End Tap 채용, 접지점을멀리이격, 후진법적용
2. 용접금속의이행 용접과정에서아크열에의해용해된금속이용접재에서모재로이동하는과정이행현상의 종류에따라용입, 용착량, Spatter, 용접자세에영향을미친다. 2.1 용융금속이행의종류 1) 자유비행이행 (Free Flight Transfer) 모재와용접재사이에서용융금속이접촉되지않고이행되는현상 o 입상용적 (globular) 이행 : 드롭 (drop) 이행, 반발 (repelled) 이행 o 스프레이 (spray) 이행 : 프로젝티드이행, 스트리밍 (streaming) 이행, 회전 (rotating) 이행 o 폭발 (explosive) 이행 2) 브리징이행 (Bridging Transfer) 용융금속이모재와용접재사이에전기적으로접촉을하면서이행 o 단락 (short circuiting) 이행 o 연속브리징 (bridging without interruption) 3) 슬래그보호이행 (Slag Protected Transfer) 용융금속이슬래그의보호를받으며이행 o 플럭스유도 (flux-wall guide) 이행
2. 용접금속의이행 이행현상명칭용접법 ( 예 ) 1) 자유비행 (free flight) 이행 o 입상용적 (globular) 이행 - 드롭 (drop) 이행저전류 GMAW - 반발 (repelled) 이행 o 스프레이 (spray) 이행 - 프로젝티드 (projected) 이행 - 스트리밍 (streaming) 이행 - 회전 (rotating) 이행 o 폭발 (explosive) 이행 CO 2 GMAW 중. 저전류 GMAW 중전류 GMAW 고전류 GMAW SMAW 2) 브리징 (bridging) 이행 o 단락 (short circuiting) 이행 o 연속브리징 (bridging without interruption) GMAW( 단락조건 ), SMAW 용가재를첨가하는용접 입상용적이행, 반발이행, 3) 슬래그보호 (slag-protected) 이행 프로젝티드이행, 스트리밍이행 o 플럭스유도 (flux-wall guide) 이행 o 기타 SAW SMAW, FCAW, ESW 회전이행, 폭발이행, 단락이행
3. 아크용접기의출력특성 용접기의구성은 / 전력을공급하는전원장치 / 전극을지지하고전극에전류를공급하는장치 / 와이어송급장치 / 아크를이동시키는주행장치로구성된다. 3.1 정전류특성의용접전원 -. 수하특성 ( Dropping characteristic) -. 주로 SMAW, TIG, PAW, Stud Welding, 수동아크가우징작업, 대전류 SAW 에적용 -. 원칙적으로수동으로하는용접법에적용 -. 아크를일정하게유지시키기가힘들다. -. 아크길이의변화는균일한용접시공이어려움 아크길이가짧아질경우 - 전압은하강, 전류는증가 - 용융속도의증가 아크길이가길어질경우 - 전압은상승, 전류는감소 - 용융속도의감소 3.2 정전압특성의용접전원 자기제어효과
4. 아크용접법 피복아크용접 (SMAW), 가스텅스텐아크용접 (GTAW), 가스메탈아크용접 (GMAW), 플럭스코어드아크용접 (FCAW), 서브머지드아크용접 (SAW). PAW, Electroslag, Stud 4.1 피복아크용접 (SMAW) 1. 원리 : 피복아크용접은그림과같이금속선의주위에동심상으로피복제 (Flux) 를도포한피복아크용 접봉과피용접물사이에아크를발생시키고, 그에너지를이용해서아크를발생시켜행한다. 그림에도시된바와같이아크는 5000~6000 정도의고온을발생시켜모재의일부를녹여 용융지 (Molten Pool) 를만드는동시에용접부의선단을녹여용적으로하고용적은용융지로 이행한다. 이와같은이행은연속적으로반복되어아크열에의해녹은모재의일부와융합하 여응고되어용접금속이되어아크용접부의형상을이룬다
4. 아크용접법 (SMAW) 2. 특징 -. 피복재가도포된용접봉을사용 -. 용접장비가간단하고이동이용이 -. 전자세용접이가능 -. 거의모든금속에적용가능 -. 보호가스를사용하지않아옥외작업에유리 -. 자동화가어렵다. -. 용접봉교체등으로생산성이낮다. 3. 피복제의작용 1) 용착금속의보호 : 아크열에의해피복재가연소되어환원성가스가용접부를보호 2) 아크의안정 : 연소된가스가이온화되어아크를안정화시킴 ( 산화티탄, 산화철 ) 3) 탈산및정련작용 : 불순물과친화력이있는재료 (Si, Mn) 4) 합금원소첨가 ( 규소, 망간, 규소철 ) 5) 슬래그의형성 : 용착금속의급냉을방지, 외관
4. 아크용접법 (SMAW) 4. 용접봉의분류 1) KS E 43 16 일루미나이트계 (E4301), 라임티타니아계 (E4303), 고셀룰로오즈계 (E4311), 고산화티탄계 (E4313), 저수소계 (E4316), 철분산화티탄계 (E4324), 철분저수소계 (E4324), 철분산화철계 (E4327), 피복재계통 (16: 저수소계, 26: 철분저수소계 ) 최소인장강도 (kg/mm 2 ) E: 용접봉, D: 고장력봉 2) AWS E 70 1 6 피복재등 (5,6,8 저수소계 ) position : 1(all position) 2(flat, H-fillet), 4(downhill) 최소인장강도 (ksi) E: 용접봉 (Electrode)
4. 아크용접법 (SMAW) 5. 용접조건의선택 용접전류를높게하면용입량은많아진다. 용접속도는어느최적속도에서가장깊은용입을얻을수있다. 용접속도가낮은경우의아크는용접금속위에위치하기때문에용입이얕고, 지나치게빠른경우에는모재가충분히용융하지않는다. 용접비드형상 -. 용접전류가높고용접속도가지나치게빠르면언더컷이 -. 용접전류가지나치게낮으면용입부족 -. 용접속도가지나치게늦으면오버랩이발생한다. 용접부의성능용접입열이지나치게크면단위길이당의용착량이많아지고다음층용접에의한재열효과가고루미치지않기때문에인성은저하하고입열이지나치게작으면냉각속도가빠르게되어열영향부의경화가현저한문제가생기는일이있다. (1) 아크전압 1) 아크길이와비례관계에있다. 2) 건전한용접을행하려면원칙적으로짧은아크를사용해야하고, 아크의길이는용접봉심선의지름과거의동등할정도가좋다. 3) 아크가지나치게길면대기와의실드가나쁘고아크는불안정하게되어용융금속의산화나질화가일어나고용접금속중에많은개재물을포함한다. 또한열의집중도나쁘고스패터링도심하여용착 Loss가많아진다.
4. 아크용접법 (SMAW) 5. 용접조건의선택 (2) 용접전류일반적으로하향용접자세에서는강한전류를, 상향자세에서는 10-20% 감소, 입향자세에서는하향의 20-30% 감소시킨비교적약한전류를사용한다. 1) 전류가과대한경우에는 -. 언더컷, 기공, 슬래그혼입이생기기쉽고, -. 표면비드는거칠게된다. 2) 전류과소일경우에는 -. 용입이나쁘고 -. 오버랩과슬래그혼입이생겨강도가낮아지게된다. 용접능률을올리려면가능한한용접입열을크게해야하므로상술한결함이생기지않는 범위내에서고전류용접을하는것이바람직하다. 자동용접및반자동용접에서심선의지름 에비해대전류를사용하는것은이이유에의한다.
4. 아크용접법 (SMAW) 5. 용접조건의선택 (3) 용접속도용접속도는모재에대한용접선방향의아크속도로그값은용접봉의종류봉지름, 용접전류, 이음부분의형식, 모재의재질, 모재의표면상태, 설치의정밀도, 위빙의유무에의해결정된다.. 1) 아크전압과용접전류를일정하게하고용접속도를증가시키면 단위길이마다의용착분량은감소하고비드폭은감소하지만용입량은어느최적속도까지는증가한다. 2) 그이상속도를빠르게하면용입은도리어감소한다. 실제로용접속도는비드외관이나빠지지않을정도로빠른쪽이좋고용접변형도고속용접 쪽이작게나타난다. 그러나용접속도가커지면단위길이당의입열량이적어지고냉각속도는 빠르고열영향부의경화성이커지기때문에그조절을해야한다. 보통의용접봉에서봉지름 4mm ψ, 용접전류 170A에서의용접속도는하향용접자세에서 10-20cm /min 정도이다.
4. 아크용접법 (GTAW) 4.2 가스텅스텐아크용접 (GTAW-TIG) 1. 원리 : 비소모전극식차폐가스아크용접 (Tungsten Insert Gas Welding : TIG 용접 ) 은그림과 같이아르곤또는헬륨등의불활성가스분위기중에서텅스텐전극과모재사이에아크 를발생시키고이아크열을이용하여모재와용접봉을용융시켜용접하는방법이다. 용가재로서는모재와동일한재질의금속또는용접금속의성질을고려한용접봉이사 용되고용착량은수동또는자동에의한용접봉송급속도에따라정해진다. 박판에서는 용접봉을쓰지않는경우가많다.
4. 아크용접법 (GTAW) 2. 특징 -. 비소모성전극봉사용, 용가재사용 -. 보호가스사용 : Ar, He (Ar 이가격이저렴하나, He 은아크의온도가높다 ) -. 아크가안정되고용접품질이우수 -. 용접후슬래그를제거불필요 -. 용접작업자의기량이요구된다. -. GMAW 에비해생산성이낮다. -. 직류정극성에서는좁고깊은용입, 직류역극성얕고넓은용입 -. 아크발생기 3. 텅스텐전극 -. 순수텅스텐전극, 토륨함유텅스텐전극 4. 보호가스 -. Ar, He
4. 아크용접법 (GMAW) 4.3 가스메탈아크용접 (GMAW-MIG,MAG) 1. 원리 : 소모전극식가스차폐아크용접은그림에나타낸바와같이코일상으로감은소모전극 ( 용접 와이어, 예를들면 0.8-1.6 mm지름의와이어 ) 을와이어송급모터로용접토치에정속도로송 급시키고이용접와이어에콘택트팁을통하여용접전원을통전하여와이어 - 모재간에아크 를발생시키고, 용융지의형성과용접비드를형성하는용접법이다. 이때아크와용접금속을대기로부터보호하기위해노즐로부터차폐가스를흘려보내며, 차 폐가스의종류에따라서용접방법이분류된다
4. 아크용접법 (GMAW) 2. 특징 -. 소모성전극사용 -. 와이어송급장치사용 ( 반자동용접 ) -. 용착속도가높아능률적이다. -. 슬래그가없다. -. 보호가스사용 ( 불활성및활성가스사용 ) 3. 보호가스 -. 불활성가스 : Ar, He -. 활성가스 : CO 2, O 2 MIG 용접 (Metal inert Gas Welding) 차폐가스로아르곤등불활성가스를쓰는경우 MAG(Metal Active Gas) 용접 CO 2 와 Ar 가스를혼합하여사용 탄산가스아크용접 (CO 2 용접 )
4. 아크용접법 (GMAW) 4. 용접와이어 1) KS Y GW 11 보호가스, 적용강종, 화학성분 Gas Welding Wire 2) AWS ER 70 S - 3 화학성분 Solid Wire 최소인장강도 (ksi) ER: 용접봉 (Electrode)
4. 아크용접법 (GMAW) 5. 용접조건 (1) 와이어송급속도 GMAW 용접에서다른변수가일정할경우와이어송급속도가증가하면용접전류도증가한다. 용접전류는와이어송급속도의증가에따라비례적으로증가하는양상을보여주고있다 (2) 용접전류 용접전류는금속이행모드뿐만아니라용착속도및용입깊이를결정하는가장중요한변수 용접전류는와이어송급속도를조정함으로서제어 전류를높게하면모재에유입되는열이그만큼증가하므로용입깊이는깊어지게된다 전류값을높이면아크전압도함께높여주어야양호한용접비드를얻을수있다.
4. 아크용접법 (GMAW) 5. 용접조건 (3) 와이어의지름작은지름의와이어에대전류를흘러보내는고전류밀도의용접에서는깊은용입이얻어지지만극단적으로작은지름의와이어를사용하면용접부중앙에응고균열이생기는등용접결함을발생시킬우려가있다. (4) 아크전압아크전압은아크길이에비례하며용접비드의형상및금속이행형태에중요한변수로작용용접전압이증가하게되면덧살은낮아지고비드폭이넓어져서납작한비드형상을가지게된다. 또용입깊이는어느정도까지는증가하다가감소하게된다. 저전압에서깊은용입의좁은비드가발생하고고전압이될수록광폭의편평한비드를발생하고또스패터가발생하기쉬워진다.
4. 아크용접법 (GMAW) 5. 용접조건 (5) 용접속도 용접속도는용접전류, 용접전압과함께용입깊이, 비드형상및아크안정성등에영향을준다. 다른조건이모두동일하다면용입깊이는적정용접속도에서최대가된다. 용접속도가너무늦으면 아크가모재부보다는용융금속부에서발생하기때문에용입이작아진다 용접속도가너무빠르면 단위길이당투입되는에너지가작아지기때문에용입이감소하게되고, 덧살및비드폭이저감하여협폭의볼록형비드가된다. 언더컷등의결함이발생한다.
4. 아크용접법 (GMAW) 5. 용접조건 (6) 와이어돌출길이 컨택트팁선단으로부터와이어전극선단부까지의길이 길이가길어지면전기저항열이증가하며, 와이어용융속도도증가 지나치게길어지면보호가스에의한보호효과가저하되고아크가불안해지며기공등의결함이발생 돌출길이가지나치게짧으면가스보호효과는좋아지나노즐에스패터가부착되기쉽고용접부의외관이나빠지며작업성도악화 일반적인적정돌출길이는 15~25mm 정도 (7) 차폐가스 차폐가스는불활성가스계와탄산가스계의 2 종류로대별되고이들이단독또는혼합하여사용되며아크의안정을위하여수 % 의산소를혼합하기도한다 차폐가스의조성은용접비드형성에도영향을미친다
4. 아크용접법 (GMAW) 5. 용접조건 (8) 토치방향 전진법 후진법 토치를용접진행방향반대쪽으로 15~20 로유지 용접진행방향으로기울이는방법 전진법 후진법 1. 용접선이잘보이므로운봉을정확하게할수있다. 2. 비드의높이가낮고평탄한비드가형성된다. 3. 스패터가비교적많으며진행방향으로흩어진다. 4. 용착금속이아크보다앞서기쉬워용입이얕다. 1. 용접선이노즐에가려서운봉을정확하게하기가어렵다. 2. 높이가약간높고폭이좁은비드를얻을수있다. 3. 아크가안정적이며스패터의발생이전진법보다작다. 4. 용융금속이앞으로나가지않아깊은용입을얻을수있다. 5. 비드형상이잘보이기때문에비드를제어하기쉽다.
4. 아크용접법 (FCAW) 4.4 플럭스코어드아크용접 (FCAW) 1. 특징 -. 와이어중심부에플럭스가채워져있음 -. 가스보호 FCAW 와자체보호 FCAW 로구분 -. GMAW 와 SMAW 의특성을조합시킨용접법 -. 와이어단면감소로전류밀도의증가로용착속도상승 -. 플럭스에의한용접부금속학적성질향상 -. 슬래그에의한비드외관양호 -. 수직용접시고전류사용가능 와이어내의 Flux : SMAW 의피복재와유사한역할 ( 티타니아계, 라임티타니아계, 라임계, Metal 계 )
4. 아크용접법 (FCAW) 2. 용접와이어 1) KS Y FA - C 50 2 X 2) AWS Flux Type 충격시험온도 (X10) 최소인장강도 (kg/mm 2 ) 실드가스 (C,A: CO 2,Ar, S: Self Shield) Fluxcored Wire E 7 0 T - 1 Chemical Composition, Operating Characteristic.(1-11,G) Tubular Position( 0: 아래보기, 1: 전자세 ) 최소인장강도 (10 ksi) E: 용접봉 (Electrode)
4. 아크용접법 (SAW) 4.5 서브머지드아크용접 (SAW) 1. 원리 : 서브머어지드아크용접은그림과같이코일상으로감은와이어의끝과모재사이에 아크를발생시켜연속적으로공급되는플럭스로아크와용융금속을완전히덮어대 기와차단하여자동으로용접하는방법이다. 아크가플럭스속에잠겨보이지않아 서브머어지드아크 ( 潛弧 ) 용접이라고부르고있다.
4. 아크용접법 (SAW) 2. 특징 -. 분말플럭스를일정두께로살포하고, 그속에전극 와이어를연속적으로송급하면서와이어선단과 모재사이의아크로용접 -. 고전류사용가능, 용착속도가빠르고용입이깊다. -. 기계적성질이우수하다. -. 유해광선이나연기가적게발생 -. 비드외관이아름답다. -. 열효율이높다. -. 용접선이짧거나복잡한경우불리 -. 용접상태를육안으로확인이불가 -. 적용자세의제약 -. 적용소재제약
4. 아크용접법 (SAW) 3. 용접와이어및 Flux 1) KS Y S - S1 F S - FG 1 화학성분 Submerged Wire 화학성분 플럭스형태 (FG: 용융형, FP: 용융형 ( 경석 ), BN: 소결형, BT: 소결형 ( 철분계 )) Submerged Flux 2) AWS F 7 A 6 - EM12K 용접와이어저온충격강도 (6: -60 에서 27J이상 ) 열처리 (A: 용접그대로, P: 후열처리 ) 최소인장강도 (10 ksi) Flux
4. 아크용접법 (SAW) 4. Flux Flux 의조건 -. 아크의안정성 -. 정련작용이가능할것 -. 양호한비드를만들수있을것 -. 슬래그제거성이좋을것 -. 알맞은입도를가져아크주변의실드성능이좋을것 1) 용융형 Flux 재료를용융시켜응고시킨후분쇄하여알맞은입도로만든것으로유리모양의광택 2) 소결형 Flux 광물성재료와합금분말을용해되지않을정도로비교적저온상태에서소정의입도로소결되어제조된플럭스로저온소결형과고온소결형이있다
4. 아크용접법 (SAW) 3) 용융형및소결형 Flux 의비교 항목용융플럭스저온소결 ( 본드 ) 플럭스 고속용접 적합하며기공이나슬래그혼입등이없는균일한비드가얻어진다. 기공, 슬래그혼입등의결함이발생하기쉽고적합하지않다. 작업성 대입열용접 ( 대전류, 저속 ) 슬래그박리성 ( 다층용접 ) 부적합하여비드표면이대단히거칠고슬래그가 적합하여슬래그박리도좋고균일한 늘어붙는경향이있다. 비드가얻어진다. 비교적우수하다. 불량하다. 흡습성 흡습하기어렵다. 흡습하기쉬워사용전에건조필요 녹의영향 녹에민감하다. 녹에약간둔감 노치인성와이어성분의영향이크고염기도가높은플럭스염기도의조정이간단하고비교적쉽기필요게높은충격치가얻어진다. 계적성질 성분변동 용접조건의변동에둔감하고비교적균일한성분. 용접조건의변동에민감하여약간불균일하게되는경향이잇다. 다층용접 용접금속의성분변동이적고다층용접에적합 용착금속의성분변동이쉽게발생. 합금성분의첨가 거의불가능하다. 쉽다.
4. 아크용접법 (SAW) 5. 용접조건 서브머어지드아크용접의가장큰장점은고용착및자동화에의한용접생산성향상과 고품질의용접부를얻을수있다는것이다. 그러나용접중에용접진행상태를눈으로볼 수없기때문에용접을하기전에용접조건을완벽하게선정해두지않으면안된다. 용접조건선정기준 모재의판두께 얇은판에서는용입을기준 두껍고홈의면적이큰경우에는필요용착량이크기때문에용착속도를기준 (1) 용접전류 용접전류는와이어지름에따라사용가능한전류범위가결정되고, 사용전류는와이어의용융속도를결정하기때문에와이어지름과용접전류는용착속도와밀접한관계가있다. 용접전류를높이면용착속도가커져고능률용접이되며용입이깊어지고덧살이커진다. 그러나너무높으면대형비드로되어고온군열을일으키기쉽다. 전류가낮으면용입깊이, 여성높이나비드폭등이부족
4. 아크용접법 (SAW) 5. 용접조건 (2) 아크전압아크전압이증가하면비드폭이넓어지며용입이얕은형상이되어여성부족이되기쉽다아크전압이낮으면용입이깊고비드폭이좁은배형형상이되기쉽고군열이생기기쉽다 다른조건이동일한상태에서용접전압만을증가시키면비드폭이넓어지고플럭스 소모량이증가하며합금원소의이행량이많아진다.
4. 아크용접법 (SAW) 5. 용접조건 (3) 용접속도용접속도를느리게하면큰융융지가형성되고비드가편평하게되며, 덧살이많아오버랩이발생하기쉽다용접속도를빠르게하면비드폭이현저하게감소하여볼록형의비드형상이되기쉽고너무과대하면언더컷이발생
4. 아크용접법 (SAW) 5. 용접조건 (4) 개선 개선각도는넓은편이용입이깊어안정되며좁은경우는반대의경향이나타난다