피복 아크 용접(SMAW)

1. 피복 아크 용접(SMAW)

1.1 용접 원리

 

    SMAW(Shield Metal Arc Welding)는 가징 일반적인 용접방법으로 피복제를 입힌 용접봉에 전류를 가해서 발생하는 Arc열로 용접을 시행하는 방법이다.

    Arc는 청백색의 장렬한 빛과 열을 발생하는 것으로 온도가 가장 높은 부분은 약 6000° C에 달하며, 보통 3500~ 5000° C 정도이다. 이 열에 의해 용접봉과 모재의 일부가 녹게 되는데 이 때 녹는 모재의 깊이를 용입(penetration), 모재가 녹는 부분을 용융지 (molten pool)라 부른다. 여기에 용접봉이 녹아 이루어진 용적(glouble)이 용융지에 융착되고, 모재의 일부로써 융합되어 용융금속(deposited metal)을 만든다.

     SMAW는 용접장비의 구성이 간단하고 조작이 쉬운 장점이 있으며, 피복제의 연소과정에서 발생하는 gas를 이용해서 용접부을 보호하게 된다.

 

1.2 Arc의 성질

    (1) Arc는 100 ~ 500A의 전류와 4000 ~ 5000° C의 많은 열을 발생한다.

    (2) Arc 전압은 음극 및 양극의 전압강하와 Arc 기둥 전압강하의 합으로 표시된다.

   (3) 온도 분포는 전체의 60 ~ 75%의 열량이 양극쪽에서, 25 ~ 40% 의 열량이 음극쪽에서 발생한다.

 

1.3 극성 효과

    (1) 정극성

        전원을 모재가 (+)극에, 용접봉에 (-)극을 연결한다. 모재의 용입이 깊고, 용접봉의 용융이 느리다. 따라서, Bead

        의 폭이 좁으며, 일반적으로 널리 사용되는 형태이다. 주로 후판 용접에 사용된다.

    (2) 역극성

        전원을 모재가 (-)극에, 용접봉에 (+)극을 연결한다. 모재의 용입이 얕고, 용접봉의 용융이 빠르다. Bead의 폭이

        좁으며, 주로 박판, 주철, 합급강, 비철금속의 용접에 사용된다.

 

 

1.4 Pinch 효과

   용접봉 원형 다면의 도체 중에 전류가 흐르면 전류 소선의 사이가 전자기력에 의해 서로 흡인력이 생겨서 전단극의 용접 금속이 잘록하게 되어 용적이 이탈 현상이 발생하게 된다. 이를, Pinch 효과라 한다.

 

2. 자기 불림

2.1 개요

    도체 사이에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생긴다. 자기불림은 모재와 용접봉과의 사이에 흐르는 전유에 따라 자계가 생겨 이 자계가 용접봉에 대하여 비대칭이 되면 Arc가 자력선이 집중되지 않은 쪽으로 솔리어 흐르는 현상으로 arc의 불안정, 기공,슬래그 섞임, 용착금속의 재질 변화등의 원이이 된다.

 

2.2 자기 불림 방지책

    (1) 직류 용접을 하지 말고 교류 용접을 사용할 것

    (2) 큰 판 용접부 또는 이미 용착이 긑난 용착부로 향하여 용접할 것

    (3) 장대한 용접에서는 후퇴 용접봉으로 용착할 것

    (4) 접지점(earth)을 용접부에서 될 수 있는 대로 멀리 할 것

    (5) 소용접물에서는 용접 시점에 earth를 취하고, 가능하면 큰 팥 용접부로 향하여 용접할 것

    (6) 짧은 아크를 사용할 것. 피목제가 모재에 접합할 정도로 봉을 접근시키고, 봉 끝을 arc blow와 반대족으로 기울일

         것

    (7) 받침쇠, 간판 용접부, 심의 시점과 종점의 end tap을 사용할 것

    (8) 접지를 양쪽 끝에 연결할 것

 

3. 용접기의 종류 및 특성

 

3.1 직류 용접기

     직류 용접기는 안정된 아크를 필요로 하는 박판의 용접이나 경함금 및 스테인리스 강의 용접에 사용한다.

 

3.2 교류 용접기

     교류 용접기는 일종의 변압기로서 구조가 간단하고, 저렴하며, 보수가 용이함으로 얼리 활용되고 있다.

 

3.3 직류 및 교류 용접기의 비교

    

No.	비교 항목	직류 용접기	교류 용접기
1	아크 안정	우수	약간 불안
2	극성 이용	가능	불가능
3	비피복 용접봉 사용	가능	불가능
4	무부하(개로) 전압	약간 낮은 (60V)가 상한	높음(70~90V가 상한)
5	전격의 위험	적다	많다 (무부하의 전압이 높기 때문)
6	구조	복잡	간단
7	고장률	회전기에 많다	적다
8	역률	매우 양호	불량
9	가격	비싸다	싸다
10	소음	회전기는 많고, 정류기는 적다	적다 (구동부가 없기 때문)
11	자기 쏠림 방지	어렵다	가능 (자기 솔림이 거의 없다)

 

3.4 용접기의 구비조건

 

    (1) 역률과 효율이 좋아야 한다.

    (2) 아트 발생이 용이하고, 일정한 전류가 흘러야 한다.

    (3) 전류조정이 용이하고, 일정한 전류가 흘러랴 한다.

    (4) 단락(접촉) 되었을 때 흐르는 전류가 적어야 한다.

    (5) 사용 중에 온도 상승이 적어야 한다.

    (6) 가격이 저렴하고, 사용 유지비가 적어야 한다.

    (7) 구조 및 취급이 간단하여야 한다.

    (8) 무부하 전압이 높거나 용접기의 미절연 부분이 없어야 한다.

    (9) 위험성이 적어야 한다

 

3.5 용접기 취급상 주의

 

    (1) 정격 사용률 이상으로 사용하면 소손돌 우려가 있으므로 주의한다.

    (2) 2자측 단자의 한쪽과 용접기 케이스는 반드시 접지하여야 한다.

    (3) 가동부분, 냉각 fan을 점검하고 주유한다.

    (4) 탭 전환은 반드시 아크를 중지시킨후에 행한다.

    (5) 전격 방지기를 반드시 부착하고, 작동 여부를 주기적으로 점검한다.

    (6) 다음의 장소에서는 용접기의 설치를 금하며, 부득이한 경우 조치 후 설치한다.

         - 비에 노출되었거나 , 수증기 및 습기가 많은 곳

         - 주위 온도가 -10 이하 인곳

         - 유해한 내식성 가스나 폭발성 가스가 존재하는 곳

         - 진동 또는 충격을 받는 장소

         - 먼지가 많은 장소에서는 용접기 설치를 금한다.

 

4. 인버터(Inverter)식 용접기

    Inverter는 직류를 교류로 교환하는 장치를 지칭하고 있으며, inverter 용접기도 이러한 기능을 가진 용접기이다. 인버터식 용접 교환장치는 상용 60Hz 전원으로 부터 직접 정류, 평활 시킨 후 전력 소자에 의해 고주파 교류로 변환시키고, 다시 용접에 맞는 전압으로 변환한 후 정류하여 출력하도록 되어 있다. 제어 방식은 pulse 폭을 제어하는 펄스폭 변조 방식과 펄스 폭을  일정하게 하고 주파수를 제어하는 주파수 변조 방식이 있으나 대부분 펄스폭 변조 방식이다.

 

    인버터식 용접기의 특징은 다음과 같다.

     (1) 소형, 경량화가 가능하다

     (2) 저입력, 저유지비 실현이 가능하다.

     (3) 용접 품질이 안정된다.

     (4) spatter 발생이 억제된다.

     (5) 단시간 용접이 가능하여 생산성을 향상시킬 수 있다.

     (6) 부하 balance가 좋다

     (7) 용접 교류의 고속제어 및 정밀제어가 가능하다.

     (8) 반면에 고가이다.

 

5. 용접 부속 장치

    5-1 전격 방지기

          무부하 전압이 비교적 높은 교류 용접기는 전격(감전사고)을 받기 쉬우므로 용접사를 보호하기 위해 전격방지기를

          사용한다. 전격 방지의 기능은 작업을 하지 않을 때, 보조 전압기에 의해 용접기의 2차 무부하 전압을 20 ~ 30V

          이하로 유지하고, 용접봉을 모재에 접촉한 순간에만 relay가 작용하여 용접작업이 가능하도록 되어 있다. 용접이

          종료되어 아크를 중단하면, 자동적으로 relay가 차단되며 2차 무부하 전압은 다시 25V 이하로 된다. 이와 같이 휴

          식기간 동안에는 2차 무부하 전압을 25 V 이하로 유지될 수 있기 때문에 작업자를 전격의 위험으로 부터 보호할

          수 있다.

 

    5-2 Hot Start Equipment

         (1) 개요

              Arc발생 초기에는 용접봉이나 모재가 차가우므로 입열이 부족하여 Arc가 불안정해져서 용접봉이 처음 모재에

              접촉하는 순간의 1/4 ~ 1/5초 동안 순간적인 대류를 흘려서 가열을 세게 함으로써 Arc 초기의 안정을 위한 장

              치로 일명 Arc Booster라고 한다.

         (2) Hot Start 장치의 이점

              - Arc의 발생을 쉽게한다.

              - 기포 발생을 방지한다.

              - bead 모양을 개선하고, arc 초기의 용입을 좋게한다.

              - 무부하 전압을 70V 이하로 저하시킬 수 있어 전격의 위험성이 적다.

 

    5-3 고주파 발생 장치

         (1) 개요

              교류 아크 용접기의 arc 안정을 위해 사용주파의 arc 전류외에 고전압 (2000 ~ 3000V)의 고주파 발생 전류

              (300 ~ 1000 kc: 약전류)를 중첩시키는 방식이며, 라디오나 TV등에 방해를 주는 결점도 있다.

         (2) 고주파 발생장치 병용의 이점

              - arc 손실이 적어 용접이 쉽다.

              - arc 발생초기에 용접봉을 모재에 접촉시키지 않아도 arc 발생이 쉽다.

              - 무부하 전압을 낮게 할 수 있다.

   

6. 수하 및 정전압 특성

7. 아크 길이 자동 제어법

8. 용접기 사용률

9. 역률과 효율

10. 피복 아크 용접봉

    10.1 피복제의 역할

          (1) 보호가스(Shielding Gas)를 발생

               용융금속의 산화 및 질화를 방지한다. 유기물, CaCO3, 습기 등이 가스를 발생시킨다.

 

          (2) 슬래그(Slag)를 형성 -> 외부 공기를 차단

               용접부의 냉각속도를 느리게 한다. 용접 비드의 표면을 형성한다.

          (3) Arc 내의 전기 전도도를 향상 시킨다-> Arc의 발생을 쉽게한다.

          (4) 피복제 내의 원소 조절이 가능하여

               합금원소의 첨가가 가능하여 용접부의 재질을 개선한다.

               용착금속의 탈산 및 정련작용을 한다.

 

          (5) 기타

               기타 절연 작용을 한다.

    10.2 피복제의 주요 성분

          (1) Arc 안정제

              Arc열에 의해 이온화 되어 전압을 하강시켜 arc를 안정 시킨다. 이온화 전압이 낮은 물질이 좋다. 산화티탄

              (TiO2), 규산나트륨(Na2SiO3), 석회석(CaCo3), 규산나트륨(K2SiO3)등

             

          (2) 가스 발생제

               가스를 발생시켜 용접부를 대기와 차단하므로 산화 및 질화를 방지한다. 녹말, 석회석, 톱밥, 탄산바륨,

               Cellelose등

 

          (3) 탈산제

               용융금속 중에 칩입한 산소를 제거한다. 규소철 (Fe-Si), 티탄철 (Ti-Si), 망간철(Mn-Si) 등

 

          (4) 슬래그 생성제

               용접부 표면을 덮어 산화 및 질화를 방지하고, 냉각속도를 느리게 한다. 규사, 운모, 석면, 석회석, 일미나이

               크, 이산화망간, 형석, 장석 등

 

          (5) 합금 첨가제

               용융금속 중에 합금 원소를 첨가하여 용접부의 재질을 개선한다. 망간, 실리콘, 크롬, 구리, 니켈, 바나듐 등

 

          (6) 고착제

               피복제를 단단하게 심선에 고착시킨다.

 

    10.3 연강 피복 아크 용접봉의 계통별 특징

    10.4 여러 가지 작업 시 용접봉의 선택

           용접봉은 용접결과를 좌우하는 큰 인자가 되므로 사용목적에 알맞게 선택하여야 한다. 다음은 각 작업시에 알맞

           은 피복제 계통을 나타낸 것이다.

           (1) 내압 용기, 철 구조물등 비교적 큰 강도가 걸리는 후판 용접부에는 강도, 인성, 내균열성이 우수한 저수소계

                (E4316)를 1~2층에 사용하고, 그 위층에는 작업성이 좋고, 일반 구조물에 적합한 일미나이트계를 사용한

                다.

           (2) 박판 구조물에는 큰 강도가 요하지 않으므로 비드 외관이 좋고, 작업성이 우수하여, 용입이 적은 라임티탄계

                 (E4303) 또는 고산화티탄계(E4313)를 사용한다.

           (3) 수직 자세나 위보기 용접과 같은 좁은 홈 용접에는 슬래그 생성량이 아주 적은 고셀룰로오스계(E4311)를 사

                용한다.

           (4) 아래 보기 및 수평 필칫 용접에는 작업성 및 능률이 좋은 철분산화티탄계(E4324)를 사용한다.

 

    10.5 저수소계 용접봉

          (1) 특징

               저수소계 용접봉은 석회석을 주성분으로 하는 피복 아크 용접봉으로, arc의 고온에서 석회석 성분이 분해되어

               많은 이산화탄소가 발생하여 용융지 및 용적을 대기로 부터 충분히 보호한다. 유기물이 거의 포함되어 있지 않

               으므로 용접금속의 수소량이 극히 적어 저수소계 용접봉이라고 말한다. 다음과 같은 특성을 지닌다.

               - 용착금속의 수소량이 매우 낮고 용융 슬래그의 염기도가 높게 설계: 수소가 많을 경우 기공 및 균열의 발생

                  가능성이 높고, 파괴인성에 나쁜 영향을 주지만, 높은 염기도는 청정한 금속을 얻게 한다.

               - Arc가 약간 불안정하다.

               - bead의 시작 부위와 이음부에 pit 및 blowhole이 발생하기 쉽고, bead는 볼록형 이다.

               - 용입은 얕은 편에 속하고, 내균열성이 극히 우수하다.

               - 기계적 성질 중 인성이 특히 양호하여 고장력강 및 연강의 후판 균열 방지에 유용하다.

 

          (2) 용접봉 사용시 유의 사항

               - 용접봉의 건조 및 관리에 만전을 기한다.

               - 용접 시작부에서는 이산화탄소 발생이 많아져 기공이 발생하기 쉽다.

               - 기공 발생을 방지하기 위해 Arc 길이를 가능하면 짧게 한다

               - Weaving 폭을 용접봉 지름의 3배 이내로 한다.

               - 용접 개시 전 개선면을 깨끗이 청소하여 용착금속으로의 수소 유입을 방지한다. 수소의 유입은 수소 기인 균

                  열을 발생하기 쉬우며, 이 물질은 슬래그 혼입이나 기공의 원인이 되기도 한다.

               - 모재의 화학 조성 및 균열 감수성, 모재 두께, 구속 정도, 경화능에 따라 적절한 에열을 실시한다.

 

     

 

    10.6 피복 아크 용접봉의 관리

          (1) 개요

               피복 아크 용접봉은 일반적으로 습기에 민감하다. 습기는 기속 및 균열의 원인이 된다. 특히, 저수소계 용접봉

               의 경우에는 흡습시 수소가 많아져 기공이 일어나기 쉽고, 내균열성이나 강도가 저하하며, 셀룰로오스 계는

               피복이 떨어지게 된다.

          (2) 용접봉 보관 장소

               지면 보다 높고, 건조한 장소를 택하며, 통풍이 잘되고, 진동이나 하중에 의해 떨어지지 않아야 한다.

 

          (3) 용접 재료의 관리

               AWS D1.1에 의한, 저수소계 용접봉의 구매와 보관에 대하여 다음과 같이 규정하고 있다.

               - 대기와 차단된 용기 속에 밀봉된 상태로 구매되어야 하며, 사용전에 최소한 2시간 이상 260 ~ 430 정도의

                  온도에서 가열하여 사용한다. (탄소강용)

               - 대기와 차단된 용기 속에 밀봉된 상태로 구매되어야 하며, 사용전에 최소한 1시간 이상 370 ~ 430 씨 정도

                  의 온도에서 가영하여 사용한다. (저합급강용)

               - 가열 건조로에서 빼낸 용접봉은 최소한 120도 씨 이상 유지되는 용기 속에 보관해야 한다.

               - 저 수소계 용접봉의 재건조는 1회를 초과할수 없다.

               - 물에 젖은 용접봉은 충분이 건조되어도 절재 사용할 수 없다.

 

         

11. 아크 용접에 영향을 주는 요소

     11-1 용접 전류

             통상 용접봉 지름 1 mm 당 40A의 전류를 사용하는데, 전류의 조정은 모재의 재질, 두께, 용접봉 지름, 용접자

             세, 용접부의 형상에 영향을 받는다.

             (1) 전류가 너무 높으면 under-cut 및 spatter가 발생한다.

             (2) 너무 낮으면 arc의 유지가 힘들며, 용접봉이 모재에 달라 붙기 쉽고, 용입이 얕으며, overlap 및 slag 혼입

                  의 원인이 된다.

     11-2 용접 전압

            용접 전압은 아크길이를 결정하는 변수가 되며, 적정 아크 길이는 심선의 길이와 대략 같은 정도이다.

            (1) 아크 길이가 너무 길면 용입이 적고, 표면이 거칠며, 아크가 불안정해질 뿐만아니라, spatter의 발생도 많

                 아진다.

            (2) 반대로 짧아지면 용접봉이 자주 단락되고, slag 혼입의 우려가 있다.

     11-3 용접 속도

             용접 속도는 용접선 방향으로 이동하는 운봉의 속도를 말하며, 용접속도는  bead의 외관이 손상되지 않을 정도

             에서 되도록 빠른 것이 좋다.

12. 고능률 피복 아크 용접

      12-1 개요

             피복 아크 용접의 생산성을 향상 시키기 위한 방법으로, 간단한 기구를 이용하여 고능룰화를 꾀하는 방법으로

             그래비티 용접과 오토콘 용접이 있다. 이들은 feeder에 철분계 용접봉(E4324, E4326, E4327)을 장착하여 수

             평 필릿 용접 전용으로 개발된 일종의 반자동 용접 장치로서, 한 명이 여러대의 용접기를 관리할 수 있어 생산성

             을 향상시킨 용접법이다.

      12-2 그래비티 용접장치

             그래비티 용접 장치는 다음 그림과 같이 모재와 일정한 경사를 갖는 슬라이드 바를 따라 용접 홀더가 하강하도

             록 되어 있다. 홀드에 고정되어 있는 용접봉은 용접선위에 접촉되어 있다. 홀더는 용접봉의 지지각도를 일정하

             게 유지해주며, 지지 각도는 운봉비(비드 길이 / 용접봉 길이)를 결정하여 준다.

 

             아크가 발생하면 용접봉은 점점 소모되면서 중력에 의하여 서서히 하강하기 때문에 자동적으로 용접이 진행된

             다.

      12-3 오토콘 용접장치

              오토콘 장치는 영구자석 및 스프링을 이용한 간단한 용접장치로서, 고능률 및 수평 필릿 전용 용접봉이다. 이

             장치는 특수 스프링으로 홀더에 압력을 가하여 용접봉이 자동적으로 모재에 밀착되도록 설계되어 있다.

13. 수중 아크 용접

     담수 또는 해수 중에서 행하는 Arc 용접을 수중용접(underwater arc welding)이라 한다. 수중 아크 용접은 건식과 습식으로 구별된다.

      13-1 건식 수중 아크용접법

             고체 용기로 주위를 둘러싸고, 물을 배제한 공간에서 아크를 발생시켜 용접하는 방법으로 다량의 매연을 발생하

             는 용접법은 부적당하고, 피용접물의 크기에도 제한이 있으며, 설치에 많은 경비가 필요하다. 그러나, 이음성능

             관점에서는 습식 수중아크용접보다 양호하다.

      13-2 습식 수중 아크 용접

             물에 접한 상태로 아트를 발생시켜 용접하는 방법으로, 이 경우 용접 후에 공동을 만들어 물의 칩입을 방지하는

             대책에 강구된다. 이 방법은 수증기와 용융금속의 반응, 용접부의 냉각 속도 증대등에 의한 균열이나 기공이 발

             생하기 쉽다. 반면에 용기를 사용하지 않아서 피용접물의 크기에 제한이 없으며, 설치비가 저렴한 이점이 있다.

      13-3 문제점

             수중 아크 용접법은 수심에 의한 압력을 고려해야 하며, 수심과 관련해서 수중 아크 용접의 무인화 및 그 주변

             기술 등이 해결할 문제로 남아 있다.

      13-4 적용

             Bridge, 해저 pipeline  및 해양 구조물 등의 현장 용접이나 보수 용접에 적합하다.

 

[출처] 아크 용접 (SMAW)|작성자 해양개발