용융용접( Fusion selding )이란?
- 접합하고자 하는 두 물체 사이에서 부분용융 혹은 완전용융 상태를 갖게 될때 여기서 용융용접( fusion welding )은 열원에 의해서 재료가 용융되어 병합되는 용접법
- 용접 시 용접공정 중에 용접부로 가해지는 용가재가 사용되는데, 용가재가 없이 사용되는 용접법을 자가용접( autogenous welds )이라 부른다.
- 산소용접 ( OFW : oxyfuel gas welding )
( 화염E 사용 )
- 접합부에서 금속을 용융시키는 데 필요한 화염을 생성시키는데 산소와 연료가스( fuel gas )를 혼합하여 사용하는 접합공정이다.
- 산소용접에서 가장 많이 사용되는 가스는 아세틸렌( acetylene )으로 이를 산소 아세틸렌용접( OAW: oxyacetylene-gas welding ) 이라고 하며 구조용 금속 가공 및 수리작업에 사용된다.
화염의 종류
- 산소용접에서 아세틸렌과 산소의 혼합비율은 중요한 인자이다. 이 비율이 1:1인 경우 즉 산소가 과잉으로 있지 않을 경우 중성염( neutral flame )이라고 한다.
- 산소가 과잉으로 공급이 될 경우 금속을 쉽게 산화시키기 때문에 위험할 수 있다.( 특히 철의 경우 ). 이를 산화염( oxidizingflame )이라고 부른다. 구리 혹은 구리합금의 경우에는 용융된 금속의 표면에 얇은 슬래그 보호막( 산화물 성분 )을 만들어 주기 때문에 산화염이 유리하다.
- 완전연소하기에 충분한 산소가 공급되지 못하는 경우 환원염 혹은 탐화염( carburzing flame )이라 부른다. 화염의 온도는 낮아지게 되고 따라서 낮은 열원을 필요로 하는 경납점, 연납접 혹은 화염을 이용한 경화 공정 등에 사용하게 된다.
용가재란?
용접 중에 넣는 재료를 의미한다.
- 용가재( filler metals )는 용접공정시 용접부에 추가로 공급되는 금속재이다.
- 용가재는 봉재( rod )( 막대 )형태 혹은 선재( wire )( 긴 실 ) 형태로 공급이 되며 경우에 따라서 용제 ( flux ) 가 피복되어 만들어진 상태로 공급되기도 한다.
- 용제는 용접부 주위에 가스로 보호막을 생성시켜 용접부 표면의 산화를 방지하는 목적으로 사용된다.
- 또한, 용제는 산화물과 다른 물질들을 용해시키고 제거하는 보조역할을 함으로써 용접부를 보다 강하게 한다.
- 생성된 슬래그( 산화물, 용제, 용접봉 피복재 화합물 )은 용융된 금속풀이 냉각하면서 산화되는 현상을 방지하는 역할을 하게 된다.
- 압력가스용접 ( 화학E 사용 )
- 이 용접공정에서는 산소와 아세틸렌의 혼합가스를 이용한 토치로서 두 피용접물의 경계면을 먼저 가열한다.
- 경계면이 용융이 되게 되면 토치를 빼내고 공작물의 양쪽을 경계면이 굳어질때까지 가압을 한다.
- 두 공작물의 가압에 의하여 플래시가 생성되는 것을 보여준다.
- 테르밋용접 ( termit welding ) ( 화학E 사용 )
- thermit 또는 exothermic 용접으로 알려져있는 테르밋 ( thermit ) 용접법은 금속분말, 금속산화물 그리고 산화를 감소시키는 반응을 하도록 하는 고온의 점화물이 포함되어 있다.
테르밋 ( thermit )의 의미는 산화철( Fe2O3 ) 과 알루미늄 분말을 혼합한 것을 의미함
테르밋용접 : 산화철과 알루미늄 분말을 활용한 용접방식
- 이 공정에서는 일반적으로 철산화분말과 알루미늄 분말을 혼합한 후 마그네슘 퓨즈를 점화물로 사용하여 화학반응을 통해 산화알루미늄( AL203 )와 철을 생성하게 된다.
- 철을 녹여서 pouring basin으로 흘러들어 가게 하고 특히 용접되어야 할 부위 주변을 채워 넣을 수 있도록 하기 위하여 온도 2500도까지 되어야 한다.
- 테르밋 용접 몰드는 주조 몰드와 매우 흡사하다
- heating port가 있음으로 산화 아세틸렌 토치가 공작물의 예열을 위해서 내부로 들어가게 되고 이는 용접 크랙을 막는 효과를 줄 수 있다.
- 테르밋 용접의 응용 분야로는 구리산화물을 사용하여 대형 직경을 갖는 구리 전도체를 용접하는 곳이나, 기관차의 axle frame과 같은 대형 장비의 현장수리에 사용이 되고 있다.
- 아크용접 ( ark welding ) ( 전기E 사용 ) ( 비소모성 전극 사용 )
※ 전극: 전류가 흐르는 경로를 제공하는 도체
- 전기에너지를 열원으로 이용하는 용접방법
- 이 용접법은 소모성전극 혹은 비소모성전극을 사용한다.
- 직류 혹은 교류 전원으로 전극의 팁과 모재 사이에 아크를 발생시키는데 아크의 온도는 대략 30,00
아크용접에서 열전달
- 아크용접에서 열유입량은 다음식으로 나타낸다.
- H는 열의 유입량( J 또는 BTU ), L은 용접길이, V는 사용전압( voltages ), I는 사용전류( amperes ), v는 용접속도, e는 용접효율
- 피복금속아크용접( SMAW )에서 75%, 가스메탈아크용접( GMAW )과 서브머지드 아크용접 ( SAW )에서 90%이다.
- 용접효율은 유입된 에너지 중에서 모재를 녹이는 데 얼마나 사용되었는가를 나타내는 지표인데, 열이 모재에 유입되면, 열손실이 발생하는데 일부분은 복사에 의해서 손실이 되지만 대부분은 대류에 의해서 외부로 손실된다.
- 여기서 u는 용융에 사용되는 비에너지( specific energy ), Vm은 용융금속의 체적, A는 용접부위의 단면적을 나타낸다.
- 식 30.3과 30.4로부터 용접속도를 다음 식으로 표현할 수 있다.
- 이러한 식들은 아크용접을 통해 적용하여 유도가 되었지만, 다른 용접법의 경우에도 형상과 효율 등을 고려할 경우 동일하게 적용이 가능하다.
비소모성 전극( nonconsumable-electrode )이란?
- 비소모성 전극( nonconsumable-electrode )에 사용되는 대표적인 전극은 텅스텐이다.
- 고온의 열이 발생되기 때문에 용접부의 산화를 방지하기 위해서는 보호가스가 필요하다.
- 일반적으로 직류( direct current )가 사용되기 때문에 극성( polarity )을 고려하는 것이 중요하다.
- 전류의 크기는 전극의 형태, 용접하고자 하는 모재의 재료, 그리고 용접부위의 폭과 깊이에 따라 결정된다.
- 가스텅스텐 아크용접( GTAW: gas tungsten arc welding )
( 전기E 사용 ) ( 비소모성 전극 사용 )
*welding: 용접
- TIG( tungsten insert gas ) 공접으로 불리는 가스텅스텐아크용접( GTAW : Gas Tungsten Arc Welding )은 용가재가 선재( filler wire ) 형태로 공급이 된다.
*선재( filler wire )형태: 금속재료가 선 모양으로 제공된다는 말
- 용접 중에 텅스텐 전극이 소모되지 않기 때문에 동일 전류에서는 일정하고 안정된 아크 길이가 유지된다.
- 용가재는 용접하고자 하는 모재와 유사한 재료를 사용하며 용제( flux )는 사용하지 않는다.
*용제( flux ) : 금속의 용융 및 결합을 돕는 역할, 용접 과정에서 금속의 결합을 돕는 보조 물질
*용재( filler metal ) : 두 금속을 결합하기 위해 추가되는 금속, 용접 과정에서 실제로 결합되는 금속재료
- 가스텅스텐아크용접은 갭이 없는 모재를 용접할 때처럼 용가재를 사용하지 않고 용접을 할 수 있다.
- GTAW 공정은 금속, 특히 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 내열금속 등의 용접에 폭넓게 사용이 되며, 특히 두께가 얇은 금속 용접에 적합하다.
- 불활성 가스의 비용이 고가이므로 SMAW 공정에 비해 비싸지만, 용접품질과 표면이 우수한 장점이 있다.
- GTAW 공정은 모재의 두께와 형상에 따라서 응용분야가 다양하며 특히 장비의 이동이 용이하다.
- 플라즈마 아크용접( PAW : plasma arc welding )
( 전기E 사용 ) ( 비소모성 전극 사용 )
- 플라즈마 아크용접( PAW: plasma arc welding ) 공정은 플라즈마를 집속시켜 용접부로 향하게 하는 용접법
*집속 : 집중시키다, 모으다.
- 아크가 안정되고 아크온도가 33,000도까지 도달하며 플라즈마는 전자들과 이온들이 거의 비슷한 양의 이온화된 가스로 이루어져 있다.
- 다른 아크용접에 비해 플라즈마 아크용접은 안정적이며, 열적변형이 적고 고에너지를 집속시킬 수 있어서 깊고 좁은 용접부를 생성할 수 있다. 또한 고속용접이 가능하다.
- 플라즈마 아크용접에는 전달식( transfered arc method )와 비전달식( nontransffered ard method )의 두 가지 종류가 있다.
- 전달식에서는 피용접물이 전기적 회로의 한 부분이 되며, 아크는 전극으로부터 모재로 전달이 되므로 전달식이라고 부른다. *피용접물 : 용접과정에서 실제로 용접이 이루어지는 대상
- 비전달식에서는 아크가 전극과 노즐 사이에서 발생이 되며 플라즈마 가스에 의해 열이 모재로 전달이 된다.
- 열전달 방법은 산소용접과 흡사하다.
- 원자수소용접( AHW : atomic hydrogen welding )
( 화학적E 사용 ) ( 비소모성 전극 사용 )
- 원자수소용접( AHW : atomic hydrogen welding )에서는 수소가스의 보호 분위기에서 두 개의 텅스텐 전극 사이에서 아크를 발생시킨다. 아크는 용접하고자 하는 부위와 무관하게 유지된다.
- 수소가스는 보통 2원자( H2 )로 구성되어 있지만, 온도가 6000도 이상이 되면 수소는 원래 상태로 해리가 되며, 동시에 많은 양의 열을 아크로부터 흡수하게 된다. *해리 : 분리된다.
- 해리된 수소원자가 상대적으로 저온의 모재에 부딪히게 되면 2원자를 갖는 수소로 다시 재결합되면서 순간적으로 갖고 있던 열을 방출하는데, 온도는 4000도까지 이른다.
- 텅스텐을 용접할 수 있는 몇 안되는 방법 중 하나이다.
- 원자수소용접에서는 아크와 모재 표면 사이의 거리를 변화시키면서 공급에너지를 쉽게 조절할 수 있다.
- 피복금속아크용접( SMAW : shielded metal arc welding )
(전기E 사용 ) ( 소모성 전극 사용 )
- 피복금속아크용접( SMAW : shielded metal arc welding )은 가장 오랫동안 사용되어 왔으며 단순하지만 다양하게 사용이 되고 있는 용접법으로 현재 현장에서 50% 정도가 이 용접법을 이용하고 있다.
- 용접봉을 모재에 접촉시켰다가 재빨리 떼어내면서 아크를 발생시키고 이후에는 아크의 길이를 계속적으로 유지하는 방법이다.
- 발생된 열에 의해서 전극봉 끝부분과 피복재 그리고 아크가 닿는 모재가 녹게 된다. 용융된 금속은 모재, 전극봉의 금속부분, 피복재로부터 공급되는 여러 화합물 등이 포함되어 있다.
- 이 혼합된 용융물들은 응고되었을때 용접부를 형성하게 된다. 용접봉의 피복재는 용접부의 산소를 제거하고 또한 산화를 방지하는 보호가스 역할을 한다.
- 장치는 동력원, 케이블, 전극집게로 구성되어 있다. SMAW 공정은 일반 건설현장, 조선소, 파이프라인, 보수유지 작업등에 사용된다.
- 가스메탈아크용접( MIG : metal inert gas )
( 전기E 사용 ) ( 소모성 전극 사용 )
- 불활성가스금속( MIG : Metal Inert Gas )으로 불리기도 하는 가스메탈아크용접( GMAW : gas metal arc welding )에서는 용접부가 아르곤, 헬륨등의 불활성기체, 이산화탄소 혹은 혼합가스에 의해서 보호된다.
- 플럭스코어드아크용접( FCAW : Flux-Cored Arc Welding )
( 전기E 사용 ) ( 소모성 전극 사용 )
- 플럭스코어드아크용접( FCAW : flux-cored arc welding )는 가스메탈아크용접과 흡사하지만, 용접봉이 관 형상으로 내부가 용제로 채워져 있는 것이 다르다. 용제가 내부에 들어간 용접봉은 안정된 아크를 발생시키고 용접부 형상과 용접부위의 기계적 성질이 양호하다.
- 용접봉 내의 용제는 피복금속아크용접 용접봉 외부에 코팅된 취성이 강한 용제보다 유연성이 있어서, 관형의 용접봉은 긴 코일 형태로 만들기 용이하다.
- FCAW의 가장 큰 장점은 재료의 화학적 성분을 쉽게 바꾸어서 용접할 수 있어서 내부 용제에 합금원소를 첨가하여 용접부위에 필요한 합금 조성을 만들 수 있다. 이 공정은 자동화가 용이하여 유연생산공정과 로봇시스템에 적용할 수 있다.
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- 용접봉 구분
- 소모성전극을 이용한 아크 용접에 사용되는 전극봉은 용착금속의 강도, 전류(AC, DC), 피복재의 종류에 따라 구분된다.
- 용접봉은 숫자와 문자를 사용하여 분류하며, 글자를 쓰기에 지름이 너무 작은 경우에는 색깔로서 분류한다.
용접봉 피복재
- 용접봉은 규산염( silicate ) 결합제와 분말재( 산화물, 탄산염, 불화물, 금속합금, 면섬유소, 목재분말 등 )를 포함한 점토질로 피복이 되어 있다. 피복재는 취성이 있고 용접 중에 복잡한 과정을 통해 다음과 같은 기능을 하게된다.
피복재의 기능?
- 아크를 안정시킨다.
- 주위의 환경으로부터 보호하는 가스를 방출시킨다. 발생되는 가스는 이산화탄소, 수증기, 미량의 일산화탄소와 수소가스 등
- 용접봉의 용융속도를 조절한다.
- 산화, 질화, 이물질의 혼합을 막는 용제의 역할을 해서 용융 금속이 녹을 때 슬래그를 형성하여 용접부를 보호한다.
- 용접부의 특성을 향상시키기 위해서 합금원소를 첨가한다. 예를들어, 취성을 방지하기 위해서 원소 중에 환원제를 첨가하고자 한다.
- 용착 된 피복재 혹은 슬래그를 각 층마다 용접 후에는 제거해야 양호한 용접부를 얻게 된다.
- 피복이 없는 솔리드 와이어 혹은 솔리드 용접봉은 스테인레스강이나 알루미늄 합금 등에서 사용할 경우가 있는 데 각종 용접 작업에서 용가재로 사용된다.
- 전자빔용접( EBW : electron-beam welding )
( 운동E, 열E, 전기E 사용 ) ( 전극 사용 X )
- 전자빔 용접에서는 고속으로 집속된 전자빔에 의해서 열이 발생된다. 즉 전자들이 고속으로 용접부에 충돌하면서 전자들의 운동에너지가 열에너지로 변환이 된다.
- 레이저빔용접 ( LBW : Laser Beam Welding )
( 레이저E 사용 ) ( 전극 사용 X )
- 레이저빔 용접은 고출력 레이저빔을 열원으로 이용하여 용접하는 방법이므로, 매우 적은 영역에 빔을 집속시키기 때문에 높은 에너지 밀도를 갖게 되며 그 결과, 깊이 대 폭의 비가 크다. 레이저빔은 직진성이 있고 빔 형태를 바꿀 수 있으며 초점에 집속을 시킬 수 있어서 직경이 0.2mm의 스팟 크기가 가능하다.
전자빔 용접에 비하여 레이저빔 용접의 장점?
- 레이저 빔은 공기를 통과하기 때문에 진공상태를 요구하지 않는다.
- 레이저 빔은 광학적으로 형태를 바꾸거나 조작( manupulate ) 하거나, 초점을 맞출 수 있어서 자동화가 용이하다.
- 빔에서 x선이 방줄하지 않는다.
- 용접부 품질이 우수하고, 변형이 적고 불완전 용융, 스패터, 기공이 발생하는 경향이 낮다.
*스페터( spatter ) : 튀다, 흩뿌려지다.
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- 레이저 가스메탈아크용접 ( Laser GMAW )
( 레이저E, 전기E 사용 ) ( 소모성 전극 사용 )
- 레이저 가스메탈아크용접은 점점 사용이 증가되고 있는 복합 용접기술로서, 좁은 열영향부를 갖는 레이저빔용접과 고용착량을 갖는 가스메탈아크용접의 조합방법이다.
*고용착량 : 용접공정 중 금속을 효과적으로 용착( 결합 ) 시킬수 있는 것을 의미
- 산소가스절단( OFC : OxyFuel-gas Cutting )
( 열E 사용 ) ( 전극 사용 X )
- 산소가스절단은 산소용접과 유사하짐나, 열원은 금속평판에서 좁은 영역을 제거하는 데 사용되는 것이 다른 점이다.
- 아크절단( arc-cutting )
( 전기E 사용 ) ( 소모성, 비소모성 전극 사용 )
- 아크절단은 아크용접과 같은 원리를 이용한다.
- 공기탄소아크절단( CAC-A : Air Carbon - Ark Cutting )
( 전기E, 열E 사용 ) ( 소모성 전극 사용 )
공기탄소아크절단 에서는 탄소전극이 사용되며 용융된 금속은 고속의 공기분사에 의해서 날아간다.
- 플라즈마 아크 절단( PAC : Plasma - Arc Cutting )
( 전기E, 열E 사용 ) ( 비소모성 전극 사용 )
- 플라즈마 아크 절단은 온도가 가장 높아서 고속의 비철금속 혹은 스텐레스강의 절단에 많이 사용하며, 생산성은 산소용접에 비해서 월등히 우수하다.
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용접결합
- 용접결합 부분은 세 영역으로 구분된다.
- 모재( base metal ) > 용접에 사용되는재료, 용접되지 않는 원재의 금속 부분을 의미
- 열영향부( heat-affected zone ) > 용접열에 의해 모재가 녹지 않았지만 금속조직이나 성질이 변화된 부분
- 용접부( weld metal ) > 용접과정에서 열에 의해 모재가 녹아서 액체상태가 되었다가 다시 응고된 부분
용착금속의 응고
- 용열과 용가재가 용접부에 가해진 후에는 용접부는 주위 온도까지 냉각이 된다.
*용열: 물체가 녹거나 용해될 때 발생하는 열을 의미
- 응고과정은 주조 공정과 흡사하다.( 주상 결정립을 형성 )
- 결정립의 구조와 크기는 금속합금의 종류, 용접공정방법, 용가재의 형태에 의해 결정된다.
용융상태에서 시작되기 때문에 용착금속은 근본적으로 주조조직( cast structure )이며, 서서히 냉각되기 때문에 결정립이 크게 되어, 결국 , 강도, 인성, 연성이 낮게 된다.
- 그러나 적당한 용가재의 성분을 바꾸거나 용접 후에 열처리를 통해서 용접부의 기계적 성질을 향상시킬 수 있다.
- 조직은 합금, 화학적 조성, 그리고 가해진 열적 이력에 따라 달라진다. 예를 들어 용접 전에 용접부에 예열하여 줌으로써 냉각 속도를 조절하거나 감소시킬 수 있다. 예열은 특히 알루미늄이나 구리와 같이 열전도도가 큰 재료에 중요하며, 예열하지 않을 경우 용접 중에 발생된 열이 주위로 급격히 빠져나간다.
열영향부( HAZ : Heat-Affected Zone )
- 열영향부는 모재 자체 내에 존재한다. 용접하는 동안 순간적으로 온도가 상승하였기 때문에 모재의 미세조직과 성질이 달라지게 된다.
기공( porosity ) 발생원인?
대부분의 용접부는 구형 혹은 타원형의 형상을 갖는 기공이 존재한다. 용접부에서 기공은 불규칙적으로 분포하거나 어떤 특별한 곳에 집중적으로 나타나기도 한다.
- 용착부에서 용융되는 동안 발생된 가스가 응고 중에 미처 빠져나가지 못하고 갇혀있음
- 용접중에 화학반응
- 오염
*용착부 : 용접에서 용착부는 두 개의 모재가 열과 압력에 의해 결합되는 부분을 의미합니다. 용착부는 용접 과정에서 용접재료가 녹아들어가면서 형성되며, 이 부분이 두 재료를 연결하는 역할
기공( porosity ) 감소방법?
- 적절한 용접봉과 용가재를 선택
- 예열하거나 열입력률을 증가시키는 용접방법을 개선한다.
- 용접부를 청결하게 하고 용접부로 융입되는 불순물을 차단한다.
- 가스가 방출할 수 있는 충분한 시간을 주기 위하여 용접속도를 감소시킨다.
용접부에서 발생가능한 결함들
융합불량 및 용입부족
- 융합불량( Incomplete fusion )
용접 시 두 개의 금속이 제대로 융합되지 못하고 접합이 불완전하게 이루어진 상태
- 불량용접비드( 용접선 )을 생성하게 한다.
- 양호한 용접부를 얻기 위해서는 다음과 같은 조치가 필요하다.
- 모재의 온도를 높여준다.
- 용접 전에 용접부위를 깨끗하게 해준다.
- 용접부를 다시 설계하고 적절한 용접봉으로 변경하여 사용한다.
- 충분한 보호가스를 공급한다.
- 용입부족 ( Incomplete pepentration )
용접 금속이 모재에 충분히 침투하지 못하고, 이음부의 깊이가 부족한 상태
- 용접부의 깊이가 충분하게 깊지 않을 때 나타나며 다음과 같은 조치를 통해서 막을 수 있다.
- 열 유입량을 증가시킨다.
- 용접 중에 용접속도를 감소시킨다.
- 용접부를 재설계한다.
- 접합하고자 하는 면이 서로 잘 맞도록 고정한다.
융합불량은, 용접 기본재료 사이의 접합이 불완전한 상태를 의미
용입부족은, 용접 비드가 기본 재료의 표면에 충분히 침투하지 못한 상태를 의미
*슬래그 : 용접 과정에서 발생하는 찌꺼기 불순물
용접부 형상
- 용접부 형상( weld profile )은 용접부의 강도와 외관에 영향을 미칠 뿐만 아니라 융합불량 혹은 다층용접에서 슬래그 개재물 삽입이 발생할 수 있기 때문에 중요하다.
- 그림(a), 충전부족( underfilling )은 충분한 양의 용착금속이 용접부에 채워지지 않았을 때 일어난다.
* 용착금속: 두 개 이상의 금속을 결합하기 위해 녹여서 형성된 금속을 의미, 두 개의 금속을 이어주는 금속 역할
- 그림(b), 언더컷( undercutting )은 모재가 필요 이상으로 녹아 없어져 날카로운 홈이나 노치형상으로 모재가 패일 때 발생한다.
- 그림(b), 오버랩( overlap )은 용접을 잘못하거나 재료선택이 맞지 않을 때 일어나는 표면결함이다.
- 그림(c), 양호한 용접 비드
균열
- 균열( crack )은 여러 방향과 여러 위치에서 다양하게 나타난다. 균열의 유형에는 종방향, 횡방향, 크레이터( crater ), 언더비드( underbead ), 토우( toe ) 균열 등이 있다.
균열을 방지하기 위한 방법?
- 냉각중에 수축에 의해 응력을 최소화하기 위한 용접부 설계를 한다.
- 공정 파라미터, 절차, 용접 순서등을 변화시킨다.
- 용접하고자 하는 부품들을 예열한다.
- 용접부를 급랭시키는 것을 방지한다.
용접부의 응력제거
- 비틀림, 좌굴, 균열과 같이 잔류응력으로 인해 생기는 문제점들은 모재와 용접부를 예열함으로써 감소시킬 수 있다.
- 예열함으로써 용접 후 냉각속도와 열응력을 감소시켜서 ( 탄성계수가 작아짐 ) 변형을 줄여주게 된다. 따라서 수축과 용접부에서의 발생하기 쉬운 균열을 없애는 역할을 한다.
- 응력제거를 위한 또 다른 방법으로는 피닝( peening ), 햄머링( hammering ), 표면압연( surface rolling )등이 있다.
- 이 방법들은 압축잔류응력을 유발시켜서 융접부에 존재하는 인장잔류응력을 감소시키는 방법이다.
- 구조물에 약간의 소성변형을 줌으로써 잔류응력을 제거하거나 감소시킬 수 있다.
용접부 검사
용접부는 파괴 또는 비파괴 방법으로 검사한다. 두 검사법은 각각 장점을 갖고 있다.
- 파괴검사법 : 인장시험, 인장-전단 시험, 굽힘 시험, 파괴인성 시험, 크리프 및 부식 시험 : 정확한 평가 가능
- 비파괴검사법 : 육안검사법, 방사선(X선) 법 , 자분탐상법, 액체 침투법, 초음파법 : 재사용 가능
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고상접합 용접 공정이란?
- 용접경계면이 녹지 않은 상태로 접합하는 공정
- 깨끗하게 처리된 두 표면에 충분한 압력( 소성변형 발생 )을 받아 접합 되는 방식
- 다음과 같은 변수를 고려하여 생산
- 열 : 확산 접착이 일어나 용접강도가 향상
- 압력 : 소성변형이 발생하여 접촉면 강도 증가
- 접합면 상대운동 : 표면의 불순물이 제거되어 용접강도 증대
*remind meaning of plastic deformation( 소성변형 ) : 재료가 외부 하중이나 압력에 의해 영구적으로 변형되는 현상
냉각압점( cold welding )이란?
다이 혹은 롤을 통해 모재 압력을 가하는 방식
- 소성변형을 위해 1개 이상의 유연한 재료가 필요하며, 이 이유로 비철금속에 유리
- 상호융해성을 갖는 금속간 결합 시 접합부에서 약하고, 취성이 강한 금속간 화합물 형성
- 동종금속 간 접합 시 우수한 접합강도
롤 접합( roll bonding )이란?
- 한 쌍의 롤을 통해 압력이 가해진다.
- 경계면 강도를 위해 표면준비작업이 중요, 고온에서 작업가능
ex) 미국 25센트짜리 동전의 롤접합
[용접결합] 초음파용접( USW : Ultrasonic Spot Welding )
- 초음파가공에 사용되는 트렌스듀서를 이용. 10~75KHz의 주파수 범위에서 사용
- 전단응력은 소성변형을 일으키며 산화피막과 오염물질을 제거시킴으로써 강하고 양호한 고상접합을 형성한다.
- 접합부에서 발생하는 온도는 피용접물재료의 1/2~1/3 수준
- 다양하고 신뢰성이 높고, 이종금속간 접합에 사용가능.
*remind meaning of '이종금속' : 서로 다른 종류의 금속, ex) Fe & Ni or Al or Cu
[용접결합] 마찰용접( FRW : Friction Reveting Welding )
용접에 필요한 에너지를 용접하고자 하는 두 모재의 접촉면에서 발생한다.
- 축방향으로 힘을 받아 접촉되며, 회전력이 마찰력으로 전환되어 접합
- 용접특성은 발생된 열량, 재료의 열전도성, 고온에서의 피용접불의 기계적 성질, 회전속도, 축 방향 압력에 의해 결정
- 다양한 재료가 가능하며 회전하는 모재는 축 대칭이어야한다.
- 자동화가 용이하다.
마찰용접 공정의 작업순서
1. 왼쪽 부분이 고속으로 회전
2. 오른쪽 부분에 축방향으로 가압하여 왼쪽에 밀착
3. 힘을 증가시켜 왼쪽부분의 회전을 멈춤
4. 원하는 업셋 길이가 되면 용접 완료
용접 후의 전체 길이는 두 모재의 합한 길이 보다 적게된다. 여기서 발생된 플래시는 기계가공 혹은 연삭에 의해서 제거된다.
[용접결합][마찰용접] 관성마찰용접( Inertia Friction Welding ) ( 운동E 사용 )
마찰에 필요한 에너지가 플라이 휠에 의해 공급 , 플라이 휠이 멈추면 용접이 완성 ( 운동E 사용 )
[용접결합][마찰용접] 선형마찰용접( Linear Friction Welding )
회전운동 대신 선형왕복운동에 의해서 접합되는 공법
- 단면이 원형이나 튜브형일 필요가 없고, 사각형의 형상도 가능하다.
[용접결합][마찰용접] 마찰교반용접( FSW : Friction Stri Welding )
제 3의 물체가 접합면 사이에서 피용접물들을 문지르면서 용접하는 방법
[용접결합][저항용접] 저항용접( RW : Resistance Welding )
: 전기적 저항에 의해서 생성되는 열을 이용하는 공정
( 전극 사용 X )
- 소모성 전극, 보호가스, 용재 등을 필요하지 않고, 빠른 시간에 좋은 품질의 용접부를 얻을 수 있고 자동화가 가능하다.
[용접결합][저항용접] 저항스팟용접( RSW : Resistance Spot Welding )
원통형 전극을 두 금속 박판의 겹침접합부에 접촉하여 저항열로 너깃 형태의 용접부 형성
*너깃 : 용접부에 형성되는 둘출부를 의미
스팟 용접부 검사: 전단인장, 십자인장, 비틀림, 필 테스트를 통하여 너깃의 강도를 시험한다.
[용접결합][저항용접] 저항심용접( RSEW : Resistance seam welding )
: 스팟용접과 원리는 같으나 전극 대신 회전하는 휠 또는 롤러로 대체한 용접법
[용접결합][저항용접] 롤스팟용접 ( Roll Spot Welding )
롤러에 전류를 단속적( 끊었다 이었다를 반복 )으로 가하여 간격을 조절하며 스팟 용접하는 방법
[용접결합][저항용접] 고주파 저항용접( HFRW : High-Frequency Resistance Welding )
: 심용접과 유사하나 최대 450KHz의 전류 주파수에서 용접
- 파이프 혹은 원형관을 맞대기 용접( *두 개의 금속을 서로 맞대어 용접하는 방식 ) 할 때 주로 사용
[용접결합][저항용접] 저항프로젝션용접( RPW : Resistance Projection Welding )
: 용접면에 돌출부를 만들어 높은 저항을 발생시키는 방법
- 돌출부가 평평한 면과 접촉하여 국부적인 고온으로 상승하게 되어 용접이 되는 방식
- 돌출부를 만드는 작업에서 생산 원가가 상승되지만, 동시에 여러 용접부를 얻을 수 있고 전극의 수명이 연장되는 효과가 있음
- 볼트, 너트, 선재 용접 등 다양한 조건에서 사용이 가능하다.
[용접결합][저항용접] 플래시용접( flash welding )
: 두 소재의 끝부분에 아크를 발생시켜 용접하는 방법, 업셋용접이라고도 함
캔 제조시 저항용접/레이저 용접 비교
- 기존의 원통형 캔은 겹침 접합부를 갖는 저항심용접으로 제조된다.
- 생산성은 비슷하나 다음과 같은 장점에 의해 레이저빔용접기술로 제조한다.
- 저항심용접은 재료가 겹쳐져야 하지만 레이저빔 용접의 경우 맞대어 용접을 진행함으로 재료 소모가 절감이된다.
- 레이저빔에 의한 용접비드는 아주 작아 외관상 이점이 있다.
- 산성물질에 노출된 용접부가 부식될 수 있으나, 레이저용접부는 이러한 문제점을 감소시킨다.
[용접결합][폭발용접] EXW : Explode Welding
: 접합하고자 하는 모재 중 하나 ( flyer plate ) 위에 폭발물 층을 깔고 그 폭발에 의한 압력으로 용접하는 방법
- 강한 접촉압력에 의해 접촉면이 물결 모양을 하게 되며, 냉간 압점이 일어나 매우 강한 접합 강도 형성된다.
확산접합( diffusion bonding ) :
또는 확산용접( DFW : Diffusion Welding ) 열간 압점 ( HPW : Hot Pressure Welding )
- 두 금속의 접합면을 고온에서 장기간 유지하면서 원자간의 확산을 통해 결합
- 재료를 낭비하지 않는 설계를 통해 제조원가를 낮추었다.
- 확산접합-초소성성형
- 판재 위에서 선별적으로 확산 접합을 한 후, 접합되지 않은 영역을 공기와 유체 압력으로 금형 내에서 팽창 하여 제조
- 높은 치수정확도, 낮은 잔류응력의 부품 생산
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