1. Process 개요
GMAW Process는 1920년대 초기에 개발 이 되었으나, 상용화 된 것은 1940년대 말경이 다. 초기에 이 용접 방법은 높은 전류와 작은 구경의 wire를 사용하여 불활성 가스 분위기에 서 Aluminum을 용접하기 위한 process로 개 발되었다. 이러한 이유로 아직까지도 M I G (Metal Inert Gas)라는 용어가 사용되는 것 이다. 이후에 용접 방법이 개선되면서 낮은 전 류에 직류(Pulsed Direct Current)를 사용하 고, CO2와 같은 활성 가스 및 혼합 가스를 사 용하면서 보다 다양한 재료의 용접에 적용되기 시작하였다.
이 진 희
용접기술사, 현재LG 건설(주) 플랜트기자재재료선정담당과
용접에관심 있는 기술자라면누구나쉽게 한마디쯤할 수 있고, 누구 나 어느 정도는 알고 있다. 그러나 그렇게 자부하는 용접 방법 ( Welding Pro c e s s ) 들 중에는막상 깊이 있는 설명을요하는부분에 서는 말문이막혀 버리는경우가많다. 그에따라 본지에서는누구나 알고 있는 듯 싶지만결코 쉽지 않은 용접기술에관해 미국 용접학회 ( AW S ) 가제시하는현장실무기술위주로5회에걸쳐소개한다.
1. Gas Metal Arc
Weld i n g ( G M A W ) 의 소개 2. Flux Co red Arc
Weld i n g ( F C A W ) 의 소개 3. STUD Weld i n g 의 소개 4 . S t a i n l e s s S t e e l 의 용접 5 . C o p p e r 합금과
Aluminum 합금의 용접
1 . G a s Me t a l A rc We l d i n g ( G M AW )
1 . G a s M e t a l A rc We l d i n g
( G M AW )
흔히 작업 현장에서 CO2용접이라고 불리는 것은 바로 이 Gas Metallic Arc 용접을 의미 하며 가장 대표적인 것이 GMAW이다.
최근에는 단순히 Solid Wire만을 사용하지 않고, Filler Metal을 Tube형태로 만들고 그 안에 F l u x를 삽입하여 용하는 Flux Cored Arc Welding, Electro Gas Welding등의 방 법들이 많은 발전을 이루고 있다.
미국 용접 학회에서는 이러한 Metal Cored Electrode를 GMAW의 한 Process로 구분하 고 있지만, 다른 곳에서는 전혀 별개의 Process로 구분하여 FCAW라고 구분하기도 한다. GMAW는 자동, 반 자동으로 용접 가능 하며, 거의 모든 재료의 용접에 적절하게 적용 될 수 있다.
2. 적용과장, 단점 (1) 장점
1) 거의 모든 재료의 용접에 적용되는 용접 방법이다.
2) SMAW의 경우에 발생하는 용접봉 길이 의 제한이 없다.
3) 전자세 용접이 가능하며, SAW에서와 같은 자세 제한이 없다.
4) SMAW보다 높은 용착 속도(Deposition Rate)을 가진다.
5) 용착 속도(Deposition Rate)가 높고 용 접봉의 길이 제한이 없으므로, SMAW 보다 용접 속도가 빠르다.
6) 긴 용접부를 쉼없이 용접할 수 있다.
7) Spray Transfer를 사용할 경우 S M A W 보다 깊은 용입을 얻을 수 있고, 결과적 으로 동일한 강도에서 작은 size의 Fillet 용접이 가능하다.
8) SMAW에 비해 적은 양의 Slag가 형성 되므로 용접 후 간단한 Cleaning 작업만 으로도 충분하다.
<그림 1> Gas Metal Arc Welding의 개요 S O L I D E L E C T R O D E W I R E
C U R R E N T C O N D U C T O R WIRE GUIDE AND CONTACT T U B E
GAS NOZZLE G A S E O U S S H I E L D
W E L D M E T A L B A S E
M E T A L A R C CONSUMABLE ELECTRODE
D I R E C T I O N OF TRAVEL SHIELDING GAS IN
(2) 단점
1) SMAW에 비해 용접기가 복잡하고, 자 동으로 용접봉을 공급하는 장치가 추가 되므로 가격이 비싸며, 이동이 불편한 단 점이 있다.
2) Welding Gun의 크기가 크고 적절한 Shielding을 위해서는 Welding gun이 용접부에 근접해야 (10~19mm) 하므 로 접근이 용이하지 않은 부분은 용접이 어렵다.
3) 용접중 외부 대기에 의해 Shielding Gas 분위기가 흩어지지 않도록 하여야 한다.
이러한 이유로 인해 외부에서 작업을 제 한한다.
4) 용접과정의 높은 발열과 Arc의 집중으로 인해 용접사의 집중이 어렵다.
3. 용접금속이행형태
용접 금속의 이행 형태는 용접봉의 크기와 전류, 용접봉의 조성, 용접봉의 E x t e n s i o n , Shielding Gas등에 의해서 다음과 같이 세가
지로 결정된다.
(1) Short Circuit Transfer
이러한 이행 형태는 낮은 용접 전류와 작은 용접봉 직경의 조합에서 일어난다. 이 이행은 작고 응고 속도가 빠른 용접 금속을 형성하기 때문에 박판의 용접이나, 어려운 자세의 용접, 넓은 용접 Gap을 채울 때에 적용하기 좋다.
그러나, 낮은 입열로 인해 용입 불량이 발생하 기 쉬운 결점이 있다. 용접 금속의 이동은 용접 봉이 용탕에 접해 있을 때에만 일어나고, Arc 를 통해서는 금속의 이동이 없다.
용접 과정에서 용접봉은 용탕에 초당 20~
200회 정도 접촉하게 된다. 이러한 용접 금속 의 이행과 전류 및 전압과의 관계는 다음 <그림 2>와 같다.
용접시 Shielding Gas는 CO2, Ar이나 He 단독으로 혹은 CO2와 Ar이나 He의 혼합기체 를 사용한다. CO2를 사용하면 불황성 기체에 비해 용입은 깊어지지만, Spatter가 많아지는 단점이 있다.
S p a t t e r를 줄이면서 용입을 깊게 하려면
<그림 2> 단락 이행(short Circuit Metal Transfer)의 개요 Z E R O
Z E R O
A B C D E F G H I
S H O R T
T I M E
ARCING PERIOD
CO2와 Ar을 섞어서 사용하면 된다. He을 추 가 하면 비철 금속의 용접시에 보다 깊은 용입 을 얻을 수 있다.
(2) Globular Transfer
직류 역극성 ( D C E P )을 사용하면 S h i e l ding Gas의 조성에 무관하게 낮은 전류 영역 에서 Globular Transfer를 얻을 수 있다.
특별히 CO2와 He을 사용하면 가용한 모든 전류 영역에서 이러한 이행을 얻을 수 있다.
Globular Transfer의 특징은 용접봉의 직경 보다 더 큰 용접 금속의 Drop이라고 할 수 있 다. Short Circuiting Transfer를 일으키는 전류 보다 조금 더 높은 전류에서 특히 비활성 기체로 Shielding을 하면 Globular Transfer 를 쉽게 얻을 수 있다.
너무 낮은 전류에서 용접을 시행하면 Arc의 길이가 너무 짧아지고 이는 곧 용접물의 단락 을(Short) 초래하게 되고 결국 용접부를 과열
시켜서 과도한 Spatter를 형성하게 된다.
따라서 Arc의 길이는 늘 충분하게 유지하는 것이 좋다.
전압이 너무 높으면 융합 불량 (Lack of Fusion)이 생기게 되고 충분한 용입이 일어나 기 어려우며 (Incomplete Penetration), 용 접 Bead가 과도하게 커지는 현상이 발생한다.
전류와 전압이 Short Circuit Transfer 영 역 보다 훨씬 높은 경우에 C O2를 사용하면 Random Directed Globular Transfer가 일 어나게 된다.
용융된 용접 금속은 용접Tip의 전류에 의한 자장의 영향으로 인해 수직으로 떨어지지 못 하고 다음의 <그림 3 >과 같이 방향이 휘게 된다.
다음의 <그림 4 >에서 가장 중요한 요소는 자 기장에 의한 Pinch Force (P)와 양극 반응의 힘(F)이다. 이 두 힘의 조합에 의해 용접 금속 Drop의 낙하 방향이 결정되게 된다.
Pinch Force (P)는 용접 전류와 용접봉 직
<그림 3> Nonaxial Globular Transfer의 유형 GAS NOZZLE
E L E C T R O D E P
R ( A )
( B )
경에 비례하게 되고 용접 금속의 Drop을 분리 시키는 일을 담당한다. 이에 반해 양극 반응의 힘 (F)는 용접 금속 Drop을 지지(Support) 하는 역할을 한다.
이러한 이유로 인해 용접 금속의 Drop은 제 위치를 이탈해서 떨어지게 되고 이로 인해 과 다한 Spatter의 원인이 된다.
이 현상은 C O2를 사용하는 대부분의 Process에서 문제가 되고 있다. 그러나 실제로 는 가장 널리 사용되는 Shielding Gas는 CO2 이며 그 이유는 CO2 Gas에 의한 Arc의 묻힘 현상 때문이다.
A r c는 C O2와 이온화된 Iron Vapor의 혼합 분위기에 존재 하게 되어 거의 Spray Transfer 와 같은 이행이 일어나게 되기 때문이다.
이러한 Process는 높은 전류를 요구하게 되 고 깊은 용입을 얻을 수 있다. 그러나, 용접 속 도를 적절하게 조절하지 못하면 과도한 Overlap이 일어나게 된다.
(3) Spray Transfer
Ar의 함량이 높은 Shielding Gas를 사용하 면 Spatter를 최소화 할 수 있는 axial spray 를 만들 수 있다. 이때에 전류는 DCEP를 사 용하며 임계 전류 값 이상의 전류를 필요로 한 다. 이 임계 전류 값은 용접 금속의 Drop이 Globular와 Spray로 구분되는 전류 값이다.
이 임계 전류 이상에서는 초당 수백 방울의 용접 금속 Drop이 생성되어 Spray Transfer 가 발생하게 된다. 이 용접 금속의 Droplet은 그 크기가 A r c의 길이에 비해 매우 작아서 Short Circuit이 일어나지 않으며, Arc의 힘 에 의해 방향성을 가진 강한 흐름을 가진다. 이 러한 특성으로 인해 용접 자세의 제한이 없으 며, Spatter의 발생이 거의 없다.
Spray Transfer의 또 다른 특징은“F i n ger”Penetration이다.
이 Finger가 깊은 용입을 나타내지만 자기장
<그림 4> 용접 전류에 따른 용적(Metal Drop)의 크기 변화 3 0 0
2 0 0
1 0 0
0
1 5
1 0
5
0 100 200 300 400 500 600
전 류 ( A )
입자수
체적 임계전류
1 . 6 m m의 강철 심선 A r + 0 . 1 O3
D C R P
에 의해 영향을 받으므로 정확한 위치에서 용 입이 이루어 지도록 주의하여야 한다.
Spray-Arc Transfer는 Ar에 의한 비활성 Shielding분위기에서 용접이 이루어 지므로 거 의 모든 금속에 적용할 수 있다. 그러나, 높은 전류가 필요하기 때문에 박판의 용접에는 적용 하기에 어려움이 있다.
이는 강한 Arc의 힘이 모재를 용접하기 보 다는 뚫고 나가기 때문이다. 또한 높은 용착률 은 표면 장력에 의해 지지 되기 힘들 정도의 매 우 큰 용탕을 형성하며 이로 인해 용접물의 두 께와 자세가 제한된다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 Pulsed Current의 사용이다.
(4) Pulsed Spray Arc Welding
앞서 설명한 Spray Arc Transfer의 단점 이 박판의 용접시에 높은 Arc 에너지로 인해 모재에 용접이 일어나지 못하고 구멍이 뚫리는 것이었다.
이 단점을 해결하기 위해서는 전류를 임계값 이하로 낮추어야 하지만, 그렇게 되면 Spray Arc Transfer의 장점을 잃게 된다.
이러한 단점을 해결하면서도 Spray Arc Transfer의 장점을 그대로 살릴 수 있는 방법
이 Pulsed Spray Arc Transfer이다.
이 C u r r e n t는 Back Ground Current와 Pulsed Peak Current의 두 가지로 구분되며, Back Ground Current는 용접 금속 Droplet 이 형성되지 않을 정도의 작은 Energy만을 제 공하는 A r c를 유지시키고, Pulsed Peak C u r r e n t에서 다수의 D r o p l e t이 형성되어 Transfer되는 것이다.
전류의 Amplitude와 Frequency를 조절하 여 용접 Arc Energy를 조절하고 용접부에 투 입되는 평균 Arc Energy값을 줄이고 용접봉 의 용융 속도를 줄여서 용접자세와 모재의 두 께에 제한을 받지 않는 Spray Transfer를 만 들 수 있다.
4. 극성 ( p o l a r ity )
극성은 용접봉의 전원에 따라 명명 된다.
G M A W에서 가장 널리 사용되는 극성은 DCEP 즉, 용접봉의 전원이 양극인 상태이다.
(1) 직류 역극성
Ar Gas의 MIG용접의 용입은 GTAW의 용접시에 전류 극성에 따라 나타나는 용입 상 태와는 반대의 현상이 나타난다. 역극성일 경
<그림 5> Pulsed Spray Arc Welding Current의 특징 PULSE PEAK CURRENT
P U L S E T R A N S I T I O N C U R R E N T
SPRAY TRANSFER CURRENT RANGE
G L O B U L A R T R A N S F E R C U R R E N T R A N G E
BACKGROUND CURRENT
T I M E 1
2
3
4 5
1 2 3 4 5
우에 금속 이행은 Spray 형태를 이루고 양전 하를 가진 용융금속의 입자가 음전하를 가진 모재에 격렬하게 충돌하여 깊고 좁은 용입을 이루게 된다.
DCEP로 용접을 진행할 때의 장점은 다음과 같이 요약 할 수 있다.
1) 안정된 Arc
2) 부드러운 Metal Transfer 3) 상대적으로 적은 Spatter 4) 용접 Bead의 양호성
5 ) 폭 넓은 전류 범위에서 얻을 수 있는 깊은 용입이다.
이 용접의 Arc는 대단히 안정되고 그 중심 의 원추부는 금속 증기가 발광되고 있는 부분 으로 그 속을 w i r e의 용적이 고속도로 용융 Pool에 투사되고 있다. 중심의 원추부를 둘러 싸고 있는 미광부는 주로 Ar Gas의 발광에 의 한 것으로 가스 이온은 양극이 전극에서 모재 표면에 충돌하여 표면 산화막의 청정 (Cleaning)작용을 한다.
(2) 직류 정극성
이와는 반대로 직류 정극성(DCEN)은 용융 된 양전하의 금속 입자가 모재의 양전하와 충 돌하여 용적을 들어 올려 낙하를 방해하므로 전극의 선단에 평평한 머리부를 만들게 되며, 이 부분의 온도가 점차로 높아짐에 따라 중력 에 의해 큰 용적이 간헐적으로 낙하하게 되는 Globular Type의 Transfer가 일어나게 된다.
직류 정극성으로 용접을 시행하면 얇고 평평한 용입이 얻어 지게 된다. 직류 정극성은 잘 사용 되지 않는 극성으로 다음과 같은 단점이 있다.
① Axial Spray를 얻을 수 없다. (별도의 Modification장치가 필요.)
② Globular의 특성을 나타내는 높은 용융 속도를 보인다.
③ 5 %정도의 산소를 추가하거나 용접봉에 별도의 처리를 하여 열 이온화( T h e r m i o n i c )하여 T r a n s f e r형태를 개선 할
수 있으나, 두 가지 모두 용착 속도가 저 하된다.
④ 높은 용착률과 낮은 용입으로 인해 박판 의 용접에 적합하다.
(3) MIG 용접 Arc의 자기 제어
G M A W에서 보호 가스로 A r을 사용하는 방법을 특별히 구분하여 MIG(Metal Inert Gas Welding)이라고 부른다. 피복 A r c용접 의 용접봉 용융속도는 A r c의 전류 만으로 결 정되고 A r c전압에는 거의 무관하나 M I G용 접에서는 다음과 같이 Arc 전압의 영향을 받 는다.
동일 전류 아래에서 Arc전압이 크게 되면 용융속도가 감소하기 때문에 심선이 일정한 이 송 속도로 공급될 때까지 Arc의 길이가 짧아 지고 원래의 길이로 되돌아 간다. 역으로 Arc 의 길이가 짧아지면 전압이 작게 되고 심선의 용융속도가 빨라져 Arc의 길이가 길어져서 원 래의 길이로 되돌아 간다. 이 현상을 MIG용접 Arc의 자기제어라고 하며, 이와 같은 특성을 만족하려면 피복 Arc용접과 다른 Arc전압의 특성인 상승특성을 가져야 한다.
5. Shielding G a s es
Shielding Gas의 가장 큰 역할은 용접부와 용탕을 외부 대기로부터 보호하는 것이다.
(1) A r과 H e
Ar과 He은 불활성 기체로 다양한 금속의 용 접에 적용된다.
이 두 기체는 독립적으로 혹은 혼합된 상태 로 사용되며 비중, 밀도, 열전도율과 Arc의 특 성이 다른 특징으로 인해 상호 보완적으로 사 용된다.
Ar은 공기보다 1.4배 무거우며, 아래 보기 자세에서 가장 효과적으로 A r c를 보호한다.
Ar Arc는 높은 Energy 밀도를 특징으로 규 정할 수 있다. 내부는 Energy 밀도가 높고, 외부는 엷은 Energy를 보이며 Finger Type 의 Penetration을 보인다.
Ar 혹은 Ar혼합(80%이상) 기체로 Shiel d i n g을 할 경우에는 임계 전류값 이상에서 Axial Spray Transfer를 만든다.
He은 밀도가 공기의 0.14배로 Ar의 2~3배 정도의 Flow Rate를 가져야 동등한 보호 효 과를 가질 수 있다. 그러나, 높은 열전도도와 균일한 Arc Energy를 만들어 준다.
He Arc는 Ar의 경우와는 다르게 매우 균질 한 Arc Energy를 만든다.
이러한 Arc Energy는 깊고 넓은 용입을 만 들고 용접 B e a d의 형상을 볼록하게 ( P a r a bolic) 만든다.
He은 동일한 용접 조건에서 보다 높은 Arc 전압을 가진다.
He만의 Shielding은 완전한 Axial Spray transfer를 만들지 못하고 Arc가 불안정하며 Spatter량이 많아지고 용접 Bead가 거칠다.
(2) Ar과 He의 혼합 기체
Short Circuiting Transfer에서 용접부 입 열을 높여서 양호한 용입 특성을 얻기 위해서 는 60~90% 정도의 He이 포함된 Ar과 He 의 혼합 기체를 사용한다. CO2 혼합기체도 많 이 사용되지만 용접부의 기계적 특성 저하로 인해 He을 CO2 대신 주로 사용한다.
50~75% 정도의 He을 섞은 Ar혼합 Gas 는 Arc전압을 높여서 Ar만을 사용하는 경우 보다 Arc의 길이를 증대 시키고 높은 입열을 제공하여 모재의 열전도도가 좋은 Aluminum, Magnesium, Copper등의 용접에 적용된다.
(3) Oxygen and CO2 Addition to Argon and Helium
순수 A r만으로 S h i e l d i n g해서 비철( N o n - Ferrous)을 용접할 경우에는 매우 만족스러운 효과를 얻을 수 있지만 Ferrous 금속을 용접 할 때는 Erratic Arc나 과도한 Undercut이 발생할 수 있다.
이러한 경우에 1~5% 정도의 산소나 3~
25% 정도의 CO2를 추가하면 만족스러운 개선 효과를 얻을 수 있다. 첨가되는 산소나 CO2의 양은 모재의 표면 상태(Mill Scale이나 산화물 등), 개선 형상, 용접 자세, 모재의 종류와 용 접사의 기량에 따라 결정되지만 통상 2%의 산 소, 8~10%의 CO2가 적당하다.
Shielding Gas에 따른 용접부 단면 Profile 은 다음과 같은 특성을 나타낸다.
Carbon and Low Alloy Steel을 용접할 경우에 Ar에 CO2를 최고 25%까지 섞어서 사 용하면 임계 전류의 최소값을 높이며, 깊은 용 입을 얻을 수 있지만, Arc의 안정성이 떨어지 고 Spatter로의 손실이 많아 진다.
이외에도 용도에 따라서 각 기체의 특성을 살리면서 안정적인 용접 작업을 수행하기 위해 세가지 이상의 기체를 혼합하여 사용하는 경우 도 있다.
(4) Carbon Dioxide (CO2)
<그림 6> 용융 속도와 A r c 전압 (직류 역극성) 관계
7 , 5 0 0
5 , 0 0 0
2 , 5 0 0
아르곤 1.6(Al 25)
10 15 20 25 30 아아크 전압( V )
이산화 탄소( C O2)는 활성 기체로서 G M AW 용접으로 Carbon and Low Alloy용접 시에 다른 기체와 혼합되지 않은 순수한 상태 로 사용된다.
활성 기체로는 유일하게 다른 기체와 혼합하 지 않고 GMAW의 Shielding Gas로 사용될 수 있다.
CO2 Shielding의 특징은 다음과 같이 요약 된다.
1) 빠른 용접 속도 2) 뛰어난 용입률 3) 저렴한 가격
4) 매우 건전한 용접 금속 외관이 얻어진다.
5) 외관은 좋지만 Arc의 산화로 인해 용접 부의 기계적 성질은 나빠질 수 있다.
6) Buried Arc를 사용함으로 인해 용접 Bead의 양쪽의 Wash효과 감소
C O2 Gas Shielding 을 사용하면 S h o r t Circuiting 이나 Globular Transfer가 나타나 게 된다. Axial Spray Transfer는 Ar Gas 가 필요하며 CO2만으로는 얻어 지지 않는다.
Globular Transfer를 사용할 경우에는 Arc 가 거칠고, Spatter의 양이 많아 지게 된다. 이 러한 과다 Spatter를 해결하기 위해 Globular Transfer일 경우에는 매우 짧은 Arc를 사용하 여 Buried Arc방식을 택한다. 이 방법은 용접 Tip 이 거의 모재 보다 낮은 위치에 놓여 져서 Spatter를 최소화 하는 것이다.
필자는 현재 미국 용접학회 공인 용접검사원 (CWI, Certified Welding Inspector by A W S )으로 있으며 미국 부식학회( N A C E ) 회원과 미국 용접학회(AWS) 회원이다.
문의 : senior@lgenc.co.kr h t t p : / / w w w . t e c h n o n e t . c o . k r
<그림 7> Shielding Gas에 따른 용입의 차이
<그림 8> Ar Shielding할 경우의 산소와 C O2의 혼입에 따른 용입 차이 ARGON ARGON-HELIUM HELIUM CO2
A R G O N - O2 A R G O N - C O2 C O2
