1. 개요
Stud Welding이란 Bolt 등과 같은 Stud형 상의 물체를 용접 대상물에 Arc를 발생시켜서 용접하는 방법을 말한다. Arc를 발생시켜서 용 접을 시행하는 점에 있어서는 일반적인 SMAW와 유사한 점이 있으나 연속적인 용접 Bead를 형성하지 않는 차이점이 있다.
외형상으로는 전기 저항 용접인 S p o t , Seam, Projection, Flash, Upset, Percuss ion등의 용접 방법과 혼돈하기 쉽지만, Arc의 발생 유무를 기준으로 정리하면 된다. Spot 용 접은 사용되는 전원의 종류에 따라 직류전원 을 이용하는 Arc Stud용접방식과 C o n d e n s e r 이 진 희
(주)테크노넷전문위원,
현재LG 건설(주) 플랜트기자재재료선정담당과장
용접에 관심 있는 기술자라면누구나 쉽게 한마디쯤 할 수 있고, 누구나어느 정도는알고 있다. 그러나그렇게자부하 는 용접방법(Welding Pr ocess )들 중에는막상 깊이 있 는 설명을요하는부분에서는말문이막혀 버리는경우가많 다. 그에따라 본지에서는누구나알고 있는 듯 싶지만결코 쉽지 않은 용접기술에관해 미국 용접학회(AWS)가 제시하 는현장실무기술 위주로5回에 걸쳐소개한다.
1. Gas Metal Arc Weld i n g ( G M A W ) 2. Flux Co red Arc
Weld ing (FCA W) 3. STUD Weld i n g
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
3 . St u d We l d i n g
3 . St u d We l d i n g
를 이용한 Condenser 방전방식으로 구분한다.
(1) Stud용접의 종류
① Arc Stud Welding
직류 전원을 사용하고 Arc열에 의해 용접 대상물을 용융시켜서 용접을 시행하는 점에서 기존의 SMAW와 유사하다. 다만 전류가 지 속적으로 통전되지 않고 일단 용융되어 용접이 이루어 지면 더 이상의 전류가 흐르지 않으며 용접 대상물의 위치를 고정하기 위해 사용되는 Gun이 있다.
전원은 직류 발전기나 직류 정류기를 통해 공급되고 용접은 1초 이내의 짧은 시간 안에 이루어 지며 용접시 발생되는 Arc를 보호하기 위한 Ceramic으로 된 Ferrule이라는 기구가 사용된다.
② Capacitor Discharge Stud Welding
이 용접방법은 Arc Stud Welding과 유사 하나 전원의 공급방법에 차이가 있다. 전기 Energy를 충전기(Capacitor)에 담아 두었다 가 순간적으로 방전을 시키면서 용융된 용접재 에 압력을 가해서 용접하는 방법이다. Arc Stud Welding 과 마찬가지로 순간적인 제어 에 의해 용접이 이루어진다. Arc가 발생하는 과정은 용접부의 과열에 따른 저항의 증가에 의해 발생하는 경우와 용접부로부터 용접물을 멀리하면서 Arc가 발생되는 두가지의 경우가 있다. Arc가 발생하는 시간은 0.03초에서 0.06 초 정도로 매우 짧고 용융되어 밀려 나오는 금 속의 양이 매우 작기 때문에 용접부와 Arc를 보호하기 위한 Ferrule을 사용하지 않는다.(3) Stud 용접의 특징
용접과정에서 발생되는 Arc의 유지 시간이 매우 짧고 입열량이 매우 작아 변형을 최소화 할 수 있으며 용접금속과 열 영향부가 최소화 된다.
그러나 짧은 시간 동안에 국부적으로만 가열 하므로 일반적인 Carbon Steel의 경우에 주변 의 모재에 의해 용접부가 급속도로 냉각되고 경화되는 단점이 있다. 이러한 현상은 Carbon Steel에서는 단점이 될 수 있으나 Al합금의 경 우와 같은 석출경화나 시효 경화성( A g i n g Hardening)성이 있는 합금의 경우에는 과도한 시효나 연화의 부작용을 방지할 수 있는 장점 이 있다.
또한 용접부를 사전에 기계 가공을 하거나 Joint 형상을 만드는 별도의 작업이 불필요하다.
Arc Stud 용접에 비해 Capacitor Arc용접은 탄소강 뿐만 아니라 Copper, Aluminum합금 등 보다 다양한 재료에 적용이 가능하다.
용접에 소요되는 시간은 S t u d의 단면적에 따라 변화한다,
단점으로는 용접하고자 하는 Stud를 물어줄 수 있는 Gun (Chuck)의 크기 만큼의 간격이 필요하므로 매우 조밀한 용접을 시행하기는 어 렵다.
(4) Stud 용접의 시행
일반적인 Stud 용접기의 기본 구성은 다음 의 <그림 1>와 같이 전기를 공급하는 장치와 용접하고자 하는 Stud를 고정시켜 주는 Gun (Chuck)으로 이루어져 있다. 전원은 Carbon Steel일 경우에는 직류 정극성, Aluminum이 나 Magnesium일 경우에는 직류 역극성을 적 용한다.
① Arc Stud Welding
Arc Stud용접이 진행되는 과정은 다음의
<그림 2>와 같이 진행된다.
용접 대상물이 제 위치에 고정되면 전류가 공급되기 시작하고 이때 Gun에 장치된 Solen oid Coil이 Energy를 받게 되면서 Stud를 용 접 모재로 부터 멀어지게 한다. 이때 용접 대상 물 사이에서 Arc가 발생하게 되고, 두 용접 대 상물은 Arc열에 의해 용융되고 Arc발생이 종
료되면 전원이 차단되면서 Solenoid Coil의 Energy가 소멸되어 Stud를 모재쪽으로 밀어 가압력하에서 모재와 접촉하면서 용융부가 응 고하여 용접이 완료되는 것이다.
S t u d용접에 적용되는 Carbon Steel 과 Low Alloy Steel은 용접금속의 산화방지와 용접중 Arc 의 안정성을 확보하기 위해 Flux 를 필요로 한다. Aluminum의 경우에는 Flux
<그림 1> Stud 용접기의 구성
<그림 2> Arc Stud용접이 진행되는 과정
DISCONNECT SWITCH
WELDING GUN
CONTROL CABLE TRANSFORMER/RECTIFIER
POWER/CONTROL UNIT
GROUND CABLE AND CLAMP WELDING CABLE
CHUCK
STUD FERRULE BASE METAL
(A) (B) (C) (D)
(A) Gun is Properly Positioned, (B) Teigger is Depressed and Stud is Lifted, Creating an Arc, (C) Arcing Period is Completed and Stud is Plunged Into Molten Pool of Metal on Base Meta, (D) Gun is Withdrawn From the Welded Stud and Ferrule is Removed
대신에 Ar이나 He과 같은 불활성 Gas를 사 용한다.
다음의 <그림 3>은 Stud에 적용되는 Flux 의 형상에 따른 구분이다.
Ferrule은 Arc Stud 용접에만 적용되는 것 으로 A r c열을 집중시켜주고, 주위의 공기를 차단시켜 용접부를 보호하고, 용융금속의 영역 을 제한하는 역할을 담당한다.
F e r r u l e재질은 C e r a m i c으로 제작되며 위
<그림 2>의 (D)와 같이 용접 완료후에 손쉽게 깨서 제거할 수 있다.
F e r r u l e없이 용접을 진행하는 방법으로 Gas-Arc와 Short Cycle방법 두가지가 있다.
Gas-Arc방법은 Ferrule대신에 불황성 Gas 를 사용하여 용접부를 보호하는 방법으로 주로 Aluminum의 용접에 적용되지만 Arc Blow 등의 위험성이 있다.
Short Cycle방법은 높은 전류를 짧은 시간 안에 흘려 주어 용융금속의 산화와 질화를 막
으면서 용접을 실시하는 방법이다. 그러나 이 방법은 용접부 뒷면에 Arc자국이 발생하는 부 작용이 있다.
③ Capacitor Discharge Stud Welding
이 방법은 앞에서 간단히 설명한 바와 같이 축전지를 이용하여 Arc를 발생시키고 여기에 압력을 가하면서 용접을 시행하는 용접이다.Ferrule이나 Flux를 사용하지 않는 것이 특 징이다.
압력을 가하는 방법은 Arc Stud 용접과 마 찬가지고 Solenoid Coil을 사용하거나 A i r Cylinder를 사용한다.
Capacitor Discharge용접은 초기 Arc를 생 성 시키는 과정에 따라 Initial Contact Method, Initial Gap Method, Drawn Arc Method 로 구분한다.
Initial Contact Method와 Initial Gap Method는 초기에 용접대상물을 모재와 접촉
<그림 3> Welding Stud 끝에 F l u x 를 도포하는 방법
( A ) ( B )
( C )
(A)and (B)Solid Flux (C)Flux Coating
시키고 여기에 Arc를 발생시키면서 동시에 압 력을 가해서 용접을 진행시키는 방법으로 Arc 의 발생 시점이 접촉 초기부터 인지 아니면 일 정한 Gap을 가지고 Arc발생이 시작되는가에 따라 구분한다.
Drawn Arc Method는 Arc Stud 용접과 거의 유사한 Arc생성과정을 가진다. 즉, 초기 에 접촉되 있던 두 용접재가 일정거리를 두고 다시 멀어지면서 여기에 Arc가 발생하게 되고 Arc의 열로 용접부가 용융되면 압력을 가해 용
<그림 4> Initial Contact Capacitor Discharge Stud 용접 과정
<그림 5> Initial Gap Capacitor Discharge Stud 용접 과정
<그림 6> Drawn Arc Capacitor Discharge Stud 용접 과정 (A) (B) (C) (D) (E)
(A) (B) (C) (D) (E) (F)
(A) (B) (C) (D) (E)
접을 완료하는 것이다. 실제로 용접기의 구성 이나 용접 과정도 거의 동일하며 다만 전원의 차이가 있을 뿐이다.
개략적인 차이점은 <그림 4, 5, 6>을 참조한다.
(5) Stud 용접부의 결함 및 품질 검사
① 용접부 결함
Stud 용접부의 결함은 특별한 비파괴 검사
<그림 7> Arc Stud 용접의 합부 판정
<그림 8> Stud 용접부의 Bend Test
(A) (B) (C)
(D) (E) (F)
(A) Satisfactory Stud Weld With a Good Fillet Fillet Formation (B) Stud Weld in Which Plunge is Too Short (C) Hang-Up (D) Poor Alignment (E) Stud Weld Made With Low Current (F) Stud Weld Made With High Current
S T U D
BENDING TOOL
B U S H I N G
W E L D
TEST PLATE
의 방법을 적용하기 힘들고 육안에 의한 검사 에 의존해야 한다. Stud용접부의 결함은 대략
<그림 7> 같은 유형을 보인다.
② Mechanical Test
Stud용접부의 품질을 검사하기 위한 방법으 로는 Bend Test와 Tensile Load Test가 적 용된다. 두 가지 Test방법 모두 적정한 용접부 강도를 유지하는 가를 평가하는 방법으로 사용 된다.
다음의 <그림 8>은 Bending Test를 설명하 고 있다.
Bending Test 는 용접된 Stud를 망치등으 로 치거나 Tube나 Pipe등의 Bending기구를 활용해서 구부리는 Test이다.
이때 Crack등의 결함이 발생하지 않고 구부 러지는 최대의 각도는 각 재질과 용도에 따라 별도로 정한다.
<그림 9>은 인장 강도를 측정하기 위한 것으 로 Nut의 Proof Load Test와 유사하다.
이때 적용되는 Torque는 T와 인장 응력 F 의 관계는 다음의 계산에 의해 정해진다.
T = kFd
여기에서 d=the nominal Thread diame ter, k=a constant related thread.
k값은 T h r e a d의 각도, 나사선의 각도, Thread의 직경과 Nut & Washer등과의 마 찰계수에 의한 변수로 지정된다. 연강의 경우 k값은 0.2정도이다.
(6) Stud 용접의 선택과 적용
Stud 용접은 Stud의 형상과 재질, 모재의 종류 및 크기에 따라 다양한 선택이 있을 수 있 다. <표 1 >은 이러한 구분에 따라 용접방법의 선택 예시를 정리한 것이다.
<그림 9> Stud 용접부의 인장 시험 S T U D
NUT
S L E E V E
W O R K
NOTE:A Bolt Can be Used for an Internal Thread W A S H E R
W E L D
<표 1> Stud Welding 방법 적용 기준 표
