용접 팁: 용접 불량의 원인은 무엇일까요?

공정 요인 외에도 홈 크기 및 틈새 크기, 전극과 공작물의 경사각, 접합부의 공간적 위치와 같은 다른 용접 공정 요인도 용접 형성 및 용접 크기에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

용접 전류가 용접 형성에 미치는 영향

 

특정 조건에서 아크 용접 전류가 증가함에 따라 용접부의 침투 깊이와 보강력이 증가하고 용접 폭은 약간 증가합니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

1) 아크 용접에서 용접 전류가 증가함에 따라 용접부에 작용하는 아크력이 증가하고, 아크가 용접부에 전달하는 열량이 증가하며, 열원 위치가 아래쪽으로 이동하여 용융 풀의 깊이 방향으로 열전도가 촉진되고 용입 깊이가 증가합니다. 용입 깊이는 용접 전류에 대략 비례합니다. 용접 용입 깊이 H는 대략 Km × I와 같습니다. 이 공식에서 Km은 용입 계수(용접 전류가 100A 증가할 때 용접 용입 깊이가 증가하는 밀리미터 수)이며, 아크 용접 방식, 와이어 직경, 전류 종류 등과 관련이 있습니다(표 1-1 참조).

아크 용접 방법	전극 직경/mm	용접 전류/A	전압/V	용접 속도/mh-1	침투 계수/m m-100A-1
텅스텐 아르곤 아크 용접	3.2	100~350	10~16	6~18	0.8~1.8
플라즈마 아크 용접	1.6 노즐 개구부	50~100	20~26	10~60	1.2~2
	3.4 노즐 개구부	220~300	28~36	18~30	1.5~2.4
잠수 아크 용접	2	200~700	32~40	15~100	1.0~1.7
	5	450~1200	34~44	30~60	0.7~1.3
융합 전극 아르곤 아크 용접	1.2~2.4	210~550	24~42	40~120	1.5~1.8
CO2 용접	0.8~1.6	70~300	16~23	30~150	0.8~1.2
	2~4	500~900	35~45	40~80

표 1-1 다양한 아크 용접 방법 및 매개변수에 대한 용융 깊이 계수 Km (용접 강재)

 

2) 아크 용접에서 용접심 또는 용접선의 용융 속도는 용접 전류에 비례합니다. 아크 용접에서 용접 전류가 증가하면 용접선의 용융 속도가 증가하므로 용융되는 용접선의 양도 대략 비례적으로 증가하는 반면, 용접 폭의 증가는 적어 용접 보강 효과가 증가합니다.

 

3) 용접 전류가 증가하면 아크 기둥의 직경이 증가합니다. 그러나 아크가 공작물에 침투하는 깊이가 증가하고 아크 스폿의 이동 범위가 제한됩니다. 따라서 용접 폭의 증가는 상대적으로 작습니다.

 

가스 차폐 금속 불활성 가스 용접(MIG)에서 용접 전류가 증가하면 용접 침투 깊이가 증가합니다. 용접 전류가 너무 크거나 전류 밀도가 너무 높으면 특히 알루미늄 용접 시 손가락 모양의 침투가 발생하기 쉽습니다.

 

아크 전압이 용접 형성에 미치는 영향

 

특정 조건에서 아크 전압을 높이면 아크 출력이 증가하고 용접부에 전달되는 열량도 증가합니다. 그러나 아크 전압 증가는 아크 길이 증가를 통해 이루어지는데, 아크 길이 증가는 아크 열원의 반경 증가와 아크 열 방출량 증가로 이어집니다. 결과적으로 용접부에 전달되는 에너지 밀도가 감소하여 용입 깊이는 약간 줄어드는 반면 용접 비드 폭은 증가합니다. 동시에 용접 전류와 용접 와이어의 용융량은 변하지 않으므로 용접 비드의 강화 효과가 감소합니다.

 

다양한 아크 용접 방법에서 적절한 용접 형상을 얻기 위해서는, 즉 적절한 용접 형상 계수 φ를 유지하기 위해서는 용접 전류를 증가시키면서 아크 전압도 적절히 증가시켜야 합니다. 아크 전압과 용접 전류는 적절한 정합 관계를 가져야 하는데, 이는 소모 전극 아크 용접에서 가장 흔하게 나타납니다.

 

용접 속도가 용접 형성에 미치는 영향

 

특정 조건에서 용접 속도를 높이면 용접 열 입력이 감소하여 용접 비드 폭과 용입 깊이가 모두 줄어듭니다. 용접 길이 단위당 용착되는 와이어 금속의 양은 용접 속도에 반비례하므로 용접 비드 보강 효과도 감소합니다.

용접 속도는 용접 생산성을 평가하는 중요한 지표입니다. 용접 생산성을 향상시키려면 용접 속도를 높여야 합니다. 그러나 구조 설계에 필요한 용접 치수를 확보하기 위해서는 용접 속도를 높이는 동시에 용접 전류와 아크 전압도 적절히 높여야 합니다. 이 세 가지 요소는 서로 연관되어 있습니다. 또한, 용접 전류, 아크 전압, 용접 속도를 모두 높일 경우(즉, 고출력 용접 아크와 고속 용접을 사용할 경우), 용융 풀 형성 및 용융 풀 응고 과정에서 언더컷이나 균열과 같은 용접 불량이 발생할 수 있다는 점도 고려해야 합니다. 따라서 용접 속도 증가는 제한적입니다.

 

용접 전류의 종류, 극성 및 전극 크기가 용접 형성에 미치는 영향

 

1. 용접 전류의 종류 및 극성

 

용접 전류는 직류와 교류로 나뉩니다. 직류 아크 용접은 전류에 펄스가 있는지 여부에 따라 정전류와 펄스 직류로, 극성에 따라 직류 양극 연결(용접부가 양극에 연결됨)과 직류 역 연결(용접부가 음극에 연결됨)로 구분됩니다. 교류 아크 용접은 전류 파형에 따라 정현파 교류와 사각파 교류로 나뉩니다. 용접 전류의 종류와 극성은 아크에서 용접부로 전달되는 열량에 영향을 미치므로 용접 형성에 영향을 줄 수 있습니다. 또한, 용적 이동 과정과 모재 표면의 산화막 제거에도 영향을 미칠 수 있습니다.

 

강철이나 티타늄과 같은 금속 재료를 용접할 때, 텅스텐 불활성 가스 아크 용접(TIGAW)을 사용하면 직류를 정방향으로 연결했을 때 용접 침투 깊이가 가장 깊고, 역방향으로 연결했을 때 침투 깊이가 가장 얕으며, 교류는 그 중간 정도의 침투 깊이를 보입니다. 직류를 정방향으로 연결했을 때 용접 침투 깊이가 가장 깊고 텅스텐 전극의 연소 손실이 가장 적기 때문에, 강철이나 티타늄과 같은 금속 재료를 용접할 때는 직류를 정방향으로 연결해야 합니다. 펄스 직류 용접을 사용하면 펄스 매개변수를 조절할 수 있어 용접 형상 크기를 필요에 따라 제어할 수 있습니다. 알루미늄, 마그네슘 및 이들의 합금을 용접할 때는 아크의 음극 세척 효과를 이용하여 모재 표면의 산화막을 제거해야 하는데, 이때는 교류를 사용하는 것이 좋습니다. 사각파 교류는 파형 매개변수를 조절할 수 있어 용접 효과가 더 우수합니다.

 

가스 금속 아크 용접(GMAW)에서 직류를 역방향으로 연결하면 직류를 정방향으로 연결했을 때보다 용접 깊이와 용접 폭이 모두 커집니다. 교류 용접의 경우 용접 깊이와 용접 폭은 이 두 경우의 중간 정도입니다. 따라서 서브머지드 아크 용접(SAW)에서는 더 깊은 용접 깊이를 얻기 위해 일반적으로 직류 역방향 연결을 사용하고, 서브머지드 아크 표면 용접(SAS)에서는 용접 깊이를 줄이기 위해 직류 정방향 연결을 사용합니다. 보호 가스를 사용하는 GMAW에서는 직류 역방향 연결이 용접 깊이가 클 뿐만 아니라 용접 아크와 용적 이송 과정이 직류 정방향 및 교류 연결보다 안정적이며 음극 세척 효과도 있어 널리 사용됩니다. 직류 정방향 및 교류 연결은 일반적으로 사용되지 않습니다.

 

2. 텅스텐 전극 끝 모양, 용접 와이어 직경 및 연장 길이의 영향

 

용접봉 앞부분의 각도와 형상, 그리고 철 전극은 아크 집중도와 아크 압력에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 용접 전류와 공작물의 두께에 따라 적절히 선택해야 합니다. 일반적으로 아크 집중도가 높고 아크 압력이 클수록 용접 깊이가 깊어지지만, 용접 폭은 그에 따라 감소합니다.

 

가스 금속 아크 용접에서 용접 전류가 일정할 때 용접 와이어가 가늘수록 아크 가열이 집중되어 용입 깊이가 증가하고 용접 폭이 감소합니다. 그러나 실제 용접 작업에서 용접 와이어 직경을 선택할 때는 불량 용접 형성을 방지하기 위해 전류 크기와 용접 풀 형상도 고려해야 합니다.

 

가스 금속 아크 용접에서 와이어 연장 길이가 증가하면 연장된 와이어 부분을 통과하는 용접 전류에 의해 발생하는 저항열이 증가하여 와이어 용융 속도가 빨라집니다. 따라서 용접 강도는 증가하지만 용입 깊이는 다소 감소합니다. 강 용접 와이어는 저항률이 비교적 크기 때문에 와이어 연장 길이가 용접 형성에 미치는 영향이 강선 및 가는 와이어 용접 시에 비교적 뚜렷하게 나타납니다. 알루미늄 용접 와이어는 저항률이 비교적 작기 때문에 그 영향은 크지 않습니다. 와이어 연장 길이를 늘리면 와이어 용융 계수를 향상시킬 수 있지만, 와이어 용융 안정성과 용접 형성 측면을 종합적으로 고려할 때 와이어 연장 길이에는 허용 가능한 변동 범위가 존재합니다.

 

용접 형성 인자에 대한 기타 공정 인자의 영향

 

상기 공정 요인 외에도 홈 크기 및 틈새 크기, 전극과 공작물의 경사각, 접합부의 공간적 위치와 같은 기타 용접 공정 요인도 용접 형성 및 용접 크기에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

1. 홈과 틈

 

전기 아크 용접으로 맞대기 용접을 할 때, 일반적으로 용접판의 두께에 따라 갭을 둘지 여부, 갭의 크기, 그리고 홈의 형상을 결정합니다. 특정 조건에서 홈이나 갭의 크기가 클수록 용접 보강량이 줄어들어 용접 위치가 낮아지고 용융률이 감소할 수 있습니다. 따라서 갭을 두거나 홈을 내는 것은 보강량과 용융률을 조절하는 데 사용할 수 있습니다. 갭을 두는 경우와 갭을 두지 않고 홈을 내는 경우의 열 방출 조건은 다소 차이가 있습니다. 일반적으로 홈을 내는 것이 결정화 조건에 더 유리합니다.

 

2. 전극(용접선) 경사각

 

아크 용접 시 전극 경사 방향과 용접 방향의 관계에 따라 전극 전방 경사와 전극 후방 경사 두 가지 유형으로 나뉩니다. 용접 와이어가 경사지면 아크 축도 그에 따라 경사집니다. 용접 와이어가 전방으로 경사지면 용융 풀 금속을 후방으로 배출하는 아크력의 효과가 약해집니다. 용융 풀 바닥의 액체 금속층이 두꺼워지고, 용입 깊이가 감소하며, 아크가 용접부에 침투하는 깊이가 줄어들고, 아크 스폿의 이동 범위가 넓어지고, 용접 폭이 증가하며, 보강 효과가 감소합니다. 용접 와이어의 전방 경사각 α가 작을수록 이러한 영향이 더욱 두드러집니다. 용접 와이어가 후방으로 경사지면 상황은 반대가 됩니다. 피복 금속 아크 용접에서는 전극 후방 경사 방식이 주로 사용되며, 경사각 α는 65°에서 80° 사이가 비교적 적절합니다.

 

3. 용접부 경사각

 

실제 생산에서 경사 용접은 흔히 발생하며, 상향 용접과 하향 용접으로 나눌 수 있습니다. 이때 중력의 작용으로 용융 금속은 경사면을 따라 아래쪽으로 흐르려는 경향이 있습니다. 상향 용접에서는 중력이 용융 금속을 용융 풀의 끝부분으로 배출하는 데 도움을 주어 용입 깊이가 깊고 용접 폭이 좁으며 보강량이 많아집니다. 상향 경사각 α가 6°~12°인 경우 보강량이 너무 커져 양쪽에 언더컷이 쉽게 발생합니다. 하향 용접에서는 이러한 중력의 영향으로 용융 금속이 용융 풀의 끝부분으로 배출되지 못합니다. 아크가 용융 풀 바닥의 금속을 충분히 가열하지 못하여 용입 깊이가 줄어들고 아크 스폿의 이동 범위가 넓어지며 용접 폭이 넓어지고 보강량이 감소합니다. 용접부의 경사각이 너무 크면 용입이 불충분해지고 용융 금속이 넘쳐흐를 수 있습니다.

 

4. 용접 재료 및 두께

 

용접 침투 깊이는 용접 전류뿐만 아니라 재료의 열전도율과 체적 열용량과도 관련이 있습니다. 재료의 열전도율이 좋고 체적 열용량이 클수록 단위 부피의 금속을 녹이고 동일한 온도 상승을 일으키는 데 더 많은 열이 필요합니다. 따라서 용접 전류와 같은 특정 조건 하에서 침투 깊이와 용접 폭은 감소합니다. 재료의 밀도 또는 액체 점도가 클수록 아크가 용융된 금속 풀을 밀어내기가 어려워져 용접 침투 깊이가 얕아집니다. 용접부의 두께는 용접부 내부의 열전도에 영향을 미칩니다. 다른 조건이 동일할 때 용접부의 두께가 증가하면 열 방출이 증가하여 용접 폭과 침투 깊이가 모두 감소합니다.

 

5. 플럭스, 전극 코팅 및 보호 가스

 

플럭스 또는 전극 코팅의 조성 차이로 인해 아크의 전극 영역에서 전압 강하가 달라지고 아크 기둥의 전위 구배가 달라지며, 이는 필연적으로 용접 형성에 영향을 미칩니다. 플럭스의 밀도가 낮거나 입자 크기가 크거나 적층 높이가 작으면 아크 주변의 압력이 낮아지고 아크 기둥이 팽창하며 아크 스폿의 이동 범위가 커집니다. 따라서 용입 깊이가 얕아지고 용접 폭이 넓어지며 보강 효과가 감소합니다. 고출력 아크 용접으로 두꺼운 공작물을 용접할 때, 경석과 같은 플럭스를 사용하면 아크 압력을 낮추고 용입 깊이를 줄이며 용접 폭을 넓힐 수 있습니다. 또한 용접 슬래그는 적절한 점도와 용융 온도를 가져야 합니다. 점도가 너무 높거나 용융 온도가 너무 높으면 슬래그의 통기성이 떨어져 용접면에 많은 함몰부가 형성되어 용접면 형성이 불량해집니다.

 

아크 용접에 사용되는 보호 가스(예: Ar, He, N2, CO2)의 조성은 다양하며, 열전도율과 같은 물리적 특성 또한 다릅니다. 이러한 차이로 인해 아크의 극부 전압 강하, 아크 기둥의 전위차, 아크 기둥의 전도 단면적, 플라즈마 유동력, 비열 유속 분포 등이 달라지며, 이 모든 요소들이 용접 이음매 형성에 영향을 미칩니다.

 

요컨대, 용접 형성에 영향을 미치는 요인은 매우 많습니다. 양질의 용접을 얻기 위해서는 용접부의 재질과 두께, 용접부의 위치, 접합부 형상, 작업 조건, 접합부 성능 요구 사항, 용접 크기 등을 고려하여 적절한 용접 방법과 조건을 선택해야 합니다. 무엇보다 중요한 것은 용접공의 용접 자세입니다! 그렇지 않으면 용접 형성 및 성능이 요구 사항을 충족하지 못할 뿐만 아니라 다양한 용접 결함이 발생할 수 있습니다.