[Welding(용접)] 용접 기기의 종류
용접 기기의 종류는 크게 3가지로 구성된다.
= There are three types of welding machines.
|
전기(Arc) - 아크형 |
가스형 |
특수용접 |
|
- 플렉스(Flex) - 정극성(DCEN), 역극성(DCRP) - 물리적 특성에서의 용접기기 - 전기(Arc) 종류 피복아크, 서브머지드(SAW) 등 - 분사 방식 - 용접봉 선택(기호 읽기) - 용접 아크 발생 길이 |
1. 기초 화학 - 일부분 (원리) 2. 물리 (에너지) 3. HAZ(Heat Affected Zone) 4. 가스형 종류 : 아세틸렌 등. 5. 역화, 역류의 종류 |
1. GTAW=TIG 불활성 가스 텅스텐 아크용접 (아크 + 가스) 2. GMAW=(MIG) 가스 메탈 아크 용접 3. SAW=(서브머지드 아크 용접) 4. PAW(플라즈마 아크 용접) |
|
공통 영역 1. HAZ(Heat Affected Zone) | ||
크게 보면, 3가지의 용접 기기로 구성될 수 있다.
1. 전기용접기기(Arc)
2. 가스용접기기(Gas)
3. 특수용접기기
1. 전기용접기기의 설계
아크 용접기기는 크게 두 가지 타입으로 구성된다.
1-1. 용접기의 분류
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번호 |
구분 |
세부 내용 |
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1 |
AC Arc Welding Power Source (교류 - 아크 용접 전원기기) |
SMAW (Shielded (Manual) Metal Arc Welding |
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2 |
Electro-Slag Welding (일렉트로 슬래그 용접) | |
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3 |
TIG for Alumminum Alloys (Cleaning Action) 알루미늄 알로이의 TIG 용접 (청정 작용) | |
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4 |
Submerged Arc Welding (서브머지드 아크용접) | |
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5 |
DC Arc Welding Power Source (직류 - 아크 용접 전원기기) |
MIG / MAG Welding (미그 / 마그 용접) |
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6 |
Electro-Gas Arc Welding (전기-가스 아크용접) (일렉트로 - 가스 아크 웰딩) | |
|
7 |
( 플럭스 코어드 와이어의 가스 아크 용접 | |
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8 |
Self Shield Arc Welding | |
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9 |
TIG for Steel | |
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10 |
Plasma Welding And Cutting 플라즈마 용접 그리고 컷팅 | |
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11 |
Stud Welding | |
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12 |
Submerged Arc Welding with small diameter wire |
Gas Arc Welding with Flux Cored Wire
1-2. 용접기의 특성
직류 아크 기기에는 발전형, 정류기형이 있다.
교류 아크 기기에는 탭 전환형(Tab switching type), 가동 철심형(Movable iron core type), 가동 코일형(Movable coil type),
가포화 리엑터형(Saturable reactor type), 가동 코어 리엑터형(Movable core reactor type),
가포화 리엑터 고정 철심형(Saturable reactor fixed core type)이 있다.
1-3. 용접기기의 구성
용접기기의 구성을 이해하는 것은 전기(Arc) 방식의 용접기기를 설계하는 데 있어서 무척 중요하다고 볼 수 있다.
그림 1-1) 아크 용접기기의 구성도
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번호 |
언어 (Language) |
용어 |
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1 |
영어(English)-> 한글(Korean) |
Electrode holder -> 전극봉 |
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2 |
영어(English)-> 한글(Korean) |
Electrode -> 용가대 |
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3 |
영어(English)-> 한글(Korean) |
Base Metal -> 모재 |
|
4 |
영어(English)-> 한글(Korean) |
Work lead -> 작업선 |
|
5 |
영어(English)-> 한글(Korean) |
Electrode lead -> 전극선 |
|
6 |
영어(English)-> 한글(Korean) |
Power Source -> 전원 공급장치 |
사용자 측면에서의 용접은 아래의 그림과 같이 구성하여 사용할 수 있다.
그림 1-2) 기본적인 아크 용접 다이어그램
용접기기의 구성은 크게 아래의 표처럼 구성할 수 있다.
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번호 |
[아크 용접 장비] |
영어 표기 |
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1 |
AC 또는 DC 기계 |
AC or DC machine |
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2 |
전극 |
Electrode |
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3 |
전극 홀더 |
Electrode holder |
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4 |
케이블, 케이블 커넥터 |
Cables, cable connectors |
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5 |
치핑 해머 |
Chipping hammer |
|
6 |
접지 클램프 |
Earthing clamps |
|
7 |
와이어 브러시 |
Wire brush |
|
8 |
헬멧 |
Helmet |
|
9 |
안전 고글 |
Safety goggles |
|
10 |
손 장갑 |
Hand gloves |
|
11 |
에이프런, 슬리브 등. |
Aprons, sleeves etc. |
1-4. 용접 전원 공급장치
전원 공급장치를 실제로 뜯어보면 다음과 같다.
그림 1-2) 용접 전원장치
그림 1-3) 용접 전원 장치의 내부
실제 기계적인 측면에서 살펴보면, 전원 장치의 내부는 빈깡통이다.
그림 1-4) 전기회로의 예 - 전원 관련 회로 (용접기기)
회로를 추정해보면, 리엑터형에 가까울 수 있다.
리엑터형의 실제 구성이다.
그림 1-5) 가포화 리엑터형 - 아크 용접
1-5. 용접 - 토치
그림 1-6) Torch(토치)
용접에서 접합을 시도할 때, 사용하는 토치의 예이다.
가스 용접이나, 특수 용접 등에도 토치가 있을 수 밖에 없다. 접합을 하기 위한 필수 요소이기 때문이다.
K1782-1.7z
1-6. 용접봉
용접봉이란? 용접시 용접부에 부족한 금속을 보충하기 위해 모재와 더불어 용융하여 모재를 용착하는 선상 또는 막대 모양의 금속봉이다.
용접봉에는 크게 KS 기준에 따라서 관리된다.
그림 1-7) 용접봉 데이터시트
그림 1-8) 용접봉의 읽기
용접봉의 타입은 크게 이러한 형식으로 결정된다.
그림 1-9) 용접봉 - 실제 쇼핑몰 사례
그림 1-9는 실제 용접봉을 판매하는 곳의 사례이다. 구매하기 전에 반드시 제조사의 데이터시트를 확인해야 한다.
그림 1-10) 용접의 분류
피복 아크 용접봉은 크게 이런 형태로 분류할 수 있다.
1-7. 용접봉의 보관
용접봉의 보관은 무척 중요하다.
- 습기에 약하므로 기공 균열의 원인이 된다.
보관할 때 유의해야 할 점으로는 다음과 같다.
1) 건조한 곳에 보관할 것
2) 사용 전 반드시 건조(70~100℃로 30~60분 정도 건조시켜야 함.)
3) 저수소계(300~350℃로 30~60분 정도 건조시켜야 함.)
1-8. 용접 / 분사방식
용접에 있어서 분사방식은 무척 중요하다고 할 수 있다.
1) 단락(short circuiting) 이행
단락이행은 보호가스 조성에 관계 없이 저전류, 저전압 조건에서 나타나는 이행형태이다.
<그림 1-11>에는 단락이행 과정과 그에 수반되는 용접전류-전압의 순간적인 변화를 보여주고 있다.
그림 1-11) 단락 이행의 과정
2) 스프레이형(spray type)
피복제가 타면서 생기는 피복통 내부의 가스폭발의 힘과 아크 힘에 의해 용접봉 끝의 용융금속이 세차게 불리어 작은 입자로 용접부에 이행하는 방식
3) 글로불러형(globular type)
전류 소자간에 흡입력이 작용하여 원기둥의 지름이 가늘어지면서 작은 용융방울이 모재에 떨어져 내려오는 방식이다.
그림 1-12) GMAW Modes of Metel Transfer
1-9. DCSP, DCRP
아크 용접의 구성에 있어서 크게 DCSP, DCRP형으로 구분할 수 있다.
그림 1-13) DCSP, DCRP 구조
표 1-1. 정극성과 역극성 특징
|
|
Straight Polarity(정극성) |
Reverse Polarity(역극성) |
|
Electrode and Workpiece (전극 및 공작물) |
In this Electrode is connected with Negative terminal and Workpiece with positive terminal. = 이 전극에는 양극 단자가있는 음극 단자와 |
In this Electrode is connected with Positive terminal and Workpiece with Negative terminal. = 이 전극에는 음극 단자가있는 공작물과 |
|
Electron Flow (전자 흐름) |
Electron flow from Electrode to Workpiece = 전극에서 공작물로의 전자 흐름 |
Electron flow from Workpiece to Electrode = 공작물에서 전극으로의 전자 흐름 |
|
Heat (열) |
70% Heat is generated at w/p and 30% at electrode = 70 % w / p 및 전극에서 30 %의 열 발생 |
70% Heat is generated at Electrode and 30% at w/p = 70 % 열은 전극에서 발생하고 30 %는 w / p에서 발생합니다. |
|
Applicable (적용 가능한 것) |
Used for thin plate welding = 박판 용접 |
Used for thick plate welding = 후판 용접 |
|
Penetration (침투) |
Shallow Penetration = 얕은 관통 |
Deeper Penetration = 깊은 관통 |
|
Deposition Rate (증착율) |
Faster Deposition Rate = 빠른 증착 속도 |
Slow Deposition Rate = 천천히 증착 속도 |
1-10. 아크 길이
아크 길이를 소개하고자 한다.
그림 1-14) 용접 차트 비교 (Comparison chart of welds.)
그림 1-15) 용접시 언더컷 및 겹침(Undercuts and overlaps in welding.)
호의 길이 호가 너무 길면 금속이 큰 덩어리로 전극에서 떨어져 나와 아크가 자주 끊어 질 수 있습니다. 이것은 모재와 용접부 사이의 융합이 불충분한 넓고 산란된 불규칙한 퇴적물을 생성합니다.
아크가 너무 짧으면,베이스 금속을 적절히 녹일 수있는 충분한 열을 발생시키지 못하고 전극을 야기합니다.
그림 1-16) Setting the length of an arc. (설정된 아크 길이)
2. 가스(Gas)
다음은 가스 용접이다.
종류는 크게 4가지로 구성된다.
먼저 한가지 예로 산소-아세틸렌 용접에 대해서 소개하고자 한다.
2-1) Oxy-acetylene Welding(산소-아세틸렌 용접)
그림 2-1) Oxy-Acetylene welding
화학식으로는 아래와 같이 표현할 수 있다.
화학식을 몰라서, 모른다고 해서 가스 용접을 두려워하지 말자.
-> 하나 예를 들면,
H2O의 몰질량 = 18.01528g/mol
Ca(OH)2 = 74.0927 g/mol
|
상징 |
요소 |
원자량(원자의 무게) |
질량 비율 |
|
Ca |
칼슘 |
40.078 |
54.0917% |
|
O |
산소 |
15.9994 |
43.1875% |
|
H |
수소 |
1.00794 |
2.7208% |
C2H2 = 26.0373 g/mol
|
상징 |
요소 |
원자량(원자의 무게) |
원자 |
질량 비율 |
|
C |
탄소 |
12.0107 |
2 |
92.2577% |
|
H |
수소 |
1.00794 |
2 |
7.7423% |
이렇게도 해를 풀 수 있다.
(물론 이 식이 맞다고는 장담하지 못함. 다만, 수리적인 방정식의 느낌으로 Solver(솔버)를 구함.)
그림 2-2) 화학 계산식 계산기
아래의 링크는 화학 원소주기율표 링크이다. 참고하기 바란다.
https://www.ptable.com/?lang=ko
이 밖에도 산소 프로판에 관한 식 등도 존재할 수 있다.
가스 용접을 결정할 때 중요한 요인이 될 수 있다.
아세틸렌에 대해서 보충 설명을 하나 작성하였다.
|
특징 | |
|
1. 화학식 C2H2, 황색 가스통 | |
|
2. 순수 아세틸렌은 무색 무취의 기체 | |
|
3. 인화수소(PH3), 유화수소(H2S), 암모니아(NH3)와 같은 불순물을 포함하고 있어 악취가 난다. | |
|
4. 공기보다 가벼움(비중 r = 0.91) | |
|
5. 3중 결함을 가지는 불포화탄화수소 - 매우 불안정 | |
|
6. 가열, 압축, 충격 등 약간의 부주의로 분해 폭발 위험 (505℃ 이상에서 폭발) C2H2 = 2C + H2 + 54,149 kcal | |
|
7. 분해 폭발은 관의 지름이 클수록 초압이 클수록 발생이 쉽다. - 아세틸렌 배관 설치 시 지름을 가능한 가늘게 하고, 관 압력도 1.3kg/cm^2 이하로 유지 | |
|
8. 아세틸렌은 구리, 은 등과 화합하여 아세틸렌 - 통을 조성 - 건조 상태 120℃에서 폭발 |
2-2) Heat Affected Zone(HAZ)
HAZ는 열영향부를 의미한다.
그림 2-3) Heat Affected Zone(HAZ)
HAZ를 자세히 관찰하면 아래의 그림과 같다.
그림 2-4) A schematic diagram of the sub-zones of the heat affected zone explained in terms(열 영향 지역의 하위 지역에 대한 개략도)
전기용접(아크용접)이나 가스 등의 열이 발생하는 성질의 접합을 수행하면 반드시 주변에 열 영향이 존재한다.
2-3) 열과 관련한 물리
열과 관련한 것은 크게 대표적인 것은 에너지 단위인 줄(J)에 관한 것이다.
1cal = 4.186J
= (1g, 14.5℃->15.5℃)
1g이 온도 변화로 14.5도에서 15.5에 변화할 때 4.186J 정도라고 보면 된다.
다음은 가열 등으로 인하여 물질의 비열 또는 변화했을 때의 열의 양은
처음과 나중 온도에 관한 식으로 구현한다면, 아래와 같이 쓸 수 있다.
(
과학과 공학의 차이점이라는 것은 아무래도 과학은 원리에 집중한다고 했을 때, 공학은 구현 등의 실용성에 중점을 두는 것 같다.
가스 용접 등을 했을 때 열이 발생되기 때문에 흥미를 돕기 위해 작성하였다.
수치적인 온도와 관련된 것은 열팽창계수 등의 실험이 있을 수가 있다.
2-4) 역화, 역류, 인화
(1) 역화, 역류의 종류
▸ 역화(Back fire) : 불꽃이 돌발적으로 팁 안으로 역행하는 현상을 말한다.
- 용접기기에서 역화현상 일으키기: 가스 압력이 낮을 때, 팁의 고정이 부적당할 때 일어남.
그림 2-5) Backfire의 예
▸ 역류(contra flow) : 산소가 압력이 낮은 아세틸렌 호스로 흘러 들어가는 현상을 이른다.
즉, 산소가 아세틸렌 쪽으로 흡인되는 것을 말함.
- 공급 압력이 낮거나 팁이 과열되었을 때 산소가 아세틸렌 쪽으로 흡인되는 것을 말함.
▸ 인화(flash back) : 불꽃이 혼합실에 들어오는 것.
- 가스 압력이 불꽃의 연소 속도보다 느려서 일어남. (이러한 조건을 만들면 구경할 수 있음.)
3. 특수용접
특수용접이란,
다양한 복합으로 구성된 특수 용접장치들을 의미한다.
그림 3-2) Circuit Diagram of MIG Welding
아크(Arc) 용접 장치가 같는 특징과 가스(Gas) 용접장치가 같는 특성을 혼합하여 구성한 MIG 용접기기이다.
4. 맺는글
용접 기기의 종류에 대해서 중요하다고 생각되는 부분에 대해서 작성하였다.
다음 소개할 내용은 용접의 모재와 HAZ에 대해서 소개하도록 하겠다.
5. 참고자료(Reference)
1. What is ARC Welding Introduction, http://www.wballoys.co.uk/ARC/what-is-arc-welding.html, Accessed by 2018-07-18
2. What is Arc Welding? How Arc Welding Works?, http://www.theweldingmaster.com/what-is-arc-welding-how-arc-welding-works/, Accessed by 2018-07-18
3. Welding for engineers chapter 1, https://www.slideshare.net/hakimm/welding-for-engineers-chapter-1, Accessed by 2018-07-18
4. 그림 1-2, 그림 1-3, Welders, https://www.lincolnelectric.com/en-us/support/cad/Pages/cad-files-welders.aspx
5. 그림 1-4, Arc welding transformer power regulation schematic, http://www.tehnomagazin.com/Motor/Arc-welding-transformer-power-regulation-schematic.htm, Accessed by 2018-07-18
6. 그림 1-6, Guns & Torches, https://www.lincolnelectric.com/en-us/support/cad/Pages/cad-files-guns-torches.aspx, Accessed by 2018-07-18
7. 그림 1-7, 제품 카탈로그, http://www.chosunwelding.com/kr/Support/Catalog.asp, Accessed by 2018-07-18
8. 그림 1-9, 망간봉 CH - 금속간/토사경마모용, http://www.toolnshop.co.kr/Shop/Shop_view/?code=17643, Accessed by 2018-07-18
9. 그림 1-11, http://www.weldnet.co.kr/sub01/sub01-343-2.htm, Accessed by 2018-07-18
10. 그림 1-12, 25, Introduction to Materials Joining, https://slideplayer.com/slide/3379824/, Accessed by 2018-07-18
11. 표1-1, 그림 1-13, Difference Between Straight Polarity vs Reverse Polarity, http://www.mechxplain.com/difference-between-straight-polarity-vs-reverse-polarity/, Accessed by 2018-07-18
12. 그림 1-14, 그림 1-15, 그림 1-16, Length of Arc, http://constructionmanuals.tpub.com/14250/css/Length-of-Arc-143.htm, Accessed by 2018-07-18
13. 그림 2-2, WebQC, https://ko.webqc.org/balance.php, Accessed by 2018-07-18
14. 그림 2-3, Basic Welding - Industrial Wiki - odesie by Tech Transfer, https://www.myodesie.com/wiki/index/returnEntry/id/3068, Accessed by 2018-07-18
15. 그림 2-4, Mechanism of solidification cracking during welding of high strength steels for subsea linepipe, https://www.researchgate.net/figure/16-A-schematic-diagram-of-the-sub-zones-of-the-heat-affected-zone-explained-in-terms_fig15_312293091, Accessed by 2018-07-18
17. 그림 3-2, Circuit Diagram of MIG Welding, http://www.theweldingmaster.com/what-is-mig-welding-process/circuit-diagram/, Accessed by 2018-07-18
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