물질문명의 눈부신 발전으로 오늘날 인류는 오랜 시련을 이겨 내고 풍요를 누리는데 그 핵심은 기계, 전기전자, 화학, 생물학 등의 기술이고 기계분야의 기술중 용접은 매력적이고 중추적인 역활을 담당합니다.
다만 직접 작업에 종사하는 사람은 생명체이므로 물리,화학적 안전문제에 놓이게 됩니다.
이는 용접중 발생하는 적외선에 의한 화상, 자외선에 의한 실명, 무겁고 거친 재료를 취급할때 생기는 안전사고 등 각별한 주의가 요망됩니다.
용접 (鎔接 welding)
같은 종류 또는 다른 종류의 2가지 고체 재료 사이에 직접 원자간 결합이 되도록 접합시키는 방법. 접착제로 접착하거나 보일 및 리벳으로 연결하는 것과는 다르다. 금속재료를 용접하려면 접합면을 청결하게 하고 두 재료의 금속원자가 서로 금속 결합을 할 수 있는 거리 이내에 두 재료를 접근시켜야 한다. 이를 위해서는 접합부를 가열·용융시켜 그 부분의 금속원자를 재배열(융접법이라 한다)시키든가, 접합부에 바깥힘을 가해서 소성변형(압접법이라 한다)을 일으키는 여러 가지 방법이 고안·실용화되고 있다.
용융법의 일종인 용융금속납에 의한 용접법(납땜법)은 BC 2500년 이전 메소포타미아·이집트문명에서 이미 쓰이고 있었다. 철을 가열하여 단련하면 접합할 수 있다는 것도 제철의 시작(BC 1500)과 함께 알려져 있었다. 그러나 용접법이 주조법이나 단조법(鍛造法)과 더불어 금속가공법의 하나로 선박·교량 건조, 자동차 제조 등 공업적으로 실용화된 것은 1881년 아크용접의 발명 뒤이며, 특히 제 2 차세계대전중 용접기술이 비약적으로 발달한 뒤의 일이다.
용접법의 종류
금속 재료의 용접법을, 사용되는 에너지에 따라 분류해보면 〔표〕와 같다. 공업적으로 가장 대규모로 실용화되고 있는 용접법은 전기에너지를 사용하는 것으로 그 중에서도 아크용접이 차지하는 비율이 크다.
1. 아크용접
아크열에 의해 접합부를 용융하여 용접하는 방법이다. 최근까지 그 대표적인 것은 피복아크용접법의 손용접이었으나 제 2 차세계대전중에 자동화된 서브머지아크용접법, 불활성 가스를 이용한 미그용접법·티그용접법 이 발달하였다. 서브머지용접법은 선박·교량 등 대형 강제 구조물의 건조에, 뒤의 2가지 방법은 알루미늄이나 스테인리스강의 용접에 실용화되고 있다. 제 2 차세계대전 후에는 피복아크용접법의 반자동화법인 그라비티용접이나 횡치식용접도 발달하여 탄산가스아크용접법이 강재의 고능률용접법으로서 피복아크용접법과 함께 널리 보급되었다.
2. 일렉트로슬래그용접
러시아에서 개발된 수직용접법인데, 특히 두꺼운 판 용접에 적합하고 1m 정도 강판의 연속용접도 가능하다. 이 방법은 용접한 슬래그 속에 전극와이어를 노즐에서 송급하고, 슬래그 내에 흐르는 전류의 줄열(Joule's heat)에 의해 전극와이어 및 모재(금속판)를 용융시키는 것이다. 용융금속 및 슬래그가 이음 간격에서 흘러나가지 않도록 모재 양측에 수냉동판(水冷銅板)을 설치해 용접 진행에 따라 이것을 노즐과 함께 서서히 위쪽으로 끌어올린다. 노즐 대신 용제를 피복한 강관을 사용하여 용접 진행과 함께 용융시켜 용접능률을 높인 소모노즐식 일렉트로슬래그용접과 동일한 메커니즘인데, 용제 대신 탄산가스를 피포(被包)가스로 이용하여 아크로 용융지(熔融池)를 형성하면서 용접금속을 수냉동판으로 냉각하는 용접법으로서 일렉트로가스용접이 있다. 이들 용접법은 두꺼운 강판을 사용한 대형 구조물 제작에 이용되고 있다.
저항용접
용접 이음의 접합부에 전류를 흐르게 하고 여기서 발생하는 저항열로 가열하여 압력을 가해 용접하는 방법인데, 스폿용접·심용접·프로젝션용접·플래시배트용접 등이 있다. 최근 자동차 차체조립에서는 스폿용접만 하고 있으며, 차 1대당 3000개소 이상의 스폿용접이 다점 용접기 및 로봇에 의해 이루어지고 있다. 심용접·프로젝션용접은 항공기 기체나 차체 제조에 이용되고 있다. 고주파용접은 고주파전류에 의한 전도전류의 저항 발열을 이용한 방법인데 강관 제조에 쓰인다.
전자빔용접
높은 진공 속에서 텅스텐필라멘트를 가열하여 열전자를 방출시키고, 높은 전압에서 전자를 가속시켜 피용접물을 충돌하게 하여 그 발열에 의해 용접하는 방법이다. 이 방법에서는 전자렌즈로 1㎟ 이하로 초점을 줄이는 일이 가능하므로, 폭이 좁고 용접이 매우 강한 접합을 얻을 수 있다. 또한 진공 속에서 용접하기 때문에 지르코늄·텅스텐·몰리브덴 등과 같은 대기와 반응하기 쉬운 높은 녹는점을 지닌 금속도 쉽게 용접할 수 있다.
플라스마용접
수냉구속(水冷拘束) 노즐에 의해 아크를 긴축시켜 1만∼2만K의 고온플라스마흐름을 형성시켜 이것을 열원으로 이용하여 용접하는 방법이다. 고온플라스마는 처음에 알루미늄·구리·스테인리스강 등의 강판절단에 이용되었는데, 그 뒤 용접에도 응용되기에 이르렀다. 고온플라스마 발생방법에는 3가지 방식이 있으며, 플라스마 분출을 위한 작동가스로는 보통 아르곤이 쓰인다. ① 플라스마제트방식(非移行式이라고도 한다):전극과 노즐 사이에 발생시킨 플라스마를 노즐에서 분출시킨다. 비금속재료의 용접 및 절단에 적용할 수 있다. ② 플라스마아크방식(이행식이라고도 한다):전극과 모재 사이에 플라스마아크를 형성한다. 열효율이 높고 일반 금속재료 용접에 사용된다. ③ 중간식:플라스마제트와 아크를 동시에 발생시킨다. 안정된 작은 전류의 플라스마아크를 얻을 수 있으므로 얇은 판 용접에 적합하다.
가스용접
연료가스와 산소의 혼합가스 연소열을 이용하여 용접하는 방법인데, 금속 용접에는 산소-아세틸렌용접이 널리 쓰이고 있다. 그러나 가스용접은 아크용접과 비교하면 용접속도가 느리고 용접접합의 성질도 떨어지므로 지금은 이 방법의 이용이 점점 줄어들고 있다.
테르밋용접
알루미늄분말과 산화철분말의 혼합물에 점화할 때 생기는 맹렬한 발열반응(테르밋반응)을 이용하여, 그 반응의 생성물인 용융철을 용접 이음의 주위에 미리 설치한 주형(鑄型) 속에 주입하여 용접하는 방법이다. 이 방법은 차축(車軸)·레일 등 단면적이 큰 부재(部材)의 접합 용접에 쓰인다.
폭압용접
화약이 폭발할 때 생기는 충격파를 이용하여 금속끼리 고속도로 압접하는 용접법이다. 티탄·탄탈·구리·알루미늄·스테인리스강 등의 접합이 가능하다. 특히 연강(軟鋼)과 이들 금속과의 복합강 제조에 이용된다.
납땜
재료의 접합부에 납이라고 하는, 모재보다 녹는점이 낮은 합금을 흘려 넣어 접합하는 방법이다. 이 경우 녹는점이 45℃ 이상인 납을 경랍이라 하고, 이것에 의한 납땜을 경랍땜 또는 브레이징이라 한다. 녹는점이 45℃ 이하의 연랍을 사용하는 경우를 연랍땜이라 한다. 경랍으로는 은합금·구리합금·알루미늄합금 등이 쓰인다. 연랍으로는 납·주석·납-주석합금이 쓰인다.
마찰용접
접합하려는 재료를 상대적으로 운동시키면서 일정한 가압력으로 접합면을 맞추어, 그때 발생하는 마찰열을 열원으로 이용하여 용접하는 방법이다. 접합 끝 부분이 마찰열에 의해 연화되어 압접 온도에 이르렀을 때 상대운동을 정지하면서 축방향에 가압하여 접합을 끝낸다.
압접
합재를 강하게 가압하여 국부적으로큰 소성(塑性) 변형을 주어 접합시키는 방법인데, 예로부터 사용된 방법이다. 가스압접이나 단접(鍛接)처럼 가압과 동시에 가열하는 방법을 가열압접 또는 고온압접이라 한다. 알루미늄·구리 등 연성(延性)이 높은 재료의 압접은 가열하지 않고 상온에서 가압하는 것만으로 용접이 가능하다. 이것을 냉간압접이라고 한다.
확산접합
접합 면을 가압·밀착시켜 재결정 온도부근으로 가열하여 금속원자를 확산시킴으로써 접합하는 방법이다. 일반적으로 공중에서 하므로 텅스텐·몰리브덴·지르코늄 등 활성이 높은 고융점금속의 접합도 가능하다. 이 방법은 접합부의 형상을 변화시키지 않고 접합할 수 있어서 정밀접합이 가능하다. 또한 용융응고조직이 생기지 않고 접합온도가 낮기 때문에 복합재료·소결합금(燒結合金)·이종(異種) 금속 간의 접합이 가능하다.
초음파용접
압접법의 일종인데, 피용접물을 겹쳐서 용접칩과 수압대(受壓臺) 사이에 끼운 뒤 가벼운 정압력(靜壓力)을 가하면서 용접칩에서 초음파진동을 가하여 용접하는 방법이다. 이 방법에서는 진동에 수반되는 접합면의 마찰에 의해 표면산화물의 파괴 및 국부적 소성변형에 의해 새로 노출된 금속면끼리의 밀착이 이루어지고, 나아가 마찰열에 의한 국부적 온도 상승에 의해 원자의 확산 및 재결정이 촉진되어 견고한 압접부가 형성된다. 이 방법은 집적회로, 반도체의 리드선 등 금속박(金屬箔)이나 세선(細線) 접합에 이용된다.
레이저용접
원자 또는 분자의 에너지준위(準位) 사이의 유도방사로 생긴 강력한 에너지를 지닌 광선을 이용하여 용접하는 방법이다. 레이저광선은 높은 에너지 밀도의 집중열원 성격이 강하므로 재료에 미치는 열 영향이 적고 열변형도 적어서 정밀한 용접 및 절단 등에 이용된다. 대기 중에서 작업이 가능하고 레이저 발생장치에서 떨어진 곳까지 빔을 간단히 유도할 수 있기 때문에 조작이 쉽다. 그 밖에 태양광선을 열원으로 하는 용접법을 생각할 수 있으나 실용화 단계는 아니다.
용접의 장·단점
용접의 일반적 특징으로는 자재의 절약, 공정(工程)의 감소, 성능과 수명의 향상을 들 수 있다. 용접이음은 종래 구조물 조립에 잘 사용되었던 리벳이음보다도 접합강도가 높고, 가볍고 강한 구조물을 단기간에 건조할 수 있다. 또한 수밀성(水密性)·기밀성(氣密性)이 뛰어난 장점을 가지고 있어, 용접기술은 조선·건축·원자력 산업을 비롯하여 여러 분야에서 널리 이용되고 있다. 그러나 단점으로는 용접이 단시간 내에 높은 열을 가해 접합하는 방법이므로 재질의 변화, 잔류응력, 변형 또는 용접 결함이 생기기 쉽고 또한 품질검사가 곤란하며, 용접구조물은 응력집중에 민감한 데다 저온에서는 취성파괴(脆性破壞)의 위험이 생기기 쉬운 결점이 있다. 그 때문에 용접기술을 이용할 때는 용접설계에 충분한 주의를 할 필요가 있다.
용접설계
용접설계는 넓은 뜻으로 용접시공의 중요한 한 부문이며, 제작 도면에 대해서는 한국산업규격에 의해 용접기호가 제정되어 있다. 구조물의 공작에 용접을 채용할 때에는 용접재료, 이음의 기계적 성질, 용접시공법, 변형과 잔류응력의 발생, 용접비용의 산정, 용접 후의 검사법 등에 대해 올바른 지식을 갖추고 행할 필요가 있다.
