용접은 현재 우리가 살아가는 데 있어 기계, 선박, 자동차 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되는 중요한 제조 기술입니다. 대략적인 방식은 금속 재료를 열과 압력을 가해 직접 결합해 접합하는 기술로, 이제부터 용접의 자세한 원리부터 다양한 정보들을 알려드리겠습니다.
용접
용접은 주로 금속을 영구적으로 결합하는 과정을 말합니다. 이때 고온을 사용하여 재료의 일정부분을 녹이거나 혹은 따로 충전재료를 추가하여 두 부품을 결합하게 됩니다. 이후 열과 압력으로 인해 뜨거워진 부분이 냉각되면서, 접합된 두 부분은 단단한 결합을 형성합니다.
용접의 원리
기본적인 원리는 금속간의 용융을 통한 융합 및 응고, 해당 금속을 녹이는데 필요한 열원, 위험한 작업 환경으로부터 보호, 재료간의 호환성, 후처리, 그리고 안전에 관한 것을 포함합니다.
용접 과정의 핵심은 재료의 표면을 녹여 고체를 액체상태로 만드는 용융 상태를 만들고, 이 용융된 재료끼리 혼합되거나 혹은 따로 충진재를 함께 용융시킨 후 응고됨으로써 서로다른 부분이 하나로 결합되는 것입니다.
필수적으로 열원이 필요하며, 이러한 열원을 만드는 수단으로는 전기 아크, 가스 화염, 레이저, 전자 빔 등 다양할 수 있습니다. 이렇게 용융된 금속은 공기 중의 산소나 수분 및 기타 오염물질에 취약하여 쉽게 반응하기 때문에 대부분의 과정에서는 보호 가스(아르곤이나 헬륨)나 슬래그를 사용하여 용융 영역을 보호합니다.
작업중 고려해야 할 중요한 변수로는 작업자의 속도, 열과 입력, 전류 및 전압(전기 아크), 그리고 보호 가스의 종류와 유량이 있으며, 이러한 변수들을 관리하는것이 작업자의 능력을 나타내고, 완성품의 품질과 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다.
재료들은 서로 호환되어야 합니다. 금속의 경우 비슷한 성질과 녹는 점을 가진 금속끼리 작업해야 합니다. 재료의 화학적 및 물리적 성질이 너무 차이난다면, 완성품의 품질과 질이 많이 떨어질 가능성이 높습니다.
대부분은 작업 후 후처리가 필요하며, 이는 완성된 부위의 잔류 응력을 제거하고, 미세 구조를 개선하며, 표면 결함을 제거하기 위한 것입니다. 후처리에는 열처리, 연마, 그리고 사포질이 있습니다. 작업중에는 고온, 강한 빛, 그리고 유해 가스를 포함하기 때문에 적절한 안전 장비의 사용과 작업장의 환기가 매우 중요합니다.
일반 용접
용접은 간단히 말하자면 금속같은 재료들을 녹여서 결합시키는 과정을 말합니다. 이 과정에서 아크를 사용해서 녹이거나 혹은 가스를 사용해서 녹이는등 어떻게 금속을 녹이냐에 따라서 방식이 달라지게 됩니다. 이번 게시물에선 일반적인 용접의 종류에 대해서만 다루고, 나머지 방식들은 다음 게시물에서 마저 작성하겠습니다.
아크 용접
아크 용접에서 “Arc”는 전기 아크(electric arc)를 말합니다. 이 전기 아크는 강한 전류가 흐를 때 발생하는 밝고 강력한 플라즈마 상태의 방전 현상입니다. 이렇게 생긴 아크는 금속을 녹일만큼 매우 높은 온도를 생성하여 금속을 용융시켜 부품을 결합하는 가장 일반적인 방법입니다. 이 방법은 다양한 환경에서 광범위하게 사용되며, 특히 건설, 제조, 수리 분야에서 널리 적용됩니다. 아크용접은 몇 가지 주요 유형으로 나뉩니다
MIG (Metal Inert Gas)방식은 끊임없이 공급되는 금속 와이어를 전극으로 사용하고, 아르곤이나 헬륨과 같은 불활성 가스로 작업된 지점을 보호하는 방식입니다. 이 방식은 빠르고 효율적이며, 범용성이 높아 다양한 금속에 사용 가능하며, 불활성 가스를 이용하여 작업부를 보호하기 때문에 오염을 잘 방지하지만 장비와 부대비용이 비싸고 외부 환경에 영향을 많이 받으며 아직 익숙하지 않은 초보자가 사용하기에는 다소 무리가 있다는 단점이 있습니다.
TIG (Tungsten Inert Gas)방식은 텅스텐 전극을 사용하여 작업합니다. 이 방식은 높은 정밀도가 요구되는 만큼 작업부가 깨끗하며, 미세작업이 가능해 얇은 금속판이나 파이프에도 주로 사용됩니다. 다만 속도가 다른 방식에 비해 다소 느리며 고품질의 작업이 요구되는 항공우주, 자동차등에 사용되는 만큼, 높은 수준의 기술과 숙련도가 필요한 방식입니다.
SMAW (Shielded Metal Arc Welding)방식은 소모성 전극을 사용하며, 전극 코팅에서 발생하는 가스로 작업부를 보호합니다. 이 방법은 다른 방식에 비해 전기만으로도 충분히 작업이 가능해 이동성이 좋고, 장비가 단순한 만큼 비용도 적게 소모됩니다. 또한 다양한 종류의 금속과 금속의 두께에도 작업이 가능합니다. 이 방식은 특히 건설현장이나 수리, 소규모의 제조 시설에서 주로 사용되며, 작업 환경이나 비용적으로 저렴하다는 장점 때문에 많은 사람들이 애용하는 방식중 하나입니다.
가스 용접
Oxy-Acetylene Welding이라고도 불리는 이 방식은 주로 아세틸렌과 산소의 혼합 가스를 이용하는 방식입니다. 아크는 전기가 방출될때 일어나는 열과 압력을 이용한다면, 가스의 경우 두 가지 가스의 혼합으로 매우 높은 온도의 화염을 생성하여 금속을 녹이고 작업하는 방법입니다.
이 방식은 21세기 현재보다 과거 20세기에 많이 사용되었던 방식입니다. 현재에는 오히려 절단할때 주로 이용되며, 가스를 사용하는 만큼 한번 사고가 나게 된다면 아크의 경우 감전으로 끝나지만 가스는 큰 폭발로 이루어질 수 있기 때문에 큰 인명사고가 날 수 있습니다.
작업에 사용되는 재료와 장비
재료
전극(Electrodes)은 작업도중 금속을 녹이는 데 사용되는 재료입니다. 전극은 보통 작업하려는 금속과 비슷한 성분을 가지며, SMAW이나 쉴드 금속 아크 용접에서 사용됩니다.
충전재(Filler Materials는 두개의 금속에 추가적인 충전재를 이용해 금속간의 사이 간격을 채우기 위해 사용됩니다. GMAW이나 TIG 같은 방법에서 사용됩니다.
보호 가스(Shielding Gas): 보호 가스는오염을 방지하고, 금속이 녹는 과정에서 용융된 금속이 공기 중의 산소와 질소와 반응하는 것을 방지합니다. 아르곤, 헬륨, 이산화탄소가 일반적으로 사용됩니다.
장비
용접기(Welding Machines)는 전기(아크)를 사용하여 작업에 필요한 열을 생성하는 장비입니다. SMAW, GMAW, TIG 등 다양한 작업 방식이 있는 만큼 장비 또한 다양한 종류가 있기에 적절한 장비를 사용하는 것이 가장 좋습니다.
토치(Welding Torches)는 GMAW나 TIG 방식에서 사용되며, 전극과 보호 가스를 작업할 지점으로 전달합니다.
보호 장비(Protective Gear)는 작업 시에는 항상 강한 열이나 빛, 스파크가 수반됩니다. 보호 장비는 이때 발생하는 충격으로부터 작업자를 보호하기 위해 사용됩니다. 보호 마스크나 고글의 경우 강한 빛과 뜨거운 스파크로부터 작업자의 얼굴을 보호해주고, 이외에도 방호복, 장갑, 귀마개 및 마스크, 안전화 등이 있습니다.
클램프(Clamps)와 집게(Vices)의 경우 작업시 부품을 고정시키는 데 사용됩니다. 뜨거운 열과 압력을 이용해서 작업하는 도중 작업물이 움직이게 된다면 큰 사고로 이루어질 수 있기 때문에, 작업물이 움직이지 않도록 안정적으로 고정하는 것이 중요합니다.
청소 도구(Cleaning Tools)는 작업 전후에 금속 표면을 청소하는 데 사용됩니다. 스틸 브러시는 작업 후 주변의 잔여물인 슬래그들을 청소하는데 용이한 장비입니다.
안전관리
작업도중, 뜨거운 고온과 스파크, 유해 가스 등 다양한 위험 요소가 도사리고 있습니다. 그렇기 때문에 철저한 안전 관리가 필요합니다. 다음은 작업 시 안전 관리를 위해 고려해야 할 주요 사항들입니다.
작업 환경 준비
환기는 작업시 발생하는 유해 가스를 배출하기 위해 주기적으로 해야합니다. 특히 일부 유해가스들은 흡입을 인지하기돼 전에 죽독될 수 있기 때문에 자주 환기하며 마스크 또한 사용해야 합니다.
화재 예방을 위해 소화기를 작업 현장에 비치하고, 작업자 주변에 가연성 물질이 없도록 해야 합니다. 특히 가스로 작업시 한번 사고가 난다면 대형사고이기 때문에 더욱 더 주의를 기울여야 합니다.
보호장비 착용
보호 마스크는 자외선과 적외선으로부터 눈을 보호하기 위해 반드시 보호 마스크를 착용합니다.
보호 안경은 마스크 외에도 작업 전후에 눈을 보호하기 위해 착용해야 합니다.
방호복은 내화성 소재로 이루어져 있으며 스파크와 뜨거운 금속 조각으로부터 작업자의 몸을 보호합니다.
장갑은 작업자를 뜨거운 열이나 스파크로부터 부상을 방지해줍니다.
안전화는 내구성이 강하고 작업도중 미끄럼을 방지해 2차적인 사고를 막아줍니다.
귀마개 및 호흡 보호구는 작업시 일어난느 큰 소음으로부터 청력을 보호하고 미처 환기하지 못한 유해 가스로부터 호흡기를 보호해줍니다.
장비 점검
전기 안전은 고온을 이용하는 작업인 만큼 콘센트의 피복부위가 벗겨지지 않도록 주의해야 합니다. 또한 분진가루가 많이 생기지 않도록 환기를 자주하며. 전기 충격을 방지하기 위해 젖은 손으로 장비를 만지지 않도록 합니다.
가스 누출 점검은 가장 중요한 주의사항중 하나로, 가스 작업 시에는 가스 누출 여부를 확인하고, 가스통과 연결부가 안전하게 고정되어 있는지 점검합니다.