용접 이론의 기본 이해 - 1. 아크현상의 이해

1. 아크(Arc)
• 용접봉과 모재와의 사이에 직류 전류를 걸어서 접촉시켰다가 약간 뗄 때 두 전극 사이에서 강력하게 일어나는 불꽃 방전.
• 대단히 강한 빛과 열을 발생하므로 차광유리를 사용하지 않으면 직접 육안으로 관찰불가.

2. 아크전압
• 아크방전시 전극간의 전압
• 아크 길이, 전극의 재질, 보호가스의 종류와 압력, 전류의 세기에 의해 변함.
• 양극 강하, 아크기둥 강하, 음극 강하로 이루어지며, 대기압에서 20~40V 정도
• 양극 강하 및 음극 강하는 양극과 음극의 얇은 필름 층에서 일어나며, 대략 1~10V 정도
• 일정한 용접공정에서 아크길이는 아크전압에 거의 비례하여 증가

 

< 아크의 구성과 전위(Electric potential) 분포>

3. 핀치효과
• 원주의 도체에 전류가 흐르면 전류소자 사이에 흡인력이 작용하여 원주의 직경이 가늘게 수축되는 현상
• 열적핀치효과와 전자기적핀치효과의 2종류가 있음.
• 효과의 강도는 전류의 제곱에 비례하기 때문에 전류가 크면 심하게 일어나며, 솔리드와이어^[각주:1]의 경우에 많이 나타남.

 

4. 열적핀치효과(Thermal pinch effect)
• 아크기둥(Plasma)이 주위로부터 강제냉각되면, 아크기둥 자체가 열손실을 적게하기 위해서 표면적(단면적)을 줄여 수축하는 현상
• 아크기둥의 열손실이 커지면, 아크기둥의 단면적이 감소하여 전위경사도가 커짐.
• 수소(H), 헬륨(He) - 가벼운 기체이기 때문에 분자의 운동속도가 증가하여, 아크기둥의 열을 많이 흡수

- 열적핀치효과가 증가되고, 전위경사도는 커짐. - 수소의 전위경사도는 약 4V/mm
• 아르곤(Ar) - 무거운 기체로서 열적핀치효과가 적고, 전위경사도는 약 0.5V/mm
• 이산화탄소(CO2) - 2원자 기체로서 고온에서는 불안정하여 해리할 때 주위의 아크로부터 열을 흡수

- 열적핀치효과가 증가되고, 전위경사도는 커짐.

5. 전자기적핀치효과(Electro-magnetic pinch effect)
• 플라즈마(아크기둥) 또는 용융금속도체에 전류가 흐르면, 그 주위에 형성되는 자력선과 전류의 상호작용(플레밍의왼손법칙)에 의해 전류의 방향과직각방향의 힘(電磁氣力, electro-magnetic force)이 발생. 이 전자기력에 의하여 플라즈마나 용융금속이 수축하는 현상.

 

< 전자기적핀치효과>

6. 플라즈마(Plasma) 기류
• 아크용접에서 작은 직경의 전극(텅스텐 또는 직경1.2mm의와이어)과, 평탄하고 넓은모재 사이에 발생하는 아크에서는 전극주위의 아크압력이 모재주위보다 높게 됨(P>Q).
• 압력차에 의하여 플라즈마 기류라고 불리는 가스기류가 발생

 

7. 플레밍의 왼손법칙
• 왼손의 검지로 향하고 있는 자력선 방향과, 중지방향으로 전류가 흐를때, 도체는 엄지방향으로 힘을 받음.(FBI)

 

8. 아크의 경직성(지향성)
• 아크용접중 전극을 기울이면 전자기적핀치효과와 모서리에 형성되는 자계의 작용에 의하여 아크가 전극의 연장선 방향으로 발생

 

9. 아크 쏠림(Arc blow, Magnetic arc blow)
• 아크가 전류의 자기작용에 의하여 한쪽으로 쏠리는 현상
• 직류에서 피복되지않은 나봉(裸奉)을 사용하는 경우에 많이 나타남
• 용접을 시작하는 부분과 끝내는 부분에서 아크가 안쪽방향으로 강하게 쏠리게 되며, 이것을 방지하기 위해서는 교류용접을 사용하는 것이 효과적
• 낮은 전압일수록 아크가 짧고, 직진성이 강하여 높은 전압일 때와 비교하여 아크쏠림의 영향이 적게 나타남.

 

10. 아크 쏠림의 피해를 줄이는 방법

• 모재에 연결된 접지점을 용접부에서 최대한 멀리 놓는다

• 용접이 끝난 용접부 또는 큰 가용접부를 향하여 용접한다

• 아크의 길이를 용접에 지장이 없는 범위에서 최대한 짧게 한다

• 용접 전류를 줄인다

• Runoff Tab^[각주:2]을 설치해서 용접을 진행한다

• 긴 용접부는 후진(Back Step) 용접법을 선택한다

• 교류롸 바꾸어 용접을 진행한다

• 용접봉 끝을 아크 쏠림 반대 방향으로 기울인다

 

11. 아크력(Arc force)
• 아크가 발생하여 용융지를 밀어 붙이게 되는 힘
• 아크력은 일반적으로 전류의 제곱과 전압의 곱에 비례하여 증가하며, 용융지의 깊이가 얕은 고속용접에서 아크력이 커지면 언더컷^[각주:3] 또는 험핑비드^[각주:4]가 자주 발생

 

12. 아크압력(Arc pressure)
• 아크발생시 플라즈마에 의해서 형성되는 아크의 축방향압력
• TIG 용접의 아크압력분포는 아크의 중심부에서 가장 크게 형성되고, 아크의 변두리에서는 거의 0으로 되지만 전극팁의 형상과 실드가스, 아크길이등에 따라 크게 변화

 

13. 보호가스의 목적

• 용융금속을 대기로부터 차단하여 금속의 산화 및 질화를 방지

• 아크 특성, 용적이행 모드, 용입 깊이 및 비드 형상, 용접 속도, 언더컷 결함 발생 적도, 청정작용, 용착 금속의 기계적 성질 등에 상당한 영향을 끼치기 때문에 적절한 조성의 선택에 주의하여야 한다.

 

[각주]

1. 플럭스를 내장하지 않은 CO2용접용 와이어 [본문으로]
2. 용접 접합하는 모재의 양단에 부착하는 보조강판. 맞춤쇠. [본문으로]
3. 용접선을 따라서 모재가 파여져, 용착금속이 채워지지 않고 홈이 남아 있는 부분 [본문으로]
4. 고속용접시 비드의 표면에 혹모양으로 울퉁불퉁한 비드가 형성되는 것 [본문으로]