3.4.3 용융금속의 이행 현상

(2) 금속이행 형태의 분류
국제용접학회(IIW)에서는 용가재가 아크열에 의해 용융되어 용융지로 이행하는 모든 형태를 <표1>과 같이 분류하고 있으며, <그림1>은 이들 이행 현상을 도식적으로 보여주고 있다. 여기서는 GMAW에서 나타나는 이행형태에 대해서만 설명하고자 한다. GMAW에서 용융금속이 이행하는 양상(mode)은 크게 두 가지로 분류된다. 하나는 와이어 선단에서 생성된 용적이 와이어로부터 이탈되어 금속방울 상태로 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하는 형태로써, 이를 자유비행 이행이라고 한다. 이것은 다시 이행되는 용적의 크기에 따라 입상용적 이행과 스프레이 이행으로 분류된다.

<표1> 국제용접학회(IIW)의 금속이행 현상 분류

이행 현상 명칭 용접기법(예)
1) 자유비행( free flight) 이행
* 입상용적(globular) 이행
- 드롭(drop) 이행
- 반발(repelled) 이행
* 스프레이(spray) 이행
- 프로젝티드(projected) 이행
- 스트리밍(streaming) 이행
- 회전(rotating) 이행
* 폭발(explosive) 이행
저전류 GMAW
CO2 GMAW

중저전류 GMAW
중전류 GMAW
고전류 GMAW
SMAW
2) 브리징(bridging) 이행
* 단락(short circuiting) 이행
* 연속브리징(bridging without interruption)
GMAW(단락조건),SMAW
용가재를 첨가하는 용접
3) 슬래그 보호(slag-protected) 이행
* 플럭스유도(flux-wall guided) 이행
* 기타
SAW
SMAW, FCAW, ESW

 

< 그림 1 > GMA용접의 용적 이행 현상

(a) 입상용적이행 (b) 반발이행 (c) 프로젝티드이행 (d) 스트리밍이행 (e) 회전이행 (f) 폭발이행 (g) 단락이행

다른 하나는 와이어 선단에 형성된 용적이 용융지와 순간적으로 접촉하여 가교(bridging)를 형성한 상태에서 용융금속이 용융지로 흘러내리는 형태인데, 가교가 형성된 상태에서는 전기적 단락이 발생하기 때문에 이르 단락이행이라고 한다.

1) 단락(short circuiting) 이행

단락이행은 보호가스 조성에 관계 없이 저전류, 저전압 조건에서 나타나는 이행형태이다.
<그림2>에는 단락이행 과정과 그에 수반되는 용접전류-전압의 순간적인 변화를 보여주고 있다.

< 그림 2 > 단락이행 과정과 용접전류, 전압의 변화

먼저, 와이어 선단에서 형성된 용적이 충분히 성장하지 못한 상태에서 용융지와 접촉하게 되면, 전기저항이 급격히 저하하고 용접아크는 소멸된다. 따라서, 단락과 동시에 용접전압은 거의 수직으로 감소하고, 용접전류는 단락이 유지되는 동안(a-d) 급격히 상승한다.

용융금속은 단락이 유지되는 동안 중력과 용융지로부터의 흡인력(표면장력)에 의해 용융지로 이동하게 되는데, 단락 말기에는 단면적이 적어지면서 전류 밀도가 증가하여 저항열에 의한 단락부의 온도 상승과 전자기력에 의한 핀치효과가 추가되어 용융금속의 이행은 더욱 촉진되며 결극 와이어와 용융지는 분리된다.(e) 용융지와 와이어가 분리되는 순간 아크는 재생성되면서 아크전압 상태로 급상승하게 되고, 전류는 아크가 유지되는 동안 점차적으로 감소하여 최종적으로 아크 전류 상태가 되면서 한 주기를 마무리하게 된다. 단락이행 과정에서 용접전류는 상승과 하강을 반복하게 되는데, 상승 및 하강속도는 용접전원의 인덕턴스에 의해 결정된다. <그림3>은 CO2 용접에서 일어나는 단락이행 과정을 고속촬영하여 순차적으로 보여주는 것이다.

단락이행 과정에서 가장 큰 역할을 하는 힘은 전자기력, 중력과 표면장력인데, 표면장력의 크기는 보호가스의 조성에 따라 변화한다. 다라서, 보호가스의 조성은 단락 기간과 횟수 등에 큰 영향을 주게 된다.


< 그림 3 > CO2 용접에서의 단락이행 과정

2) 입상용적(globular) 이행
GMAW에서 전류가 비교적 낮은 경우에는 보호가스 조성에 관계없이 입상용적 이행하는 형태가 나타난다. 그러나, 보호가스가 CO2나 He일 경우에는 사용 가능한 용접전류 전 범위에서 입상용적 이행이 나타난다. 입상용적 이행은 이행되는 용적의 직경이 용접 와이어의 직경보다 크다는 것과 용적이 용융지와 직접 접촉하지 않는다는 것이 특징인데, 와이어 선단에서 와이어 직경의 2-3배 정도의 크기로 성장된 용적이 중력에 의해 이탈되어 초당 수 개에서 수십 개씩 용융지로 자유낙하되는 형태로써, <그림 4>에는 입상용적 이행 과정을 단계별로 보여주고 있다. 이러한 용적이행 조건에서 아크 길이가 짧아지게 되면(즉, 용접 전압이 낮아지면) 성장된 용적이 용융지와 접촉되지 쉽기 때문에 순간적인 단락현상이 나타나게 된다.


< 그림 4 > 입상용적(drop) 이행과정

순간 단락이 발생하면 급격한 전류 상승을 동반하여, 용적은 급격히 가열되고 폭발성으로 분산되기 때문에 심한 스패터를 발생하게 된다. 따라서, 입상용적 이행이 안정적으로 이루어지기 위해서는 용적이 완전히 이탈될 수 있을 정도의 아크 길이를 유지할 필요가 있다.

한편, 입상용적 이행에 있어서 보호가스의 조성은 용적이행 및 아크 안정성에 커다란 영향을 미친다. 먼저, Ar 가스를 주성분으로 하는 조성에서는 용적이 구형이며(그림4), 아크는 용적 전체를 감싸고 있어 이행이 매우 안정적으로 이루어진다. 그러나, CO2의 경우에는 아크가 용적의 하단부에만 집중되어 있어 용적에는 전자기적인 반발력이 작용하게 된다. 결국 CO2 용접에서는 그림 2.8과 같이 용적이 매우 불규칙한 형상을 가질 뿐만 아니라 이행과정에서 큰 스패터가 다량 발생한다. 이와 같이 입상용적 이행에서는 용적형상이 반발력 유무에 따라 상이한 관계로, 전자를 드롭(drop)이행, 후자를 반발(repelled)이행이라고 구분하기도 한다.


< 그림 5 > CO2 용접(플럭스 코어드 와이어 사용)에서의 용적 이행

3) 스프레이(spray) 이행
Ar 가스를 주성분으로 하는 보호가스 분위기에서는 용접전류가 증가함에 따라 <그림6>에서 보여주는 바와 같이 특정 전류에서 용적의 크기가 급격히 변화한다. 이러한 전류를 천이전류라고 하는데, 용접전류가 천이전류보다 낮은 경우에는 입상용적 이행이 나타나고, 그 이상일 때는 와이어의 직경보다 작은 용적들이 초당 수백회 정도의 높은 빈도수로 이행하는 현상이 나타난다.


< 그림 6 > 용적의 크기 및 이행횟수에 미치는 용접전류의 영향

이러한 이행 형태를 스프레이 이행이라고 하는데, 입상용적 이행이 스프레이 이행으로 바뀌는 천이전류는 용접재료의 화학조성 및 와이어직경에 따라 <표2>과 같다.
스프레이 이행에서는 전자기력이 가장 큰 영향을 미치는 힘이 되는데, 전자기력은 와이어 축에 수직한 방향으로 작용하며 핀치효과가 있어 용적이 크게 성장하기 전에 와이어 선단으로부터 이탈시켜 용융지로 투사하는 원동력이 된다. 스프레이 이행 형태는 전류가 증가함에 따라 프로젝티드(projected) 이행, 스트리밍(streaming) 이행 및 회전(rotating) 이행 등으로 구분된다. 실제 용접 아크를 자세히 관찰하여 보면 프로젝티드 이행인 경우는 삼각형 모양의 아크 기둥만이 보이고, 스트리밍 이행인 경우에는 삼각형의 아크 기둥 중아에 용적이 물줄기를 이루고 있는 검은선을 관찰할 수 있으며, 회전이행의 경우에는 아크 기둥이 종 모양으로 바뀌면서 매우 큰 소음을 낸다.

< 표 2 > 용접재료 및 직경에 따른 천이전류

① 프로젝티드(projected) 이행 - 와이어 직경과 비슷한 크기의 둥글고 작은 용적이 와이어 선단부에서 빠른 속도로 모재로 방출된다. 이 형태는 스프레이 이행으로 천이한 초기이행 형태로써 와이어의 끝이 뾰족하지 않다.(그림7) 아크는 매우 안정적이며 소음도 적다.


< 그림 7 > 프로젝티드 이행

② 스트리밍(streaming) 이행 - 프로젝티드 이행 조건에서 전류를 증가시키면 나타나는 형태로써, 와이어 선단이 연필심과 같이 뾰족한 모양을 하고 있다. 뾰족한 와이어의 끝으로부터 매우 미세한 용적이 빠르게 형성되어 용융지로 투사되기 때문에 외관상으로는 액체가 흐르듯이 연속적으로 이행하는 것처럼 보인다.(그림8) 아크는 안정하며 소음도 매우 적다.


< 그림 8 > 스트리밍 이행

③ 회전(rotating) 이행 - 스트리밍 이행 조건보다 높은 전류에서 발생하는 이행 형태로써, 저항열과 아크 열에 의해 용융된 와이어의 끝이 전자기력의 영향을 받아 나선형 궤적을 그리면서 빠른 속도로 용융지로 이동하는 형태이다.(그림9) 불안정한 회전 이행 조건으로 용접이 이루어지면 아크가 불안하고 대형 스패터를 일으킨다.(그림10)


< 그림 9 > 회전 이행


< 그림 10 > 불안정 회전 이행



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