3.4.4 용접재료

(1) 보호가스

보호가스의 일차적인 목적은 용융금속을 대기로부터 차단하여 금속의 산화 및 질화를 방지하는 것이다. 그밖에도 보호가스는 다음과 같은 사항에 상당한 영향을 끼치기 때문에 적절한 조성의 선택에 주의하여야 한다.

* 아크 특성
* 용적이행 모드
* 용입 깊이 및 비드 형상
* 용접 속도
* 언더컷 결함 발생 정도
* 청정작용
* 용착 금속의 기계적 성질
* 용접 비용

일반적으로 GMAW에 사용되는 가스는 Ar, He, CO2로써 이들 가스 중 2가지 이상을 혼합하여 사용하거나 산소 등을 소량 첨가하는 경우도 있다. <표1>는 용접 재료에 따른 보호가스의 선택 기준을 보여주고 있다.

< 표 1 > GMA용접의 보호가스 선택 기준
재 료 보호가스 장 점
탄 소 강 Ar+O2(2-5%)
Ar+CO2
* 아크 안정성을 증대시킨다.
* 순 Ar일 때보다 용접속도가 빠르고, 언더컷을 최소화한다.
CO2 * 가격이 저렴하다.
스테인리스강 Ar+O2(1%) * 아크 안정성을 증가시킨다.
* 용융금속의 유동성이 좋고 용융지 조성이 쉽 다.
* 결합이 잘 되고 비드 형상이 좋다.
Ar+O2(2%) * 후판에서 언더컷이 최소화된다.
* 박판 스테인리스강 용접에서 1%O2 혼합가스 보다 용접속도 및 아크 안정성이 우수하다.
알 루 미 늄 Ar * 25mm이하 : 용융금속 이동 형태와 아크 안정 성이 좋고 스패터가 적다.
Ar(35%)+He(65%) * 25-75mm : 순 Ar보다 용접 입열이 크다.
Ar(25%)+He(75%) * 75mm이상 : 용접 입열이 최대로 되고 기공이 감소된다.

1) Ar 및 He 가스

Ar과 He가스는 화학적으로 불활성이므로 용접부에서 다른 물질과 결합하지 않는다. 그러나, 이들은 <표2>에서 보는 바와 같이 밀도, 열 전도도, 전기 전도도 및 이온화에너지 등에 있어서 커다란 차이가 있기 때문에 아크 특성 및 보호 효과에도 차이가 있다. Ar은 공기보다 약 1.4배 무거운 반면, He는 약 0.14배 정도 가볍다. 따라서, 아래보기 자세에서 용융금속을 보호한다는 관점에서 보면 Ar 가스가 보다 효율적인데, He 가스로써 같은 정도의 보호 효과를 얻으려면 2-3배 정도의 유량이 필요하게 된다. 또한, Ar 가스는 열 전도성이 낮아서 에너지가 플라즈마 중앙부에 집중되어 종 모양의 비드를 만드는 반면, He 가스는 열전도성이 높기 때문에 에너지가 아크 내에 균일하게 분산되어 타원형의 비드 형상을 가지게 된다. <그림1> 아크특성에 있어서는, He의 이온화에너지가 Ar 보다 높기 때문에 용접전압을 높게 사용하여야 한다. 그리고, He 가스만을 사용하면 안정된 스프레이 이행을 얻을 수 없기 때문에 스패터가 많이 발생하고 비드 외관이 거칠어진다는 단점이 있다. 따라서, Ar과 He 가스를 혼합해서 사용하게 되면 두 가지 가스의 장점을 모두 얻을 수 있다.

< 표 2 > 주요 보호가스의 특성 비교
항 목 He Ar CO2
밀도(21℃, 1atm) kg/m3 0.1667 1.656 1.833
열전도율(5,000K) W/m·K 0.9 0.144 0.127
전기저항(10,000K) ohm-m 6.0×10-2
3.0×10-4 -
이온화 전위 eV 24.580 15.7551 15.3-20.3


< 그림 1 > 보호가스에 따른 비드 형상 및 용입 깊이의 변화

2) Ar과 O2 (또는 CO2)의 혼합가스
Ar은 안정된 스프레이 이행을 하므로 스패터 발생이 적은 보호가스이다. 그러나, 순수한 Ar 가스만을 사용하면 비드 가장자리에 언더컷과 같은 결함을 야기시킨다. 이와 같은 결함 발생을 방지하기 위해 Ar에 O2를 1-5% 또는 CO2를 3-25% 정도 첨가한다. 이들이 첨가되면 용융금속에서 약간의 산화 작용이 일어나게 되고 아크 안정성이 현저하게 개선되며, 생성된 산화물은 일종의 플럭스 역할을 하여 언더컷이 발생하지 않는다. 따라서 Ar+O2 혼합가스는 스테인리스 강 용접에 일반적으로 많이 사용되고 있다. 한편, 연강이나 저합금강에서는 스패터 발생량을 줄이기 위해서 Ar+CO2 혼합가스가 주로 사용되고 있다.

3) CO2 가스

CO2는 반응성이 매우 강한 가스이지만 가격이 저렴하고, 용입이 깊다는 장점이 있어서 연강이나 합금강 용접에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 CO2는 가스의 특성상 단락이행과 입상용적 이행 모드만이 나타나기 때문에 저전류 범위에서 아크가 불안하고 아크 소음이 크다. 또, 스패터 발생량이 많다는 취약점이 있어서 이러한 단점을 개선하기 위하여 새로운 용접기 및 용접재료가 다양하게 개발되고 있다.

4) 3원계 이상의 혼합가스
Ar 가스를 기본으로 하고, 여기에 He, CO2 또는 O2 등을 2종 이상 혼합한 가스가 여러 가지 조성으로 상품화 되고 있다. 이들은 각각의 가스들이 가지는 장점을 극대화하여 용접 작업성을 향상시키고자 한 것이다. 특히, 상기 가스를 모두 혼합하여 사용한 4원 혼합가스는 용착속도를 극대화하기 위해 개발된 것으로 흔히 TIME 프로세스로 불리며, 450A 이상의 고용착 조건에서 안정된 회전이행을 한다고 알려져 있다.


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