필수 용접 방법: 일반적인 기술 가이드

퓨전 용접

융착 용접은 용접 지점의 모재를 압력을 가하지 않고 녹여(종종 필러 금속을 추가하여) 용접 이음새를 형성하는 용접 방법입니다.

용융 용접의 핵심은 금속의 용융과 결정화를 포함하는 소규모 용융 및 주조 공정입니다. 온도가 재료의 융점에 도달하면 모재와 용접 와이어가 녹아 용융 풀을 형성하여 기둥 모양의 결정으로 결정화됩니다. 용융 풀은 짧은 시간 동안 존재하고 온도가 높으며 빠르게 냉각되며 결정화 후 거친 원주형 결정을 쉽게 형성합니다.

우수한 용접 접합부를 얻으려면 적절한 열원, 우수한 용융 풀 보호, 용접 심 필러 금속이 필요합니다. 이를 융착 용접의 세 가지 필수 요소라고 합니다.

(1) 열원:

금속을 빠르게 녹이고 열 영향 구역을 최소화하려면 에너지가 집중되고 온도가 높아야 합니다. 적합한 열원으로는 아크, 플라즈마 아크, 전기 슬래그 열, 전자빔, 레이저 등이 있습니다.

(2) 용융 풀의 보호:

슬래그 보호, 가스 보호 및 슬래그-가스 보호의 조합을 사용하여 산화를 방지하고 탈산소, 탈황 및 탈인화를 수행하여 합금 원소를 용접 이음새로 전이시킬 수 있습니다.

(3) 필러 메탈:

이를 통해 용접 이음새가 채워지고 유익한 합금 원소가 도입되어 필요한 기계적 특성 및 기타 성능 요구 사항을 달성할 수 있습니다. 주요 유형은 용접 코어와 용접 와이어입니다.

일반적인 융합 용접 방법에는 가스 용접, 스틱 아크 용접이 있습니다, 서브머지드 아크 용접, 아르곤 아크 용접, CO₂ 가스 차폐 용접, 전기 슬래그 용접, 플라즈마 아크 용접, 전자빔 용접, 레이저 용접 등이 있습니다.

서브머지드 아크 용접

서브머지드 아크 용접은 용접 와이어가 자동으로 연속적으로 공급되고 용접용 플럭스 층 아래에서 아크가 연소하는 방식입니다. 입상 플럭스가 용접봉의 코팅을 대체하고 자동으로 공급되는 용접 와이어가 봉의 코어를 대체합니다. 아크 타격, 와이어 공급, 아크 전진 과정이 모두 기계에 의해 수행되기 때문에 생산성과 용접 품질이 높아집니다.

(1) 서브머지드 아크 용접 공정

그림 4-18에서 볼 수 있듯이 서브머지드 아크 용접의 원리는 약 30~50mm 두께의 입상 플럭스 층으로 용접 접합부를 덮는 것입니다. 자동 용접 헤드는 일정한 아크 길이를 유지하면서 연속 코일 모양의 용접 와이어를 아크 영역으로 공급합니다. 용접 와이어, 공작물의 접합부 및 일부 플럭스를 녹여 슬래그와 용융 풀을 형성하여 야금학적 반응을 일으킵니다.

일부 플럭스와 금속이 증발하여 가스를 형성합니다. 특정 압력을 가진 가스는 아크 주변의 슬래그를 밀어내어 닫힌 슬래그 버블을 형성합니다. 이 기체는 일정한 점도를 가지며 일정한 압력을 견딜 수 있습니다. 슬래그 버블로 둘러싸인 용융 풀 금속은 공기로부터 격리되어 금속 튐을 방지하고 열 손실을 줄이며 아크 광선이 산란되는 것을 방지합니다.

자동 용접기가 앞으로 이동하거나 공작물이 일정한 속도로 움직이는 동안 기계가 정지하면 아크 아래의 모재 금속과 용접 와이어가 지속적으로 가열되고 녹아 공통 용융 풀을 형성합니다. 풀 뒤의 금속은 냉각되어 용접 이음새로 굳어집니다. 풀 표면에 떠다니는 슬래그는 용접 슬래그로 응축되고, 녹지 않은 플럭스는 회수 후 재활용 및 재사용할 수 있습니다.

(2) 서브머지드 아크 용접 기술

1) 용접 전 준비.

서브머지드 아크 용접에는 큰 용접 전류와 깊은 융착이 필요하므로 두께가 20-25mm 이하인 공작물에는 홈이 필요하지 않습니다. 그러나 실제 생산에서는 공작물의 완전한 침투를 보장하기 위해 판 두께가 14-22mm 일 때 Y 자형 홈을 절단해야합니다. 후판 두께가 22~50mm인 경우 이중 Y자형 또는 U자형 홈을 절단할 수 있습니다.

Y자형 및 이중 Y자형 홈의 각도는 50-60도입니다. 용접 이음새 간격은 균일해야 합니다. 직선 이음새를 용접할 때는 기공, 내포물, 수축 공동 및 아크 타격 및 소멸로 인한 느슨 함과 같은 결함이 공작물의 용접 이음새에 유입되어 용접 품질에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 시작 보드와 나가는 보드(그림 4-19f)를 설치해야 합니다.

2) 평판 맞대기 용접.

그림 4-19에서 보듯이 평판을 맞대기 용접할 때는 일반적으로 양면 용접을 사용합니다. 틈새를 직접 남기지 않고 양면을 용접하거나 루트 용접 또는 패드 용접을 선택할 수 있습니다. 생산성을 향상시키기 위해 수냉식 동판을 양면 형성 단면 용접에 사용할 수 있습니다.

a) 양면 용접
b) 점착 용접
c) 받침판 사용
d) 백 그루브 홈 사용
e) 수냉식 동판
f) 스트라이크 플레이트와 런오프 플레이트 사용

3) 원형 용접 이음새.

원형 용접 이음새를 용접할 때 용접 와이어의 시작점은 용융 풀 금속이 흐르지 않도록 원의 중심선으로부터 일정 거리 'e'만큼 떨어져 있어야 합니다(그림 4-20). 일반적으로 e=20-40mm입니다. 직경이 250mm 미만인 부품의 원형 용접 이음새는 일반적으로 서브머지드 아크 용접 방법으로 용접하지 않습니다.

(3) 서브머지드 아크 용접의 특징 및 응용 분야

차폐 금속 아크 용접에 비해 서브머지드 아크 용접은 다음과 같은 장점이 있습니다:

1) 높은 생산성.

서브머지드 아크 용접의 전류는 차폐 금속 아크 용접보다 6~8배 높은 1000A를 초과하는 경우가 많습니다. 따라서 용융 깊이가 더 깊고 용접 속도가 더 빠릅니다. 용접 와이어를 교체할 필요가 없어 시간이 절약되고 생산성이 차폐 금속 아크 용접보다 5-10배 높습니다.

2) 높고 안정적인 용접 품질.

용접 공정은 자동이며 공정 파라미터가 안정적입니다. 용융 풀은 더 오랜 시간 동안 액체 상태로 유지되어 야금 공정이 더욱 철저해집니다. 가스와 슬래그가 쉽게 떠다니고 용접 금속의 화학 성분이 균일합니다. 동시에 충분한 플럭스로 인해 아크 영역이 잘 보호되어 아름다운 용접 형성과 안정적인 용접 품질을 얻을 수 있습니다.

3) 금속 재료를 절약하고 생산 비용이 저렴합니다.

서브머지드 아크 용접용 공작물은 홈이 필요하지 않거나 그 수가 적을 수 있으므로 홈 가공으로 인해 소모되는 금속 재료와 용접 재료를 절약할 수 있습니다. 또한 다음과 같은 손실이 없습니다. 용접봉 차폐 금속 아크 용접에서와 같이 끝부분에 용융 방울이 덜 튀기므로 생산 비용이 절감됩니다.

4) 좋은 근무 조건.

서브머지드 아크 용접 공정의 기계화 및 자동화는 작업자의 노동 강도를 크게 줄여줍니다. 또한 아크가 플럭스 아래에 묻혀 있기 때문에 아크 광이 보이지 않고 용접 연기가 적어 작업 조건이 개선됩니다.

서브머지드 아크 용접은 평면 용접, 긴 직선 이음새 및 대구경 원형 이음새 용접에만 적합합니다. 얇은 판재 및 곡선 심 용접에는 적합하지 않습니다. 또한 공작물에 대한 사전 조립 요구 사항이 더 높습니다.

서브머지드 아크 용접은 탄소강, 저합금 구조강, 스테인리스강, 내열강 등에 적용할 수 있습니다. 주로 압력 용기의 원주 심 용접 및 직선 심 용접, 보일러 냉각벽의 긴 직선 심 용접, 선박 및 잠수함 선체, 크레인, 야금 기계(용광로 본체) 등에 사용됩니다.

아르곤 아크 용접

(1) 아르곤 아크 용접의 분류

아르곤 아크 용접은 아크와 용접 부위를 보호하기 위해 아르곤 가스를 사용하는 아크 용접 방식입니다. 불활성 기체인 아르곤은 액체 금속에 용해되지 않으며 금속과 반응하지 않습니다.

아르곤 아크가 점화되면 아크는 매우 안정적입니다. 사용되는 전극의 유형에 따라 아르곤 아크 용접은 소모성 전극 아르곤 아크 용접과 비 소모성 전극 아르곤 아크 용접(텅스텐 전극 아르곤 아크 용접이라고도 함)의 두 가지 유형으로 나뉩니다.

1) 소모성 전극 아르곤 아크 용접.

이 유형의 용접은 그림 4-21a와 같이 연속적으로 공급되는 와이어를 전극으로 사용하며, 용융 후 일반적으로 MIG 용접으로 알려진 불활성 가스 차폐 용접에서 필러 금속 역할도 합니다.

1,16-용접 와이어
2,11 전도성 노즐
3,10-노즐
4,13-공기 흡입 파이프
5, 9-가스 흐름
6,14-전기 아크
7,15-작품
8-와이어 피드 휠
12-텅스텐 로드

와이어 방울은 일반적으로 미세한 "스프레이 전환"을 통해 용접 풀로 들어갑니다. 용접에 사용되는 전류는 상대적으로 높고 생산성이 높으며 25mm 이하의 중간 및 두꺼운 판재 용접에 적합합니다. 알루미늄과 그 합금을 용접할 때는 아크의 안정성을 높이기 위해 직류 역극성(음극에 연결된 공작물)을 사용하는 경우가 많습니다.

동시에 대량의 아르곤 이온을 사용하여 용융 풀 표면에 충격을 가하여 용융 풀 표면에 쉽게 형성되는 고융점 산화막을 파괴하여 용접의 융합에 유리하고 용접 품질을 보장합니다. 이 효과를 "음극 청소"("음극 원자화"라고도 함)라고 합니다.

용접 와이어는 전극과 필러 재료의 역할을 모두 수행하므로 전용 와이어 공급 메커니즘이 필요합니다.

2) 비소모성 전극 아르곤 아크 용접.

이 유형의 용접은 일반적으로 알려진 불활성 가스 차폐 용접에서 융점이 높은 순수 텅스텐 또는 텅스텐 합금 막대를 전극으로 사용합니다. TIG 용접. 용접하는 동안 텅스텐 전극은 녹지 않고 전기 전도를 위한 전극으로만 사용됩니다. 용접 와이어는 텅스텐 전극의 앞쪽에서 용접 풀로 공급됩니다(그림 4-21b).

강철 부품을 용접 할 때 직류 전극 양극 (양극에 연결된 공작물)이 자주 사용되며 그렇지 않으면 텅스텐 전극이 쉽게 연소됩니다. 유색 용접 시 금속 알루미늄, 마그네슘 및 그 합금과 같이 직류 역극성 또는 교류 아르곤 아크 용접을 사용할 수 있습니다.

공작물이 음극에 있거나 교류 전원의 음극 반주기 동안 "음극 청소"효과를 활용할 수 있습니다. 텅스텐 전극의 소손을 줄이기 위해 전극을 통과하는 용접 전류가 너무 크지 않아야하고 용접 깊이가 얕기 때문에 비 소모성 전극 아르곤 아크 용접은 일반적으로 두께가 6mm 미만인 얇은 판을 용접하는 데 사용됩니다.

(2) 아르곤 아크 용접의 특성 및 응용 분야

1) 우수한 용접 품질.

불활성 가스는 효과적인 차폐 기능을 제공하여 용접 이음새가 깨끗하고 미적으로 만족스러워집니다.

2) 열에 영향을 받는 영역과 변형이 최소화됩니다.

아르곤 아크 용접 공정은 안정적이고 집중된 에너지 아크(아크의 수축으로 인해)가 특징이므로 용접 공정을 쉽게 제어할 수 있습니다.

3) 기계화 및 자동화를 촉진합니다.

오픈 아크 용접을 사용하면 용접 이음새 형성을 쉽게 관찰할 수 있으며 용접 후 슬래그를 제거할 필요가 없습니다.

아르곤 아크 용접에는 아르곤 가스가 비싸고 장비 비용이 높으며 엄격한 용접 전 청소가 필요하며 아르곤 가스는 탈산소 및 탈수소 효과가 없다는 몇 가지 단점이 있습니다. 아르곤 아크 용접은 알루미늄, 마그네슘, 티타늄 및 그 합금, 내열강, 스테인리스강 등과 같이 쉽게 산화되는 비철금속, 합금강 및 기타 재료를 용접하는 데 적합합니다.

CO₂ 가스 차폐 용접

CO₂ 가스 차폐 용접, 일반적으로 CO₂ 용접은 CO를 사용하는 금속 불활성 가스(MIG) 용접의 한 유형입니다.₂ 가스를 사용하여 아크와 용접 부위를 보호합니다. 이 용접 방법은 연속적으로 공급되는 용접 와이어를 전극으로 사용하여 와이어와 공작물 사이에 생성된 아크에 의존하여 모재와 와이어를 녹여 자동 또는 반자동 용접을 가능하게 합니다.

아크가 점화되면 용접 와이어의 끝, 아크 및 용융 풀이 CO로 둘러싸여 있습니다.₂ 가스를 사용하여 고온의 금속을 공기의 유해한 영향으로부터 보호합니다. 그 원리와 장비는 금속 불활성 가스(MIG) 용접과 유사하지만 사용되는 차폐 가스가 다르다는 점이 다릅니다. 일반적으로 사용되는 용접 와이어는 H08Mn2SiA입니다.

CO의 특성₂ 가스 차폐 용접:

1) 높은 생산성. 자동 와이어 공급, 높은 전류 밀도, 집중된 아크 열로 용접 속도가 빠릅니다. 용접 후 슬래그가 발생하지 않아 슬래그 제거 시간이 절약됩니다. 생산성은 스틱 아크 용접보다 1 ~ 4 배 높습니다.

2) 좋은 용접 품질. CO₂ 가스를 사용하면 용접 이음새의 수소 함량이 낮고 와이어의 망간 함량이 높아 상당한 탈황 효과를 얻을 수 있습니다. 또한 압축 가스 흐름 하에서 아크가 연소함에 따라 열이 집중되고 열 영향 영역이 작으며 용접 조인트의 균열 저항성이 우수합니다.

3) 우수한 운영 성능. CO₂ 가스 차폐 용접은 개방형 아크 용접 공정으로 용접 문제를 쉽게 파악하고 신속하게 해결할 수 있습니다. 또한 다양한 위치에서 용접하는 데 적합하여 유연한 작업이 가능합니다.

4) 저렴한 비용. CO₂ 가스가 저렴하고 용접 와이어가 원반 모양의 베어 와이어이기 때문에 비용이 서브머지드 아크 용접과 스틱 아크 용접의 약 40%에 불과합니다.

CO₂ 가스 차폐 용접에는 심각한 스패터링, 용접 형성 불량, 가스 포켓 생성 경향과 같은 단점도 있습니다. 또한 금속과 합금 원소는 산화 및 연소되기 쉽기 때문에 쉽게 산화되는 비철금속 및 고합금강 용접에는 적합하지 않습니다.

CO₂ 가스 차폐 용접은 주로 박판 용접에 사용되는 저탄소강 및 강도가 높지 않은 일반 저합금 구조용 강철 용접에 적합합니다.

일렉트로슬래그 용접

일렉트로슬래그 용접은 전류가 액체 슬래그를 통과할 때 발생하는 저항 열을 이용하는 융합 용접 방식입니다.

일렉트로슬래그 용접의 용접 공정은 그림 4-22에 나와 있습니다. 두 개의 공작물은 수직으로(수직 용접 이음새에) 20-60mm 간격으로 배치되며, 양쪽에는 수냉식 구리 슬라이더가 있고 하단에는 아크 스타터 플레이트가, 상단에는 리드 아웃 플레이트가 있습니다. 용접이 시작되면 용접 와이어가 아크 스타터 플레이트와 단락되어 아크가 시작됩니다.

1-작품
2-금속 용융 풀
3-슬래그 풀
4 전도성 노즐
5-용접 와이어
6-슬라이더
7-냉각수 튜브
8-웰드 솔기
9-리드아웃 플레이트
10-용융 용접 와이어
11-아크 개시 플레이트

아크는 지속적으로 추가된 플럭스를 녹여 슬래그 풀을 형성합니다. 슬래그 풀이 일정 두께에 도달하면 아크가 꺼지고 슬래그 풀의 저항 열에 의해 용접 와이어와 공작물이 녹습니다.

용가재의 양이 증가함에 따라 슬래그 풀이 서서히 상승하고 양쪽의 수냉식 슬라이더도 함께 상승합니다. 용접 심의 아래쪽 부분이 연속적으로 응고되어 용접 심을 형성합니다. 공작물의 두께에 따라 단일 또는 다중 와이어를 사용할 수 있습니다.

일렉트로슬래그 용접의 특징:

1) 높은 생산성. 한 번의 작업으로 대형 공작물을 용접할 수 있습니다. 예를 들어, 단일 와이어가 흔들리지 않으면 40-60mm 두께를 용접할 수 있고, 단일 와이어가 흔들리면 60-150mm 두께를 용접할 수 있습니다.

2) 우수한 용접 품질. 용접 이음새의 액체 금속은 체류 시간이 길어 가스 포켓, 내포물 및 기타 결함이 발생할 가능성이 적고 슬래그가 용접 풀을 덮고 우수한 보호 기능을 제공합니다.

3) 높은 생산성과 저렴한 비용. 두께에 관계없이 홈을 뚫을 필요가 없으며 25-60mm의 간격 만 남겨두면 한 번의 작업으로 용접 할 수 있으며 용접 재료와 전기 에너지 소비가 적습니다.

일렉트로 슬래그 용접의 단점은 용접 풀이 고온에서 장시간 유지되고 입자가 거칠고 열 영향 영역이 넓고 용접 후 어닐링이 필요하며 용접 적응성이 좋지 않으며 항상 수직 용접 방식으로 수행되고 평평하게 할 수 없으며 얇은 공작물 용접에 적합하지 않으며 용접 이음새가 너무 길어서는 안된다는 것입니다.

일렉트로슬래그 용접은 탄소강, 합금강 및 스테인리스강과 같은 용접 재료에 적합합니다. 주로 두꺼운 벽의 압력 용기 용접, 주조 용접, 단조 용접 및 후판 접합 용접과 같은 대형 부품 용접에 사용됩니다. 용접 두께는 일반적으로 40mm 이상이어야 합니다.

플라즈마 아크 용접

플라즈마 아크 용접은 기계적 압축 효과(아크가 노즐의 작은 구멍을 통과할 때 강제 수축), 열 압축 효과(차가운 기류의 강한 작용으로 하전 입자, 음이온 및 전자 흐름이 아크 컬럼의 중심으로 집중) 및 전자기 수축 효과(아크 컬럼 내 하전 입자의 전류선이 평행하고 자기장에 의해 전류선이 서로 끌어당겨 수축)를 통해 아크를 좁은 플라즈마 빔으로 압축하는 용접 프로세스입니다.

원리는 그림 4-23에 나와 있습니다. 플라즈마 아크의 온도는 24,000~50,000K에 이르며, 에너지가 고도로 농축되고 에너지 밀도는 10입니다.⁵ 10⁶W/cm²를 사용하여 두꺼운 재료를 한 번에 녹일 수 있습니다. 플라즈마 아크 용접은 용접과 절단 모두에 사용할 수 있습니다.

플라즈마 아크 용접은 높은 에너지 밀도, 높은 아크 기둥 온도, 강력한 침투력을 가지고 있으며 양면 형성으로 베벨링 없이 한 번에 10-12mm 강철을 용접할 수 있습니다. 빠른 용접 속도, 높은 생산성, 작은 열 영향 영역, 최소한의 용접 변형 및 우수한 용접 품질을 제공합니다.

전류가 0.1A 정도로 낮은 경우에도 플라즈마 아크는 안정적으로 연소할 수 있으며 호일, 열전대와 같은 0.1~2mm 두께의 초박판도 용접할 수 있습니다. 하지만 플라즈마 아크 용접 장비가 복잡하고 가스를 많이 소비하기 때문에 실내 용접에만 적합합니다.

현재 플라즈마 아크 용접은 구리, 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 알루미늄, 티타늄 및 그 합금은 물론 스테인리스강, 고강도강 등 녹기 어렵고 산화되기 쉬우며 열에 민감한 소재를 용접하는 방위 산업 및 첨단 산업 기술 분야에서 주로 사용되고 있습니다.

전자빔 용접

전자빔 용접은 가속되고 집중된 전자빔을 사용하여 진공 또는 비진공 환경에 놓인 공작물을 타격하여 열 에너지를 생성하는 융합 용접 방식입니다.

전자빔 용접은 공작물이 위치한 환경의 진공 정도에 따라 고진공 전자빔 용접, 저진공 전자빔 용접, 비진공 전자빔 용접으로 나뉩니다. 그림 4-24는 가장 널리 사용되는 고진공 전자빔 용접을 보여줍니다.

1-진공 챔버
2-용접
3-전자 빔
4-자기 편향 장치
5-초점 렌즈
6-애노드
7-음극
8-필라멘트
9-AC 전원
10-DC 고전압 전원
11, 12- DC 전원
13-배기 장치

진공 상태에서 전자총의 음극은 전기적으로 고온으로 가열되어 많은 수의 전자를 방출합니다. 이 전자는 강한 전기장의 영향을 받아 가속됩니다.

고속 전자는 높은 에너지 밀도(10⁹W/cm²) 전자빔을 빔 형성 장치(양극 및 초점 렌즈)를 통해 공작물의 매우 작은 영역에 매우 빠른 속도(1.6×10⁸m/s). 운동 에너지는 열 에너지로 변환되어 충격을 받은 부위가 빠르게 녹거나 증발합니다.

용융 정도에 따라 공작물을 적절히 움직여 원하는 접합부를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 전자빔 용접에는 필러 금속이 추가되지 않습니다.

진공 전자빔 용접은 진공 상태에서 진행되기 때문에 금속이 산화되거나 질화되지 않아 용접 품질이 우수합니다. 용접 시 열이 고도로 집중되어 열 영향 영역이 작아(0.05~0.75mm에 불과) 용접 변형이 거의 없어 정밀 가공 후 부품을 용접하는 데 적합합니다.

전자빔 용접 공정 파라미터의 조정 가능한 범위가 넓어 다양한 두께(0.1~300mm)의 판재를 용접할 수 있습니다. 전자빔의 에너지 밀도가 높고 용접 속도가 빠르며 홈 없이도 용접의 깊이 대 폭 비율이 20:1에 달할 수 있어 생산성이 높고 비용이 저렴합니다.

진공 전자빔 용접은 다양한 내화 금속(티타늄, 몰리브덴 등), 반응성 금속(주석, 아연 등 끓는점이 낮은 원소 함량이 높은 합금 제외), 각종 합금강, 스테인리스강 등의 용접에 적합합니다.

마이크로 전자 회로 부품, 대형 미사일 케이스, 원자력 장비의 두꺼운 벽 구조물, 베어링, 기어 어셈블리 등과 같은 두꺼운 판 구조물뿐만 아니라 얇은 벽의 미세 구조물 용접에도 사용할 수 있습니다."

레이저 용접

레이저 용접은 집중된 레이저 빔이 공작물에 부딪혀 발생하는 열을 용접에 사용하는 기술입니다. 레이저는 강도가 높고 단색성이 뛰어나며 방향성이 좋은 일관된 빛의 한 형태입니다. 집중된 레이저 빔의 에너지 밀도는 매우 높습니다. 단시간에 레이저 에너지는 열 에너지로 변환되어 10,000°C 이상의 온도에 도달할 수 있습니다.

레이저 용접(그림 4-25) 중에는 레이저가 자극을 받아 초점 시스템에 의해 작은 초점에 초점을 맞춘 레이저 빔을 생성하여 에너지를 더욱 집중시킵니다.

레이저 빔이 공작물의 이음새에 집중되면 빛 에너지가 용접 재료에 흡수되어 열 에너지로 변환되고 초점 근처에서 고온이 발생하여 금속이 순간적으로 녹고 냉각 시 용접 조인트가 형성됩니다.

레이저 용접은 에너지 밀도가 높고 열원이 매우 짧은 시간 동안 작용하기 때문에 열 영향 영역이 최소화되고 용접 변형이 적으며 용접 크기 정확도가 높습니다. 정밀 부품 및 열에 민감한 소재의 용접에 사용할 수 있습니다. 또한 매우 빠른 용접 공정으로 인해 용접 재료가 산화될 가능성이 적어 진공이나 가스 보호 없이도 대기 중에서 용접할 수 있습니다.

레이저 용접은 유연하며 편향 프리즘이나 광섬유를 사용하여 도달하기 어려운 영역으로 향하게 하거나 투명한 재료를 통해 집중 용접하는 데 사용할 수 있습니다.

레이저 용접은 절연 재료, 이종 금속, 금속과 비금속 간의 용접에 적합합니다. 현재는 주로 초정밀, 조밀하게 배열된 열에 민감한 용접 부품에 사용됩니다.

압력 용접

압력 용접은 금속을 소성 상태로 가열하고 압력을 가해 소성 변형, 재결정화 및 원자 확산을 일으켜 분리 불가능한 접합부를 만드는 용접 방법의 한 범주입니다. 이렇게 하면 두 개의 분리된 표면의 원자가 금속 결합을 형성할 수 있을 정도로 가까워집니다(격자 거리 0.3~0.5nm).

저항 용접

저항 용접은 전극을 통해 결합된 공작물에 압력을 가하고, 전류가 용접 접합부의 접촉면과 인접 영역을 통과할 때 저항에 의해 발생하는 열을 용접에 활용하는 방식입니다. 일반적인 유형은 다음과 같습니다. 스폿 용접이음새 용접 및 맞대기 용접.

(1) 스폿 용접

스폿 용접은 저항 열을 통해 모재를 국부적으로 녹여 용접 지점을 형성하는 저항 용접 방식입니다. 이는 공작물을 랩 조인트에 단단히 조립하여 이루어집니다. 피팅 두 개의 원통형 전극 사이에 넣고 압력을 가하고 전류를 흘려보냅니다. 원리는 그림 4-26에 나와 있으며, 일반적인 형태의 스팟은 다음과 같습니다. 용접 조인트 는 그림 4-27에 나와 있습니다.

스폿 용접 시에는 먼저 압력을 가해 두 공작물이 밀착되도록 한 다음 전류를 통해 가열합니다. 공작물의 접촉 지점의 저항이 크기 때문에 열이 이곳에 집중되어 온도가 급격히 상승하고 금속이 녹아 특정 크기의 용융 코어를 형성합니다.

전류가 차단되고 압력이 제거되면 두 공작물의 접촉 지점에서 용융 코어가 응고되어 조밀 한 용접 지점을 형성합니다. 스폿 용접 전에 공작물의 과도한 접촉 저항으로 인해 스폿 용접의 품질과 전극의 수명에 영향을 미치지 않도록 공작물 표면의 산화막, 기름 얼룩 등을 철저히 청소하는 것이 중요합니다.

또한 스폿 용접 중에는 이미 용접된 스폿에 일부 전류가 흐르면서 용접 지점의 전류가 감소하고 션트 현상이 발생합니다. 션팅을 최소화하려면 스폿 용접 거리가 너무 짧아서는 안 됩니다. 스폿 용접의 품질에 영향을 미치는 주요 공정 파라미터는 전극 압력, 용접 전류 및 통전 시간입니다.

전극 압력이 너무 높으면 접촉 저항이 감소하여 열이 감소하고 용접 지점 강도가 불충분해집니다. 전극 압력이 너무 낮으면 공작물 간의 접촉이 불량해집니다.

열원은 강하지만 불안정하고 튄 자국 및 번 스루 결함으로 이어질 수도 있습니다. 용접 전류가 충분하지 않으면 열이 부족하고 용융 깊이가 너무 작아 용융되지 않을 수 있으며, 전류가 너무 높으면 용융 깊이가 너무 커서 금속이 튀어 번스루가 발생할 수도 있습니다.

통전 시간이 스폿 용접의 품질에 미치는 영향은 전류의 영향과 유사합니다. 스폿 용접은 주로 4mm 이하의 얇은 판재 구조물과 철근 용접에 사용됩니다.

(2) 심 용접

심 용접은 연속 스폿 용접 공정입니다. 그림 4-28과 같이 원통형 전극 대신 연속적으로 회전하는 디스크 모양의 전극을 사용하여 용접 후 연속 용접 이음새가 겹치는 결과를 낳습니다.

디스크 모양의 전극은 작업물에 압력을 가하고 전기를 전달할 뿐만 아니라 자체 회전을 통해 작업물을 앞으로 이동시켜 심 용접을 완료합니다.

심 용접 시 션팅 현상은 더 심합니다. 같은 두께의 공작물을 용접할 때 용접 전류는 스폿 용접의 1.5~2배입니다. 심 용접은 일반적으로 오일 탱크, 물 탱크, 머플러 등과 같이 밀봉이 필요한 3mm 미만의 얇은 벽을 가진 용기를 용접하는 데 사용됩니다.

(3) 맞대기 용접

맞대기 용접은 저항 열을 사용하여 두 개의 공작물을 맞대기 접합으로 융합하여 전체 끝면을 용접하는 저항 용접 방법입니다.

1) 저항 맞대기 용접: 저항 맞대기 용접은 공작물을 맞대기 조인트로 조립하고 끝면이 밀착되도록 한 다음 저항 열을 사용하여 플라스틱 상태로 가열하는 방식입니다. 그런 다음 압력을 가하여 용접을 완료합니다. 이 용접 방법의 원리는 그림 4-29a에 나와 있습니다. 저항 맞대기 용접은 조인트가 매끄럽고 버가 최소화되며 용접 공정이 간단하다는 장점이 있습니다.

a) 저항 맞대기 용접
b) 플래시 맞대기 용접

그러나 이 접합부는 기계적 특성이 낮고 공작물 끝면의 높은 준비가 필요합니다(엄격한 사전 용접 세척이 필요함). 일반적으로 단면적이 작은(250mm² 미만) 금속 프로파일의 맞대기 접합에 사용됩니다.

2) 플래시 맞대기 용접: 용접하는 동안 공작물이 전극 클램프 헤드에 고정되고 전원이 켜지고 점차적으로 결합됩니다. 접촉 끝면이 거칠기 때문에 처음에는 몇 개 지점만 접촉합니다.

접촉 면적이 매우 작은 이 몇 개의 지점에 강한 전류가 흐르면 많은 양의 저항 열이 발생하여 접촉 지점의 금속이 빠르게 녹고 심지어 증발합니다. 녹은 금속은 전자기력과 가스 폭발의 영향을 받아 표면 산화물과 함께 분출되어 반짝이는 섬광을 만들어냅니다. 공작물이 계속 전진함에 따라 새로운 접촉점에서 플래시가 발생합니다.

공작물의 접촉 끝면 전체에 얇은 금속 층이 녹으면 빠르게 압력을 가하고 전원을 차단합니다. 그러면 두 공작물이 압력을 받아 냉각되고 응고되어 서로 용접됩니다. 플래시 맞대기 용접의 원리는 그림 4-29b에 나와 있습니다.

플래시 맞대기 용접 공정 중에 공작물 끝의 산화물과 불순물은 플래시 스파크에 의해 배출되거나 액체 금속으로 압착되어 공기 침입을 방지합니다. 따라서 접합부의 불순물이 적고 품질이 높으며 용접 강도와 가소성이 모두 높아집니다. 용접 전 단면 청소에 대한 요구 사항이 높지 않습니다.

레일 트랙, 앵커 체인, 파이프, 휠 림 및 공구와 같은 중요한 부품을 용접하는 데 자주 사용됩니다. 또한 직경 0.01mm의 금속 와이어부터 직경 500mm의 튜브, 단면적이 최대 20000mm²인 금속 프로파일 또는 플레이트에 이르기까지 다양한 금속(알루미늄-구리, 구리-강, 알루미늄-강 등)을 용접하는 데 사용할 수 있습니다.

그러나 플래시 맞대기 용접은 공작물의 번오프가 더 많이 발생하고 용접 후 버를 청소해야 합니다."

(4) 저항 용접의 특성

저항 용접은 상대적으로 낮은 온도에서 빠르게 가열되므로 열 충격과 공작물의 변형이 최소화되어 고품질의 접합부를 쉽게 만들 수 있습니다. 추가적인 필러 금속이나 플럭스가 필요하지 않습니다. 이 공정은 아크 광선이 없고 소음이 적으며 먼지와 유해 가스가 적게 발생하므로 작업 환경이 개선됩니다.

저항 용접 유닛은 구조가 간단하고 무게가 가벼우며 기밀성이 우수하여 복잡한 형상의 부품을 생산하는 데 이상적입니다. 이 공정은 기계화 및 자동화가 용이하여 생산성이 높습니다.

그러나 저항에 영향을 미치는 요인으로 인해 열 변동이 발생하여 접합 품질이 일관되지 않을 수 있습니다. 이로 인해 일부 중요 부품에 저항 용접을 적용하는 데 어느 정도 제한이 있을 수 있습니다. 또한 저항 용접은 상당한 양의 전력을 소비하며 기계가 복잡하고 비용이 많이 듭니다.

마찰 용접

마찰 용접 은 공작물 표면 사이의 마찰에 의해 발생하는 열을 사용하여 끝면을 열가소성 상태로 만든 다음 빠르게 압력을 가하여 용접 공정을 완료하는 압력 용접 방법입니다. 그림 4-30에 표시된 것처럼 마찰 용접의 원리는 회전하는 척에 공작물 1을, 축 방향으로 움직이며 압력을 가할 수 있는 척에 공작물 2를 고정하는 것입니다.

용접이 시작되면 공작물 1이 고속으로 회전하는 동안 공작물 2가 공작물 1을 향해 이동하여 접촉합니다. 마찰 표면에서 소비되는 기계적 에너지는 열로 변환되어 접합부의 온도가 일정 수준(열가소성 상태)까지 상승합니다. 이 시점에서 공작물 1은 회전을 멈추고 공작물 2의 한쪽 끝에 상단 압력이 가해지며 압력을 받아 냉각되어 조밀한 조인트 구조를 형성합니다.

마찰 용접 조인트는 일반적으로 단면이 동일하지만, 한 단면이 회전하는 몸체라면 단면이 불균일할 수도 있습니다.

(1) 마찰 용접의 특징

1) 양호하고 안정적인 조인트 품질. 마찰 용접 온도가 공작물 금속의 융점보다 낮고 열 영향 영역이 작으며 조인트가 상단 힘으로 소성 변형 및 재결정을 완료하여 조밀 한 구조가됩니다.

또한 공작물 끝면의 산화막과 오일 오염이 마찰에 의해 제거되어 접합부에 다공성 및 슬래그 내포물이 덜 발생하여 접합 품질이 향상됩니다.

2) 높은 용접 생산성과 낮은 비용. 마찰 용접은 작동이 간단하고 필러 금속이 필요하지 않아 자동화가 쉽고 생산성을 높일 수 있습니다. 동시에 장비가 간단하고 에너지 소비량이 플래시 맞대기 용접의 1/10~1/5에 불과할 정도로 낮아 비용도 절감할 수 있습니다.

3) 폭넓은 적용성. 일반적인 철 및 비철 금속뿐만 아니라 상온에서 기계적 및 물리적 특성이 큰 차이가 있는 특수 재료 및 이종 재료 용접에도 적합합니다.

4) 좋은 생산 조건. 마찰 용접은 스파크, 아크 광선 또는 먼지가 발생하지 않으므로 작동이 쉽고 작업자의 노동 강도를 줄일 수 있습니다.

(2) 마찰 용접의 응용 분야

빠르고 효과적인 압력 용접 방법인 마찰 용접은 원형 공작물, 막대 및 튜브의 맞대기 용접에 자주 사용됩니다. 직경 2~100mm 범위의 단단한 공작물을 용접할 수 있으며, 튜브 외경은 수백 밀리미터에 달할 수 있습니다. 공구 생산은 물론 자동차, 트랙터, 석유 드릴 로드, 발전소 및 섬유 기계에 널리 사용되고 있습니다.

마찰 용접기의 초기 투자 비용이 높기 때문에 마찰 용접은 대규모 생산에 적합합니다.

폭발 용접

폭발 용접은 폭약의 폭발로 발생하는 고압(700MPa), 고온(3000℃), 고속(500-1000m/s) 충격파를 클래딩에 작용시켜 베이스 플레이트와 격렬하게 충돌하게 하는 압력 용접 방식입니다. 이렇게 하면 접촉 지점에서 제트가 발생하여 표면 산화물 및 기타 불순물을 제거하고 고압 하에서 고체 조인트를 형성합니다.

그림 4-31에서 볼 수 있듯이 충분한 강도와 가소성을 가지고 있고 공정에 필요한 급격한 변형을 견딜 수 있는 금속은 모두 폭발 용접할 수 있습니다. 이 방법은 다양한 조립 방법에 따라 평행 방법과 각도 방법으로 나눌 수 있습니다.

a) 병렬 방식 b) 각도 방식

1-기폭기
2-폭발성
3-버퍼 레이어
4-클래딩
5-베이스 플레이트 6-파운데이션

폭발 용접 조인트의 품질이 우수하고 열 영향 영역이 작습니다. 주로 알루미늄-강-구리, 티타늄-강, 지르코늄-니오븀과 같은 대형 복합 판 및 복합 파이프 용접에 사용되며 다른 용접 방법에는 적합하지 않습니다.

초음파 용접

초음파 용접은 그림 4-32와 같이 초음파의 고주파 진동 에너지를 활용하여 작업물의 접합부를 국부적으로 가열하고 청소하는 동시에 압력을 가하여 용접을 수행하는 압력 용접의 한 형태입니다.

1 - 초음파 발생기
2 - 트랜스듀서
3 - 컨센트레이터
4 - 상부 사운드 폴
5 - 용접
6 - 하부 음극

용접 과정에서 초음파 발생기에서 생성된 초음파는 일련의 에너지 변환 및 전달 단계를 거쳐 상부 음극에 도달합니다. 진동 극의 영향으로 두 공작물의 국부 접촉 지점에서 강한 마찰, 온도 상승 및 변형이 발생하여 산화물과 같은 오염 물질을 파괴하거나 분산시키고 순수한 금속 원자를 야금 결합을 형성 할 수있을만큼 가까이 가져옵니다.

초음파 용접 과정에서는 공작물에 전류가 흐르지 않으며 불꽃이나 아크 빛과 같은 열원의 영향도 없습니다. 마찰, 확산, 소성 변형이 복합적으로 작용하는 용접 공정입니다. 초음파 용접은 초음파 스폿 용접과 초음파 심 용접으로 나눌 수 있습니다.

초음파 용접은 용접 가능한 재료의 범위가 넓으며 특히 융점이 높고 열전도율이 높으며 녹기 어려운 금속 및 이종 재료의 용접에 적합하며 두께 차이가 큰 특수 구조물과 2μm 금박, 마이크로 전자 장치의 회로 리드 등과 같은 다층 포일과 같은 특수 구조물에도 적합합니다.

또한 PVC, 폴리에틸렌, 나일론, 플렉시유리 등의 플라스틱 용접에도 사용할 수 있습니다.

브레이징

브레이징은 모재보다 녹는점이 낮은 금속 충전재를 사용하는 용접 방법입니다. 공작물과 필러 재료는 필러 재료의 녹는점보다 높지만 모재의 녹는점보다 낮은 온도로 가열됩니다.

이 공정은 액체 필러 재료를 사용하여 기본 재료를 적시고 조인트 간격을 채우며 기본 재료와 상호 확산합니다. 냉각되면 연결이 이루어집니다.

브레이징은 브레이징이라고도 하는 물리적 연결로 간주됩니다. 브레이징에 사용되는 플럭스는 브레이징 플럭스라고 하며, 필러 및 기본 재료의 표면에서 산화물 및 기타 불순물을 제거하는 역할을 합니다.

공작물과 충전재의 표면을 액체 필름 형태로 덮어 공기와 차단하여 액체 충전재와 공작물이 산화되지 않도록 보호합니다. 또한 공작물에 대한 액체 충전재의 습윤성을 개선하고 충전재의 틈새를 메우는 능력을 향상시킵니다.

브레이징과 다른 용접 방법의 근본적인 차이점은 용접 과정에서 공작물이 녹지 않는다는 것입니다. 대신 녹는점이 낮은 필러 재료로 공작물을 녹여 채움으로써 연결이 이루어집니다.

납땜 공정은 그림 4-33과 같이 습윤, 확산, 접합의 세 단계로 나뉩니다.

a) 젖음
b) 확산
c) 가입

1. 브레이징의 분류

브레이징은 필러 재료의 융점에 따라 소프트 브레이징과 하드 브레이징으로 나눌 수 있습니다.

(1) 소프트 브레이징

소프트 브레이징은 융점이 450°C 미만인 필러 재료를 사용하므로 일반적으로 60~190MPa의 낮은 강도를 가지며 100°C 미만의 작동 온도에 적합한 접합부를 생성합니다. 이러한 필러는 접합부 틈새로 침투하는 능력이 강하고 용접 가공성이 우수합니다.

일반적인 소프트 브레이징 필러에는 주석 납땜이라고도 하는 주석-납 합금이 포함됩니다. 주석 브레이징 필러는 전도성이 높기 때문에 주로 전자 회로의 구성 요소를 연결하는 데 사용됩니다. 소프트 브레이징에 사용되는 플럭스에는 주로 로진 및 염화아연 용액이 포함됩니다.

(2) 하드 브레이징

하드 브레이징은 융점이 450°C 이상인 필러 재료를 사용하여 200MPa를 초과하는 높은 강도의 접합부를 생성하고 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있습니다.

일반적인 경질 브레이징 필러에는 알루미늄 기반, 은 기반 및 구리 기반 합금이 포함되며, 플럭스는 주로 붕사, 붕산, 불화물 및 염화물로 구성됩니다.

2. 브레이징의 조인트 구성 및 가열 방법

브레이징의 조인트 구성에는 판금 오버랩, 슬리브 삽입 등이 포함됩니다. 이러한 조인트는 넓은 납땜 표면이 특징이며 우수한 하중 지지력을 보장합니다.

브레이징 가열 방법에는 화염 가열, 저항 가열, 유도 가열, 용광로 가열, 염욕 가열, 납땜 인두 가열 등이 있습니다. 가열 방법의 선택은 충전재의 유형, 공작물의 모양과 크기, 접합부 수, 품질 요구 사항, 생산량 등의 요인에 따라 결정할 수 있습니다.

이 중 납땜 인두 가열은 낮은 온도를 발생시키며 일반적으로 연성 납땜에만 적합합니다.