| 용접 입열량이란? 용접모재에 어떤 영향을 미치는가? |
용접 입열량이란 용접시 용접부에 공급된 열량으로서 용접비드 1cm당 투입된 열량, 줄/cm의 단위로 나타낸다. 용접중에는 용접아크에 의한 열, 용접봉의 코팅이나 용융부에서 발생하는 화학에너지, 금속이행에 의한 입열등이 있으나 대부분의 열은 용접아크에 의해서 발생되며 그 크기는 다음과 같다.
입열량,Q= ( η E I )/V (Joule/cm)
(E : 전압(V), I : 전류(A), V : 용접속도(cm/sec), η : 아크효율)
이때 입열량이 많으면 냉각 속도가 늦어서 농도 불균일에 의한 확산할 수 있는 시간적 여유가 크고 조성적 과냉에 의한 모재 쪽에 온도구배가 낮아서 덴드라이트, 셀룰라 성장이 쉽다. 그림에서 보듯이 입열량이 증가할수록 냉각속도가 늦어져서 BF, AF의 양이 많아져 연성이 높아지지만 경도값이 감소한다.
입열량이 줄어들수록 마르텐사이트가 생성되어 경도값은 증가하고 취성이 강해진다. 그리고 입열량이 많으면 잔류 응력이 많아져서 변형이 일어나기 쉽고 입열량이 적으면 용착부족이 우려된다.
그림 1 용접 금속에서의 연속 냉각 변태도
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| 아크쏠림(Arc blow)이 발생하는 현상과 방지법 |
방지법 : 용접을 시작하는 부분과 끝나는 부분에서 아크가 안쪽 방향으로 강하게 쏠리게 되는데 이를 방지하기 위해서는 교류 용접을 사용하는 것이 효과적이다. 또 낮은 전압일수록 아크가 짧고, 직지성이 강하여 높은 전압일때와 비교하여 아크 쏠림의 영향이 적게 된다. 그리고 접지 상태 및 위치 선정에도 유의하여야 한다.
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| 용착부족(Under fill)의 발생현상과 원리 |
주위 모재의 표면보다 용접부 표면이 낮은 곳을 말하며, 그루브 용접을 할 때 용접속도가 빠르거나, 전류가 낮아 용접 그루브를 충분히 채우지 못하여 만들어지는 현상이다.
<용착금속의 발생부위 및 형상>
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| 언더컷(Undercut)의 발생현황과 원리 |
모재의 용융된 부분에 용착금속이 채워지지 않아서 용착금속의 표면과 모재 표면에 접하는 부분(Toe)에 만들어진 모재 표면보다 낮은 도랑 같은 홈을 말한다. 이것은 용접전류가 과대할 때, 아크길이가 길 때, 용접속도가 너무 빠를 때, 후진법일 때 발생하기 쉽다.
따라서 전류를 적절히 조정하고 아크 길이를 짧게 유지하고, 용접 속도를 너무 빨리 하지 않아야 하며, 비드 양끝에서 약간 멈추는 듯하게 해야 한다. 특히 크레이터에 용융금속을 채워 놓은 뒤에 운봉에 들어가도록 한다.
필릿 용접이음에서는 특히 작업각에 주의하고, 모재 두께와 홈상태에 따라 용접봉 지름을 선택해야 한다. 언더컷은 홈이 생긴 만큼 기계적 강도가 부족하게 되고 또한 노치를 이루어 구조물 사용중에 균열이 발생하기 쉬우므로 주의해야 한다.
<언더컷의 발생부위 및 형상>
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| 오버랩(Overlap)의 발생현상과 원리 |
오버랩은 용융된 금속이 모재와 잘못 녹아 어울리지 못하고 다음 그림에서와 같이 모재면에 덮쳐진 상태를 말한다. 이것의 원인은 언더컷이 생기는 경우와 반대로 용접전압이 너무 낮고 작업각이 적절하지 않을 때 생기기 쉬우므로 적당한 용접 조건과 운봉법에 주의하면 방지할 수 있다. 수평 필릿용접에서 과대한 각장을 1pass로 얻으려 할때 용융금속이 중력에 의해 흘러내리는 경우 자주 발생한다.
오버랩의 발생부위 및 형상
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| 전진 및 후진법의 용접특성 및 현상 원리 |
진행각 : 용접 진행 방향에 대한 토치 방향에 따라 전진법과 후진법으로 구분한다. 그림 1 에서 보는 것과 같이 전진법에서는 토치를 용 접진행 방향 반대쪽으로 15-20°로 유지하는 방법이며, 후진법은 용접 진행 방향으로 기울이는 방법이다.
용접특성 및 현상
전진법 1) 용접선이 잘보이므로 운봉을 정확히 하는 것이 가능하다.
2) 비드 높이가 낮고 평탄한 비드 형성가 형성된다.
3) 스패터가 비교적 많으며 진행 방향으로 흩어진다.
4) 용융 금속이 아크보다 앞서기 쉬워 용입이 얕아진다.
후진법 1) 용접선이 노즐에 가려 운봉을 정확하게 하기가 어렵다.
2) 높이가 약간 높고 폭이 좁은 비드가 형성된다.
3) 아크가 안정적이고, 스패터의 발생이 전진법보다는 비교적 적다.
4) 용융금속이 앞으로 나가지 않아서 용입이 깊게 나타난다 .
5) 용접속도가 증가하면 언더컷과 험핑비드가 생기기 쉽다.
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<전진법 및 후진법에 따른 용접토치 방향>
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| 마그용접에서, Ar 유량을 올리거나 CO2 유량을 올리면 어떤 현상이 일어나는가? 또한 전체적으로 실드가스 유량을 많게 하거나 적게 하면 어떤 현상이 발생합니까?? |
실드가스 : 실드가스의 일차적 목적은 용융금속을 대기로부터 차단하여 금속의 산화 및 질화를 방지하는 것이며 아크가 실드가스의 해리에 의해 발생하므로 아크특성에도 중요한 영향을 미친다. 그 밖에도 실드가스는 다음과 같은 사항에 상당한 영향을 끼치기 때문에 적절한 선택에 주의해야 한다.
-아크 특성
-용입 깊이 및 비드형상
-용접 속도
-언더컷 결함 발생 정도
-청정작용
-용착 금속의 기계적 성질
-용접 비용
Ar가스 : 화학적으로 불활성이고 공기보다 약 1.4배 무거워서 아래 보기 자세에서는 용접금속을 보호하기 쉽다. 또한 열전도성이 낮아서 열적핀치효과가 작고 이로 인해 아크는 비교적 넓게 형성된다. (열적핀치효과가 CO2가스보다 작고, 전위 경사도가 낮다.)
CO2가스 : 반응성이 매우 강한 가스이지만 가격이 저렴하고 용입이 깊다는 장점을 가지고 있다. 그러나 CO2가스는 특성상 단락이행과 입상용적이행모드만이 나타나기 때문에 저전류 범위에서 아크가 불안정하고 아크 소음이 크다. 또한 스패터 발생량이 많다.(열적 핀치효과가 크고 전위 경사도가 크다.)
Ar, CO2의 혼합가스에서 Ar유량이 많아지면 안정된 스프레이 이행이 일어나고 스패터 발생량이 적어지지만 열적핀치효과가 작아져서 비드 가장자리에 언더컷과 같은 결함을 야기한다. 반대로 CO2의 유량이 많아지면 열적핀치효과가 커져서 용입이 깊어지지만 스패터 발생량이 증가한다. 실드가스유량이 많아지면 아크특성, 비드형상등과 같은 기본적 특성은 좋아지나 용접비용이 증가한다. 그러나 지나치게 가스유량이 많아지면 난류가 생겨서 공기혼입으로 인해 기공이 발생하거나 실드가스 자체가 용융지 내부에 혼입되어 기공발생의 우려가 있다. 반대로 유량이 적어지면 스패터가 많이 발생하고 아크가 불안정해지는 등 기본특성이 나빠진다.
<실드가스에 따른 비드형상 및 용입깊이의 변화>
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| 마그, 미그 용접에서 전류, 전압을 올리거나 내리면 어떤 현상이 발생합니까? |
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| 비드의 높이나 폭에 영향을 주는 인자와 적절한 비드 높이와 폭은 어느 정도? |
▪ 용접전류
용접전류가 증가하면 와이어 송급 속도가 거의 비례하여 빨라지기 때문에 출력전류도 거의 비례하여 크게 요구된다. 따라서 같은 속도로 용접할 경우 전류의 증가에 따라 용접비드는 폭과 높이가 모두 증가한다. 한편 용입은 전류에 거의 비례하여 증가한다.
▪ 용접전압
용접전류노브를 일정하게 두고 용접전압만을 증가시키면 출력전류가 약간 증가하면서 아크길이는 커진다. 따라서 와이어의 송급속도는 일정한데 아크길이가 커지므로 용접비드의 폭은 증가하고 높이는 감소하는 경향이 나타난다. 한편 용입은 전압에 거의 반비례한다.
▪ 용접속도
용접속도가 증가하면 용접 입열량이 감소하고, 단위길이당 용착되는 와이어의 양이 적어지기 때문에 비드크기가 감소한다.
▪ 진행각
전진각 : 높이가 낮고 폭이 큰 비드 형성. 외관 미려. 스패터 과대. 얕은 용입
후진각 : 높이가 약간 높고 폭이 좁은 비드 형성. 깊은 용입. 스패터 감소.
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| 마그, 미그 용접에서 토치거리가 멀어지거나 가까워지는 현상? |
용접전류와 전압를 일정하게 설정한 상태에서 토치 높이만을 길게 하면 와이어 돌출길이(wire extention, wire stickout)가 커져서 와이어자체의 저항으로 인한 전압강하가 커져서 용접전류는 다소 감소하고 출력전압은 거의 일정하거나 미미하게 증가하는 경향을 보이는 것이 정전압 출력특성을 가진 가스메탈아크용접기(CO2/MAG)에서의 일반적인 특성이다. 따라서 토치높이가 커지면 아크길이는 짧아지면서 탁탁하는 소리가 나면서 아크가 불안정해지기 쉬워진다. 또한 지나치게 토치 높이가 크게되면 실드가스의 보호효과가 감소하여 기공이 쉽게 발생할 수도 있다. 반면에 토치 높이를 표준보다 낮게 하면 와이어의 돌출길이가 작아져서 와이어의 저항으로 인한 전압강하가 감소하여 아크자체의 양단에 걸리는 전압이 증가하므로 아크길이는 약간 증가할 수가 있기 때문에 비드폭은 다소 커지고 아크안정성은 좋아지지만 전류가 증가하면서 스패터가 심해 지며, 노즐이나 컨택팁에 부착하는 스패터가 많아진다. 따라서 200A이하에서는 12-14mm, 250A근방에서는 15mm전후, 300A이상에서는 20mm정도로 하는 것이 적당하다.
* 다만 최근에는 토치높이를 변경하여도 아크길이를 일정하게 유지하도록 하여 비드외관과 용입이 일정하게 얻어지는 첨단용접기, 통상 퍼지제어 인공지능형의 인버터 용접기가 해외에서 개발되어 시판되고 있으나, 가격이 비싸서 어떨지?
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