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용접: 둘이 모여 하나가 되는 접합 공정의 모든 것

2023/12/06

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가장 경제적인 접합, 용접(鎔接)

용접(鎔接, welding)두 개 혹은 그 이상의 부품을 서로 접촉시킨 뒤 접촉면에 열 또는 압력을 가해 영구적으로 접합시키는 일종의 조립 공정입니다. 접합하고자 하는 두 개 이상의 금속을 서로 충분히 접근시켜 금속 원자 간 인력이 작용, 원자 간 결합으로 인해 접합이 되는 성질을 이용합니다. 이러한 접합을 위해서 원자들을 약 1㎚ 이내로 근접시키고, 금속 표면에 있는 산화막을 제거하여 접합시킵니다. 주로 열을 이용하여 산화막을 제거하고 금속을 용융시키는 아크 용접이 용접법의 시초이며, 이외에도 저항 용접, 고상 용접 등이 있습니다.

용접은 재료의 활용도와 제조 비용 측면에서 부품을 접합하는 가장 경제적인 방법으로 꼽힙니다. 예를 들어 체결을 통한 조립 공정의 경우 리벳과 볼트 같은 부품이 추가로 필요해 결과적으로 용접물보다 더 무거워지게 됩니다. 이에 비해 용접은 무게가 거의 늘어나지 않습니다. 또한, 공장 환경이 아니더라도 도구만 준비되어 있다면 어디서든 작업이 가능해 효율적입니다.

용접 시 설계 고려사항

용접 작업을 할 때는 반드시 용접을 위한 설계(design for welding)를 먼저 고려해야 합니다. 용접 시 재료에 열 또는 압력을 가하는 과정에서 조립품이 비틀리거나 뒤틀리는 등 변형이 발생할 수 있기 때문에 이를 충분히 감안하는 것입니다. 가장 기본적으로는 제품을 주물, 단조물, 혹은 기타 성형물이 아닌 처음부터 용접 조립품으로 생각해서 설계해야 합니다.

또한, 부품의 최소화(minimum parts)를 고려해야 합니다. 용접 조립품은 가능한 최소한의 부품으로 구성되어야 합니다. 예를 들어 하나의 부품에 대해서 용접보다는 단순한 굽힘 가공을 하는 것이 경제성이 더 높을 수 있으므로 가공방식을 선택하기 전 충분한 고민이 필요합니다.

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성공적인 용접을 이루는 세부 가공방식

각 용접 방식에 따라 적합한 재료와 용도는 모두 다르며, 안전하고 효율적인 용접을 위해서는 각각의 특성을 이해해야 합니다.

아크 용접

1800년대 중반에 개발된 아크용접(arc welding)은 전기에너지를 열원으로 이용하는 용접 방식입니다. 직류 혹은 교류 전원으로 전극과 금속 소재 사이에 아크(회로에서 간격 사이에 따라 흐르는 전기 전류의 방전)를 발생시킵니다. 이때, 아크의 온도는 대략 30,000℃로서 산소 연료 가스 용접에서 생성되는 열의 온도보다 훨씬 높습니다. 소모성 전극에 사용되는 대표적인 전극은 피복금속, 서브머지드, 가스메탈 등이며 비소모성 전극에 사용되는 대표적인 전극은 텅스텐입니다.

저항 용접

용접할 접합부에 흐르는 전류에 의해 전기적 저항으로부터 발생하는 열과 압력의 조합으로 용접하는 모든 공정을 총망라해 저항 용접이라 부릅니다. 아크 용접과 비교했을 때 저항 용접은 소모성 전극, 보호가스, 용제 등을 사용하지 않으며, 짧은 시간에 품질이 좋은 용접부를 얻을 수 있다는 점이 장점입니다. 가장 상업적으로 사용되는 저항 용접 공정에는 점 용접, 심 용접, 프로젝션 용접이 있습니다.

고상 용접

용접하고자 하는 두 부분의 경계면을 녹이지 않는 상태로 접합하는 방식입니다. 아크 용접과 달리 고상 용접에서는 액상 혹은 용융 상태의 용가재 금속을 사용하지 않고, 압력만으로 접합하거나 용융시킬 정도로 높지 않은 열과 압력을 가해 접합합니다. 주로 마찰 용접, 초음파 용접, 압연 용접 등이 이에 해당합니다.

산소 연료 가스 용접

산소와 다양한 연료 가스를 혼합하여 용접하는 방식입니다. 가장 많이 사용되는 가스는 아세틸렌(acetylene)으로 아세틸렌과 산소의 혼합비율이 매우 중요합니다. 용가재(접합을 위해 첨가되는 금속)의 성분은 용접 대상인 금속과 유사해야 합니다. 보통 용가재는 용제로 코팅되어 있는데, 이것은 표면을 세척하고 산화를 막아 더욱 우수한 용접 접합부를 생성하도록 도와줍니다.

브레이징

금속과 금속을 연결할 때 금속 자체는 녹이지 않고 용가재가 녹아 결합하는 방식입니다. 따라서 용가재는 접합하려는 금속보다 낮은 용융점을 가져야 합니다. 브레이징에 사용하는 용가재는 주로 동, 동합금, 은합금, 니켈, 알루미늄이 있습니다.

기타 용접

온라인 제조 플랫폼 캐파(CAPA)에서는 이밖에도 전자빔 용접, 레이저빔 용접, 일렉트로 슬래그 용접, 테르밋 용접 등 다양한 용접 방식을 이용하실 수 있습니다.

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