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1. 용접 개요
1.1. 용접의 정의 및 종류
금속재료에 열이나 압력을 가하여 두 금속을 접합하는 것이 용접이다. 용접은 여러 가지 기계요소와 구조물을 결합하여 조립하는 공정에 사용된다. 금속을 접합하는 방법에는 기계적인 방법과 금속적인 방법이 있다. 기계적인 방법에는 리벳 접합, 볼트 접합, 심 점합, 익스팬딩 등이 있다. 금속적인 방법에는 용접, 압접, 납접 등이 있는데 주로 영구적인 결합을 하는 데 사용된다. 일반적으로 용접이라는 것은 금속적인 접합으로써 금속을 가열하거나 작업방법에 따라 가스 용접, 아크 용접, 전기저항 용접 등과 같이 여러 종류로 구분할 수 있다.
1.2. 금속의 용접성
용접에 사용되는 금속 재료는 각각의 고유한 용접성을 가지고 있다. 용접성은 요접될 모재가 용접에 의해 필요한 비드와 강도를 가진 용접부를 얻을 수 있는가의 여부를 나타내는 정도이다. 이와 같은 용접성은 동일한 모재에 대해서도 사용하는 용접봉과 용접 조건에 따라 달라질 수도 있다.
강(Steel)은 탄소함유량에 따라 용접성이 달라진다. 탄소함유량이 낮은 저탄소강일수록 용접이 용이하며, 탄소 함유량이 0.5% 이상인 고탄소강은 용접 후 냉각될 때 경화가 급속해져서 균열이 생기기 쉽다. 합금강의 경우에도 첨가된 원소의 종류와 양이 많아질수록 용접결함이 발생하기 쉽다.
주철(Cast iron)은 취성재료로서 고온에서도 연성이 없으며 용접 후 냉각될 때 백선화되기 쉽다. 또한 주철에 함유된 탄소가 용접작업 중에 탄소가스가 되어 용접부에 조직불량과 균열발생 등 많은 용접 결합을 남기게 되어 용접에 많은 어려움이 따른다.
구리와 구리 합급은 열 전도성이 좋아서 용접부에서 열의 방출이 많아지고 열팽창계수도 비교적 크므로 모재의 형상에 따라서 균열과 변형이 생기기 쉽다. 또한 용접부에 산화물이 생성되고 결정립계에 편석의 정출되어 취약해지며, 구리가 함유하고 있는 산소로 인해 용접기포 발생의 원인이 된다. 황동의 용접에서는 아연의 증발로 인해 용접부의 성분이 달라지기도 하는 등의 문제로 강에 비해 용접이 어렵다.
알루미늄 합금에 대한 용접기술의 발달로 일정한 정도의 용접이 가능하게 되었으나, 고온에서 산화되기 쉽고 표면에 생성된 산화물은 용착을 방해하며 내부에 형성된 산화물은 표면으로 떠오르지 않는다. 이러한 산화를 방지할 목적으로 사용하는 용제는 부식을 촉진하고 열팽창계수가 커서 큰 용접 변형을 발생시켜서 용접성이 저탄소강에 비해 떨어진다.
이처럼 금속 재료마다 용접에 적합한 성질과 특성이 다르기 때문에, 용접 시 모재의 특성을 충분히 고려해야 한다. 용접 조건 및 방법의 적절한 선택을 통해 결함 없는 양질의 용접 작업을 수행할 수 있다.
1.3. 용접 부의 모양과 이음 형식
용접 부의 모양과 이음 형식은 용접 품질을 높이고 용접 작업을 효율적으로 수행하기 위해 중요한 요소이다.
용접 부의 모양에는 I형, V형, X형, J형, K형, H형 등이 있다. 이러한 모양은 용가재의 용착량을 충분히 확보하고 비드를 쌓을 수 있도록 용접 부에 홈을 만들어 준다.
용접 이음의 형식으로는 맞대기 이음, 덮개판 이음, 겹치기 이음, T 이음, 모서리 이음, 변두리 이음 등이 있다. 맞대기 용접은 두 모재를 서로 맞대어 용접하는 방식이며, 모재 두께가 두꺼워질수록 내부까지 용접하기 어려워지므로 I형→V형→X형→U형→H형 등으로 가공하여 용접한다. 필릿 용접은 겹치기, T 이음 등에서 45도 방향으로 목살이 형성되도록 하는 용접 방식이다. 플러그 용접은 구멍이 뚫린 한쪽 모재와 다른 모재를 겹쳐서 구멍 부분을 표면까지 용접으로 메워 접합하는 방식이다.
또한, 용접할 모재가 두꺼워서 용접 홈이 깊을 경우에는 수회에 걸쳐 용접을 반복하여 용접층이 순차적으로 겹치도록 한다.
용접 자세에는 아래보기, 위보기, 수평, 수직 등이 있으며, 구조물의 형상이나 크기에 따라 적합한 자세로 작업을 해야 한다.
2. 아크 용접
2.1. 아크 용접의 기초
아크 용접은 모재와 금속 전극 사이에 아크를 발생시켜 강한 아크열로 모재와 용접봉을 융합시켜 용착금속을 만들어 모재와 모재를 접합시키는 방법이다.
아크열의 발생 온도는 대단히 높아 약 6,000°C가 된다. 용접봉의 금속이 아크열에 의해 용융되어 용적으로 되고, 아크력에 의해 비드의 종단인 크레이터의 용융지로 운반된다. 피복제는 아크열에 분해되어 발생한 가스는 용융금속을 보호하는 역할을 한다.
전원은 교류와 직류를 사용하며, 직류 용접은 모재 쪽에 양극(+)을 연결하였을 때를 정극성이라 하고, 음극(-)을 연결하였을 때를 역극성이라 한다. 정극성은 모재의 두께가 두꺼울 때, 역극성은 모재의 두께가 얇을 때 적합하다.
교류 용접은 모재 쪽에 정, 부의 어느 쪽 극성을 연결해도 극성이 교차되어 흐르므로 발열량에 차이가 없다. 아크 전압은 아크의 길이와 더불어 증가하고 전류의 증가와 더불어 증가한다. 용접봉의 용융 속도는 전류치에 비례하고 아...
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