실드금속아크용접 (SMAW; Shielded Metal Arc Welding), 피복아크용접, 탄소아크용접

<구분>

• 불활성가스금속아크용접 (GMAW; Gas Metal Arc Welding = MIG;Matal Insert Gas Welding, Solid Wire Welding) 
• 실드금속아크용접 (SMAW; Shield Metal Arc Welding, 피복아크용접) ★
• 탄소아크용접 (CAW; Carbon Arc Welding) 
• 용제-코어 아크용접 (FCAW; Flux Cored Arc Welding, 플럭스코어드 아크 용접)
• 불활성 가스 텅스텐 아크용접 (GTAW; Gas Tungsten Arc Welding = TIG; Tunsten Insert Gas Welding) 
• 특수아크용접
  • 서브머지드 아크 용접 (Submerged Arc Welding)  
  • CO2 가스 아크 용접
  • 원자수소아크용접
  • 아크스팟용접 (플러그 용접)
  • 스터드 용접
  • 일렉트로 슬래그 용접 (electro-slag welding)
  • 플라즈마 아크 용접 

<기출>

• 13-1-7 아크용접에서 사용하는 용접봉 피복재의 기능을 설명하시오
• 금속 20-1-7  피복아크용접에서 용접결함 중 기공의 발생원인과 방지대책을 각각 5가지씩 설명하시오.
• 금속 18-1-5 아크용접 공정에서 소모성 전극봉과 비소모성 전극봉의 유사점과 차이점을 설명하시오.
• 금속 16-1-3  피복아크 용접봉에서 피복제의 작용 7가지를 설명하시오.
• 금속 15-1-9 아크용접 시 사용되는 용접봉의 피복제 중 2가지를 들고 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 실드금속아크용접, 피복아크용접 (SMAW; Shielded Metal Arc Welding) 정의

 피복아크용접은 피복아크용접봉과 피용접물 사이에 아크를 발생시켜, 그 에너지를 열원으로 활용하여 모재를 용융시켜 용접하는 방법

피복아크용접봉과 모재 사이에 교류, 혹은 직류 전류에 의한 아크를 발생시켜 약 4000 ~ 5000도에 달하는 온도에서 모재 및 용접봉을 용융시켜 접합시키는 용접법임 

스테인리스강에는 피복아크용접이 가장 일반적임 (용접봉은 원칙적으로 모재와 같은 재질의 것을 사용)

 

 

2) 피복아크용접 구성 요소 / 원리

① 심선 및 용접제 

아크열로 용융되어 모재로 이행(떨어지고)하고, 동시에 녹은 모재의 야금반응에 의해 용접금속과 슬래그를 형성

 

② 피복제

피복제는 아크열로 분해되어 가스를 발생하여 아크 주위를 감싸 용접금속이 대기중의 산소와 질소의 악영향을 받는 것을 방지. 피복제가 보호가스 역할을 해서 별도의 차폐가 필요없기 때문에 장비와 구조가 간단함 

 

③ 용접금속

용접금속은 피복제, 심선 및 모재와의 야금반응의 결과물. 피복제와 심선의 영향이 큼 

피복아크용접은 미그 용접 등의 용극식 (전극 와이어는 용접 모재와 동일한 금속을 사용) 가스 실드 용접과 비교시 능률이 떨어지지만 이동성, 간편성, 작업환경성, 비용 측면에서 우수 

알루미늄이나 마그네슘 등 산소나 질소와의 친화력이 강한 금속을 제외한 거의 대부분의 금속에 사용 가능함 

피복금속아크용접 개략도

 

3) 구분 (탄소아크용접, CAW;Carbon Arc Welding) 

(1) 용접봉에 따라

① 금속 아크 용접 (SMAW; Shield Metal Arc Welding)

② 탄소 아크 용접 (CAW; Carbon Arc Welding) 

탄소 아크 용접 (CAW; Carbon Arc Welding) 

탄소 전극과 별도의 용가제 (Filler Metal)을 이용한 용접법 (비피복, 비소모 전극 아크 용접)
전기아크용접 중 가장 역사가 오래된 것으로, 모재와 탄소 전극(흑연) 또는 두 개의 탄소전극 사이에서 발생하는 아크열을 이용하여 두 모재 간격에 용가제를 용착시키는 용접방법

탄소 전극이 분해되면 일산화탄소 / 이산화탄소가 발생하여 차폐가스 역할을 함 
탄소 전극이 한개인 경우 직류만 가능 / 두개인 경우 교류 전기를 사용해야 함 

장점 : 저렴한 비용, 낮은 숙련도, 변형 적음
단점 : 불안정한 용접 품질, 용접금속 탄화물 오염, 전극봉이 소모가 빠르고 잘 부러짐

(2) 전원에 따라

① 직류아크용접

② 교류아크용접

탄소아크용접과의 차이

 

2. 특징

 

1) 장점 

(1) 일반적 장점

• 다양한 용접재료, 두께, 작업 환경에 적용 가능
• 간편한 학습 및 사용이 가능함
• 저렴한 비용
• 휴대성이 뛰어남

(2) 가스 용접 대비

• 온도가 훨씬 높고 열에너지의 집중이 좋음
• 용접 작업이 능률적임
• 중 구조물이나 고속 용접에 적함함
• 가열범위가 좁아지므로 강도가 증가됨
• 용접 변형을 줄일 수 있음 (HAZ 범위 축소)

 

2) 단점 

(1) 일반적 단점

• 낮은 용접 속도
• 연기 및 스패터 발생 
• 숙련도 요구 
• 용접 후 슬래그 제거 필요 
• 불안정한 아크 발생 가능 

(2) 아크 용접 대비 가스 용접의 장점
(아크용접의 단점, 아크용접 중 피복아크용접은 휴대성이나 설비비 측면에서 좋다) 

• 각종 금속에 대한 용융 범위가 상대적으로 좁음
• 작업이 조금 더 어려움 
• 운반이 불편
• 설비비가 비쌈 

 

3. 피복제

 

1) 피복제 정의

금속 아크 용접은 크게 비피복 용접봉과 피복 용접봉이 있음 
비피복 용접봉은 자동 용접이나 반자동 용접에 사용되고 피복아크용접봉은 수동아크용접에 사용됨 

피복제는 여러 기능의 유기물과 무기물의 분말을 목적에 따라 적당한 배함 비율로 혼합한 것 
적당한 고착제를 사용하여 심선 (용가제 역할)에 도포함
피복제는 아크열에 분해되어 많은 양의 가스를 발생 → 용융금속과 아크를 대기로부터 보호함 

 

2) 피복제의 역할

• 대기중 산소나 질소의 침입을 방지 → 용융금속 보호
• 아크 안정화
• 슬래그 생성 → 탈산 정련 작용, 용착 금속의 급랭을 방지 
• 용착금속에 필요한 합금 원소를 보충
• 용적(Globule)을 미세화, 용착 효율을 높임
• 용착 금속의 유동성을 좋게 함
• 모재 표면의 산화물을 제거 (탈산 정련)
• 스패터링 (spattering)을 적게 함 

 

3) 피복제의 성분

① 아크 안정제

피복제의 성분이 아크열에 의해 이온화 → 아크 전압을 낮추고 아크를 안정화 

산화티탄, 규산나트륨, 석회석, 규산칼륨 등으로 구성

 

② 가스 발생제

중성 또는 환원성 가스를 발생 → 대기로부터 아크 및 용융지를 차단, 보호하여 용융금속의 산화나 질화 방지

녹말, 톱밥, 석회석, 탄산바륨, 셀률로오스(Cellulose) 등으로 구성

 

③ 슬래그(slag) 생성제

용융점이 낮은 슬래그를 만들어 용융금속의 표면을 덮어 산화나 질화를 방지

용융 금속의 급냉을 방지하여 기포(blow hole)나 불순물 개입을 적게 함

성분은 산화철, 석회석, 규사, 장석, 형석, 산화티탄 등으로 구성

 

④ 탈산제

용융금속의 산화물을 탈산 정련하는 작용

규소철 (Fe-Si), 망간 철 (Fe-Mn), 티탄철 (Fe-Ti), 알루미늄 등

 

⑤ 합금 첨가제

용접 금속의 여러 성질을 개선하기 위해 첨가하는 금속원소

망간, 실리콘, 니켈, 크롬, 구리, 몰리브 덴 등으로 구성 (합금강 성분 재료들)

 

⑥ 고착제 (Binder)

용접봉의 심선에 피복재를 고착

물유리, 규산칼슘 등으로 구성 

 

4) 피복제의 구분

① 가스 발생식 용접봉 (gas shiled type)

고온에서 가스를 발생하는 물질을 첨가하고, 환원성 가스 혹은 불활성 가스 등으로 용접부를 덮어 변질을 방지

전자세 용접에 적당하고 용접속도가 빠르며 작업성이 좋음 

용착 금속 위에 덮인 흘랙을 쉽게 제거 

안정된 아크를 확보할 수 있음 

스패터링은 슬랙 생성식보다 많으니 주의 요망 

 

② 슬랙 생성식 용접봉 (slag shield type)

피복제에 슬래그화하는 물질을 주성분으로 사용

용융금속의 입자가 모재에 이동되는 사이 슬래그를 형성하여 내부 보호

대기와의 화학반응을 저지하여 용착금속을 정련하고 급냉, 산화, 질화 등을 방지

 

③ 반가스 발생식 (semi gas shield type) 

슬랙 생성식과 가스 발생식의 특징을 합한 것

슬랙 생성식에 가스를 발생하는 유기물 (녹말, 톱밥, 석회석, 탄산바륨, 셀률로오스(Cellulose)) 등을 첨가