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아크 발생 및 전류 조정

피복아크 용접의 원리와 용접기의 종류 및 특성, 용접의 장단점, 용접기의 조작 방법, 전류의 조정과 아크의 발생법, 용접자세에 관해 알아본다. 1. 아크 용접의 원리 아크 용접(arc welding)은 교류 또는 직류 전압을 용접봉과 모재 사이에 전류를 통하여 아크(arc)를 발생시키고, 이 때 발생되는 아크열(약 6000℃)로 용접봉과 모재(base metal)를 녹여 접합하는 야금학적 접합방식이다. 1) 용접법의 분류 (1) 융 접 (가) 아크 용접 ① 비피복 아크 용접 ② 피복 아크 용접 ③ 원자수소 용접 ④ 불활성 가스 아크 용접 ⑤ 서브머지드 아크 용접 ⑥ 이산화탄소 아크 용 ⑦ 플라스마 아크 용접 ⑧ 스텃 아크 용접 ⑨ 일렉트로 가스 용접 (나) 가스 용접 ① 산소 아세틸렌 가스 용접 ② 공기 아세틸렌 가스 용접 ③ 산소 수소가스 용접 (다) 기타 용접 ① 전자 빔 용접 ② 일렉트로 슬래그 용접 ③ 레이저 빔 용접 ④ 테르밋 용접 (2) 압 접 (가) 저항 용접 ① 스폿 용접 ② 심 용접 ③ 프로젝션 용접 ④ 업셋 용접 ⑤ 플래쉬 용접 ⑥ 고주파 저항 용접 (나) 고상 용접 ① 가스 압접 ② 마찰 압접 ③ 초음파 용접 ④ 냉간 압접 ⑤ 단접 ⑥ 폭발 압접 (3) 납 땜 납땜의 종류에는 연납땜과 경납땜이 있다. 2) 용접의 특징 (1) 리벳이음과 비교한 용접의 이점 ① 이음 형상을 자유롭게 선택할 수 있고 구조가 간단하며 작업시 소음이 적다. ② 절삭 부분이 적어 재료가 절감되고 작업공정의 단축이 가능하여 경제적이다. ③ 이음효율이 높고 완전한 기밀과 수밀성을 얻을 수 있다. ④ 두께에 관계없이 거의 무제한으로 접합할 수 있다. ⑤ 작업이 비교적 간단하여 작업의 자동화가 용이하다. (2) 용접의 결점 ① 국부적으로 가열, 급랭이 되기 때문에 수축, 변형 및 잔류 응력이 생기기 쉽다. ② 내부결함이 생기기 쉽고, 정확한 검사가 곤란하다. ③ 응력이 집중되기 쉽고, 노치부에 균열이 생기기 쉽다 ④ 용접사의 기능 수준에 따라 용접부의 강도에 미치는 영향이 크다. ⑤ 고온의 열이 발생하기 때문에 특별한 보호구의 착용과 안전 대책이 필요하다.   2. 피복 아크 용접의 기초 1) 피복 아크 용접의 원리 피복 아크 용접(shielded arc welding)은 그림과 같이 피복 아크 용접봉(coated electr- ode 또는 covered electrode)과 피 용접물(모재) 사이에 교류 또는 직류 전압을 걸어, 그 간극 사이에 아크를 발생시켜, 아크의 높은 열(약6000℃)에 의해 용접봉이 녹은 용적이 용융 풀(mol- ten pool)에 용착하여 모재의 일부와 융합하여 용접 금속을 만든다. 2) 아크 용접 회로 아크 용접 회로는 그림과 같이 용접기(welding machine), 전극 케이블(electrode cable), 용접봉 홀더(electrode holder), 용접봉(electrode), 모재 및 접지 케이블로 이루어져 있다.   3. 용접 아크의 특성 1) 아크 용접부 아크란, 기체 중에서 일어나는 방전의 일종으로서, 매우 강한 빛과 열을 발생하므로 육안으로는 직접 아크를 관찰할 수 없다. 따라서 알맞은 차광유리를 통해 관찰해야 하며 차광유리로 관찰한 아크 용접부는 그림과 같다. 2) 아크의 길이 아크가 발생될 때 모재에서 용접봉까지의 거리를 말하며 아크 전압(arc voltage）과 밀접한 관계가 있으며 아크 용접에서 아크 길이를 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 예컨대 아크 길이가 알맞지 않으면 용입이 불량하게 될 뿐만 아니라 외기의 영향을 받아 용착 금속의 성질이 불량하게 된다. 아크 길이가 길면, 아크가 불안정하여 용입이 나빠지거나 산소나 질소가 침투하여 재질을 약화시킬 뿐만 아니라 기공이나 균열의 원인이 되며, 아크 길이가 짧으면 아크의 지속이 어렵고 발생열도 작아 용입 불량의 원인이 된다.   3) 아크 발생법과 아크 길이 유지법 (1) 아크 발생법과 중단법 아크를 발생시킬 때에는 용접봉 끝을 모재에서 10[mm] 정도 되게 하여 아크 발생 위치를 정한다음, 핸드실드(헬멧)로 얼굴을 가리고 재빨리 용접봉을 모재에 접촉시키면서 3∼4[mm] 끌어올리면 아크가 발생한다. 아크 발생법은 그림의 (a),(b)와 같이 용접봉으로 모재 위를 긁는 기분으로 운봉하는 긁는법(scratch method)과 그림(c)과 같이 용접봉 끝으로 모재 위를 살짝 찍는 것과 같은 기분으로 운봉하는 찍는법(tapping method)이 있다. 초심자에게는 긁는법이 알맞다. 아크를 중단할 때에는 용접봉을 2∼3회 돌려 크레이터를 채운 다음 재빨리 용접봉을 들어낸다. (2) 아크 길이의 유지 아크 길이는 용접 결과에 큰 영향을 미치므로, 아크 길이를 알맞게 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. 아크 길이를 항상 일정하게 유지하려면, 아크를 용접선 위를 따라 나가는 동시에, 용접봉이 녹아 짧아진 만큼 모재 쪽으로 보내야 한다. 이 두 가지 동작은 동시에 일정한 속도로 행해지는 관계로, 아크를 일정하게 유지하는 것이 그리 쉽지 않다. 보통 아크 길이는 아크 소리로 판단하는데 아크 길이가 알맞으면 '바작 바작'하는 소리처럼 기름에 튀기는 소리와 같이 규칙적인 소리를 낸다. 그러나 아크가 길면 '포포' 또는 '푸푸' 하는 소리를 내며 불규칙적인 소리를 낸다.   4. 아크 용접 기기 아크 용접에서 열원을 공급하여 주는 기기를 아크 용접기라 한다. 아크 용접기는 용접작업에 알맞게 저전압, 대 전류가 흐르도록 제작되어 있으며, 변압기와 달리 두 극을 단락(short circuit）시켜도 전류가 일정 한도 이상으로 흐르지 않도록 제어되어 있어 소손 될 위험성이 거의 없다.   1) 아크 용접기의 비교 아크 용접기에서 가장 중요한 것은 아크를 안정시키는 일이다. 초기에는 아크의 안정성이 좋은 직류 아크 용접기(ＤC arc welder）만 사용하였으나 용접기와 피복 아크 용접기의 발달로 교류에서도 아크를 안정시킬 수 있게 되어 최근에는 교류아크 용접기(ＡＣ arc welder）가 많이 사용되고 있다. 교류 아크 용접기는 값이 싸고 효율적이며, 수리도 간편하고 쉬운 이점이 있다.   비교 항목 교류 아크 용접기 직류 아크 용접기 아크의 안정 약간 불안정 우수하다 비 피복봉 사용 불가능 가능 극성 변화 불가능 가능 아크 쏠림 방지 가능 불가능 무부하 전압 높다 (약70∼80Ｖ） 약간 낮다（약40∼60Ｖ） 전격 위험 많다 적다 구조 간단하다 복잡하다 유지 쉽다 약간 어렵다 고장 적다 많다 소음 작다 크다   2) 아크 용접기에 필요한 특성 아크 용접기의 특성을 크게 나누면 그림과 같이 수하 특성, 정전류 특성, 정전압 특성, 상승 특성이 있다. (1) 수하 특성 왼쪽그림에서와 같이 전류가 증가함에 따라 단자전압이 강하(떨어짐)하는 특성 (2) 정전류 특성 용접 중에 작업자의 손 움직임으로 아크의 길이가 변하면 전류의 크기가 변하므로 아크가 불안정하게 되므로, 아크의 길이에 따라서 전압이 변동하여도 아크 전류는 거의 변하지 않는 특성 (3) 정전압 특성 왼쪽그림과 같이 부하 전류가 변해도 단자 전압이 거의 변하지 않는 특성으로 ＣＰ（Constant Potantial) 특성이라고도 한다. (4) 상승 특성 왼쪽그림과 같이 전류가 증가할 때 전압이 다소 높아지는 특성   3) 직류 아크 용접기 (1) 발전형 직류 아크 용접기(motor generator type） ３상 교류 모터로 발전기를 구동하는 방식과 엔진(engine）으로 발전기를 구동하는 방식이 있다. (2) 정류기형 직류 아크 용접기 3상 교류 전류를 셀렌이나 실리콘 정류기를 사용하여 직류로 바꾸는 용접기   4) 교류 아크 용접기 (1) 교류 아크 용접기의 종류 (가) 탭 전환형 교류 아크 용접기 그림과 같이 1차 코일 Ｐ와 2차 코일 Ｓ를 철심 Ｍ１，Ｍ２ 에 각각 감은 것으로, 용접 전류는 1차 코일과 2차 코일과의 감김 수의 비율을 변경시켜 조정한다. (나) 가동 철심형 교류 아크 용접기 과거부터 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 교류 아크 용접기로 그림과 같이 변압기 철심 이외에 상하 또는 좌우로 이동할 수 있는 가동 철심(Ｍ３）을 설치하여, 철심의 위치에 의하여 누설 자속을 가감할 수 있도록 되어 있다. (다) 가동 코일형 교류 아크 용접기 그림과 같이 용접기 내에 1차 코일과 2차 코일이 있어, 그중 하나를 이동시켜 두 코일 사이의 거리를 자유로이 조절하여, 누설 자속에 의한 전류를 세밀하게 연속적으로 조절하는 형식이다. (라) 가포화 리액터형 교류 아크 용접기 그림과 같이 변압기와 가포화 리액터(saturable reactor）를 조합한 것으로서, 직류 여자(excite）코일를 가포화 리액터 철심에 감아, 이 직류 여자 전류를 조정하는 것에 의하여 용접 전류를 조정한다.   (2) 교류 아크 용접기의 규격   종류 정격 2차 전류［Ａ］ 정격사용율［%］ 정격 부하전압 ２차 전류 최고 2차 무부하 전압 [Ｖ］ 사용되는 용접봉의 지름 (ｍｍ） 저항강하 [Ｖ］ 리액턴스 강하[Ｖ］ 최고값 [Ａ］ 최소값 [Ａ] ＡＷ １８０ １８０ ４０ ２９ ０ 180이상 200이하 35이하 ８５이하 3.2 이하 ＡＷ ２４０ ２４０ ３２ ０ 240이상 270이하 50이하 2∼3.2 ＡＷ ３００ ３００ ３５ ０ 300이상 330이하 60이하 2.5∼5 ＡＷ ４００ ４００ ５０ ４０ ０ 400이상 440이하 80이하 3.2∼6 ＡＷ ５００ ５００ ６０ ４０ ０ 500이상 550이하 100이하 95이하 4∼8   (3) 용접기 사용상의 주의 ① 정격 사용률 이상으로 사용하면 과열되어 소손이 발생된다. ② 탭 전환은 반드시 아크를 중지시킨 후 실시한다. ③ 2 차측 단자의 한쪽과 용접기 케이스는 반드시 확실하게 접지 시킨다. ④ 접점 개폐의 접속을 조사하여 가동 부분, 냉각 팬을 점검하고 주유한다. ⑤ 1 차측의 탭은 1 차측의 전류, 전압을 조절하는 것이므로, 2 차측의 무부하 전압이나 용접 전류를 높이는 데 사용해서는 안 된다.   5. 피복 아크 용접 작업 기구 1) 용접봉 홀더 용접봉 끝을 꽉 잡고 전류를 케이블에서 용접봉으로 전하는 기구로 아래그림과 같고, 용접봉을 물리는 부분은 용접봉을 쉽게 물리거나 뺄 수 있어야 한다. 종류로는 용접봉을 물리는 전 부분을 절연시켜 감전의 위험이 없어 안전 홀더라고 하는 Ａ형과, 손잡이 부분 외에는 절연이 되지 않은 Ｂ형이 있다. 용접봉 홀더의 규격은 아래 표와 같다.   종류 정격용접전류[Ａ］ 홀더로 잡을 수 있는 용접봉 지름(mｍ） 접속할 수 있는 홀더용 케이블의 단면적(mm2) 125호 125 １．６∼３．２ 22 160호 160 ３．２∼４．０ (30) 200호 200 ３．２∼５．０ 38 250호 250 ４．０∼６．０ (50) 300호 300 ４．０∼６．０ (50) 400호 400 ５．０∼８．０ 60 500호 500 ６．４∼（１０．０） (80) ( ）안의 수치는 KS D７００４ 및 KS Ｃ 3321에 규정되어 있지 않은 것임.   2) 용접용 케이블, 커넥터, 접지 클램프 (1) 용접용 케이블 용접 작업에 사용되는 케이블은 전원에서 용접기까지 연결하는 1 차측과, 용접기에서 모재나 홀더까지 연결하는 2 차측이 있다. 1 차측은 움직임 이 별로 없어 유연하지 않아도 되나, 2 차측은 작업을 쉽게 하도록 유연성이 있어야 한다. 굵기는 공칭 단면적으로 나타내고 22, 38, 60[㎟] 등이 있다.   (2) 커넥터 긴 용접용 케이블이 필요한 경우에는 일반적으로 15 ∼ 20[ｍ]정도의 케이블을 이어서 사용한다. 케이블 이음에서 러그(lug）는 케이블을 홀더 끝이나, 용접기 단자(terminal）에 연결하는 데 쓰이며, 아래그림과 같은 케이블 커넥터(cable connector)가 있어 직접 끼워 사용한다.   (3) 접지 클램프(ground clamp） 접지 클램프는 용접기의 2 차측 케이블을 모재에 연결 또는 분리하는 것으로, 각 접속부의 접속 상태가 불량하면 접점에 저항열이 발생하여 전기의 소비가 많고 용접전류가 감소하여 아크가 불안정하게 되어 용접부의 용입이 불량할 뿐만 아니라 다른 결함도 발생한다.   3) 보호 기구 (1) 핸드실드와 헬멧 용접 아크에서 나오는 유해광선(자외선 및 적외선)과, 용접 작업 중에 녹은 금속 입자가 튀어나오는 스패터(spatter）로부터 눈, 머리, 얼굴을 보호하기 위하여 아래그림과 같이 핸드실드(handshield）나 헬멧（helmet）을 사용한다. 핸드실드나 헬멧에 사용되는 차광유리(filter lens)의 크기는 50.8×108[mm]의 직사각형이며 차광 능력에 따른 등급은 아래 표와 같다.   용접 종류 용접 전류[A] 용접봉 지름(mm) 차광번호 금속 아크 30이하 0.8∼1.2 6 금속 아크 30∼45 1.0∼1.6 7 금속 아크 45∼75 1.2∼2.0 8 헬리 아크 75∼130 1.6∼2.6 9 금속 아크 100∼200 2.6∼3.6 10 금속 아크 150∼250 3.2∼4.0 11 금속 아크 200∼300 4.8∼6.4 12 금속 아크 300∼400 4.4∼9.9 13 탄소 아크 400이상 9.0∼9.6 14   (2) 장갑, 앞치마, 팔 덮개 용접 중 발생되는 스패터가 손목이나 발목, 또는 옷 속에 들어가게 되면 화상이나 상처가 생기므로 이를 방지하기 위해 장갑(gloves), 앞치마(bibs), 발 커버(shin cover) 등을 착용한다.   4) 기타 공구 용접 후 용접부에 생긴 슬래그를 제거하는 데 사용하는 치핑 해머(chipping hammer), 와이어 브러쉬(wire brush)와 게이지 및 용접 전류를 측정하는 전류계 등이 있다.   5) 용접 작업 기초 (1) 홀더 잡는 자세 의자에 앉아 허리를 약간 앞으로 구부려 안정된 자세를 잡고, 전극 케이블은 자유로이 조작할 수 있도록 손에서 1∼2[m]되는 곳을 잡는다. 오른손으로 홀더를 가볍게 잡고 팔꿈치는 수평으로 뻗고 어깨에 힘을 뺀다. 아크와 눈의 거리는 약 30[㎝]로 한다.   (2) 용접 전류 조정 용접기의 점검 후 용접 작업에 알맞은 용접 전류로 조정하는데, 용접봉의 지름과 종류, 모재의 두께, 이음 방법, 용접 자세 등에 따라 다르다. 주로 설명서나 아래 표와 같이 용접봉 지름을 기준으로 용접 전류를 조정하며, 용접 전류는 약간 높은 전류로 조정하는 것이 바람직하다. 용접 중에 모재의 온도가 상승하면 약간 낮추어 항상 적정 전류로 용접한다.   모재 두께 (mm) 용접봉 지름 (mm) 전류값[A] 모재 두께 (mm) 용접봉 지름 (mm) 전류값[A] 3.2 2.0 40∼60 7.0 4.0 130∼150 2.6 50∼70 5.0 160∼180 4.0 2.6 60∼80 9.0 4.0 140∼160 3.2 80∼100 5.0 170∼180 5.0 3.2 90∼110 10.0 4.0 150∼170 4.0 110∼130 5.0 180∼200 6.0 3.2 100∼120 12.0이상 5.0 200∼220 4.0 120∼140 6.0 240∼280