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 용접법

 

■ 각 용접법의 특징 및 종류

     용접법은 열원에 따라서 다음과 같이 분류할 수 있다. 이중에서 일반적으로 널리 쓰이는 것은 Oxy-acetylene Gas Welding법과 Gas Tungsten Arc Welding 등이 있다. Electro-slag Welding의 경우에는 아크 용접법이 아니지만 처음의 시작단계에서 아크를 사용하므로 아크용접법 또는 세미-아크용접법으로 분류하기도 한다.

표 1. 열원에 따른 대표적인 용접법

열    원

용  접  법

약  칭

   Gas

    Oxy-acetylene Gas Welding

    OAW

   Arc

    Shielded Metal Arc Welding

    SMAW

    Gas Tungsten Arc Welding

    GTAW

    Plasma Arc Welding

    PAW

    Gas Metal Arc Welding

    GMAW

    Submerged Arc Welding

    SAW

   Arc (Semi-Arc)

    Electro-slag Welding

    ESW

   High Energy

    Electron Beam Welding

 

    Laser Beam Welding

 

 

     다음의 그림 1에는 가스용접(Gas Welding), 아크용접(Arc Welding) 및 전자빔 용접법(Electron Beam Welding)법을 도시하였다. 그림에서 보는 바와 같이 다른 방법에 비하여 일렉트론빔 용접의 폭이 제일 좁으며 에너지의 효율이나 속도가 좋다.

 

그림 1. 가스, 아크 및 고에너지빔 용접법의 비교

 

 

● 아크 용접

     전기회로에 2개의 금속 또는 탄소단자를 서로 접촉시키고 이것을 당겨 간격이 생기게 하면 아크를 발생하면서 고열이 생긴다. 이 열을 이용한 용접이 아크 용접 법이다. 이 때 고열로 인하여 단자의 일부가 기화되고 전기 통로가 되어 전류는 계속 흐르게 된다. 이 때 발생하는 열로써 금속을 용융시킬 수 있다. 가장 온도가 높은 부분은 탄소 아크에서 4000℃ 금속 아크에서는 3000℃에 달한다.

그림 2. 시일드 메탈 아크용접법의 개략도

 

그림 3. 가스-텅스텐 아크 용접의 개략도

 

     모재와 금속전극과의 사이에 아크를 발생시켜 그 용접 열로서 전극과 모재를 용융하며 용접 금속을 형성하는 것을 금속 아크 용접의 방법 , 이 방식의 용접을 용극식 용접법이라고 한다. 피복 아크 용접법 , 서브머어지드 아크 용접법 , 불활성 가스 금속 아크 용접법 , 탄산가스 시일드 아크 용접법 등이 이에 속한다.
     탄소 아크에 의하여 용접 열을 공급하고 용착 금속은 별도로 용가재를 사용하여 이것을 녹여 공급하는 것을 탄소 아크 용접 방법이라 하고 이 방식의 용접을 비용극식 용접법이라고 하며 오늘날의 불활성 가스 텅스텐 아크 용접법은 이 방법이 발전된 것이다. 아크 용접법의 초기에는 직류 전원을 사용하였다. 그러나 피복용접봉의 발명으로 그 후 교류 전원에 의한 용접법도가능 가능하게 되었다. 교류아아크 용접기는 효율이 좋고 가격도 싸며 보수와 취급등이 쉬우므로 널리 사용되고 있다.
     금속 용접봉에는 심봉의 주위에 특수 용재의 피복을 한 피복 용접봉이 사용되고 용접할 때 피목제가 고온에서 가스를 발생시키든가 또는 슬랙이 되어 공기중의 산소와의 화학 작용을 방지하여 용융 금속을 보호함으로써 좋은 용접이 되도록 한다. 보통 공기 저항을 깨트리고 아크를 발생할 수 있는 개로 전압은 직류에서는 50-80V 교류에서는 70-135V 이다. 아크 발생 후에는 전압이 감소되므로 아크를 계속하는데 필요한 아크 전압은 20-30V 이다. 그러나 피복 용접봉을 사용하면 다소 차가 있으며 발생된 아크는 안정한 상태를 유지하도록 작업 조건을 조절해야 한다. 직류를 사용한 아크는 전체 발열량의 60-75% 가 양극 측에 발생한다. 교류를 사용하면 교번 전류로 인하여 양극의 발열량이 동일하게 된다.

● 아크 용접기
     크게 직류와 교류 용접기로 나눈다. 직류 용접기는 동력선의 전력을 을 사용하여 전동기를 회전하고 이것에 직결된 직류 발전기를 직결하여 운전함으로써 용접 직류 전원을 얻는다. 교류 용접기는 일종의 변압기로서 2차 측 코일에서 용접 전류를 얻는다. 아크 전압은 개로 전압에 비하여 낮으므로 작업할 때에 손실이 많아 불리하다. 용접기는 아크의 발생이 쉽고 작업할 때에 능률이 좋도록 설계되어 있다.

그림 4. 가스-텅스텐 아크 용접법의 개략도

 

그림 5. 세가지 전류형태에서의 가스-텅스텐 아크용접법

     그림 4에는 대표적인 형태로서 가스-텅스텐 아크용접법을 나타내었다. 5에는 3가지 다른 전류 형태에서의 아크용접법의 개략도를 나타내었다.

 

◆ 직류 아아크 용접기
    (1) 정전압형 직류 용접기 : 부하가 변동하여도 전압이 일정하게 되어 있다 발전기의 용량이 충분하면 많은 용접을 동시에 할 수 있다. 한대의 발전기로서 여러 개의 회로를 끄집어 내어 각기 용접공은 직렬저항과 리액턴스를 연결하여 아크 전류를 통하게 한다.

   (2)  정전류형 직류 용접기 : 전류가 항상 일정하다. 아크 전압이 자주 변하여도 아크 전류는 일정하여 아크가 안정되어 있다. 이 방식에는 단식 직류 발전기 즉 한대의 발전기에서 한사람의 용접공이 용접 전류를 공급받을 때 편리하며 기계 설비가 적고 아크 발생이 쉬운 장점이 있다.  

◆ 정전력형 직류 용접기
     전류가 증가하였을 때 자동적으로 전압이 강하 되도록 설계된 것이므로 대략 일정한 전력을 갖게 된다. 단식과 복식의 용접기가 있다.
 

◆ 직류 용접기의 특징
     전류가 한 방향으로 흐르기 때문에 아크가 안정되어 피복없는 용접봉으로도 용접할 수 있다. 그러나 아크의 길이가 너무 길어 용입 불량이 되기 쉽다. '+' 를 모재로 하고 용접봉을 '-' 로 연결한 경우를 정극성 이라 하고 그 역을 역극성이라고 한다. 직류 용접기에는 마그넷 불로우 현상이라고 하여 아크가 일정 방향으로 흐르는 일이 있다. 이것을 직류에서 용접봉 또는 모재의 주위에 자력선이 생기고 그 분포에 와류가 생기기 때문이다. 이것은 불량 용접의 원인이 되므로 이것을 방지하기 위해 모재의 케이블 연결점을 바꾸던가 가접부를 크게 하고 후퇴 용접하여 방지하나 방지 곤란한 것도 있다.
 

◆ 교류 아크 용접기
     보통 교류 아크 용접기는 일종의 변압기 이나 2차 전류를 통과시킬 때 즉 용접할 때 계단적으로 2차 전압이 떨어지는 특성을 갖도록 설계되어 있다. 그러므로 일반 교류 아크 용접기는 아크를 안정시키기 위하여 회로에 리액턴스 코일을 넣어 리액턴스를 크게 함으로써 아크 부분의 저항 변화로 생기는 2차 전류의 변화를 적게 하고 있다. 리액턴스를 크게 하고 개로 전압을 높게 함으로써 용접기의 효율이 25-40% 정도로 된다. 교류 용접기는 직류 용접기에 비하여 안정성이 떨어지나 가격은 1/3~1/4 정도 이므로 직류 용접기보다 널리 사용되고 있다.
 

◆ 고주파 아크 용접기
     교류 아크 용접기에 사용되는 변압기 중에는 고주파 발생장치를 장비하고 있는 것이 있어서 용접 전류를 5-200000 사이클의 고주파 전류로 변화시킨다. 그 회로는 용접할 때 전류를 안정하게 하고 10-50A 의 적은 범위의 아크 전류에서도 쉽게 작업할 수 있다. 보통 용접기로서는 용접이 곤란한 비교적 엷은 판재의 용접도 가능하고 또한 Cu , Al 등도 효과적으로 용접할 수 있다.
 

◆ 자동 아크 용접기
     용접봉을 기계 장치로써 피이드하고 아크의 길이를 일정하게 하는 동시에 안정한 작업을 하기 위하여 자동 용접기를 사용한 용접법이 있다

     (1) 반자동 용접법
     (2) 자동 용접법

일반으로 반자동 용접법은 용접의 피이드를 손으로 하여준다. 자동 용접법의 장점은 다음과 같다.

     (1) 용접 속도가 수동식에 비하여 빠르며 3-6 배에 달한다.
     (2) 아크가 안정되어 우수한 용접이 가능하다.
     (3) 작업자에 관계없이 능률적으로 작업할 수 있다.
     (4) 대량 생산으로 생산비가 싸게 든다.

     자동 용접기는 용접열을 용접기에 부속되어 있는 로울러에서 용접부에 공급하면서 연속적인 용접을 하는 방법이다. 용접봉은 이송용 전동기로써 회전하는 로울러 사이에 끼어 있어 로울러의 회전은 아크의 길이 즉 아크 전압의 변화에 따라 이송용 전동기의 속도가 변하도록 되어 있다.  

◆ 직류 용접기와 교류 용접기 비교
   - 직류
     (1) 아크가 교류보다 안정되나 마그넷 불로우가 있다.
     (2) 무부하 전압이 교류보다 작고 전격의 위험이 교류보다 작다.
     (3) 발전형 직류 용접기는 소음이 있고 회전부 고장이 많다. 정류기의 손상 및 고장에 주의해야 한다.
     (4) 교류에 비해 가격이 비싸고 유지 보수 점검에 교류보다 시간이 더 걸린다.
   - 교류
     (1) 전류 전압이 교번하므로 아크가 불안정하다.
     (2) 취급이 쉽고 고장이 적다.
     (3) 값이 싸다.
     (4) 무부하 전압이 직류보다 크고 전격의 위험이 크다.
 

◆ 아크 용접봉
     초기에는 금속봉을 그대로 사용하였으나 이것은 다음과 같은 결점이 있다.

     (1) 보존 중에 대기 중의 습기와 산소의 영향으로 녹이 생겨 용착이 잘 된지 않는다.
     (2) 용접할 때 고온 기화로 용접 부분의 재질이 불량하게 되기 쉽다.
     (3) 용접부가 공기와 접촉하여 산화물이 생긴 것이 용접 부분에 들어가기 쉽다.

     그래서 최근에는 특수한 때 이외에는 전부 용접봉의 주위를 피복한 피복 용접봉이 사용된다. 피복 용접봉은 피복제의 종류에 따라 여러가지 형이 있다.  보통 사용되는 심선의 직경에는 0.1 , 1.4 , 2.0 , 2.6 , 3.2 , 4.0 , 5.0 , 6.0 , 7.0 , 8.0mm 등 10종이 있으나 그중 3.2-6mm 가 널리 사용되고 특히 4mm 가 가장 많다. 심선의 재질은 주철 특수강 비철 합금에는 모재 성분과 동일한 것이 널리 사용된다. 연강에는 탄소가 비교적 적은 연강봉이 사용된다. C가 비교적 적은 것을 사용하는 이유는 강철의 연성을 크게 하고 용해 온도를 높게 함으로써 잘 용해되도록 하여 용접 조작을 쉽게 하기 위한 것이다.
     Mn 은 탈산제의 역할을 하고 S의 유해 작용을 감소시킨다. 또한 너무 많으면 취성이 있고 용접이 곤란하므로 일정한 범위로 한다. P는 상온 취성이 있어서 용접부에 균열이 생기는 원인이 되기 쉬우며 S는 고온 취성이 있어서 S와P는 될수록 적게 한다.
 

◆ 피복제의 첨가물
(1) 가스 발생식 용접봉 : 고온에서 가스를 발생하는 물질을 피복제 중에 첨가하여 용접할 때 발생하는 활원성 가스 또는 불활성 가스 등으로 용접 부분을 덮어 용융 금속의 변질을 방지하는 용접봉이다. 유기물형 용접봉이라고도 한다. 슬랙은 쉽게 제거되고 다공성이 있어서 잘 부서지며 산성이다. 아크는 대단해 안정되고 불활성 가스에 둘러싸여 용접 속도도 크게 할 수 있다.
(2) 슬랙 생성식 용접봉 : 피복제에 슬핵화하는 물질을 주성분으로 사용하여 용융 금속의 입자가 용접봉으로부터 모재에 이동되는 사이에 슬랙을 형성하여 내부를 보호하며 대기와의 화학 반응을 저지하여 용착 금속을 정련하고 또한 냉각과 더불어 응고되어 용착 금속의 표면을 덮어 급랭 산화 및 질화 등을 방지하는 역할을 하는 용접봉이다. 피복제는 무기물로 되어 있으며 이 형식의 용접봉을 무기물형 용접봉이라고도 한다.
(3) 반 가스식 용접봉 : 앞의 두 가지의 특징을 결합한 용접봉이다.  용융 금속을 보호, 아크를 안정, 용융 금속을 정련, 용착 금속의 급랭을 방지, 용착 금속에 필요할 원소를 보충 등의 여러 조건을 구비하기 위해 여러 성분을 첨가하고 배합한다. 피복제의 성분으로 산화물계에는 SiO2 , CaO , Al2O3 , MnO2 등이 사용되고 규산염계에는 Na2Si4O7 , Na2SiO2 등 탄산염 계에는 CaCO3  , Na2CO3  , MnCO3  , NaHCO3 등과 불화물 유기물 붕산염 으로는 Na2B4O7 + 10H2O 또는 Na2B4O7 + 5H2O 가 사용되며 철합금 계로는 FeSi , FeMn 등이 사용된다. 이 중에서 몇 개를 잘 혼합하고 물을 첨가하여 혼합한 후 그대로 도포제로써 사용하든가 또는 수분을 줄이고 기계적으로 압착하여 피복제로써 사용한다. 고착제로서 수성 유리 , 아교 , 젤라틴 , 아라비아 고무 , 해초 등이 사용되고 그 밖의 섬유 물질로서 석면을 혼합하는 일도 있다.
 

◆ 피복제의 성분과 작용

(1) 아크를 안정하게 한다.
(2) 용융점이 낮은 슬랙을 만든다. 그러므로 용접봉 심선이 피복제보다 빨리 녹아서 아크 기둥을 대기 중의 산소 및 질소의 영향에서 보호하며 아크를 용접부에 집중시킨다.
(3) 탈산 , 정련 작용을 한다.
(4) 중성 또는 환원성 분위기를 만들어 대기 중의 산소 및 질소의 침입을 방지함으로써 용융 금속을 보호한다.
(5) 비중이 작고 유동성이 적당한 스패터를 만들어 용착 금속을 충분히 덮어 용착금속의 산화 , 질화 작용을 방지한다.
(6) 용착 금속에 합금 원소를 첨가한다.
(7) 유동성을 크게 하여 슬랙을 제거하기 쉽게 하고 깨끗한 용접면을 만든다.
(8) 용착 금속의 냉각 및 응고 속도를 늦추어 주고 고착성을 증진 시킨다.
(9) 모재 표면의 산화물을 용해 제거하고 용접을 완전하게 한다.

   

◆ 피복 아크 용접봉의 KS 분류

(1) 고셀룰로오스계 피복 아크 용접봉(E4311) : 구조물의 아래보기 수직 위보기 자세 용접에 적합한 전 자세 용접봉으로 주성분은 셀룰로오스로 되어 있다. 가스 시일드식 용접봉으로 아크가 강렬하고 스패터링이 비교적 많다. 슬랙 제거는 쉬우나 비이드가 약간 거칠다. 전 자세 용접봉으로 사용이 가능하나 엷은 판의 용접에 가장 적합하다. 결점으로는 습기를 띄기 쉽고 기공이 생길 염려가 있다.
(2) 일미나이트계 피복 아크 용접봉 (E4301) : 우리 나라에서 가장 많이 생산되고 있으며 그 주성분으로 일미나이트(FeOTiO2)를 30%이상 포함하고 있다. 기계적 성질도 양호하고 중요한 일반 기기 및 구조물의 용접에 사용된다. 전 자세 용접이 가능하다.
(3) 라임 티타니아계 피복아아크 용접봉 (E4303) : 이산화티탄을 약 30% 이상 포함하고 전 자세 용접이 가능하며 작업성과 기계적 성질도 우수하여 최근에는 더욱 발달되고 있다. 중요 구조물에 사용된다.
(4) 고산화 티탄계 피복 아크 용접봉 (E4313) : 수직 용접도 가능하며 주성분은 많은 양의 이산화티탄으로 되어 있다. 아크는 조영하고 스패터링이 적다. 특히 용접 외관과 작업성의 좋은 특징이 있다. 용입이 비교적 얕아서 엷은 판의 용접에 적당하다. 기계적 성질이 다른 용접봉에 비하여 약하고 용접 중에 고온 균열을 일으키기 쉬운 결점이 있다.
(5) 저수소계 피복 아크 용접봉 (E4316) : 수소 함유량이 극히 적은 용접봉이다. 피복의 두께가 두껍고 아크의 길이가 짧고 끊어지기 쉬워서 아크가 불안정하며 슬랙의 유동성도 나쁘다. 일반으로 작업성이 나쁘기 때문에 특수한 운봉법이 필요하다. 그러나 용착 금속은 연성과 인성이 좋기 때문에 중요 구조물의 용접에 사용되며 특히 고장력 강과 합금강 등 수소의 영향으로 균열을 일으키기 쉬운 강재에 적당하다.
(6) 철분 산화티탄계 피복 아크 용접봉 (E4324) : 약 50% 의 철분을 함유한 두꺼운 피복으로 되어 있어 작업하기 쉽고 특히 용착 속도가 크므로 작업 능률이 좋다. 아래보기 수평 필릿 용접에 적합하다.
(7) 철분 저수소계 피복 아크 용접봉 (E4326) : 철분을 30-50% 함유한 것으로 용착 속도가 크고 작업 능률이 좋다. 아래보기 및 수평 필릿 용접에서 작업성이 좋고 기계적 성질도 대단히 우수하다.
(8) 철분 산화철계 피복 아크 용접봉 (E4327) : 철분 30-45% 정도를 포함시켜 능률화시킨 것으로 특히 수평 필릿 용접의 작업성이 좋다. 최근 중력식 아크 용접에 많이 사용되고 있다.

  

 

◆ 아크 용접부의 기본 현상
     아크 발생에는 탄소 또는 금속봉을 전극으로 사용한다. 중심의 백열부분은 아크 중심이다. 중심 주위의 청색 부분을 아크 유동부라고 한다. 중심 주위의 황색을 띄고 있는 부분을 아크 플레임이라 한다.
     용접부의 조직 : 용접 부분의 특성은 모재와 동일한 것인 동시에 균일한 재질이 요구된다. 또한 전체적으로 물리적 성질 및 응력 분포도 동일한 것이 필요하게 된다. 그런데 아크 용접 과정을 볼 때 아크열로서 용접봉은 용해 과열 산화 기화 등의 작용을 받게 된다. 이때 공기중의 O2 및 N2 등과 반응을 일으켜 산화물 및 질화물을 형성하여 용접 결함을 초래한다. 이것을 피복 용접봉에 도포된 용제의 화학적 반응으로 방지하고 있다. 용접부에서 거리가 멀어 용접의 영향을 받지 않는 원질부 , 용접부와 인접되어 있어 입상의 큰 조직으로 변질되는 변질부 , 모재와 용접봉이 융합된 부분이므로 각 부분의 조직 및 결정의 변화가 생기는 융합부로 용접 부분이 이루어져 있다. 용착 금속 부분은 용접봉이 용접되어 형성된 것이다. 각 조직의 변화는 뚜렷한 경계선을 얻기 곤란하다. 탄소는 저온에서 고온으로 확산되는 경향이 있으므로 융합부에는 탄소량이 많아지고 모재에 인접된 부분은 모재보다 탄소량이 적어진다. 따라서 융합부는 급랭에 의한 영향을 받기 쉽다.
     과열부 중에서 융합부에 가까운 부분은 용융할 때의 고온의 영향을 받아 페라이트는 오스테나이트의 경계에 석출된다. 일반적으로 강철을 용접하면 용융 열로써 강철은 경화되고 또한 여리게 된다. 그러므로 용접 부분은 충격과 피로에 약한 결점이 있다.

◆ 용착
     아크 용접의 모재와 용접봉을 용융시켜 일체로 만드는 것을 용착이라고 한다. 용착은 용접부의 양부 및 강도를 검사할 때 중요한 인자가 되며 용접봉의 적당과 부적당 및 용접 온도 아크의 길이 전류량 용접 속도 등과 밀접한 관계가 있다. 용착 깊이는 크레이터의 깊이에 따라 알 수 있다. 크레이터 부분에서는 모재와 용접봉이 융합되며 크레이터 부분은 용접의 진행과 더불어 이동된다. 보통 크레이터의 깊이는 용접 재료의 두께에 따라 다르나 적어도 1.6mm 이상은 되어야 한다. 용점은 급한 용융 상태이므로 모재면의 융해된 부분에 용융 금속이 꽉 차 있지 않으면 모재와 용착 금속의 경계에 오목한 부분이 생겨 언더컷 현상을 일으킨다. 또한 모재와 충분히 융합되지 않은 상태로 모재면에 닿아 있으면 오버랩이 생긴다. 언더켓은 용접 속도가 빠르고 전류가 많을 때에 일어나며 오버랩은 용접 속도가 느리고 용접봉이 과융해되고 전류가 많을 때 일어난다. 강의 용접성은 용접이 한 덩어리로 잘되는 것을 의미하므로 용접성이 좋고 나쁨은 용접경과의 결합상태 또는 난이도로 표시할 수 있다.
 

◆ 아크의 크기
     아크가 너무 길 때에는

        (1) 아크가 불안정하다.
        (2) 용착이 얇게 된다.
        (3) 용접부의 금속 조직이 취약하게 되어 강도가 감소된다.
        (4) 아크 열의 손실이 생긴다.
        (5) 용접봉이 불경제가 된다.

     아크가 너무 짧게 되면 아크를 지속하기 곤란하고 용접을 연속적으로 하기 곤란하며 용착이 불량하게 된다. 금속 용접봉을 사용하여 좋은 용접조건을 얻기 위하여 아크의 길이는 짧은 것이 최대 필요 조건이다. 짧은 아크는 긴 것보다 안전성이 있고 작업이 용이하다.

 ◆ 아크 용접 시공

(1) 용접의 방향과 자세
     특수 용접으로서 연질 모재의 표면에 경질 용접봉으로 용접하여 경질 표면층을 형성하는 하드 페이싱 방식도 있다. 또는 마모된 부분품의 표면에 같은 재질의 용접을 하여 본래 치수로 만드는 덧살 용접에 대하여 현장에서는 흔히 빌트업 용접이라고 부른다. 이중 가장 많이 쓰이는 이음법은 맞대기 용접이다.

     작업자의 운봉은 자세에 따라 다음과 같은 종류로 분류한다.

 

아래보기 용접

:

일반 용접은 이 위치에서 실시하며 용접대는 수평하게 놓고 전극봉은 아래를 향한다.

 
수평       용접

:

판면이 수평면에 대하여 90°또는 45°이하로 경사하고 용접선은 수평이 되도록 한다. 전극봉은 수평하게 잡는다.

 
수직       용접

:

수직면 또는 수직면과 45°이내의 경사진 면을 용접하며 용접선은 수직 또는 수직면에 대하여 45° 이내로 경사진다.

 
위보기    용접

:

전극봉은 모재 밑에서 대고 용접봉 끝을 위로 향하세 하고 용접한다. 천장의 안쪽을 용접하는 방법이다.

 

(2) 용접작업
     용접할 재료를 소정의 치수로 절단하고 끝도 지정된 치수로 가공한다. 용접자세는 아래보기가 좋으며 필요하면 지그를 사용하여 작업을 용이하게 하고 동시에 변형 방지 공정수의 절약 정밀도를 높이고 다량 생산을 할 수 있도록 연구한다. 용접부에 녹이 있으면 이것을 제거하고 습기도 없게 한 후에 작업을 한다. 여러 층으로 용접할 때에는 각 층마다 슬랙을 완전히 제거한 다음에 다음 층의 용접을 한다. 모재 전체를 용접하기 전에 재료를 정확히 맞추고 가용접을 한다. 가용접은 용접선을 따라 군데군데 용접하는 것을 말하며 변형을 방지하기 위하여 보조재를 덧붙여 가용접할 때도 있다. 고탄소강 , 주철 , 특수강 등은 용접할 때 터지기 쉬우므로 재료를 용접하기 전에 모재를 100-400℃정도로 가열한다. 가열에는 목탄 , 산소-아세틸렌가스 , 괴탄 등을 사용한다. 용접의 순서는 변형 잔류 응력의 방지 , 공정수의 절약을 고려하며 모재의 재질 판의 두께 형상 용접 자세에 따라 적당한 용접봉의 종류 크기 용접 조건을 선택한다. 아크를 발생시키기 위해서는 용접봉으로 모재를 가볍게 두드리면서 뗀다 떼는 거리는 보통 3-5mm가 적당하다. 아크가 용접 중에 중단되면 크레이터가 나타나며 다시 아크를 발생시킬 때에는 크레이터 조금 전방에서 발생시키고 크레이터의 후단으로 가져가서 용접을 시작한다.

(3) 비이딩 또는 운봉법
     용접봉을 움직이는 방법은 용접선 위를 직선으로 움직이는 것과 용접선에 직각 방향으로 움직이며 진행하는 위이빙 방법이 있다. 전자에서는 직선 비이드가 나타나며 후자에서는 폭이 넓은 비이드를 얻을 수 있다. 위이빙은 각 층마다 용착되는 금속의 양을 증가할 목적으로 하며 안정된 아크로 진행하여야 된다. 이와 같은 비이딩의 요령은 결코 고정된 것이 아니고 작업자에 따라서 여러 가지로 다른 운봉법을 채택하고 있다. 비이드의 중앙은 양끝보다 높은 온도가 되므로 끝에서는 운봉 속도를 느리게 한다. 비이드는 여러 틈으로 겹치는 것이 변형을 방지하는데 유리하다. 판의 두께가 두꺼울수록 층의 수를 증가시킨다. 비이드는 한 끝에서 연속적으로 다른 끝으로 진행하는 점진식 외에 여러 가지방법이 있다.

(4) 용접봉의 각도
     현재 피복된 용접봉에 대하여서는 60-80°로 하는 것이 적당한 것으로 되어 있으나 작업 조건의 영향이 크다 용접 전류는 판 두께, 이음 모양, 용접 자세, 봉의 종류, 봉 지름, 층수에 따라 다르다.
     전류가 강하면 스패터링이 많고 용융 속도가 빨라지며 언더컷이 일어나기 쉽다. 전류가 약해지면 용융이 늦고 녹은 덩어리의 스패터가 커지면서 모재에 옮겨지는 까닭에 용입 불량과 오버랩이 생긴다. 전류의 조정은 실제 작업에서는 항상 주의하여야 한다.

(5) 용접 입열
     용접부에 외부에서 주어지는 열량을 용접 입열이라 한다. 피복 용접봉을 사용한 경우 길이 1cm 당의 아크 용접에서 발생하는 전기적 에너지 H, 아크 전압 E(V),  아크 전류 I(A), 용접 속도 v(cm/min)일 때

          H = 60 E I / v (joule/cm)

     실제는 이 전기적 에너지 이외에 피복제의 분해에 따른 화학적 열에너지가 위의 H에 가산되어야 한다. 실제 소비되는 용접 입열은 용접봉의 용융열이 약 15% 용접금속의 형성열이 20-40% 이고 모재의 가열 피복제의 용해 복사 및 대류 등에 대한 열 60-85% 이다.

● 전기 저항 용접

     용접할 물제에 전류를 통하여 접촉부에 발생되는 전기 저항열로서 모재를 용융 상태로 만들고 외력을 가하여 접합하는 용접이 전기 저항 용접법이다. 이 때에 발생하는 저항열은 줄의 법칙에 따르며 다음 식으로 표시된다.

          Q=0.24I*IRt

     여기서 Q:열량(cal) , I:전류(A) , R:전기저항(Ω) , t:시간(sec) 이다. 그러므로 저항이 큰 재료에 저전압인 전원에서 많은 전류를 통과시켜 이 때 발생하는 저항열을 이용한다. 전기 저항용접의 종류에는 다음과 같은 4종류가 있다.

(1) 맞대기 용접은 모재의 단면을 맞대어 놓고 맞대임 접합하는 방식이다.
(2) 스포트 용접은 2장 또는 3장 이상의 금속판을 겹쳐 놓고 리벳 접합하듯이 점상으로 용접하는 방식이다.
(3) 시임 용접은 연속적으로 스포트 용접을 하는 방식이다.
(4) 프로젝션 용접은 돌기의 접촉부를 용접하는 방식이다.

     전기 저항 용접은 아크 용접에 비하여 많은 전류를 단시간에 흐르게 하는 것이 필요하다. 또한 정밀한 제어장치가 요구되며 용접 온도는 아크 온도보다 저온이고 작업속도가 빠르고 용접 부분의 안정성이 크다. 전기 저항 용접의 열원은 저항 발열과 방산열의 차이로써 얻어지므로 열전도율이 좋은 모재는 열이 전달되기 쉽고 또한 접촉부가 냉각되어 많은 전류를 짧은 시간내에 흐르게 하여야 한다. 일반적으로 고유 전기 저항이 크고 열전도율이 작으며 용융점은 낮고 또한 소성 구역 온도 범위가 넓은 금속일수록 저항 용접이 쉽다. 조작은 거의 기계적이고 다른 용접법처럼 사람의 기능의 우열에 영향이 적고 또한 용접에 필요한 시간도 적으므로 대량 생산에 적당하다. 현재 전기 저항 용접법은 금속 아크 용접법에 이어 광범위하게 쓰여지며 자동차 비행기 공업은 물론 제관 공업 기타 방면에도 이용되고 있다. 

◆ 맞대기 용접법
    금속선 , 봉 , 판 등의 끝면을 맞대어 용접하는 것

(1) 업셋 버트 용접 : 단순히 맞대기 용접이라고도 한다. 전류를 통하기 전에 용접재를 압력으로써 서로 접촉시키고 이것에 대전류를 흐르게 하여 접촉 부분이 전기 저항열로써 가열되어 용접 온도에 달하였을 때 다시 가압하여 융합시키는 방법이다. 이때 용접 부분은 고온으로 되고 열소성 상태로 되어 있으므로 가압하면 접촉부는 블록형으로 부풀어 모재의 길이가 다소 짧게 된다.
     피용접재를 세게 맞대고 여기에 대전류를 통하여 이음부 부근에서 발생하는 저항 발열에 의해 가열시켜 적당한 온도에 도달하였을 때 축 방향을 센 압력을 주어 용접하는 방법이다. 압력은 수동식으로 가하는데 이때는 스프링 가압식이 많이 쓰이고 있다. 대형 기계에서는 공기압 , 유압 , 수압 등이 사용되고 있다. 전극은 전기 전도도가 좋은 순 구리 또는 구리 합금의 주물로서 만들어지고 있다. 변압기는 보통 1차 권선 수를 변화시켜 2차 전류를 조정한다. 이것은 2차 권선 수가 대부분 단권이기 때문이다. 이 밖에 전류 조정기 , 전원 개폐기 , 자동 전류 차단기가 있다. 맞대기 용접법에서는 가스 압접법과 같이 이음부에 개재하는 산화물 등이 용접 후에도 남아 있기 쉽고 용접하기 전의 이음면의 끝맺음 가공이 특히 중요하다. 맞대기 용접법은 플래시 버트 용접법에 비하야 가열 속도가 늦고 용접 시간이 길다.
(2) 플래시 버트 용접법 : 용접할 재료를 서로 접촉시키기 전에 적당한 거리에 놓고 서로 서서히 접근 시키면서 대전류를 통전시킨다. 용접 재료가 서로 접촉하면 돌출된 부분에서 전기 회로가 생겨 이 부분에 전류가 집중되어 스파크가 발생되어 접촉부가 백열 상태로 된다. 용접물이 더욱 접근됨에 따라 다른 접촉부가 같은 방식으로 스파크가 생겨 모재가 가열됨으로써 용융 상태가 된다. 작당한 고온에 달하였을 때 강한 압력을 가하여 압접한다. 특징으로는

(1) 가열 범위가 좁고 열 영향부가 작다.
(2) 용접면에 산화물이 생기지 않는다.
(3) 신뢰도가 좋고 이음 강도가 크다.
(4) 동일한 전기 용량에 큰 물건의 용접이 가능하다.
(5) 용접 시간이 짧고 소비 전력이 적다.
(6) 종류가 다른 재료의 용접이 가능하다.
 

◆ 맞대기 용접 조건과 용도

     업셋 용접법은 강철선 구리서 알루미늄선 등의 인발 작업에서 선재의 접합에 사용되는 일이 많고 또한 연강의 각종 단면 , 둥근 봉재 , 단면재 , 파이프 등의 접합에 사용한다. 플래시 보트 용접은 레일 , 보일러 , 파이프 , 드릴 몸체의 용접 , 건축재료 , 자전거의 림 , 파이프 각종 봉재 등 중요한 부분의 용접에 사용된다. 

◆ 스포트 용접
     점 용접이라고도 하며 주로 판재의 용접에 사용된다. 리벳 이음은 판재에 구멍을 뚫고 리벳으로 접합시키나 스포트 용접은 구멍을 뚫지 않고 접합할 수 있는 장점이 있다. 이 방법은 전극 사이에 용접물을 넣고 가압하면서 전류를 통하여 그 접촉 부분의 저항열로 가압 부분을 융합시킨다. 이 융합 부분을 너겟 이라고 한다. 스포트 용접을 잘 하려면 가압력 , 통전시간 , 전류밀도 등을 잘 조절하는 것이 필요하다.
 

◆ 스포트 용접기의 구조와 이용
     고정식과 이동식이 있는데 고정식은 프레스형 스포트 용접기 , 로코형 스포트 용접기 의 2종류가 있다.

(1) 프레스형 스포트 용접기 : 가압용 실린더가 위에 있어 전극을 가압하는 기능을 갖고 있으며 보통 압축 공기를 사용한다. 몸체로부터 상하 2개의 아암이 있고 그 선단에 전극 고정 장치가 있다. 상하 2개의 아암의 길이와 이동거리는 가공할 수 있는 용접물의 크기와 관계가 있다. 보통 이것으로 용접의 능력을 표시한다.
(2) 로커형 스포트 용접기 : 상부 아암의 레버 장치로서 가압 작용을 하게 되어 있다. 가동구가 비교적 중량이 가볍고 상부 전극이 쉽게 이동할 수 있게 되어 있다.
(3) 고정식 스포트 용접기 : 용접할 물건을 이동하게 되므로 너무 큰 형상을 하였던가 또는 중량이 너무 무거운 것은 스포트 용접을 하지 않는다.
(4) 이동식 스포트 용접기 : 용접 변압기와 가압부로 나누어져 있고 케이블로 연결되어 있다. 보통 2.0nm 이하의 엷은 판재 용접에 사용되고 용접 전류는 10000-15000A 전압은 2-10V 정도이다.

     용접할 판재는 표면을 깨끗이 하고 산화 피막 및 유지류를 제거하며 강철판은 묽은 활산으로 씻고 샌드 블래스팅으로 흑피를 제거한다. 경합금은 산 알칼리 등으로서 화학적으로 깨끗하게 하든가 또는 기계적으로 산화막을 제거한 후 부착되어 있는 유지류는 잘 제거하고 작업한다. 강철에서는 두께의 차가 8배 이하 경합금에는 5배 이하로 한다. 스포트 용접부 표면을 깨끗이 하는 방법으로 산세 , 샌드 블래스팅 , 쇠솔로 떨기 , 아브레시이브 페이퍼 , 사염화탄소에 의한 그리이스 제거 등을 채택한다.
     스포트 용접의 통전 시간과 소요 전력 : 스포트 용접을 하기 위하여서는 가압력 통전시간 전류의 크기에 주의하여야 한다. 가압력이 크면 접촉 저항이 감소하여 용접 경과가 좋지 않고 작으면 전류를 통과시킬 때 스파크가 나타나서 용접 경과도 좋지 않으며 전극과 용접 표면을 침해한다. 용접 표면은 깨끗이 하고 평탄하여야 되며 용제는 사용하지 않는다. 용접 재료가 구리 , 황동 , 알루미늄 일 때에는 소요 전력은 이 그림의 값의 약 5배나 필요하다. 용접 시간은 맞대기 용접에 비하여 가열 면적이 좁으므로 대단히 짧다 용접 온도에 도달하여 가압할 때 압력이 세면 용접부가 오목하게 들어가서 약해지며 압력이 약하면 완전한 용접이 안 된다.
 

◆ 시임 용접법
     시임 용접은 스포트 용접을 연속적으로 하는 것이라 생각할 수 있다. 스포트용접의 전극 대신 회전 로울러 형상을 한 전극을 사용하여 용접 전류를 공급하면서 전극을 회전시켜 용접하는 방법이다. 주로 공기의 밀폐성을 필요로 하는 용기, 긴 파이프 등 연속적인 작업에 쓰인다. 시임 용접용 로울러가 회전할 때 공급 전류의 일부는 먼저 용접된 부분에 흐르고 일부는 로울러 전극 사이에 흐르므로 공급 전류가 큰 것이 필요하다. 그러나 연속적으로 많은 전류가 통하면 용접 판재에 너무 많은 열이 생겨 용접부 전체가 용융되므로 통전을 단속적으로하여 냉각시간을 주는 방식이 사용되고 있다. 때로는 엷은 판재에 연속적을 전류를 통하여도 좋은 결과를 줄 때가 있다.

(1) 시임 용접 조건 : 용접 전류는 스포트 용접 전류의 1.5-2.0배 가압력은 1.2-1.6배로하고 1mm의 연강판에는 전류 15000A와 가압력 400kg 통전시간 및 정지 시간은 각각 1/20 초 정도이다. 전극은 동제 원판상으로서 보통 250mm 전후의 것이 사용되며 그 밖에 둥근 것 평평한 것 등도 있다. 연속하여 많은 전류를 공급하면 용접판에 주는 열량이 많아져서 용접부 전체가 용융 상태에 이르러 용접부 표면이 로울러에 의하여 흠 모양으로 떨어져 나가기 쉽다. 이 결함을 방지하기 위하여 용접할 때 전류를 차단하여 전극을 가압한 대로 정지시키고 용접부가 냉각한 후에 전류를 차단한 채고 로울러 전극을 다음 용접 위치까지 전진시키고 그 위치에서 앞에서 설명한 공정을 되풀이하는 용접법을 단속 용접법이라고 한다. 통전시간과 단속시간의 비율은 철강의 경우에 1:1 경합금의 경우에는 1:3 정도로 한다.
(2) 시임 용접 작업 : 전극의 도전율은 구리의 75% 이상으로 되어야 한다. 전극부에는 발열이 많아 내부를 물로 냉각하든가 또는 외부에서 물로 냉각한다. 시임 용접은 단열의 시임 용접이외도 여러 가지 형식이 있다. 또한 판재의 양단부에 전극을 접촉시키면서 전류를 통하여 맞대기 용접과 시임 용접을 동시에 하는 맞대기 시임 용점도 있다. 이 방볍은 성형 로울러로 순차적으로 띠판을 원형으로 하고 그 끝을 맞추고 이 부분에 양측에서 원판형 전극으로 전류를 통하며 동시에 측면에서 압력을 주어 용접 파이프를 만든다. 저탄소강 및 스테인레스강으로 지름 10-127mm , 두께 0.8-6mm 인 판을 용접한다. 전극부는 발열이 심하므로 내부에 물을 통과시켜 냉각하며 외부에서 물을 부어 냉각할 때도 있다.
 

 ◆ 프로젝션 용접법
     용접하려고 하는 금속판의 한쪽 또는 양쪽에 돌기 부분을 만들어 놓고 압력을 가하면서 전류를 통하면 전류 및 압력이 집중하게 되므로 집중열이 발생하여 용접되게 한 것을 프로젝션 용접이라고 한다. 전극은 평평한 것을 사용하며 스포트 용접과 같은 방법으로 전류를 통하고 용접한다. 그러므로 이것은 스포트 용접의 일종이라고 볼 수 있다. 프로젝션 용접을 하면 돌기부가 가열되어 그 형상이 변화하면서 용접 면적이 증가되므로 과열되는 일이 적다. 열용량이 너무 심하게 변하는 엷은 판과 두꺼운 판을 용접할 때에는 두꺼운 판재를 프로젝션 가공하여 엷은 판과 같이 용접할 수 있다. 프로젝션 가공의 높이는 대체로 판재의 약 1/3 정도로 한다.

 ◆ 프로젝션 용접법의 특징

     (1) 열용량의 차이가 많은 서로 다른 금속의 접합에서도 좋은 열평형이 얻어진다.
     (2) 동시에 수개의 용접이 가능하고 작업 속도가 빠르다.
     (3) 전극의 수명이 길고 작업 능률이 높다.
     (4) 점 사이의 거리가 작은 스포트 용접이 가능하다.
     (5) 작은 용접점이 높은 신뢰도 아래에서 쉽게 얻어진다.

     이상의 장점이 있으므로 전기 기구 , 자동차 부품 등의 제작에 널리 쓰인다. 또한 프로젝션 용접은 스포트용접의 전극부를 개조하여 그대로 사용할 수도 있으나 일반적으로 동시에 다점 용접용으로 설계되고 전극 가압면적이 넓기 때문에 가압력 및 출력도 그것에 따라 크게 된다.

● 가스 용접 및 가스 절단.
     산소와 아세틸렌 가스를 혼합하여 연소시키면 3000℃이상의 열이 발생한다. 이 열로서 금속의 일부를 녹여 접합하는 방법으로 필요에 따라 용접봉과 용제를 사용한다. 가스 용접법의 중요한 이점은 각종 금속에 대한 응용 범위가 넓고 가열 조절이 비교적 자유스러우며 작업이 쉽고 운반이 편리하며 설비비가 싸다는 점이다. 실제로 이 용접법의 열에 대한 민감성 떄문에 균열 발생의 염려가 있는 금속 , 엷은 판 , 판재 , 비철 합금 , 특히 용융점 증발점이 낮은 금속의 용접에도 사용된다. 단점으로는 직접 용접에 사용되는 열효율이 낮은 점 폭발의 위험 소모비 등이 많다는 점이다. 또한 재질의 탄화 및 산화의 우려가 있고 금속 아크에 비교하여 가열 범위와 가열 시간이 많기 때문에 금속에 따라서는 기계적 강도가 떨어진다. 그러나 이와 같은 결점은 장치 조작 방법 등에 의하여 개선되어 가고 있다. 한편 아크 용접에서는 자외선 적외선 등의 유해 광선이 발산되나 가스 용접에서는 거의 가시 광선이다. 가스 용접에 쓰이는 가스는 산소와 아세틸렌 , 산소와 수소 , 산소와 석탄가스 등이고 얻을 수 있는 최고 온도는 각각 3500℃ , 2500℃ , 1500℃ 정도이다 이 밖에 프로판가스 , 수성가스 등이 있으나 산소와 아세틸렌의 혼합가스가 가장 많이 쓰인다. 가스 용접은 저탄소강  합금강 주강 등을 용제를 쓰지 않고 쉽게 용접할 수 있으며 스테인레스강 , 주철 등은 용제를 사용하여 표준 화염으로 용접할 수 있다. 

◆ 가스 용접 장치

(1) 아세틸렌 가스
     아세틸렌 가스는 발생기에서 만들어지고 발생할 때 생긴 불순물을 청정기에서 깨끗이 하고 산소는 산소병에 든 것을 감압 밸브를 통하여 토오치 내부에서 두 가지 가스를 혼합한다. 가스 용접에는 적당한 여러 가지 장치가 필요하다.


그림 6. 산소-아세틸렌 용접 장치의 개략도

 

     아세틸렌은 칼슘카바이드에 물을 작용시키면 쉽게 발생한다. 이때 화학 반응식은

        CaC2 + 2H2O -->  C2H2 +Ca(OH)2 + 31.872kcal

     아세틸렌 외에 수산화칼슘이 발생하여 남게된다. 아세틸렌은 매우 불안정한 탄소와 수소와의 화합물이므로 열을 가하거나 압축하여 압력을 올리든지 하면 곧 분해하여 열을 내며 폭발한다. 그러므로 그늘진 곳에 안전하게 보관하여야 한다. 이것은 아세틸렌에 불순물이 많이 섞여 있기 때문이며 구리 및 황동 등의 기구와 접촉하면 폭발성인 화합물 즉 아세틸라이드가 생기는데 기인되므로 특히 주의하여야 한다.

(2)  아세틸렌가스발생장치
     이동식과 고정식이 있다. 이동식은 카바이드 용량 10kg 이하의 적은 것이 사용되고 발생량은 최대 6000 l/h 정도로서 저압식으로 사용된다. 고정식 가스 발생기는 다량의 가스가 필요할 때에 사용하며 압력에 의하여 분류하면 된다.

(1) 저압식 발생기 (수주 100-250mm)
(2) 중압식 발생기 (수주 300-2000mm)
(3) 고압식 발생기 (수주 2000-15000mm)

     가스 발생장치의 구조에는 투입식 , 주수식 및 침지식 등이 있다 투입식 아세틸렌 발생기는 물속에 카바이드를 투입하는 방법으로 발생된 아세틸렌은 물속에 용해되므로 다소 손실을 보며 슬랙의 제거가 곤란하다. 그러나 물 속을 통과한 청정 작용으로 인하여 아세틸렌의 순도가 좋아진다. 또한 반응열에 의한 온도 상승이 일어나지 않는다. 다량의 가스를 사용하는 공장에서는 이 방식의 발생기가 이용된다. 주수식 아세틸렌 발생기는 카바이드 속에 물을 주입하는 방법으로 온도 상승이 일어나기 쉽고 불순물도 많이 포함되어 있다. 그러나 급수의 자동 조절이 용이하고 슬랙의 제거도 간단하므로 적은 용량의 가스를 사용하는 것에 널리 이용된다. 침지식 아세틸렌 발생기는 투입식과 , 주입식의 중간형에 속한 것으로 소형에 많이 쓰이며 과잉 발생을 일으키기 쉬운 단점이 있다. 그러나 이것은 구조가 간단하고 가스 사용량에 따라  발생량을 자동적으로 조절할 수 있는 장점이 있다. 반응열에 의한 온도 상승이 있는 것은 위험하다.
     우리 나라에서 이동식으로 널리 사용하는 것의 대부분은 침지식으로서 이동식을 겸하고 있다. 침지식은 장치가 간단하고 소형이며 가볍고 편리한 가스 발생법이다. 그러나 열의 상승이 많고 또한 가스가 순수하지 못한 단점이 있다.

(3) 아세틸렌 청정기 및 안전 장치
     가스청정기 : 아세틸렌 발생기에서 발생한 C2H2가스는 인화수소 , 활화수소 , 암모니아 , 일산화탄소 등 해로운 불순물이 혼합되어 용접부에 나쁜 영향을 주기 때문에 이것들을 제거하기 위하여 청정기를 사용한다. 제거에는 수세 여과 화학처리에 의한 아세틸렌 청정법 등이 있으며 보통 화학적 청정법이 사용된다. 구멍이 많이 뚫린 판 위에 청정제를 적당한 높이로 놓고 아래서부터 가스를 통과시켜 청정하는 장치가 쓰인다.
     아세틸렌 청정기 및 안전기 : 아세틸렌 발생기에서 발생한 가스 속에는 용접부에 나쁜 영향을 주고 또한 아세틸렌 폭발을 일으키는 불순물이 있기 때문에 이것을 제거하여야 한다. 제거에는 아세틸렌 청정기를 사용한다. 용접 작업 중 역화를 일으키든가 저압식 토오치가 막혀 산소가 아세틸렌 쪽으로 역류하는 경우가 있다. 이 때 역류작용이 발생기까지 미치면 폭발할 위험성이 있으므로 토오치와 발생기의 중간 위치에 안전밸브를 설치하여 이 위험을 방지하고 있다. 일반적으로 수압식 안전 밸브 등이 쓰인다.
     용해 아세틸렌 및 아세틸렌 실린더 : 아세틸렌은 아세톤에 잘 용해되는 성질이 있으므로 고압 용기 안에 석면 , 목탄 또는 규조토 등의 다공질 물질을 고르게 넣어 일정한 양의 아세톤을 흡수시키고 15㎏/㎠ 까지 충전시킨 것을 용해 아세틸렌이라 한다. 용해 아세틸렌은 그 취급이 매우 간단하고 아세틸렌과 산소의 혼합비 조절이 용이하고 경제적이므로 널리 쓰인다. 용해 아세틸렌의 장점을 들어보면

(1) 운반이 용이하고 발생기 부속 장치가 필요하지 않다.
(2) 고압 토오치를 사용할 수 있다.
(3) 순도가 높고 좋은 용접을 할 수 있다.
(4) 아세틸렌의 손실이 대단히 적다.
(5) 폭발의 위험성이 없다.

(4) 아세틸렌 중의 불순물의 영향
     가스 절단법에서는 산소의 순도가 중요하지만 용접작업의 경우에는 아세틸렌의 순도가 중요하다. 산소가 불순하면 주로 불꽃 온도에 영향을 주지만 아세틸렌이 불순하면 용착 금속을 해치고 또한 폭발의 위험성까지 가져온다. 황화수소는 강의 용접부를 취성이 생기게 하며 강도를 저하시키고 토오치 , 도관 , 플렌지 , 파이프 등을 부식시킨다. 인화수소는 용접부를 취성을 가지게 하고 다공질로 하며 내식성이 약한 용접부를 만든다. 규화수소는 팁을 소모시키며 또한 팁에 부착하여 역화의 원인이 되며 인화수소도 0.2% 이상 혼입하면 폭발될 위험성이 있다. 암모니아의 존재로 아세틸렌은 구리 , 은 , 수은과 화합하여 폭발성의 화합물을 만든다. 또한 수증기 메탄 수소 질소 등은 불꽃의 온도를 저하시킨다. 위와 같은 불순물 중 황화수소 , 인화수소 , 암모니아 등은 다른 것에 비하여 함유량이 많고 더욱 해롭다. 그러므로 물에 용해하기 쉬운 황화수소 , 암모니아는 충분히 물 속을 통과시켜 함유량을 줄인 후 제거하기 어려운 인화수소를 포함한 가스는 아세틸렌 청정기를 통하여 제거한다.

(5) 산소
     산소는 공기 또는 물에서 제조되고 있다. 산소 자체는 연소하는 성질을 가지고 있지 않으나 아세틸렌에 혼합하면 아세틸렌과 화합하여 연소하고 고열을 낸다. 산소 실린더 속의 산소는 고압이므로 실린더의 취급에 대해서는 고압가스 단속법 시행 규칙에 따르지 않으면 안 된다. 취급상 주의할 점은 다음과 같다.

(a) 운반 중에 충격을 주지 말 것
(b) 연소할 염려가 있는 기름이나 먼지를 피할 것
(c) 직사 광선을 피하여 그늘진 곳에 둘 것
(d) 밸브의 개폐는 조용히 할 것
(e) 산소 누설 시험에는 비눗물을 사용할 것

(6) 압력 조정기 : 용해 아세틸렌 또는 산소 실린더 등의 압력은 대단히 고압이므로 그대로는 사용할 수 없다. 그러므로 토오치의 크기 작업 조건 등에 따라 보통 1-5기압 정도로 감압하여 사용하지 않으면 안 된다. 이와 같이 고압의 가스를 작업에 적합한 압력으로 감압하여 그 조정 압력을 유지하기 위하여 사용되는 기기가 압력 조정기 이다.  
도관 : 산소용 고무관은 20㎏/㎤이하 아세틸렌용 고무관은 2㎏/㎤이하에 사용하는 도관을 보통 사용하고 잇다. 산소용은 검은 색 아세틸렌 용은 붉은 색으로 구별하여 혼동하지 않도록 하여야 한다. 도관의 안 지금은 9㎜ , 6㎜ 를 사용하고 길이는 3-5m 를 표준으로 한다. 아세틸렌 가스의 송기 압력의 감소는 10mmHg 를 넘지 않는 것이 적당하다
토오치 : 토오치는 손잡이 , 혼합실 , 팁의 세 부분으로 되어 있고 손잡이에는 산소 및 아세틸렌용 고무관을 연결하는 연결관이 있다. 저압식 토오치는 아세틸렌 가스의 압력이 0.07㎏/㎤ 기압 이하일 때 쓰이며 인젝터 형으로 되어 있고 분출하는 산소 기류로 아세틸렌을 끌어 내어 혼합한다. 중압식 토오치는 0.07-1.3㎏/㎤ 기압 그리고 고압식은 1.5㎏/㎤  이상에서 쓰이는 것으로 인젝터형도 있으나 등압가스 혼합식이 사용되어 좋은 결과를 나타내고 있다.

(7) 팁 : 토오치의 선단에는 팁이 있다 이것은 일반적으로 번호로 표시하고 독일식 팁의 번호는 연강판의 용접 가능판 두께를 표시하는데 가령 10번은 10㎜의 연강판이 용접 가능한 것을 표시하고 있다. 프랑스식 용접기는 산소 분출구에 니들 벨브를 가지고 있으며 산소 분출구의 크기를 팁에 맞추어서 어느 정도 조절할 수 있게 되어있다.. 더구나 산소 분출구가 토오치에 설치되어 있으므로 팁이 소형 경량으로 되어야 작업하기가 쉽다.

(8) 가스의 연소 , 용접봉 , 용제
산소와 아세틸렌을 거의 같은 용적으로 혼합하여 팁에서 분출시켜 가스를 연소시키면 불꽃은 속불꽃과 겉불꽃으로 나뉘어 진다.


그림 7. 불꽃의 모양

 

     속불꽃은 불꽃심이라고하는 청백색의 원뿔형 부분으로 구성된다. 보통 산소 1용적과 아세틸렌 1용적을 혼합하여 연소시키면 연소 작용이 2단으로 진행된다. 제 1단계에서는 노즐에서 분출되는 산소와 아세틸렌과의 연소하고 CO 와 H2 가 있는 흰 불꽃심으로 된다. 이것이 용접에 사용되는 고온 화염이다. 제 2단계에서는 CO 와 O2 와 반응하는 과정이다 .이 반응이 흰 불꽃심의 외부에서 일어나게 된다. 보통 CO 와 H2 와 접촉되는 금속은 물리적 및 화학적으로 별로 영향을 받지 않는다. 산소와 아세틸렌의 비율에 따라 플레임의 상태가 다르게 된다.
     팁에서 나오는 혼합 가스의 비가 거의 1:1 의 경우를 표준염 혹은 중성 불꽃이라고 하며 산소가 혼합비 1:1보다 많은 것을 산화 불꽃이라 하여 1:1 보다 아세틸렌이 많은 것을 탄화 불꽃 또는 환원 불꽃이라고 한다. 불꽃의 조정은 처음에 아세틸렌 과잉 불꽃으로 하고 점차로 산소양을 증가시켜 중성 불꽃으로 만든다. 좋은 용접 결과와 경제적인 작업을 위하여 산화 불꽃 탄화 불꽃의 어느 것에도 치우쳐서는 안 된다. 용접에서는 불꽃의 최고 온도 부분을 가장 유효하게 이용하여야 한다.
-  가스 용접봉 : 연강용 가스 용접봉에 대한 규격은 KS D 7005에서 규정되어 있고 아크 용접봉 심선의 경우와 같이 인 , 황 등의 유해 성분이 극히 적은 것으로 선정되고 있다. 그러나 탄소 함유량은 연강에 대해서는 아크봉 보다 다소 많은 것도 쓸 수 있다. 또한 망간 규소 등을 많이 포함한 아크 용접봉 심선을 가스 용접봉으로 써도 성적이 양호하다. 강 이외의 많은 금속은 그 산화물 보다 용융점이 낮기 때문에 산화물을 제거하기 위하여 용제가 중요한 역할을 한다.

 

◆ 가스 용접 작업
용접재의 간극 : 두께에 따라 루트 간격을 정하고 군데군데 가접을 한다.
가스 압력과 불꽃의 조절 : 아세틸렌 가스가 완전 연소할 수 있도록 조절 용적 비율이 1:1 상태가 된 것이 가장 좋다.전진 용접법 : 오른쪽에서 왼쪽으로 진행 시키는 경우이며 모재와 용접봉을 충분히 녹이기 위하여 누비듯이 움직인다. 용접봉은 토오치의 전진에 따라 용접선 위를 직선적으로 이동한다.
후진 용접법 : 왼쪽에서 오른쪽으로 진행시키는 경우이고 용접봉은 약간 누비듯이 좌우로 움직이나 토오치는 직선적으로 후퇴한다.
 

◆ 가스 절단
     발열 반응에 의해서 발생되는 열량은 다음 절단부의 예열에 도움이 된다. 이때 생기는 산화철은 분류로써 제거된다. 이런 상태에 있는 토오치를 서서히 이동시키면 토오치가 이동된 부분에는 넓이 2-4㎜ 정도의 연속된 흠이 생긴다. 이 현상을 이용하여 토오치를 사용하면 강철을 절단할 수 있다. 그리고 소재의 표면에 대하여 어떤 각도의 경사면으로 절단할 수도 있고 또한 공형 가공도 가능하다.

(1) 가스 절단기 : 가스 절단에 사용되는 절단기는 예열 화염의 분출공과 절단 산소 분철공의 2부분으로 되어 있다 두 가지로 분리된 이심형과 동심형이 있다.
(2) 가스 절단법 :  예열 화염은 절단용 표준 화염을 사용하고 절단 산소를 정지시키며 절단 개시점을 예열한다. 연소 온도로 되면 절단 산소를 분출시켜 뒷면까지 절단하며 절단선에 따라 토오치를 이동시킨다. 예열 화염이 너무 약하면 절단 속도가 감소되고 절단이 중단되기 쉽고 또한 절단 간격이 크게 된다. 그리고 예열 화염이 너무 크면 상부가 용융되어 불규칙한 절단면이 생긴다. 절단 토오치는 높이를 항상 일정하게 하고 진동을 방지하기 위하여 안내 장치를 사용하는 것이 좋다. 절단에 사용되는 산소의 압력은 토오치의 지름 절단할 재료의 두께 등에 따라 다르다.
(3) 자동절단 또는 특수 절단 : 강철 판재를 절단할 때 또는 용접할 때 직선적인 작업이 필요할 경우에는 안내 장치를 만들고 이것에 피이드 기구를 덧붙임으로서 이동식 가스 절단이 가능하게 된다. 토오치를 이동대에 고정하고 변속장치를 부속으로 설치한 모터로서 레일 위를 이동차가 달리면서 자동적으로 절단 작업할 수 있다.
 

◆ 가스 절단면 부근의 변화
(1) 열영향부의 폭 : 가스 절단면 부근의 모재는 가스 절단으로 열영향을 받는다. 열영향의 정도는 절단 속도 산소의 순도 예열 불꽃의 대소 모재의 경화 능력 판 두께 등에 따라 좌우된다. 절단 속도가 커짐에 따라 변질층의 폭이 적어진다. 또한 판 두께가 커지게 되면 변질층의 폭도 커진다. 연강에서 판 두께와 변질층의 폭 사이에는 다음과 같은 관계가 성립된다.

        d = 0.03t + 0.025

     여기서 d는 변질층의 폭, t는 판두께를 의미한다.

(2) 절단면 부근의 성분 변화 : 가스 절단면에서 2㎜ 정도 이내의 층에서는 합금 원소의 변화가 일어난다. 탄소 니켈 구리 등은 변질부에서 증가하는 경향이 있으나 크롬 규소 등은 반대로 감소한다.
(3) 가스 절단부의 변형 : 가스 절단에 의해서 모재는 국부적으로 급열 ,급랭 처리를 받게 되므로 가스 절단 중 또는 절단 후의 모재는 그림과 같이 변한다.

     복잡한 모양의 절단에서는 특히 변형이 적게 되도록 주의하여야 한다. 변형을 적게 하는데는 절단 순서 예열의 정도 모재의 구속 방법 등을 고려해야 한다. 또한 0.35%이상의 탄소 함유량을 가진 강은 급랭 경화 때문에 균열이 발생되는 수가 있다. 이 때 모재를 약 300℃ 정도로 예열하여 두면 완만한 냉각 속도 때문에 균열이 방지된다.  

◆ 메탈 스프레이
     비교적 최근에 개발된 용융 금속의 스프레이 작업은 공업 부문에서 중요한 공정으로 발전되고 있다. 와이어의 용접으로 작업할 수 있는 어떤 금속이든지 이 방법을 이용할 수 있다. 와이어는 일정한 속도로 스프레이 건 표면에 압축 공기로 분사한다. 분사된 금속과 소지 금속 사이의 결합은 기계적이므로 금속 표면은 스프레이 하기 전에 적당한 준비가 필요하다. 표면의 청정 및 준비 방법은 규사 또는 강철 쇼트로 블래스팅하며 원통형 물건은 기계로 홈을 까기도 한다. 이것은 표면에 대한 교착을 쉽게 하기 위한 것이다. 스프레이된 금속은 계속적으로 도포되어 적당한 두께의 층이 되도록 한다. 이 방법을 적용하면 금속의 물리적 성질이 다소 변한다.
 

◆ 특수용접
     보통 아크 용접법은 용접봉을 사용한 손 작업으로 하여 용접 구조물의 형상 치수 등에 따라 시공 조건이 다르므로 편리하다. 그리고 조선 , 차량 등의 일정한 조건의 용접물을 장시간 연속적으로 작업할 때에는 용접을 기계화 하고 또한 자동화하는 것이 유리하다. 이렇게 함으로써 경제적으로 유리한 작업을 할 수 있다.
 

◆ 서브머어지드 아크 용접
     일종의 자동 아크 용접법이다. 용접 이음의 표면에 입상의 용제를 공급관을 통하여 공급시켜놓고 그 속에 연속된 와이어로 된 전기 용접봉을 넣어 용접봉 끝과 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접한다. 이 때 선재의 이송 속도를 조정함으로써 일정한 아크 길이를 유지하면서 연속적으로 용접을 한다. 이 장치는 아크 전압의 변화에 따라 전극 선재를 내보내는 부분과 이음에 좇아서 용접 헤드부분을 진행시키는 기구로 되어 있다. 여기서 아크나 발생 가스가 다 같이 용제 속에서 생기고 밖에서는 보이지 않는다. 이 방법은 용제에 의하여 용접부를 완전히 외부 공기층과 차단하고 용융된 용제로 강력한 정련 작용을 하도록 하고 슬랙으로 용착 금속의 표면을 덮어 용접부의 기계적 성질을 좋게 한다. 장점에는 다음과 같은 것이 있다.

(1) 용접 조건을 일정하게 하고 자동 용접을 하므로 용접공 기숙의 차에 의한 용접 격차가 없고 강도가 우수하여 용접 이음의 신뢰도가 높다.
(2) 적당한 와이어와 용제를 써서 용착 금속의 모든 성질을 개선할 수 있다.
(3) 열에너지의 손실도 적고 용접 속도가 수동 용접의 10-20 배에 달하므로 능률이 높다.
(4) 용접 흠의 크기는 작아도 용접 재료의 소비가 적어져서 경제적이며 용접 변형도 적다.

     결점으로는

(1) 자동 용접이므로 설비비가 많아 든다.
(2) 용접 길이가 짧고 용접선이 구부러져 있을 때에는 용접 장치의 조작이 어려워지며 비 능률적이다. 주로 아래보기 용접에만 적용된다.
(3) 용접 흠의 가공은 수동 용접에 비하여 그 정밀도가 좋아야 하므로 특히 루트 간격이 크면 떨어질 위험이 있다.

     서브머어지드 아크 용접 장치에서 유니온 멜트식의 대차식 자동 용접 장치는 모재와 용접봉 사이의 아크를 일정하게 유지할 수 있는 자동 조절 장치가 있다. 이 용접법의 특징은 전류를 많이 사용하여 용접하며 같은 용접봉 지름에 대하여 아크 용접의 6배 이상의 강한 전류를 사용한다. 따라서 용접 속도가 빠르며 두꺼운 판도 단층으로 용접할 수 있다. 이 용접법은 연강은 물론 특수강 일부 비철 금속을 용접하는 데도 널리 사용한다. 이 기계는 조선, 차량 제작 등에 사용되고 5mm의 용접봉에는 700-1200A 로서 작업한다. 보통 용접에서는 여러 번 왕복하면서 반복 용접하여야 되는 것을 단지 한 번의 공정으로 작업할 수 있으므로 용접 시간이 1/10 ~ 1/20 로 단축된다.

그림 8. 서브머어지드 아크 용접의 개략도

(1) 용제
     용융형 용제 : 원료 광석을 융해하여 응고시킨 후 분쇄하여 입지를 고르게 한 것으로서 그 주성분은 대체로 다음과 같다. SiO2, MnO , FeO , CaO , MgO , Al2O3 , BaO , TiO2 , Fe , P , S 등을 혼합하여 고온에서 완전히 용융시키고 가스를 배출시킨 후에 분쇄한 것이다.
     소결형 용재 , 광석 원료 분말 , 합금 분말 등을 규산나트륨과 같은 점결제와 더불어 원료가 융해되지 않을 정도의 비교적 저온 상태에서 소정의 입도로 소결한 것이다. 소결형의 특징은 용제 중에 페로실리콘 , 페로망간 등을 함유시켜 직접 탈산 작용울 가능하게 하였고 또한 니켈 , 크롬 , 몰리브덴 등의 합금 성분을 함유시켜 용착 금속의 화학 성분 , 기계적 성질을 쉽게 조정할 수 있다. 용제의 입도는 한 종류로서 전류값에 맞추어 구분하여 사용할 필요가 없게 되어 작업 관리상 편리하다.
     혼성형 용제 : 여러 가지 용제의 성분을 고착제로 접착시킨 후에 입상으로 만든 것이다.
 

◆불활성 가스 아크 용접
     특수 용접부를 공기와 차단한 상태에서 용접하기 위하여 특수 토오치에서 불활성 가스를 전극봉 지지기를 통하여 용접부에 공급하면서 용접하는 방법이다. 불활성 가스에는 아르곤이나 헬륨이 사용되면 전극으로서는 텅스텐봉 또느 금속봉이 사용된다. 불활성 가스 아크 용접법은 시일디드 아크 용접이라고도 하고 불활성 가스 분위기에서 텅스텐아크에 의한 열원을 사용하는 방법과 금속 아크에 의한 열원을 사용하는 두가지의 방식으로 분류된다.

그림 9. 불활성 가스 아크 용접법의 개략도

     모재가 극히 엷은 것에 대해서는 용접봉을 쓰지 않고 두꺼운 판에 대해서는 용접봉을 사용한다. 현재 알루미늄 경합금 고리 및 구리 합금 스테인레스강 등의 용접에 많이 쓰여진다.  

◆ 불활성 가스 텅스텐 아크 용접법
     티그(TIG) 용접이라고도 하며 이것은 텅스텐 봉을 전극으로 써서 가스 용접과 비슷한 조작 방법으로 용가제를 아크로 융해하면서 용접한다. 이 방법에서 텅스텐은 거의 소모하지 않으므로 비용극식 아크 용접 또는 비소모식 불활성 가스 아크 용접법이라고도 한다. 또한 헬륨아크 용접법 헬리웰드법 아르곤 아크 용접법 등의 상품명으로도 불리어 진다.      불활성 가스 텅스텐 아크 용접법에는 교류나 직류가 사용되며 그 극성은 용접 경과에 큰 영향을 끼친다. 직류 정극성에서는 음전기를 가진 전자가 모재를 세게 충격시키므로 깊은 용입을 일으키며 전극은 그렇게 가열되지 않는다. 그러나 역극성에서는 전극은 적열하게 가열되고 모재의 용입은 넓고 얕아진다.
 

◆ 불활성 가스 금속 아크 용접법
     미그(MIG)용접 이라고도 불리는 불활성 가스 금속 아크 용접법은 용접봉인 전극 와이어를 연속적으로 보내어 아크를 발생시키는 방법으로 용극식 아크 용접법 또는 소모식 불활성 가스 아크 용접법 이라고도 한다. 상품명으로는 에어코우매틱 용접법 , 시그마 용접법 , 필리 아크 용접법 등으로 불린다. 불활성 가스 금속 아크 용접용 전원은 직류식으로 와이어를 정극으로 하는 역극성이 채용된다. 불활성 가스 금속 아크 용접법은 전원이 정전압 특성의 직류 아크 용접기로서 가는 와이어를 써서 전류 밀도를 높이고 와이어 송급은 일정 속도 송급 방식으로 하는 툭징이 있다.
 

◆ 원자 수소 아크 용접
     2개의 텅스텐 전극 사이에 아크를 방생시키고 이것에 수소를 공급하여 분자 상태의 수소가 아크 열로서 원자 상태의 수소로 분해된후 다시 용접면에서 분자 상태의 수소로 환원할 때 발산하는 열로써 용접부가 가열된다. 불활성 가스 아크 용접법 , 전기 저항 용접법 , 기타 용접법이 발전되어 널리 채용됨에 따라 토오치 구조의 복잡성, 기술적인 난점 비용의 과다 등으로 차차 응용 범위가 축소되고 있다.
원자 수소 용접 장치 : 환원성 수소 가스 중에서 진행됨으로 용접부의 산화 및 질화가 방지되고 용접 조직이 좋으며 기계적 강도가 큰 장점이 있다. 용융 범위는 대단히 엷은 판재의 용접 , 각종 탄소강 , 주철 , 주강 , 구리 , 합금 및 경합금 등에 비교적 쉽게 사용된다. 원자 수소 용접 장치에는 아크 용접기 수소 탱크 용접용 토오치 등이 필요하다.
 

◆ 탄산가스 아크 용접
     탄산가스 아크 용접 방법은 아르곤 헬륨 같은 불활성 가스 대신 값싼 탄산가스를 이용한 용접법이다. 탄산가스는 아르곤 헬륨등과 같은 불활성 가스가 아니므로 고온 상태의 아크 중에서는 산화성이 크다. 그러므로 보통 피복되지 않은 용접봉을 사용할 경우 용접부에는 블로우 홀 및 그 밖의 결함이 생기기 쉬우므로 이와 같은 결점을 제거하기 위하여 망간 , 실리콘 등을 탈산제로 하는 망간-규소 계 와이어를 사용하든가 또는 값싼 탄산가스 산소 등의 혼합 가스를 쓰는 탄산가스 산소 아크 용접법을 사용하고 있다.

(1) 탄산가스 아크 용접 장치 : 용접 장치에는 와이어 송급 장치 , 와이어 릴 , 그 밖의 사용목적에 따라 여러 가지 부속품 등이 있다. 그리고 이산화탄소 , 산소 , 아르곤 등의 유량계가 붙은 조정기 등이 필요하다. 유니온 탄산가스 아크법에서는 자성을 갖고 있는 플럭스가 탄산가스와 더불어 공급되고 용접봉 와이어에 흐르는 직류 전기 때문에 생긴 자장으로 인하여 플러스가 용접봉 와이어에 부착되어 피복 아크 용접봉과 유사한 상태로 용접된다.
(2) 탄산가스 용접용 와이어와 플럭스 : 탄산가스 아크 용접용 와이어에는 와이어 뿐인 것 용제가 미리 심선 속에 들어 있는 와이어 자성에 의하여 용제를 빨아들이는 방법등이 있다. 각각 그 장치에 적합한 용접 재료를 선택하여야 한다.
(3) 탄산가스 아크 용접 시공 : 심선의 용융 속도는 심선경에 영향없이 아크 전류에 정비례하여 증가한다. 심선의 선단이 너무나 길면 좌우로 흔들리며 비이드가 아름답지 못하여 불안전해진다.
 

◆ 아크 스포트 용접
     아크의 고열과 그 집중성을 이용하여 겹친 두 장의 판재의 한쪽에서 아크를 0.5-5초 정도 발생시켜 전극 팁의 바로 아래 부분을 국부적으로 용해시켜 구멍을 뚫고 이 구멍을 통하여 아래쪽 판을 국부적으로 용해되게 하고 용착 금속으로 융합시키는 용접법이다. 이와 같은 용접 방법은 가스 용접에서도 할 수 있으나 불활성 가스 아크 용접으로 하는 일이 많으므로 아크 점 용접이라고 한다.

(1) 아크 점 용접의 분류
(a) 비용극식 - 불활성 가스 텅스텐 아크 점 용접법
(b) 용극식 - 불활성 가스 금속 아크 점 용접법 , 탄산가스-산소 아크 점 용접법 , 탄산가스 아크 점 용접법 ,
                  피복 아크 점 용접법

(2) 아크 점 용접 장치
(a) 탄산가스 아크 점 용접법 : 이 용접 장치로는 직류 정전압 특성의 전원 제어 장치 반자동식 용접 토오치를 가진 것이 사용된다. 이미 반자동 장치를 가진 곳에서는 토오치의 팁 부분만을 점 용접으로 바꾸어 쓴다. 타이머로서 미리 아크 타임을 조정하여 놓으면 용접부에 토오치를 대어 당김쇠를 빼기만 하면 되므로 어떠한 숙련도 필요한지 않다. 이 때의 와이어 탄산가스 산소 등은 탄산가스-산소 아크 용접법 에와 같은 것을 사용하면 된다.
(b) 불활성 가스 금속아크 점 용접법 : 시그마 반자동 용접 장치에 타이머를 붙인 것이 보통 사용되며 전원은 직류 정전압 특성의 것을 사용하면 된다. 그 밖의 것은 앞에서와 같다. 연강의 불활성 가스 금속 아크 점 용접법은 아르곤의 값이 비싸므로 보통 사용되지 않고 알루미늄 등에 응용된다.
(c) 피복 아크 점 용접법 : 이 용접 장치로는 교류 아크 용접기를 이용하여 티탄계 용접봉을 용접하는 수동식과 전용 점 용접기에 의한 반자동식 그리고 교류 아크 용접기에 보조 용접기와 건을 연결하여 사용하는 반자동식 등이 있다.

(3) 아크 점 용접법의 적용 : 아크 점 용접법을 사용할 때 판 두께는 1.0-3.2㎜ 정도의 윗판과 3.2-6.0㎜ 정도의 아래판을 맞추어서 용접하는 경우가 많은데 능력 범위는 6㎜ 까지는 구멍을 뚫지 않은 상태로 용접하고 7㎜ 이상의 경우 구명을 뚫고 플러그 용접으로 시공한다. 이들은 이 용접법의 특징으로서 시공할 때 타이머를 이용하면 균일하고 신뢰성 있는 용접이 가능하며 조작도 간단하여지므로 엷은 판을 비롯하여 일반적으로 철도 차량에 많이 응용되고 있다.  

◆ 아크 점 용접과 전기 저항 점 용접의 비교
(1) 전기 저항 점 용접법은 최대 가압력 300-1000㎏이상이 필요하며 아크 점 용접법은 손으로 누르는 정도의 압력만으로도 좋다.
(2) 한쪽 면에서 시공할 수 있으나 저항 점 용접법에서는 양면에서 전극을 사용하여 눌러 준다.
(3) 판 두께의 차이가 있어도 지장이 없다. 그러나 전기 저항 점 용접법에서는 판 두께의 차이가 5배 이상이면 불가능하다.
(4) 아크 점 용접법에서는 피치의 제한이 불필요하며 전지 저항 점 용접법에서는 전류가 퍼져 흐르므로 피치의 제한이 있다.
(5) 전원 설비는 대용량을 필요로 하지 않는다.
 

◆ 엘렉트로 슬랙 용접
     일종의 전자동 용접법으로 그 원리는 와이어 전극 슬랙 모재 등의 사이에 전류를 통하면 처음에는 아크가 발생하는 슬랙이 용해하여 아크는 없어지고 저항열로 인하여 슬랙이 대단히 고온으로 되어 모재 및 전극의 일부가 용융하여 슬랙 아래 쪽에 용착 금속이 얻어진다. 용접봉 전극은 자동적으로 피이드 되면서 용접된다.  

그림 10. 엘렉트로 슬랙 용접의 원리

 

     그림은 와이어가 한 줄기인 경우를 나타낸다. 와이어를 두 줄기 사용하면 100-250㎜ 의 용접이 가능하다. 와이어를 세줄기 사용하면 250㎜ 두께 이상의 두꺼운 용접물을 용접할 수 있다.

(1) 엘렉트로 슬랙 용접 장치와 와이어 및 용제 : 엘렉트로 슬랙 용접 장치는 용접 헤드 와이어릴  제어기기 등이 용접기의 주체라고 할 수 있으며 구리제 수냉판은 모재에 밀착시켜서 비이드 형상을 아름답게 할 수 있는 것을 선택하여야 한다. 두꺼운 판에서는 전극 진동 , 진폭 장치 등을 갖춘 것이 좋다. 엘렉트로 슬랙 용접법의 가장 현저한 특징은 두꺼운 판 아주 두꺼운 판의 용접에 위력을 발휘하는 데 있다. 

◆ 스터드 용접
     직경 10㎜이하의 강철 또는 황동제의 스터드 볼트 등과 같이 짧은 봉을 평한 위에 수직으로 용접하는 방법이다. 모재와 스터도와의 중간에 보조링을 끼우고 봉에 압력을 가하면서 통전하면 스터드와 모재 사이에 아크가 발생하여 짧은 시간 즉 1초 이내에 모재의 그 부분은 용융 상태가 되고 또한 보조링도 적열 상태가 된다. 이 때 스터드에 가하여진 압력으로 모재에 밀착하고 전류는 자동적으로 차단되면서 용접이 완료된다.
 

◆ 전자 빔 용접
     고진공의 용기 중에서 용접부에 다량의 전자 빔을 조사하여 용융하고 용접한다. 고진공 용기 중에서 텅스텐선을 가열하여 열전자를 방출시키고 음극과 용접물 사이에 수천 볼트 전압을 걸어 열전자를 가속시켜 얻어지는 전자 빔으로 용접한다. 강력한 진공 용기가 필요하다.
 

◆ 플라즈마 용접 및 레이저 빔 용접
     플라즈마는 고도로 전리된 가스체의 아크로서 이것을 이용한 용접으로 플라스마 제트 용접과 플라즈마 아크 용접이 있다. 한편 레이저 빔을 이용한 레이저 용접도 개발되고 있다.

(1) 플라즈마 용접법
     가공재를 '+' 의 전극으로 하면 이행형 아크 토오치라 하고 노즐 자체를 '+' 의 전극으로 한 것을 비이행형 아크 토오치라고 한다. 즉 이행형을 플라즈마 아크라 하고 비이행형의 것을 플라즈마 제트라고 불러 구별한다. 플라즈마 아크 쪽이 열이 높아 용접에는 주로 이 형식이 쓰이고 플라즈마 아크 용접법이라 부른다.

(2) 레이저 빔 용접
     루비 등을 이용하여 높은 전자 에너지 밀도의 방사광선을 조정공과 렌즈를 사용하여 집중시킨 에너지열을 용접에 이용한 것이다.
 

◆ 저온 용접
     특수한 용접봉을 사용하여 일반 가스 용접 및 아크 용접보다도 낮은 온도에서 하는 용접법을 말한다. 용접봉르 모재와 같은 계통의 공정합금을 사용한다. 이 공정 합금은 용융점이 모재보다 낮으므로 용접봉으로소 첨가제의 역할을 한다. 일반적으로 모재의 용융점보다 낮은 온도에서 용접할 수 있으므로 모재의 변질과 변형이 작고 또한 가스 및 전력의 소비량이 적게 된다. 공정 합금은 유동성이 크고 결정이 치밀하여 강도가 큰 장점을 갖고 있다. 이 용접에서는 용접봉의 선택이 중요하다. 모재에 적합한 용접봉을 선택하고 모재를 예열한 후에 작업한다. 가스 용접 토오치를 사용하여 모재를 가열하고 용접봉을 용해시킨후 접합한다. 이 때에 플럭스를 첨가하여 산화를 방치하면서 모재와 잘 접착되도록 한다.
 

◆ 고상 용접
     고상 용접은 엄밀한 의미에서 전기 용접과는 다르나 다소 관련성이 있어 여기에서 설명하기로 한다. 고상 용접 원리는 대단히 간단한 것으로 2개의 깨끗하고 매끈한 금속 면을 원자와 원자의 인럭이 작용할 수 있는 거리에 접근 시키고 기계적으로 밀착하면 용접이 된다. 현재 실용되고 있는 고상 용접에는 다음과 같은 것이 있다.

(1) 로울    용접 : 압연기 로울러의 압력에 의한 용접
(2) 냉간    압접 : 외부에서 기계적인 힘을 가하여 접합
(3) 열간    압접 : 접합부를 가열하고 압력 또는 충격을 가하여 하는 접합
(4) 마찰    용접 : 접촉면의 기계적 마찰로 가열된 것을 압력을 가하여 접합
(5) 폭발    용접 : 폭발의 충격파에 의한 용접
(6) 초음파 용접 : 접합면을 가압하고 고주파 진동에너지를 그 부분에 가하여 용접
(7) 확산    용접 : 접합면에 압력을 가하여 밀착시키고 온도를 올려 확산으로 하는 용접 또는 고체의 인서트를                         접촉면에 사용하는 일도 있다.

     고상 용접 중에서 로울 접합 , 열간 압점 , 마찰 용접 , 폭발 용접 , 초음파 용접 등은 공기 중에서 하나 냉간 압접 및 확산 용접은 표면이 더러워지는 것을 방지하기 위하여 적당한 내산화막을 만들던가 또는 진공 중에서 작업한다. 

◆ 마찰 용접
     마찰 압접 이라고도 한다. 용접할 물체의 접합면에 압력을 가한 상태로 상대적인 회전을 시켜 마찰 발열로 접합부가 적당한 고온에 도달하였을 때 상대 회전 속도를 0 으로 하고 가압력을 증가하여 압접하는 방법이다. 이 방법은 비교적 간단하게 실시되므로 봉재 파이프의 접합에 잘 쓰인다. 특히 드릴 , 각종 로드 가스 터어빈 , 로우터 축 , 자동차 엔진 부품의 용접에 사용된다. 또한 탄소강 특수강 비철 금속의 용접에도 사용된다.
 

◆ 납땜 및 테르밋 용접
     납땜은 땜납을 녹여 금속을 접합시키므로 접합할 금속보다 용융 온도가 낮은 것이 사용된다. 땜납의 대부분은 합금으로 되어 있으나 단일 금속도 쓰인다. 땜납은 모재보다 용융점이 낮아야 하고 표면 장력이 적어 모재 표면에 잘 퍼지며 유동성이 좋아서 빈틈이 잘 메워질 수 있는 것이어야 한다. 이 밖에도 사용목적에 따라 강인성 , 내식성 , 내마멸성 , 전기 전도도 , 색채 조화 등이 요구된다. 납땜에는 연납과 경납의 두가지 계통이 있다.
연납은 연의 용융 온도 보다 낮은 것을 그리고 경납은 용융 온도가 대체로 400℃ 이상의 것을 말한다. 납땜할 때에는 땜할 부분을 화학적으로 깨끗이 하기 위하여 용제를 사용한다. 연납땜할 때의 가열 방법으로는 목탄 또는 가스 버너를 사용하고 땜 인두로써 땜을 한다. 경납땜 에는 코크스 가스 전열 고주파 유도열 등이 열원으로 사용된다.

     (1) 테르밋 용접 : 테르밋 용접은 산화철과 알루미늄 분말을 약 3:1 의 비율로 혼합하여 이것을 점화 하여 화학 반응이 생길 때 약 3000℃ 의 높은 온도가 얻어진다. 이 열을 용접에 사용하는 방법이다.
     (2) 연납땜 : 납땜은 강철 황동 구리 니켈 등의 엷은 판재 또는 가느다란 선재 등과 양철판 함석판 또는 각종 구리 합금의 제품에 사용된다. 알루미늄은 특수 땜납으로만 접합되고 주철 스테인레스 강철판 크롬 도금판에는 연납땜이 되지 않는다. 연납은 연과 주석의 합금이 사용되며 주석 양이 연 보다 많은 땜납을 상납이라고 한다.
     (3) 용재 : 납땜을 할 때 납은 용융되어 접합할 금속을 적시고 응고 후에는 완전히 접합 금속과 융착할 필요가 있다. 그러기 위하여서는 접합면의 녹이나 페인트를 제거하는 것만으로는 충분하지 못하다. 금속의 표면은 산화 피막으로 씌워져 납땜 온도에서 산화는 촉진되며 산화 피막은 두꺼워지고 납과 모재의 접촉을 방해한다.  용제는 이 산화 피막을 제거하는데 쓰인다. 용제는 산화물을 녹여 떠 오르게 하며 납과 모재를 접촉시킨다. 연납용 용제에는 염산 , 염화암모니아 , 염화아연 , 수지 인산 등을 사용하고 경납용 용제에는 붕사 또는 식염 탄산나트륨 , 수산화칼륨 , 붕산을 섞어서 사용한다. 경합금용으로는 산화 피막이 견고하므로 염화리튬을 사용한다.
     (4) 연납땜 작업 : 납땜할 부분은 불순물을 제거한다. 땜인두에는 미리 납을 발라 두어야 한다. 인두를 목탄 토오치 등으로 가열하고 그 측면을 염화암모니아 덩어리 위에서 납과 같이 문지르면 된다. 땜이 끝나면 젖은 수건으로 훔쳐 약품이 묻은 것을 제거한다. 납땜 할 때에는 접합부를 깨끗이 하고 각종의 용제를 사용한다. 납땜하는 부분 외를 가열하지 않으려면 그 부분을 물에 적신 천으로 싸든가 물에 담가 둔다. 제품의 형상에 따라 인두를 사용할 수 없을 때에는 다음 방법을 쓴다.

(a) 침지법 : 제품 전부 또는 일부를 납욕에 담그는 방법이다. 욕의 온도는 납의 용융점 보다 20-50℃높이 하고 담그는 시간은 수초 이내로 한다. 담그기 점에 용제를 바르고 접합부가 납욕 안에서 떨어지지 않도록 한다.
(b) 화염법 : 화엽을 직접 납땜하는 부분에 대지 않고 제품을 철판 위에 놓고 아래서부터 버너로 가열한다. 납땜할 부분에는 미리 액상의 용제를 바르고 분말 상태의 납을 뿌리면 열에 녹아서 납땜이 된다. 이 방법은 작은 물품 , 쇠줄 , 아연 제품 , 전기 용품 , 귀금속의 엷은 판을 납땜할 때 이용된다.

(5) 경납땜

(a) 황동납 : 구리가 40-59% 아연이 나머지로 된 납으로 용해 온도는 855-875℃이다 이것은 황동 , 구리 , 강철 등의 땜용으로 사용된다.
(b) 은납 : 황동에 은을 6-10% 배합한 것은 황동 , 구리 및 연강의 납땜에 사용되고 은이 85-95% 함유된 은납은 각종 은제품의 땜에 사용된다. 경납은 연납에 비하여 용융점이 높고 효율이 좋으며 충격에 더 잘 견딘다. 구리와 황동 땜에는 황동납이 널리 이용된다. 은을 가하면 유동성이 양호하게 되며 은을 가한 은납은 강도가 크다.
(c) 양은납 : 황동에 니켈 8-12% 함유된 것은 양은 , 강철 , 구리 제품은 땜용으로 사용된다.
(d) 금납 : 다음 두가지 성분이 널리 쓰이고 있다. Au(10) : Cu(5)의 비율  Au(10) : Cu(2.5) : Ag(2.5)의 비율
(e) 백금납 : Ag 또는 금을 사용하여 백금을 땜한다.
(f) 알루미늄납 : 알루미늄을 주성분으로 하고 이것에 Mg , Zn 등이 첨가된 성분으로 염화리튬을 용제로 사용
(g) 철납 : 철분과 붕산 , 붕사 등의 혼합물을 사용한다. 철납을 접합에 사용온도는 1150℃ 정도이다.
(h) 망간납 : 구리 망간 또는 구리-아연-망간의 합금이며 망간의 함유량이 많은 것은 철강용에 저 망간의 것은 구리, 그 밖의 합금에 쓰인다.

(6) 경납땜과 용제 : 경납땜에 있어서 접합부는 연납땜때와 같이 깨끗이 할 필요는 없다. 경납은 분말 상태로 되어 있는 것이 많으며 용제인 봉사를 섞어서 물에 개어 바르거나 혹은 입자로 된 것을 접합부에 놓고 용제를 살포한다. 가열은 가스 버너 , 토오치 , 램프 등을 사용하며 열을 필요 이상으로 발산시키지 않기 위하여 석면판 등으로 둘러 싼다.


(a) 아크 경납땜 :  모재와 전극 또는 2개의 전극 사이에 발생하는 아크 열을 이용하는 방법이다.
(b) 가스 경납땜 : 가스 토오치의 불꽃으로 가열하며 이음하는 방법이다.
(c) 노내 경납땜 : 노내에서 가열하여 이음하는 방법이다.
(d) 유도 가열 경납땜 : 고주파 유도 가열에서 얻은 열을 이용하여 이음하는 방법이다.
(e) 전기 저항 경납땜 : 전기의 저항열을 이용한 납땜이다.
(f) 침지 경납땜 : 용해된 땜납 또는 화학 약품에 녹아 있는 용기 속에서 납땜하는 방법이다.
 

◆ 테르밋 용접
     테르밋 반응이라 함은 금속 산화물이 알루미늄에 의하여 산소를 빼앗기는 반응을 총칭하는 것으로 이 반응을 용접에 응용한 것을 테르밋 용접법이라한다. 그리고 금속 산화물과 알루미늄 분말의 혼합물을 실용되고 있는 철강용 테르밋 제라 한다. 이것에 점화시키면 강력한 화학 작용으로서 알루미늄은 산화철을 환원하여 유리시키고 알루미나가 된다. 이때의 화합 반응열로서 3000℃ 의 고열을 얻을 수 있어 용융된 철을 용접 부분에 주입하여 모재를 용접한다. 테르밋 용접에 적당한 재질은 강철이며 주로 전차 레일의 용접에 사용되고 그 밖의 기어 , 큰 축 및 선박 부분품에도 사용된다.

(1) 용융 테르밋 용접법 : 현재 가장 많이 사용되고 있는 방법으로 테르밋 주조 용접법이라고도 한다. 테르밋 반응으로 도가니 안에 용해시켜 놓은 용융 금속을 도가니 맡부분에 있는 구멍으로부터 미리 이음주위에 만든 주형 속에 주입하여 용접 흠 간격 부분을 용착시킨다. 용접 흠은 800-900℃로 예열하여 용융 금속과 모재의 용합을 촉진시킨다.
(2) 가압 테르밋 용접법 : 이 방법은 일종의 압접으로 모재의 단면을 맞대어 놓고 그 주위에 테르밋 반응에서 생긴 슬랙 및 용융 금속을 주입하여 가열시킨 후 큰 압력을 주어서 용접한다. 테르밋 용접법의 특징으로 다음과 같은 점을 열거할 수 있다.

(a) 용접 작업이 단순하고 용접 결과의 재현성이 높다.
(b) 전력이 불필요하다.
(c) 용접용기구가 간단하고 설비비가 싸다 또한 작업 장소의 이동이 용이하다.
(d) 용접 작업 후의 변형이 적다.
(e) 용접하는 시간이 비교적 짧다.

이 같은 특징이 있으므로 야외 공장내의 넓은 장소에서 용접하는데 적당하다.