GMA 용접의 원리와 특징
가스 메탈 아크용접(Gas Metal Arc Welding, GMAW)은 소모성 전극인 와이어를 일정한 속도로 모재에 송급하면서 와이어를 통해 전류를 인가하여 와이어와 모재사이에서 아크가 발생하는 용접 공정입니다. GMA 용접은 와이어가 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크 기둥을 거쳐 용융플로 이행하며, 용융부와 아크는 가스노즐을 통해 공급되는 보호 가스에 의해 주위의 대기로부터 보호됩니다. 용접 공정은 사용되는 보호 가스의 종류에 따라 분류할 수 있으며, 아르곤과 같은 불활성가스를 사용하는 것을 미그(Metal Inert Gas, MIG) 용접, 순수한 탄산가스만을 사용하는 것을 탄산가스 아크용접 또는 CO2 용접, 탄산가스와 아르곤가스가 혼합된 가스를 사용하는 것을 마그(Metal Active Gas, MAG) 용접이라고 부릅니다. GMA 용접은 직경 0.9~1.6mm의 비교적 가는 용접 와이어를 고속으로 송급하기 때문에 피복아크 용접에 비해서 생산성이 높습니다. GMA 용접의 전류 밀도는 피복아크 용접에 비해 6배 정도 높기 때문에 용착속도를 증가시킬 수 있습니다. 또한, 로봇이나 자동화기기 등을 사용하여 용접 자동화가 비교적 용이한 것도 용접 생산성을 높이는 요인 중의 하나입니다. 하지만 피복아크 용접에 비해서 장비가 다소 복잡하고 고가이며, CO2 용접의 경우에는 스패터가 다량 발생하는 단점이 있습니다. 스패터가 모재 표면에 부착이 되면 품질 저하와 외관 손상이 발생할 수 있고, 노즐에 부착되어 보호 가스의 공급을 방해할 수 있습니다.
GMA 용접의 보호가스의 종류와 특징
일반적으로 GMA 용접에 사용되는 보호가스는 아르곤, 헬륨, 이산화탄소로써 이들 중 2가지 이상을 혼합하여 사용하거나 산소등을 소량 첨가하는 경우도 있습니다. 아르곤과 헬륨가스는 화학적으로 불활성이므로 용접부에서 다른 물질과 결합하지 않습니다. 그러나 이들은 밀도, 열전도도, 전기 전도도 및 이혼화 에너지 등의 물성치가 크게 다르게 때문에 아크 특성 및 보호 효과에 차이가 발생하여 보호 가스의 종류에 따라 용융부의 형상이 변화합니다. 아르곤은 공기보다 약 1.4배 무겁고 헬륨은 공기보다 약 0.14배 정도 가볍기 때문에 아래 보기 자세에서 용융 금속을 보호한다는 관점에서 보면 아르곤 가스가 보다 효율적이며 헬륨가스로써 동일한 정도의 보호 효과를 얻으려면 2~3배 정도의 유량이 필요하게 됩니다. 또한 아르곤 가스는 열 전도도가 낮아서 에너지가 플라스마 중앙부에 집중되어 용접부의 단면 형상은 종 모양으로 되지만 헬륨가스는 열 전도성이 높기 때문에 에너지가 아크 내에 균일하게 분산되어 타원형의 비드 형상이 됩니다. 아크 특성에 있어서 헬륨의 이온화 에너지가 아르곤보다 높기 때문에 높은 용접전압을 사용해야 합니다. 그리고 헬륨 가스만을 사용하면 청정효과를 얻을 수 없고 스프레이 모드가 발생하지 않기 때문에 스패터가 많이 발생하고 비드가 외관이 거칠어지는 단점이 있습니다. 그러므로 아르곤과 헬륨가스를 혼합하여 사용하게 되면 두 가스의 장점을 모두 얻을 수 있습니다.
아르곤과 혼합된 가스와 CO2 가스의 특징
보호가스는 용융금속을 대기로부터 차단하여 용융부의 산화 및 질화를 방지하는 것이 주목적이며, 이외에도 아크 특성, 용적이행 모드, 용입과 비드형상, 용접 속도, 언더컷 결함 발생 정도, 청정효과, 용착 금속의 기계적 성질, 용접 비용 등에 큰 영향을 주기 때문에 보호가스는 매우 중요합니다. 아르곤 가스를 사용하면 안정된 스프레이 모드를 얻을 수 있으므로 스패터 발생을 감소시킬 수 있습니다. 그러나 순수한 아르곤 가스만을 사용하면 비드 가장자리에 언더컷과 같은 결함이 발생하고 아크가 불안정해지기 때문에 아르곤 가스에 산소를 1~5% 또는 이산화탄소를 3~25% 정도 첨가하여 사용합니다. 첨가된 산소와 이산화탄소 가스는 용융풀의 표면에 산화막을 형성하므로 직류역극성(DCEP)에서 전자의 발생이 용이하게 되어 아크가 안정되고, 생성된 산화물은 일종의 플럭스 역할을 하여 언더컷이 발생하지 않습니다. 일반적으로 알곤과 산소 혼합가스는 스테인리스강 용접에서 많이 사용되며, 연강이나 저합금강에서는 스패터 발생량을 줄이기 위해서 아르곤과 이산화탄소 혼합가스가 주로 사용되고 있습니다. CO2 가스는 반응성이 매우 강한 가스이지만 가격이 저렴하고 깊은 용입을 얻을 수 있기 때문에 연강이나 저합금강 용접에서 100% 이산화탄소 가스를 널리 사용하고 있습니다. 하지만 이산화탄소 가스의 특성상 단락이행 모드와 입상용적 모드만 발생하기 때문에 아크가 불안하고 아크 소음이 크며 스패터가 많이 발생하는 단점이 있습니다. 이러한 단점을 개선하기 위해 새로운 용접기 및 용접재료가 다양하게 개발되고 있습니다.