GTA 용접의 원리와 정극성과 역극성의 영향
가스 텅스텐 아크용접(Gas Tungsten Arc Welding, GTAW)은 고온에서 녹지 않는 비소모성의 텅스텐 전극봉을 사용하여 전극 모재 사이에 발생한 아크열로 모재를 용융시켜 용접부를 형성하며, 필요에 따라 용가재를 공급하여 모재와 함께 용융시키기도 합니다. 모재의 용융 용융풀과 텅스텐 전극봉의 산화를 방지하기 위한 보호 가스로 불활성 가스인 아르곤이나 헬륨을 사용하므로 TIG용접으로 부르기도 합니다. GTA 용접은 모든 용접자세에 적용 가능하며 아크 안정성이 높고 용접 품질이 우수하므로 산화나 질화 등에 민감한 재질의 용접 및 피복 아크 용접을 적용하기 곤란한 경우에 사용됩니다. 그러므로 탄소강뿐만 아니라 스테인레스강, 알루미늄 합금 등의 용접에 사용되지만 가스메탈 아크 용접(GMAW)에 비해 용접속도가 느리기 때문에 생산성은 낮습니다. GTA 용접 시스템은 용접기, 토치, 보호 가스로 구성되어 있으며, 필요에 따라 용가재 송급 장치를 사용합니다. GTA 용접기는 정전류를 사용하기 때문에 모든 전류 영역에서 아크는 항상 안정하며, 아크길이에 무관하게 용접전류가 일정하게 유지되므로 모재의 용융량 특히 용입이 일정하게 됩니다. 앞에서 언급한 바와 같이 용융량은 극성에 의하여 영향을 받습니다. 정극성(DCEN)을 사용하면 아크의 전자가 모재로 향하기 때문에 전극봉보다 모재에 열이 많이 가해지므로 모재의 용융량이 증가합니다. 역극성(DCEP)을 사용하면 전극봉보다 모재에 열이 적게 발생하므로 열효율이 감소하므로 박판 용접에 적합하며, 청정효과가 발생하므로 산화막을 제거하는 알루미늄 등의 용접에 사용합니다. 그러므로 청정효과가 필요하지 않은 일반 탄소강의 용접에서는 모재의 용융량을 증가시켜 생산성을 높이기 위해 정극성을 사용합니다. 교류를 사용하면, 정극성과 역극성의 효과를 동시에 얻을 수 있지만, 아크의 소멸과 생성이 반복되므로 아크 안정성이 낮기 때문에 교류를 사용하는 경우에는 항시 아크 발생기를 작동시켜야 합니다.
전극봉의 재질과 형태 및 보호가스의 역할
전극봉의 재질은 순수 텅스텐을 사용하거나, 정극성을 사용하는 경우에 전극봉에서 전자의 방출이 쉽도록 산화토륨을 1~2% 첨가한 텅스텐 전극봉을 사용합니다. 역극성의 경우에는 전극봉에서 발생하는 열이 많기 때문에 전극봉이 과열되기 쉽습니다. 그러므로 동일한 용접전류인 경우에는 역극성에서 사용하는 전극봉 직경이 정극성의 전극봉 직경보다 큽니다. 정극성인 경우, 전극봉의 끝을 연마하여 원뿔 형태로 사용됩니다. 전극봉의 형상이 아크 형상에 영향을 주며 전극봉 끝의 각도가 증가할수록 용융풀의 폭이 증가하고 용입이 감소합니다. 그러나 원뿔 형태의 전극봉을 역극성에 사용하면 전극봉에 많은 열이 발생하여 전극봉의 끝부분이 녹아 용융풀로 이행되므로 이와 같은 현상을 방지하기 위하여 전극봉의 끝을 구형으로 만들어 사용합니다. 교류를 사용하는 경우에도 역극성과 같이 구형의 전극봉을 사용합니다. 용접전류가 증가하면 전극봉에서 발생하는 저항열도 커지므로 직경이 큰 전극봉을 사용합니다. 보호가스로 불활성 가스인 아르곤이나 헬륨을 사용하여 전극봉과 용융풀의 산화를 방지합니다. 아르곤 가스는 헬륨 가스에 비해 가격이 저렴하고 아크의 발생이 용이하므로 널리 사용됩니다. 헬륨 가스는 아르곤 가스에 비해 이온화 전위가 높기 때문에 아크의 온도가 증가하여 깊은 용입을 얻을 수 있습니다. 역극성을 사용하는 경우에 발생하는 청정효과를 얻으려면 아르곤 가스를 사용해야 하며 헬륨가스를 사용하면 청정효과를 얻을 수 없습니다. 아르곤과 헬륨가스의 혼합 가스를 사용하기도 하며 필요에 따라 소량의 헬륨 가스를 첨가하기도 합니다. GTA 용접에서 막대기나 와이어 형태의 용가재를 사용할 수 있으며, 일반적으로 용가재는 토치의 전방에서 30도 정도의 각도로 아크의 중심 또는 약간 아래 부분을 향해 공급합니다. 아크열에 의해 용융된 용가재는 용융풀로 이행하며 용착량을 향상하기 위해 예열된 용가재를 공급하는 고온 와이어 공급식 TIG 용접을 사용하기도 합니다. 고온 와이어 공급식 TIG 용접은 와이어에 전류를 가해 발생하는 저항열을 이용하여 와이어를 예열시킨 상태에서 아크열에 의해 용가재가 용융되므로 용착량이 일반 GTA용접에 비해 2배 정도 증가합니다. 또한 토치가 정지된 상태에서 아크를 발생시켜 용접하는 점용 접을 수행할 수 있습니다. 점용접은 박판의 용접에 적용하며 저항 점용접에 비해 용융부의 크기와 품질이 우수하지만 용접시간이 길기 때문에 생산성이 낮습니다.