서브머지드 아크용접의 원리와 장점과 단점
서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW)의 원리는 용접하고자 하는 부위에 분말 형태의 플럭스를 일정 두께로 살포하고, 그 속에 전극 와이어를 연속적으로 송급하여 와이어 선단과 모재사이에 아크를 발생시킵니다. 아크열은 와이어, 모재 및 플럭스를 용융시키며, 용융된 플럭스는 슬래그를 형성하고 용융금속은 용접비드를 형성합니다. 용접 아크가 플럭스 내부에서 발생하여 외부로 노출되지 않기 때문에 서브머지드 아크 용접을 잠호 용접이라고도 부릅니다. 서브머지드 아크 용접에서 용접이 시작되는 순간에는 플럭스가 용융되어 있지 않기 때문에 전류가 흐르지 않습니다. 따라서 용접을 시작할 때에는 모재와 와이어 사이에 스틸 울 등을 끼워 아크 발생을 쉽게 하거나, 고주파를 사용하여 아크를 발생시킵니다. 아크가 발생되면 아크열에 의하여 용융 슬래그와 가스가 발생하여 아크는 지속적으로 유지됩니다. 서브머지드 아크 용접은 대전류 용접이 가능하며 아크 효율이 95% 이상으로 아크용접 공정 중에서 가장 높은 것이 큰 장점입니다. 서브머지드 아크 용접은 대전류 영역에서도 용접이 가능하므로 생산성이 매우 높습니다. 이와 같이 적용전류 범위가 대전류 영역으로 크게 확장될 수 있는 것은 플럭스가 아크를 보호하고 아크의 안정성을 유지시켜 주기 때문입니다. 고전류 용접이므로 분당 1KG 이상의 용착속도가 가능하며, 용입이 깊어서 모재가 두꺼운 경우에 효율적으로 사용할 수 있습니다. 플럭스와 슬래그가 비드를 덮고 있기 때문에 아크열이 외부로 방출되는 것을 차단하여 아크 효율이 매우 높고 용접 흄의 발생이 적으며 아크 광선이 밖으로 노출되지 않기 때문에 작업 환경이 매우 청결합니다. 또한 슬래그와 금속 반응에 의하여 용착금속의 정련작용과 기타 합금 원소의 첨가도 가능하기 때문에 용착금속의 기계적 성질이 양호하며 비드 외관도 좋습니다. 그러나 대부분 자동화된 설비를 사용해야 하기 때문에 초기 설비 투자 부담이 높고, 플럭스를 도포해야 하기 때문에 용접 자세가 아래 보기로 제한됩니다. 또한 용접부가 슬래그로 덮여 있기 때문에 용접진행 상태를 육안으로 확인할 수 없으며, 대전류 용접이므로 용접 열영향부가 크고 기계적 성질이 열화 되는 등의 단점이 있습니다.
서브머지드 아크 용접기의 특성과 전극수
서브머지드 아크 용접기의 특성에 대해 살펴보겠습니다. 서브머지드 아크 용접기는 교류와 직류의 2종류가 있는데 이들이 단독으로 또는 조합되어 같이 사용되기도 합니다. 교류용접기는 본질적으로 아크가 불안하고 저전류 영역에서 작업성이 나쁘며 초기 아크 발생이 쉽지 않다는 결점이 있습니다. 그러나 가격이 저렴하고 취급이 간단하며 전력 소비량과 관리 비용이 적고 아크 쏠림 현상이 발생하지 않는 장점이 있습니다. 플럭스의 품질이 향상됨에 따라 저전류 영역에서도 교류용접이 가능하게 되어 교류 용접기가 광범위하게 사용되고 있습니다. 직류 용접기는 초기 아크 발생이 쉽고 낮은 전류에서도 아크가 안정하며 용입이 깊습니다. 그러므로 아크 안정성이 낮은 플럭스를 사용하는 경우나 세경 와이어로 저전류 고속용접하는 경우에 사용되며 다전극 용접에서는 선행전극에 적용하여 용입을 싶게 하는 목적으로 사용됩니다. 일반적으로 굵은 와이어를 쓰는 경우는 정전류 특성의 교류 용접기를 사용하여 출력전류의 변동을 최소화합니다. 출력전류의 변동이 적으면 용입깊이가 일정하기 때문에 정전류 특성의 용접기를 사용하는 것이 바람직합니다. 직경이 작은 와이어를 사용하는 경우는 정전압 특성의 직류 용접기를 사용하고 와이어를 일정한 속도로 송급합니다. 이 경우에는 자기제어효과에 의해 안정된 용접을 할 수 있습니다. 서브머지드 아크 용접은 고전류를 사용하기 때문에 용착속도가 매우 높지만, 단전극으로 용접전류를 증가시켜 생산성을 향상하는 방법에는 한계가 있습니다. 용착 속도를 더욱 높이기 위해서 전극수를 2개 이상으로 증가시키는 방법을 사용하며, 현재 많이 쓰이는 방법은 2 전극 텐덤 방식입니다. 2 전극 용접에서도 전극 모두에 직류를 사용하면 아크 상호 간 간섭이 심하기 때문에 직류와 교류 또는 교류와 교류의 조합을 사용합니다. 두 전극 간 거리는 10~30mm 정도이므로 하나의 용융풀에서 동시에 용접을 하기 때문에 한꺼번에 많은 양의 용착금속을 얻을 수 있을 뿐 아니라 용입이 깊기 때문에 단전극에 비해 2배 이상의 용접속도를 얻을 수 있습니다. 3 전극 이상이 되면 설비비가 증가하고 용접기의 조작과 적정조건의 설정이 어렵습니다. 그러므로 3 전극 혹은 4 전극을 사용하는 용접 방법은 용착속도를 증가시켜 생산성을 크게 향상할 필요성이 있는 경우에만 사용하고 있습니다.