차폐 금속 아크 용접의 원리와 특징
차폐 금속 아크 용접( Shielded Metal Arc Welding, SMAW)은 과거부터 현재까지 널리 사용되는 용접법입니다. SMAW 용접법은 다양한 환경에서 내구성 있는 용접을 할 수 있습니다. 차폐 금속 아크 용접법은 피복 아크 용접법이라고도 부릅니다. 이 용접법의 원리는 막대기 형상의 금속봉 주위에 플럭스가 코팅된 피복 아크 용접봉과 모재 사이에 발생하는 아크를 이용하여 용접하는 공정입니다. 전극 홀더에 물린 용접봉과 모재 사이에 전류를 가해 아크를 발생시키면 아크열에 의해 용접봉의 끝단과 모재가 용융됩니다. 아크열에 의해 용융된 용접봉의 끝단은 용적의 형태로 용융풀로 이행되며, 피복제는 고온에서 분해되어 가스를 방출하므로 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과는 달리 별도의 보호 가스가 필요하지 않습니다. 교류 또는 직류 용접기를 사용할 수 있지만, 정전류에 가까운 수하특성을 갖는 용접기를 사용합니다. 직류전원을 사용하는 경우에는 용접봉을 양극에 접속하고 모재를 음극에 접속하는 역극성을 주로 사용합니다. 피복 아크용접은 용접장비가 간단하여 이동이 용이하고, 용접봉에 따라 전자세 용접도 가능합니다. 또한 보호 가스가 필요하지 않기 때문에 옥외 용접도 가능하며, 거의 모든 금속재료에 적용할 수 있는 장점 때문에 광범위하게 사용되고 있습니다. 그러나 자동화가 어렵고 용접봉 교체 등에 소요되는 시간이 많기 때문에 아크율이 낮고 단위 시간당 용착량도 낮기 때문에 GMAW 용접에 비해 생산이 낮습니다. 이와 같은 단점으로 인해 피복 아크 용접의 사용이 현업에선 사용이 많이 감소되었고 GMAW 용접의 사용이 많아졌습니다.
차폐 금속 아크 용접봉의 심선과 피복제
SMAW에 사용되는 용접봉은 심선이라고 불리는 금속봉의 주위에 피복제를 코팅한 것입니다. 용접봉의 한쪽 끝은 홀더에 물리는 부분으로서 심선이 20~30mm 정도 노출되어 이 부분을 통해 용접전류가 공급되며, 반대쪽 끝은 모재와 접촉하여 아크가 용이하게 발생하도록 피복제를 비스듬히 가공하여 심선의 끝부분을 조금 노출시켰습니다. 금속재질의 심선은 전극으로써 작용하여 아크를 발생시키며 아크열에 의해 용접봉이 용융되면서 모재로 이행합니다. 연강용 용접봉에 사용되는 심선의 화학조성 및 크기를 KS D3550에서 규정하고 있으나 실제로 사용되고 있는 심선의 화학조성은 불순물의 함량을 최소화하여 인과 황은 0.015% 이하, 구리는 0.05% 이하입니다. 심선의 크기는 직경과 길이로서 규정하고 있는데 직경 1.4~8mm, 길이 230~900mm 범위에서 각각 10여 개 단계로 구분합니다. 심선을 덮고 있는 피복제는 아크열에 의해 분해되어 보호 가스의 역할을 하기 때문에 아크 안정성을 증가시키고 발생된 가스와 용융 슬래그는 대기 중의 산소나 질소에 의해 용융금속이 산화 또는 질화 되는 것을 방지하는 역할을 합니다. 또한, 필요한 합금원소를 피복제에 첨가하여 용착금속의 화학조성을 조정할 수 있으며, 탈산제 등을 첨가하여 용융금속을 정련합니다. 피복제로 사용되려면 원료의 배합뿐만 아니라 입도도 매우 중요합니다. 피복아크 용접은 짧은 시간에 행해지는 야금현상이기 때문에 원료의 입도가 반응속도에 큰 영향을 미칩니다. 그러므로 작업성, 화학성분, 기계적 성질을 균일하게 보존하기 위해서는 입도를 적당한 범위로 유지시키는 것이 필요합니다. 용접에서 요구되는 다양한 기능을 하나의 피복제 원료로 만족시킬 수 없기 때문에 몇 가지 원료를 조합하는 피복제를 제조합니다.
피복제에 사용되는 원료와 역할
피복제에 사용되는 원료는 매우 다양하여 100종류가 넘고 있지만, 일반적으로 사용되는 원료를 주된 역할에 따라 분류할 수 있습니다. 첫 번째는 가스발생제로 가스를 발생하여 아크를 대기로부터 보호하며 용융금속의 산화, 질화를 방지하는 작용을 하며, 셀룰로스 등의 유기물, 석회석, 탄산바룸등이 사용됩니다. 두 번째는 슬래그 생성제로 피복제 중에서 가스화하지 않은 원료나 분해 생성물은 슬래그가 되어 용융풀을 보호하고 용융금속을 정련합니다. 슬래그의 유동성 및 발생량은 비드의 외관과 형상을 결정하는 요소로써 그 성질은 피복제의 배합에 의해 조정됩니다. 피복제 원료는 이산화규소 혼합물인 실리카, 장석, 운모 등과 탄산염 광물인 석회석, 돌로마이트 등이 있습니다. 세 번째로는 아크안정제로서 일반적으로 피복제 중에 이온화가 용이한 원소를 포함하면 아크 안정성이 증가합니다. 칼륨, 나트륨, 리튬등의 알칼리 금속원소나 바륨, 칼슘등의 알칼리 토류 금속원소는 다른 원소에 비해서 이온화 전압이 낮기 때문에 이와 같은 원소의 화합물은 아크 안정제로 사용할 수 있습니다. 장석, 세리사이트, 루타일 등이 아크 안정제로 사용됩니다. 네 번째로는 탈산제로서 용융 금속에 용해된 산소와 결합하여 산소를 제거하는 역할을 하며, 탈산제로 페로망간, 페로실리콘, 페로알루미늄 등의 철 합금 또는 망간이나 알루미늄등의 금속분말이 사용됩니다. 다섯 번째로는 합금첨가제로서 용착금속의 화학성분을 조정하기 위해 첨가합니다. 여섯 번째로는 윤활제로서 심선에 피복제를 도장할 때 윤활 작용을 하는 것으로써 운모가 주로 사용됩니다. 마지막으로 고착제로서 물유리 등이 고착제로 사용되고 있습니다.