고주파 용접

왜 배우는가: 고주파 용접은 플라스틱·금속 등 이종 재료를 짧은 시간에 국부 가열해 접합하는 방식으로, 생산성과 자동화 측면에서 실무 채택이 늘고 있다. 전자기 유도 가열의 원리와 장단점을 묻는 문제가 반복 출제되므로 원리와 비교 포인트를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제136회 1교시 7번, 제96회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

고주파 용접은 고주파 전류가 흐르는 코일이 만드는 전자기장으로 피접합물에 와전류와 히스테리시스 손실을 일으켜 접합부를 국부 가열하는 용접이다.

핵심 키워드

• 고주파 유도 가열
• 와전류(eddy current)
• 히스테리시스 손실
• 유도 코일
• 고주파 전원(인버터)
• 저항 용접(고주파 저항 용접)
• 압접(가압 상태 접합)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 코일에 고주파 전류를 흘려 강한 교번 자기장을 만들고, 그 자기장 속에 놓인 금속이나 도전성 재료가 스스로 열을 내도록 하는 방식이다. 접촉 없이 열을 만들기 때문에 가열 위치를 정밀하게 제어할 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 용접 장치는 고주파 무선 주파수 전류로 구동되는 유도 코일을 포함하고, 이 코일이 전기 전도성 또는 강자성 피가공물에 작용하는 고주파 전자기장을 만든다. 피가공물 내부에 유도된 와전류가 재료 저항을 통과하며 줄 열(Joule heating)을 낸다.

와전류는 교번 자기장이 도체 내부에 유도하는 순환 전류다. 전류가 재료의 전기 저항을 지나며 열이 발생한다. 이것이 전도성 재료에서 주된 가열 효과다.

히스테리시스 손실은 강자성체 내부 자구(magnetic domain)가 교번 자기장에 따라 반복적으로 뒤집히며 생기는 열이다. 철강처럼 자성을 띠는 재료에서는 이 효과가 더해진다.

유도 코일은 고주파 전류를 교번 자기장으로 바꾸는 부품이다. 대부분의 재료는 두 효과가 함께 작용한다.

고주파 전원은 IGBT 같은 전력 반도체를 쓴 인버터로 고주파 전류를 만든다. 주파수는 피가공물 크기, 재질, 코일과 피가공물의 결합 정도, 침투 깊이에 따라 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 가열 방식인 가스 불꽃이나 아크는 열이 넓게 퍼져 열영향부가 크고 가열 시간이 길다. 고주파 유도 가열은 열을 필요한 면에 짧게 집중시켜 이 문제를 줄인다.

강관 제조 분야에서 발전이 두드러졌다. 저주파 전기저항 용접(LF-ERW)은 1920년대부터 1970년까지 쓰였다. 1970년 이후 고주파 전기저항 용접(HF-ERW)이 이를 대체하며 더 높은 품질의 용접부를 만들었다. 이 전환은 고주파 방식의 실용성을 보여 준다.

플라스틱 분야에서는 절연체인 열가소성 수지에 금속이나 탄소섬유 같은 도전성 재료를 넣은 서셉터(susceptor)를 접합면에 두고 가열한다. 이 방식은 항공우주 구조물처럼 복잡한 형상의 복합재료 접합에 쓰인다. 전자기장의 간섭을 막기 위해 통신 대역과 겹치지 않도록 주파수를 규제한다. 이종 재료 접합과 생산성 향상이 필요해지면서 고주파 용접의 적용 범위가 넓어졌다.

이종 접합용 유도 가열에는 고주파 대역이 쓰이며, 주파수 범위는 통신 방해를 피하도록 규제된다.

4. 구성요소·원리·절차

고주파 용접(High Frequency Induction Welding)은 유도 코일이 만든 고주파 자기장으로 접합부에 와전류를 흘려 줄 열을 얻고, 가압 상태에서 접합하는 방식이다. 설비는 고주파 발생기, 유도 코일, 냉각수 회로, 가압 장치로 이루어진다. 고주파 발생기는 수 MHz 대역의 교류 전류를 만들고, 유도 코일은 이 전류를 교번 자기장으로 바꾼다. 코일은 고전류로 과열되므로 중공관을 쓰고 냉각수를 순환시킨다.

고주파 용접은 와전류에 의한 저항 발열로 접합 부위만 짧은 시간에 가열하고 압력을 가해 접합한다.

이 과정의 원리는 두 가지다. 도체 재료에서는 주로 와전류 손실에 의한 줄 열이 발생한다. 강자성 재료에서는 여기에 히스테리시스 손실이 더해진다. 교번 자기장이 자구를 반복해서 뒤집으면서 열이 생긴다. 발열 위치는 표피 효과로 표면 근처에 집중되므로, 주파수가 높을수록 가열층이 얇아진다.

표의 구성요소는 설비 구성과 대응한다. 가압 장치는 가열 후 접합 강도를 결정하므로 스퀴즈 힘이 접합 품질에 직접 영향을 준다.

절차는 다음과 같다.

• 강관 또는 판재의 가장자리를 맞대고 유도 코일을 접합점 가까이 배치한다.
• 고주파 전류를 흘려 가장자리를 용접 온도까지 가열한다.
• 가열된 가장자리를 스퀴즈 롤로 가압하여 접합한다.
• 용접 후 비드를 정리하고 냉각한다.

와전류 손실과 히스테리시스 손실은 가열 메커니즘을 설명하는 핵심 용어다. 전력 효율은 코일과 재료 사이 거리, 스퀴즈 힘, 코일 위치에 따라 달라진다. 근거 논문에서는 스퀴즈 힘과 코일 위치를 최적화해 전력 소비를 약 5.5% 줄였다.

수식으로 표현하면 줄 열 발생률은 P = I^2 R 이다. I는 와전류의 실효값(A), R은 표피 깊이 영역의 저항(Ω)이다. 고주파에서는 표피 깊이가 작아져 R의 유효 단면적이 줄어들므로 표면 발열이 커진다.

5. 관련 법령·기준·표준

고주파 용접은 법령으로 특정된 공정 기준보다 제조 기준(배관·강관 제조 규격)의 적용을 받는다. 강관 용접 품질은 제조 규격과 비파괴검사 기준으로 관리한다. 고주파 용접 설비는 전파 방해를 막기 위해 사용 주파수가 규제된다. 근거에서는 플라스틱 유도 용접에 쓰이는 주파수가 고주파 대역이며, 그 범위는 FCC가 방송 간섭을 막기 위해 정한다고 소개한다.

표의 주파수는 플라스틱 유도 용접 기준이다. 강관 고주파 용접은 주파수 값을 제조사별로 정하므로 표에 일반값을 쓰지 않았다. 저주파 ERW는 1970년 이후 고주파 공정으로 대체됐다.

고주파 용접 설비의 전파 규제는 FCC 규정을 따르며, 국내 적용은 전파법 등 해당 규정을 따른다.

6. 유형과 비교

고주파 용접은 가열 원리와 접합 방식에 따라 몇 가지로 나뉜다. 가장 많이 쓰이는 구분은 고주파 저항 용접(HFRW, High-Frequency Resistance Welding)과 고주파 유도 용접(HFIW, High-Frequency Induction Welding)이다. 두 방식 모두 고주파 전류가 전극이나 코일을 거쳐 피용접물에 흐르지만, 전류를 피용접물에 직접 통하게 하는지 아니면 코일로 자기장만 걸어 와전류를 유도하는지에 차이가 있다.

표에서 보듯 고주파 저항 용접은 강관 제조 라인의 가압 압접에 가깝고, 고주파 유도 용접은 비접촉 가열이 가능해 비금속 재료 접합까지 확장된다. 시험에서 방식을 물으면 전류 전달 방법을 먼저 구분해 쓴다.

강관 용접에서 가열 방식의 변천도 중요한 비교 대상이다. 저주파 전기저항 용접(LF-ERW)은 1920년대부터 1970년까지 쓰였고, 이후 고주파 방식이 이를 대체해 용접 품질이 높아졌다. 저주파는 교류 저주파로 가장자리를 가열하던 방식이며, 현재는 신규 설비에서 쓰지 않는다.

고주파 방식은 표피 효과로 가열이 가장자리 표면에 집중되어 짧은 시간에 접합면을 가열할 수 있다. 그래서 강관 생산 속도와 품질이 함께 올라갔다.

고주파 유도 용접은 열가소성 수지 접합에서 주로 쓰인다. 용접 방식에 따라 매립형(implant)과 서셉터형(susceptor)으로 나눈다. 매립형은 금속 메시나 탄소섬유 같은 도전 재료를 접합면에 넣어 두고, 서셉터형은 접합면에 발열 재료를 놓는다. 항공기 복합재처럼 두꺼운 구조물은 매립형이, 부피가 작은 부품은 서셉터형이 자주 쓰인다.