피복아크 용접봉 피복제 역할

왜 배우는가: 피복제의 역할은 피복아크 용접봉을 이해하고 용접 결과를 설명하는 기본이다. 용접봉 선택과 용접부 결함 원인 분석은 피복제의 성분과 작용으로 설명되므로 실무에서 중요하다. 시험에서는 1교시 용어형과 2~4교시 논술형으로 반복해 출제되는 개념이다.

출제 이력: 제134회 1교시 5번, 제117회 1교시 5번, 제114회 1교시 4번, 제113회 2교시 3번, 제95회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

피복제는 심선을 감싸 아크를 안정시키고 용융 금속을 대기로부터 보호하는 재료이다.

피복제는 피복아크 용접봉의 심선 바깥에 입힌 무기물과 유기물의 배합물이다. 용접 중 피복제가 열에 의해 녹고 분해되면서 대기 차단, 정련, 합금 원소 공급이 동시에 일어나므로, 용접봉의 품질은 피복제의 성분과 배합에 따라 결정된다. 따라서 피복제의 역할을 이해하는 것이 용접봉 선택과 용접부 품질 해석의 출발점이 된다.

핵심 키워드

• 피복제: 심선 외면에 도포하거나 압착하여 입힌 배합물이다.
• 심선: 전류를 전달하고 용가재가 되는 금속 막대이다.
• 아크 안정: 아크가 끊기지 않고 일정하게 유지되는 상태이다.
• 슬래그: 용융 금속 위에 떠서 용접 금속을 덮는 비금속 생성물이다.
• 탈산·정련: 용융 금속 속 산소와 불순물을 제거하는 작용이다.
• 대기 차단: 산소와 질소가 용융 금속에 닿지 않도록 막는 작용이다.
• 합금 원소 첨가: 용착 금속에 필요한 성분을 보충하는 작용이다.

2. 개념 풀이

피복아크용접(SMAW)은 피복 용접봉과 모재 사이에 생긴 아크 열로 금속을 녹여 잇는 방법이며, 피복제는 이 방법에서 보호와 조절을 맡는 성분이다. 정식으로 정의하면, 피복제는 심선 주위에 여러 물질을 배합하여 입힌 것으로서 아크 상태와 용융 금속의 화학 반응을 조절하여 용착 금속의 품질을 결정하는 성분이다.

피복제의 원료는 산화물계, 규산염계, 탄산염계, 불화물계, 유기물계, 붕산염계, 철합금계로 나뉜다. 이 원료들을 잘 혼합하고 수분을 더하여 도포제로 쓰거나, 수분을 줄이고 압착하여 피복제로 쓴다. 고착제로는 수성 유리, 아교, 젤라틴, 아라비아 고무 등이 쓰이며, 섬유 물질인 석면을 섞는 경우도 있다.

피복제는 아크 열에 의해 분해되면서 두 가지 방식으로 작용한다. 첫째, 분해 과정에서 발생한 가스가 아크와 용융 풀 주변을 둘러싸 대기 가스의 침입을 막는다. 유기물계 피복제는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소 같은 가스를 만들어 이 역할을 한다. 둘째, 피복제 성분이 용융점이 낮은 슬래그를 만들어 용융 풀 위에 떠오르고, 응고 후에는 용착 금속 표면을 덮어 산화와 질화를 막는다. 심선은 피복제보다 먼저 녹아 아크 기둥을 형성하는데, 이때 피복제가 만든 가스 덮개가 아크를 용접부에 집중시킨다. 따라서 피복제는 화학적 보호와 물리적 덮개 역할을 함께 수행한다.

용접 금속의 성질은 피복제, 심선, 모재 사이의 야금 반응 결과로 만들어지므로, 이 중 하나라도 바뀌면 용접 금속의 성질이 달라진다. 특히 피복제의 영향이 크다. 같은 심선을 쓰더라도 피복제가 달라지면 아크 특성, 용입 깊이, 스패터 양, 슬래그 생성량이 달라져 서로 다른 용접봉이 만들어진다. 이 때문에 용접봉의 종류는 피복제의 계열로 구분한다. 구체 유형은 6절에서 다룬다.

핵심 용어

• 아크 안정제: 피복제 속 특정 성분이 아크 공간의 전기 전도를 돕고 전류 흐름을 고르게 하여 아크를 안정시키는 성분이다.
• 슬래그: 피복제 성분이 용융되어 생성되는 비금속 산화물과 염류 덩어리이며, 용접 후 표면에 남아 제거 대상이 된다.
• 탈산제: 용융 금속 속 산소와 결합하여 산화물을 만들고, 이 산화물이 가벼워 슬래그로 떠오르게 하는 성분이다.
• 정련 작용: 용융 금속에 섞인 불순물을 슬래그로 옮겨 제거하여 용착 금속을 깨끗하게 하는 작용이다.
• 합금 원소 첨가제: 철합금 형태로 피복제에 넣어 용착 금속에 망간이나 규소 같은 성분을 보충하는 성분이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기에는 금속봉을 그대로 용접에 사용하였으나 결점이 많았다. 보존 중 대기의 습기와 산소로 녹이 생겨 용착이 잘 되지 않았고, 용접할 때 고온에서 기화가 일어나 용접 부분의 재질이 불량해지기 쉬웠다. 또 공기와 접촉하여 생긴 산화물이 용접부에 들어가 결함이 되었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 심선 주위를 피복한 피복 용접봉이 등장하였다. 최근에는 특수한 경우를 제외하면 거의 모든 용접봉이 피복 방식으로 만들어진다. 피복 방식은 대기 차단, 용융 금속 정련, 합금 보충을 하나의 재료로 해결하는 방법이라는 점에서 필요성이 크다. 피복제의 존재 때문에 용접 자세와 이음 형태에 맞는 용접이 가능해지는 점도 중요하다.