저항용접 3대 요소

왜 배우는가: 박판 자동차 차체처럼 얇은 판재를 대량으로 접합하는 현장에서 저항용접은 핵심 공법이다. 이 개념은 여러 회차에 걸쳐 3교시, 4교시, 2교시 문항으로 반복 출제되었으므로 3대 요소의 정의와 역할을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제129회 3교시 1번, 제111회 4교시 1번, 제98회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

저항용접은 금속을 겹쳐 가압하고 전류를 흘려 접촉 저항열로 접합하는 용접법이다.

이 정의를 이해하는 데 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 저항용접: 전기 저항열을 이용해 금속을 접합하는 전기 저항 용접의 대표 방법이다.
• 접촉 저항: 겹친 두 금속의 접촉면에서 전류 흐름을 방해하여 열이 가장 먼저 생기는 저항이다.
• 줄열: 전류가 저항을 지날 때 발생하는 열로, 전류의 제곱과 저항, 통전 시간에 비례한다.
• 전극 가압력: 두 전극이 피접합재를 누르는 힘으로, 접촉 저항의 크기와 용융부의 형태를 좌우한다.
• 용접 전류: 전극을 통해 흐르는 전류로, 발열량에 가장 크게 영향을 주는 변수이다.
• 통전 시간: 전류가 흐르는 시간으로, 피접합재에 가해지는 열의 총량을 정한다.
• 점용접: 겹친 판재를 점 모양으로 접합하는 저항용접으로, 3대 요소가 가장 대표적으로 적용되는 방법이다.

2. 개념 풀이

저항용접은 두 전극 사이에 피접합재를 겹쳐 놓고 가압하면서 전류를 통과시켜, 금속의 전기 저항에서 생기는 열로 접합부를 용융시키는 전기 저항 용접이다. 열원이 외부 불꽃이나 아크가 아니라 재료 내부에서 발생하므로, 열이 생기는 위치와 양을 전극 구조, 가압 조건, 전류 조건으로 조절할 수 있다.

발열의 원리는 줄의 법칙이다. 전류가 저항을 지나며 발생하는 열량은 다음 식으로 구한다.

$Q = 0.24 I^{2} R t$

여기서 Q는 발열량(cal), I는 전류(A), R은 전기 저항(Ω), t는 통전 시간(s)이다. 식에서 전류는 제곱으로 들어가므로 전류의 제곱에 비례하고, 저항과 통전 시간에는 1차로 비례한다.

발열량은 전류의 제곱에 비례하므로 전류가 가장 민감한 요소이다.

저항용접의 3대 요소는 전극 가압력, 용접 전류, 통전 시간이다. 가압력은 접촉 저항의 크기를 바꿔 열이 접합면에 고르게 모이도록 하고, 용융부가 두 전극 사이에 머물도록 가둔다. 전류는 줄열의 크기를 정하는 값이며, 통전 시간은 그 열을 가하는 길이를 정한다. 세 요소는 따로 작동하지 않고 서로 맞물리므로, 한 요소만 바꾸면 용융부 크기와 접합 강도가 함께 달라진다.

실제 공정은 가압 시간, 통전 시간, 유지 시간으로 나누어 제어한다. 가압 시간은 전극이 가압력을 형성하는 구간이고, 통전 시간은 전류가 흐르는 구간이며, 유지 시간은 전류를 끊은 뒤에도 가압을 유지해 용융부가 굳는 구간이다. 이 세 구간은 용접 타이머가 순서대로 제어한다.

요소의 적정 범위는 재료, 두께, 전극 형상에 따라 달라진다. 전류가 낮으면 용융부가 작거나 형성되지 않아 접합이 불량해지고, 과하면 용융금속이 튀는 분출이 생겨 품질이 떨어진다. 가압력이 부족하면 접촉 저항이 커져 전극 주변이 먼저 과열된다.

발열이 짧은 시간에 접합부 한 곳에 집중되므로 주변 모재에 열이 퍼지기 전에 접합이 끝난다. 일반적으로 1회 통전은 10~100ms 수준의 짧은 시간이며, 이 덕분에 모재의 나머지 부분은 과열되지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

저항용접은 전기가 금속 안에서 열로 바뀌는 현상을 이용해 19세기 후반에 개발된 접합법이다. 가스 용접이나 아크 용접과 달리 용접봉이나 용가재가 필요 없고 열이 접합부 안에서 만들어지므로, 공정이 단순하고 에너지 이용 효율이 높다.

이 공법이 필요해진 가장 큰 이유는 박판 접합이다. 얇은 판재는 자체 강성이 약해 작은 입열에도 변형이 커지고, 박판 구조에서는 좌굴 변형이 생길 수 있다. 저항용접은 열이 짧은 시간 국부적으로 가해져 변형과 잔류 응력이 작고, 용접 정도가 높다. 그래서 0.1~0.2mm 수준의 얇은 판도 접합할 수 있다는 점이 박판 용접에서 저항용접을 택하는 이유가 된다.

산업적으로는 대량생산과 자동화 요구가 배경이다. 자동차 차체는 승용차 한 대에 수천 점의 점용접이 이루어지며, 산업용 로봇으로 자동화하기 쉬워 생산 속도를 높일 수 있다. 용접 시간이 짧고 열 변형이 적어 조립 라인에 연속 배치하기 좋다는 점도 같은 맥락이다.