GTAW 극성

왜 배우는가: GTAW는 알루미늄과 마그네슘처럼 산화막이 강한 금속을 용제 없이 용접할 수 있는 대표 공정이다. 극성 선택이 용입, 전극 수명, 청정작용을 함께 결정하므로 용어 문제와 논술 문제에 모두 반복해서 나온다.

출제 이력: 제134회 1교시 2번, 제131회 1교시 1번, 제111회 2교시 1번, 제102회 2교시 2번, 제93회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

GTAW 극성은 비소모성 텅스텐 전극과 모재의 접속 방식에 따라 전류 방향과 열 분배가 정해지는 현상이다. 전극을 음극과 양극 중 어디에 연결하느냐에 따라 아크의 열이 전극과 모재 중 어디에 몰리는지, 그리고 모재 표면의 산화막이 제거되는지가 함께 결정된다. 용접 실무에서는 이 차이를 이용해 재질과 목적에 맞는 극성을 고른다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 직류 정극성(DCEN): 전극을 음극(−), 모재를 양극(+)으로 연결한 상태이다.
• 직류 역극성(DCEP): 전극을 양극(+), 모재를 음극(−)으로 연결한 상태이다.
• 교류(AC): 극성이 주기적으로 바뀌는 전류이며, 두 극성의 특성을 함께 가진다.
• 청정작용: 음극 쪽 모재 표면의 산화막이 제거되는 작용이다.
• 용입: 용접 금속이 모재 속으로 녹아 들어간 깊이이며, 극성에 따라 크게 달라진다.
• 전극 소모: 전극 끝이 과열되어 녹거나 용접부를 오염시키는 현상이다.
• 고주파 전류: 교류 아크의 극성 전환 때 아크가 꺼지지 않도록 돕는 보조 전류이다.

2. 개념 풀이

GTAW 극성의 정식 정의는 다음과 같다. 텅스텐 전극은 용접 중에 녹아 금속을 공급하지 않으므로 아크를 만드는 역할만 한다. 따라서 극성은 아크 안에서 전자가 어느 방향으로 이동하는지, 그리고 그 전자 흐름이 열을 어느 쪽에 몰아주는지로 설명된다. 이 관계를 이해하면 두 극성의 차이가 전자의 이동 방향 하나로 설명된다.

원리는 전자의 이동에서 시작한다. 직류 정극성에서는 음극인 전극에서 전자가 방출되어 아크를 지나 양극인 모재로 이동한다. 고속으로 이동한 전자가 모재 표면에 충돌하면서 운동에너지가 열로 바뀌므로 모재 쪽 열이 커진다. 이 열 분배 때문에 전체 아크 열의 대부분이 모재에 전달되고, 정극성은 용입이 깊고 전극의 온도 상승이 작은 극성이 된다.

직류 역극성에서는 전자가 모재에서 전극 쪽으로 이동한다. 열이 전극 쪽에 집중되어 전극이 과열되고, 전극 끝이 녹아 용접부를 오염시킬 수 있다. 대신 음극인 모재 표면에서 청정작용이 일어나 산화막이 제거된다.

청정작용의 원리는 음극점에서 설명된다. 음극 쪽 모재 표면에서 작은 음극점이 움직이면서 전류가 산화막의 가장자리에 모이고, 그 부분의 산화막이 급속히 증발하여 제거된다. 산화막이 제거된 흔적은 금속 광택을 띠므로 아크가 지나간 자리에서 결과를 바로 알 수 있다. 알루미늄과 마그네슘은 산화막의 용융온도가 모재보다 높아 이 작용이 특히 중요하다.

교류는 극성이 주기적으로 반전되어 전극 과열을 막으면서도, 역극성 반주기 동안 산화막을 제거하고 정극성 반주기 동안 모재를 깊게 가열한다. 그래서 알루미늄 용접에서 교류가 많이 쓰인다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 음극점: 음극 쪽 모재 표면에서 아크 전류가 모여 산화막을 증발시키는 작은 점이다.
• 극성 비율 조절: 일부 교류 전원은 정극성과 역극성이 차지하는 시간 비율을 바꿔 열과 청정작용의 비율을 조절한다.
• 재점호 불량: 극성이 바뀔 때 아크가 다시 점호되지 않는 현상이며, 고주파 전류나 구형파 전원으로 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

GTAW는 용가재를 녹이지 않고 아크만 유지하므로, 열과 전류를 용가재 공급과 독립적으로 조절할 수 있다. 그러나 비소모성 전극이므로 극성 선택이 곧 열 분배 조건을 결정한다. 실무에서 극성을 정확히 알아야 하는 이유가 여기에 있다. 고품질이 요구되는 극저온 압력 용기의 완전 침투 파이프 용접도 이 공정으로 주로 이루어진다.

알루미늄과 마그네슘은 표면에 산화막이 빠르게 생기며, 이 산화막은 모재보다 녹는점이 높다. 산화막이 남아 있으면 용융지의 흐름과 용적과 용융금속의 결합이 방해되어 용접이 어려워진다. 가스 용접이나 피복 아크용접은 용제의 화학 반응으로 산화막을 제거하지만, 불활성 가스 아크용접은 청정작용으로 산화막을 제거하므로 용제 없이 용접할 수 있다. 이 점이 극성 선택이 중요한 이유이다.

그러나 극성 하나만으로는 두 요구를 모두 만족하기 어렵다. 직류 정극성은 용입이 깊지만 청정작용이 없어 알루미늄 산화막을 제거하지 못한다. 직류 역극성은 청정작용을 얻는 대신 전극이 과열된다. 같은 전류에서 역극성은 정극성보다 굵은 전극을 써야 하고, 사용할 수 있는 전류 범위도 제한된다. 이 때문에 알루미늄의 TIG 용접에는 교류가 일반적으로 사용된다.