GMAW 스패터 발생

왜 배우는가: GMAW는 와이어를 연속 공급하며 용접하는 방식이라 자동화와 생산성 측면에서 널리 쓰인다. 스패터는 외관 불량과 후공정 제거 비용을 늘리고 자동화를 가로막으므로, 원인과 대책을 묻는 문항이 여러 교시에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제131회 1교시 2번, 제110회 4교시 6번, 제90회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

스패터(spatter)는 용접 중 용융풀에서 용융금속의 일부가 비산하여 모재나 노즐 등에 응고되어 부착되는 현상이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 스패터(spatter): 아크 과정에서 용융금속 입자가 용접부 밖으로 튀어 나와 굳는 현상이다.
• 용융풀: 아크열로 모재와 와이어가 녹아 고인 액체 금속 부분이다.
• 단락이행: 와이어 끝의 용적이 용융풀에 닿아 단락되면서 금속이 옮겨 가는 이행 방식이다.
• 입상용적이행: 용적이 크게 맺혀 중력에 의해 떨어지며 이행하는 방식이다.
• 아크 불안정: 아크 길이와 전류가 흔들려 용적 이행이 고르지 않은 상태이다.
• 보호가스: 대기 오염을 막기 위해 토치를 통해 공급하는 가스이다.
• 돌출길이: 컨택트 팁에서 와이어 끝까지의 길이이며, 스패터 발생량에 영향을 준다.

2. 개념 풀이

GMAW에서 스패터는 와이어 선단의 용적이 용융풀로 이행하는 과정에서 생기는 용융금속의 비산 현상이다. 튀어 나온 금속 입자가 모재 표면이나 노즐에 붙어 굳으면 용접 금속이 손실되고, 외관과 후공정 비용에 직접 영향을 준다. 따라서 스패터는 단순한 외관 문제가 아니라 용접 조건과 금속 이행 현상을 함께 이해해야 하는 공정 문제이다.

스패터의 원리는 아크의 고온과 용적 이탈의 불안정에 있다. 아크가 발생하면 아크열이 와이어 선단을 녹여 용적을 만들고, 용적은 커지면서 용융풀에 닿거나 떨어진다. 용적이 용융풀에 닿으면 단락이 생기고, 이 가교가 끊어지는 순간 재아크가 발생한다. 이때 아크의 고온이 주변 공기를 급격히 팽창시키고, 그 폭발력으로 남은 용적이 비산한다. 스패터는 재아크의 팽창력이 남은 용적을 비산시켜 발생한다.

단락이행에서 스패터가 특히 문제가 되는 이유는 단락이 끊기는 순간에 있다. 단락 직후 전류 증가가 크면 가교가 과도하게 가열되어 격렬하게 끊어지고, 그만큼 비산이 커진다. 그래서 인버터 방식 전원은 단락 직후의 전류 증가를 억제하고, 아크 발생 시 전류 상승 속도를 조절하여 스패터를 줄인다.

입상용적이행은 용적이 와이어 끝에서 크게 맺혀 떨어지는 방식이다. 용적이 와이어 지름보다 크게 자라 불규칙한 형태로 떨어지므로 용융풀 표면이 고르지 않고, 떨어지는 과정에서 금속이 튀어 스패터가 생긴다. 이 이행 방식은 CO₂ 가스 보호 조건처럼 아크가 불안정한 환경에서 두드러진다. CO₂ 가스는 산화성 분위기를 만들어 아크를 불안정하게 하는 것으로 알려져 있다.

전압은 아크 길이를 결정하는 변수이다. 전압이 지나치게 높으면 아크 길이가 길어져 용적 이행이 불안정해지고, 스패터가 심해지며 비드 폭도 넓어진다. 돌출길이가 길어지면 스패터 발생량이 늘고 아크가 불규칙해지므로 돌출길이를 적정하게 유지해야 한다. 짧은 돌출길이는 노즐과 컨택트 팁에 스패터가 빨리 쌓이게 하는 원인이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

GMAW는 와이어를 연속으로 공급하면서 용접하므로 자동화가 비교적 쉽고 생산성이 높다. 그러나 스패터가 함께 발생하면 이 장점이 줄어든다. 스패터가 모재 표면에 부착되면 외관을 손상시키고, 노즐에 부착되면 보호가스 공급을 원활하지 못하게 한다. 노즐에 쌓인 금속 입자는 화재 위험도 있다.

특히 대립 스패터는 모재에 강하게 부착되어 제거에 많은 인력과 시간이 든다. 이 때문에 스패터는 용접 자동화와 생산성 향상을 가로막는 요인으로 인식된다. 스패터를 줄이는 것은 용접 품질을 높이는 핵심 기술 과제이다.

스패터는 현장에서 직접 측정하기 어렵다. 그래서 용접 파형을 분석하여 스패터 발생량을 예측하는 기술이 함께 연구되고 있다. 전압과 전류(송급속도) 같은 용접 조건이 파형에 반영되므로, 파형 분석은 조건 관리의 근거가 된다.