전기용접 방식

왜 배우는가: 전기용접은 산업현장에서 조선, 자동차, 건설, 전자기기 등 거의 모든 금속 구조물의 접합에 쓰인다. 시험에서는 용접 방식을 분류하고 각 방식의 원리와 특징을 비교하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제116회 2교시 3번, 제103회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기용접은 전기에너지를 열원으로 사용해 금속을 용융하거나 가열·가압하여 접합하는 용접법이다.

• 아크용접
• 저항용접
• 아크 방전
• 저항열
• 용접봉(전극)
• 차폐가스
• 용입
• 가압

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전기를 이용해 쇠를 녹이거나 뜨겁게 달궈서 붙이는 방법이다. 가스 불꽃 대신 전기가 열을 만든다는 점이 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 전기용접은 전기에너지를 아크 방전이나 저항열로 바꾸어 접합부를 용융 또는 반용융 상태로 만든 뒤, 필요하면 용접봉을 더하고 압력을 가해 금속을 결합하는 용접 방법이다.

열을 만드는 원리는 두 가지로 나뉜다. 첫째는 아크 방전이다. 용접봉과 모재 사이에 전압을 걸고 짧은 거리를 떼어 놓으면 공기 중에 전류가 흐르는 기체 방전이 생긴다. 이때 발생하는 높은 온도로 모재와 용접봉이 함께 녹는다. 둘째는 저항열이다. 두 금속을 맞대고 큰 전류를 흘리면 접촉부의 전기저항 때문에 열이 발생한다. 이 열은 줄(Joule) 법칙으로 계산한다.

$Q = 0.24\,I^2Rt$

여기서 Q는 발열량(cal), I는 전류(A), R은 접촉부 전기저항(Ω), t는 통전 시간(s)이다. 계수 0.24는 줄(J)을 칼로리(cal)로 환산하는 값이다. 식에서 보듯 전류의 제곱이 발열량에 가장 크게 영향을 준다. 그래서 저항용접은 짧은 시간에 큰 전류를 흘리는 방식으로 작업한다.

Q = 0.24I²Rt 는 저항용접의 발열 원리를 설명하는 기본식이다. 아크용접에서는 이 식 대신 아크의 전압과 전류, 용접 속도로 입열량을 본다.

용입은 모재가 녹아 들어간 깊이다. 전류가 크면 용입이 깊어지고, 전압이 높으면 아크 길이가 길어져 비드 폭이 넓어진다. 용접 품질은 이 두 값의 균형으로 정해진다.

차폐가스는 용융 금속을 대기의 산소와 질소로부터 보호하는 가스다. 아르곤이나 탄산가스 같은 가스가 쓰이며, 기공과 산화물 결함을 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

금속을 접합하는 방법은 리벳이나 볼트 같은 기계적 체결에서 출발했다. 기계적 체결은 부품을 분해할 수 있다는 장점이 있지만, 무게가 늘고 접합부 강도와 기밀성이 떨어진다. 이 한계 때문에 금속을 직접 녹여 붙이는 용접이 발달했다.

용접 발달의 첫 단계는 전기 아크를 이용한 방법이었다. 1885년 탄소전극과 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접했다. 1891년에는 금속전극을 쓰는 아크용접이 개발되어 지금까지 주로 쓰이고 있다. 이후 아세틸렌 가스를 쓰는 가스용접이 1892년에, 테르밋 용접이 1903년에 실용화되었다. 1920년에는 불활성 가스를 쓰는 용접법이 발명되었다.

아크용접의 발달은 제2차 세계대전 무렵에 크게 빨라졌다. 자동화된 서브머지드 아크 용접(SAW)이 선박과 교량 같은 대형 구조물 제작에 쓰이기 시작했다. 불활성 가스를 쓰는 TIG 용접과 MIG 용접은 알루미늄과 스테인리스강의 접합에 쓰였다. 1940년대에 개발된 가스금속 아크 용접(GMAW)은 소모성 전극과 차폐가스를 써서 고속이고 품질이 좋은 용접을 가능하게 했다.

저항용접은 다른 방식과 시기가 조금 다르다. 두 전극으로 금속을 누르고 전류를 흘려 접합하는 방식이다. 자동차 차체와 같이 얇은 강판을 대량으로 접합할 때 생산성이 높아 자동차 산업에서 널리 쓰인다.

전기용접이 필요한 이유는 다음과 같다. 첫째, 전기는 열의 크기와 위치를 정밀하게 조절할 수 있다. 둘째, 가스용접에 비해 열이 좁은 범위에 집중되어 열영향부가 작다. 셋째, 자동화와 로봇 용접에 적합해 대량 생산 현장에 맞는다.

4. 구성요소·원리·절차

전기용접은 전기에너지를 열에너지로 바꿔 금속을 녹이거나 가열한 뒤 압력을 가해 접합하는 방식이다. 열을 만드는 원리에 따라 아크용접, 저항용접, 유도·전자빔 용접으로 나뉜다. 가장 널리 쓰이는 것은 아크용접이고, 저항용접은 자동차 차체처럼 대량 생산되는 박판 접합에 쓰인다.

구성요소는 전원, 전극(또는 용접봉), 모재, 실드(보호) 수단, 접지 회로로 이루어진다. 아래 구성도는 아크용접 회로의 기본 구조다.

전기용접의 주요 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

저항용접의 원리는 줄열이다. 전류가 접촉 저항을 지날 때 발생하는 열로 접합부를 가열하고, 동시에 압력을 가한다. 발생 열량은 다음 식으로 표시한다.

$Q = 0.24\, I^2 R t$

여기서 Q는 열량(cal), I는 전류(A), R은 전기저항(Ω), t는 통전 시간(s)이다. 전류의 제곱에 비례하므로 전류 변화가 열량에 가장 크게 작용한다.

아크용접의 절차는 다음과 같다.

• 전원을 켜고 전극을 모재에 짧게 접촉시킨다.
• 접촉 후 전극을 살짝 떼어 아크를 점화한다.
• 아크 길이를 일정하게 유지하며 용융지를 만든다.
• 용접 속도에 맞춰 전극을 이동시켜 비드를 쌓는다.
• 용접이 끝나면 슬래그를 제거하고 냉각한다.

저항용접의 절차는 가압, 통전, 유지, 해제의 순서로 진행된다. 통전이 끝난 뒤에도 일정 시간 가압을 유지해야 응고 결함이 줄어든다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기용접 장비와 작업은 여러 법령과 기준의 적용을 받는다. 대표적인 것은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 용접 작업 안전 규정이다. 이 규칙은 용접 작업 시 화재·감전·유해가스 예방 조치를 정한다. 용접기 자체의 안전과 전기설비 구성은 전기설비 기술기준 체계를 따른다. 현재 전기설비의 기준 체계는 한국전기설비규정(KEC)이다.

용접 품질은 한국산업표준(KS)의 용접 관련 규격과 용접 절차서(WPS)로 관리한다. 전기용접기의 기준값은 다음 표에 정리한다.

위 표의 수치는 용접기 구조와 작업 조건에 따라 달라진다. 구체적 적용은 해당 법령 조문과 제조사 사양을 함께 본다.

전기용접은 열원 발생 방식에 따라 아크·저항·특수 용접으로 분류한다

6. 유형과 비교

전기용접은 전기 에너지를 열원으로 쓰는 방식이다. 열원과 접합 원리에 따라 크게 아크용접, 저항용접, 고에너지빔 용접으로 나뉜다. 산업현장에서 가장 많이 쓰는 것은 아크용접과 저항용접이다.