가스 텅스텐 아크 용접
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1. 개요
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 텅스텐 전극과 불활성 가스를 사용하여 금속을 용접하는 방법이다. 1940년대에 개발되었으며, 현재 미국 용접 협회(AWS)에서는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)으로, 유럽에서는 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG)으로 불린다. GTAW는 정밀하고 고품질의 용접을 가능하게 하며, 다양한 금속에 적용할 수 있다. 용접 시에는 텅스텐 전극, 정전류 용접 전원, 차폐 가스, 용접 토치 등의 장비가 필요하며, 숙련된 작업자가 조작해야 한다. GTAW는 항공우주, 조선, 자동차, 원자력, 전자 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 특히 고품질 용접이 요구되는 분야에서 중요한 역할을 한다.
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플라즈마 아크 용접(PAW)은 텅스텐 불활성 가스 용접의 고급 형태로, 노즐로 아크를 수축시켜 압력, 온도, 열을 높여 정밀한 절단, 용접, 열분무 코팅에 사용되며 비전송/전송 아크 공정으로 나뉘고 전류 사용량에 따라 분류되는 기술이다. - 아크 용접 - 차폐 가스
차폐 가스는 용접 시 용융 금속과 대기 반응을 막아 용접 품질을 높이는 데 쓰이는 가스로, 불활성 가스와 반불활성 가스로 나뉘며 용접 방법과 대상, 품질에 따라 종류와 혼합 비율을 선택하여 여러 산업 분야에서 사용된다.
| 가스 텅스텐 아크 용접 | |
|---|---|
| 가스 텅스텐 아크 용접 | |
 | |
| |
| 다른 명칭 | 텅스텐 불활성 가스 용접 (TIG) 헬리아크 용접 |
| 용접 유형 | 아크 용접 |
| 열원 | 전기 아크 |
| 전극 | 텅스텐 (비소모성) |
| 차폐 가스 | 불활성 가스 (예: 아르곤, 헬륨) |
| 필러 금속 | 사용 가능 (선택 사항) |
| 금속 | 다양한 종류의 금속과 합금 |
| 장점 | 고품질 용접 다양한 재료 용접 가능 스패터 없음 정밀 제어 가능 |
| 단점 | 다른 아크 용접법에 비해 속도가 느림 높은 기술 요구 장비 비용 높음 |
| 사용 분야 | 항공 우주 화학 식품 산업 파이프라인 원자력 예술 |
| 추가 정보 | |
| 주요 변수 | 용접 전류, 전압, 차폐 가스 유량, 이동 속도 |
| 관련 장비 | GTAW 용접기 텅스텐 전극 차폐 가스 실린더 토치 필러 금속 (필요한 경우) |
| 주의 사항 | 올바른 전극 연마 적절한 차폐 가스 공급 적절한 용접 변수 설정 안전 장비 착용 |
| 특수 기술 | 펄스 용접 자동화 용접 |
| 역사 | 1940년대 미국에서 개발 |
| 용접 과정 | |
| 준비 단계 | 용접할 금속 세척, 전극 설치, 차폐 가스 설정 |
| 시작 | 전극과 금속 사이에 아크 생성 |
| 용접 진행 | 아크를 이동하며 금속을 용융 |
| 필러 금속 (선택) | 용융 풀에 필러 금속 추가 |
| 종료 | 아크 종료 및 금속 냉각 |
| 참고 문헌 | |
| 참고 자료 | 미국 용접 협회 (AWS) 더 패브리카터 |
2. 역사
1801년 험프리 데이비(Humphry Davy)[2][3]에 의한 단펄스 전기 아크 발견과 1802년 바실리 페트로프(Vasily Vladimirovich Petrov)[3][4]에 의한 연속 전기 아크 발견 이후, 아크 용접은 서서히 발전했다. 1890년 C. L. 코핀(C. L. Coffin)은 불활성 가스 분위기에서 용접하는 아이디어를 떠올렸지만, 20세기 초반에도 알루미늄과 마그네슘과 같은 비철금속의 용접은 어려웠다. 이러한 금속은 공기와 빠르게 반응하여 기공이 많고 슬래그(dross)로 가득 찬 용접부를 만들기 때문이다.[5] 플럭스 피복 전극을 사용하는 공정은 용접 영역을 오염으로부터 만족스럽게 보호하지 못했다. 이 문제를 해결하기 위해 1930년대 초부터는 병에 든 불활성 가스가 사용되었다. 몇 년 후, 마그네슘 용접을 위해 항공 산업에서 직류(direct current), 가스 차폐 용접 공정이 등장했다.[6]
1940년대 초, 노스롭은 마그네슘으로 제작된 실험용 항공기인 XP-56을 개발하고 있었는데, 블라디미르 파블레츠카(Vladimir Pavlecka), 톰 파이퍼(Tom Piper), 러셀 메러디스(Russell Meredith)는 텅스텐 전극 아크와 헬륨을 차폐 가스로 사용하는 헬리아크(Heliarc)라는 용접 공정을 개발했다(토치 설계는 1941년 메러디스가 특허를 받았다).[7] 이것은 현재 유럽에서는 특히 텅스텐 불활성 가스 용접(TIG)으로 불리지만, 미국 용접 협회(American Welding Society)의 공식 용어는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)이다. 린데 에어 프로덕츠(Linde Air Products)는 다양한 공냉식 및 수냉식 토치, 차폐 성능을 개선하는 가스 렌즈 및 기타 부속품을 개발하여 이 공정의 사용을 증가시켰다. 초기에는 전극이 빠르게 과열되었고, 텅스텐의 높은 녹는점에도 불구하고 텅스텐 입자가 용접부로 이동되었다.[6] 이 문제를 해결하기 위해 전극의 극성을 양극에서 음극으로 변경했지만, 이 변경으로 인해 많은 비철금속 용접에는 부적합하게 되었다. 마침내 교류 장치의 개발로 아크를 안정화하고 고품질의 알루미늄 및 마그네슘 용접이 가능해졌다.[6][8]
그 이후 수십 년 동안 개발은 계속되었다. 린데(Linde)는 고전류로 용접할 때 과열을 방지하는 데 도움이 되는 수냉식 토치를 개발했다.[9] 1950년대, 이 공정이 인기를 얻으면서 일부 사용자는 아르곤과 헬륨으로 구성된 더 비싼 용접 분위기 대신 이산화탄소를 사용하기 시작했지만, 이는 용접 품질을 저하시키기 때문에 알루미늄과 마그네슘 용접에는 부적합하여 현재 GTAW에서는 거의 사용되지 않는다.[10] 이산화탄소와 같이 산소 화합물을 포함하는 차폐 가스를 사용하면 텅스텐 전극이 빠르게 오염되어 TIG 공정에 부적합해진다.[11]
1953년, GTAW를 기반으로 하는 새로운 공정인 플라즈마 아크 용접이 개발되었다. 이 공정은 노즐을 사용하여 전기 아크를 집중시켜 제어력을 높이고 용접 품질을 향상시키지만, 주로 자동화 시스템에 한정되어 있는 반면, GTAW는 주로 수동식 휴대용 방법으로 남아 있다.[10] GTAW 공정 내에서의 개발도 계속되었으며, 현재 다양한 변형이 존재한다. 가장 인기 있는 것 중에는 펄스 전류, 수동 프로그래밍, 핫 와이어, 다버(dabber), 관통력 증대 GTAW 방법이 있다.[12]
TIG 용접은 자동 용접 중에서도 역사가 오래된 기술로, 1930년 미국에서 호바트와 데버에 의해 발명되었고, 10년 후에 실용화되었다. 이 시대에 마그네슘이 공업적으로 대량 생산될 수 있게 되면서 산업 제품에 널리 사용되기 시작했지만, 마그네슘은 용융 시 매우 산화되기 쉬워 당시의 일반적인 용접(가스 용접 등)으로는 양호한 용접 금속을 얻을 수 없었다. 이 문제를 해결하기 위해서는 용접 시 용융 금속을 공기와 완전히 차단할 필요가 있는데, '''불활성 기체를 용접 부위에 지속적으로 분사하는''' 방법으로 이를 실현한 용접법이 바로 TIG 용접이다. 이때 사용하는 불활성 기체를 차폐 가스라고 한다. 차폐 가스로는 주로 아르곤이 사용되었지만, 일본에서는 헬륨이 사용되기도 했다. 이는 주로 당시 아르곤의 순도가 크게 영향을 미쳤기 때문이다.
2. 1. 대한민국 TIG 용접의 역사
대한민국에서는 1960년대 이후 산업화와 함께 가스 텅스텐 아크 용접(TIG 용접) 기술이 도입되어 조선, 자동차, 항공 등 다양한 산업 분야에서 활용되기 시작했다. 특히 1970년대 중화학공업 육성 정책에 따라 TIG 용접은 고품질 용접이 필수적인 중공업 분야에서 핵심적인 역할을 수행했다. 현재 TIG 용접은 고도로 숙련된 용접공들이 얇은 스테인리스강이나 알루미늄 부품을 용접하는 데 필수적인 기술이다.3. 작동 원리
수동 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 용접공이 정교하게 조작해야 하기 때문에 비교적 어려운 용접 방법이다. 토치 용접과 유사하게, GTAW는 대부분의 경우 용접공이 한 손으로 용가재를 용접 영역에 수동으로 공급하면서 다른 손으로 용접 토치를 조작해야 하므로 보통 두 손을 필요로 한다. 텅스텐 전극과 작업물 사이의 접촉을 방지하면서 짧은 아크 길이를 유지하는 것도 중요하다.[13]
용접 아크를 발생시키기 위해, 고주파 발생기(테슬라 코일과 유사함)가 전기 스파크를 발생시킨다. 이 스파크는 차폐 가스를 통한 용접 전류의 전도 경로 역할을 하며, 전극과 작업물이 일반적으로 1.5–3 mm 정도 떨어져 있는 상태에서 아크를 시작할 수 있게 한다.[14]
아크가 발생하면, 용접공은 작은 원을 그리며 토치를 움직여 용융지를 만드는데, 용융지의 크기는 전극의 크기와 전류의 양에 따라 달라진다. 전극과 작업물 사이의 일정한 간격을 유지하면서, 작업자는 토치를 약간 뒤로 당겨 수직에서 약 10~15도 정도 뒤로 기울인다. 필요에 따라 용가재를 용융지의 앞쪽 끝에 수동으로 추가한다.[14]
용접공들은 종종 토치를 앞으로 이동시켜(용융지를 진행시키기 위해) 용가재를 추가하는 작업을 빠르게 번갈아 하는 기술을 개발한다. 전극이 진행될 때마다 용가재는 용융지에서 빼내지만, 표면의 산화와 용접의 오염을 방지하기 위해 항상 가스 차폐 내부에 유지된다. 알루미늄과 같이 낮은 녹는점의 금속으로 구성된 용가재는 작업자가 가스 차폐 내부에 머무르면서 아크로부터 어느 정도 거리를 유지해야 함을 요구한다. 아크에 너무 가까이 두면 용가재가 용융지에 닿기 전에 녹을 수 있다. 용접이 거의 완료될 무렵, 용접 크레이터가 응고되고 용접 끝 부분에 크레이터 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위해 아크 전류를 점차 줄이는 경우가 많다.[15][16]
GTAW의 물리는 열역학, 플라즈마 물리학 및 유체 역학을 포함한 여러 복잡한 과정을 포함한다. 비소모성 텅스텐 전극은 음극 또는 양극으로 작동될 수 있으며 전극과 작업물 사이에 전기 아크를 생성하는 데 사용된다. 아크를 처음 생성하기 위해 용접 영역은 불활성 가스로 채워지고, 용접 영역 주변의 대기의 전기 저항을 극복하기 위해 용접기에서 높은 인가 전압(일반적으로 1mm당 1kV)이 생성된다. 아크가 형성되면 전압이 낮아지고 작업물과 전극 사이에 전류가 흐른다. 이 전기 아크의 고온에도 불구하고 GTAW의 주요 열전달 메커니즘은 이 전류 흐름으로 인한 줄 열이다.[17]
3. 1. 주요 특징
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 정밀하고 고품질의 용접부를 얻을 수 있으며, 다양한 금속에 적용 가능하다는 주요 특징이 있다. 텅스텐 전극은 비소모성이므로 아크 길이를 일정하게 유지하기 쉽고, 전류 조절이 용이하여 정밀한 용접이 가능하다.[13][14] 불활성 가스 보호를 통해 깨끗하고 결함 없는 용접부를 얻을 수 있다.[15][16] 스테인리스강, 알루미늄, 마그네슘, 구리, 티타늄 등 다양한 금속 및 합금 용접에 적용 가능하며, 아연과 그 합금을 제외한 거의 모든 금속에 적용될 수 있다.[33] 또한, GTAW는 모든 자세에서 용접이 가능하다.[33]수동 가스 텅스텐 아크 용접은 숙련된 조작을 필요로 하는 비교적 어려운 용접 방법이다. 대부분의 경우 용접공은 한 손으로 용접 토치를 조작하고 다른 손으로 용가재를 수동으로 공급해야 한다.[13] 텅스텐 전극과 작업물 사이의 접촉을 방지하면서 짧은 아크 길이를 유지하는 것도 중요하다.
용접 아크를 발생시키기 위해 고주파 발생기(테슬라 코일과 유사)가 전기 스파크를 발생시킨다. 이 스파크는 차폐 가스를 통한 용접 전류의 전도 경로 역할을 하며, 전극과 작업물이 일반적으로 1.5–3 mm 정도 떨어져 있는 상태에서 아크를 시작할 수 있게 한다.[14]
아크가 발생하면 용접공은 작은 원을 그리며 토치를 움직여 용융지를 만든다. 이때 용융지의 크기는 전극의 크기와 전류의 양에 따라 달라진다. 작업자는 전극과 작업물 사이의 일정한 간격을 유지하면서 토치를 약 10~15도 정도 뒤로 기울인다. 필요에 따라 용가재를 용융지의 앞쪽 끝에 수동으로 추가한다.[14]
용접공들은 토치를 앞으로 이동시켜 용융지를 진행시키고, 용가재를 추가하는 작업을 빠르게 번갈아 하는 기술을 개발한다. 전극이 진행될 때마다 용가재는 용융지에서 빼내지만, 표면 산화와 용접부 오염을 방지하기 위해 항상 가스 차폐 내부에 유지한다. 알루미늄과 같이 낮은 녹는점의 금속은 용가재를 가스 차폐 내부에 유지하면서 아크로부터 어느 정도 거리를 유지해야 한다. 아크에 너무 가까이 두면 용가재가 용융지에 닿기 전에 녹을 수 있다. 용접이 거의 완료될 무렵, 용접 크레이터가 응고되고 용접 끝 부분에 크레이터 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위해 아크 전류를 점차 줄이는 경우가 많다.[15][16]
GTAW는 열역학, 플라즈마 물리학 및 유체 역학을 포함한 여러 복잡한 과정을 포함한다. 비소모성 텅스텐 전극은 음극 또는 양극으로 작동될 수 있으며 전극과 작업물 사이에 전기 아크를 생성하는 데 사용된다. 아크를 처음 생성하기 위해 용접 영역은 불활성 가스로 채워지고, 용접 영역 주변 대기의 전기 저항을 극복하기 위해 용접기에서 높은 전압이 생성된다. 아크가 형성되면 전압이 낮아지고 작업물과 전극 사이에 전류가 흐른다. 이 전기 아크의 고온에도 불구하고 GTAW의 주요 열전달 메커니즘은 이 전류 흐름으로 인한 줄 열이다.[17]
4. 장비
가스 텅스텐 아크 용접에 필요한 장비는 비 소모성 텅스텐 전극, 정전류 용접 전원 및 차폐 가스 공급원을 이용한 용접 토치를 포함한다.[23]
=== 용접 토치 ===
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 용접 토치는 텅스텐 전극을 고정하고, 전류와 차폐 가스를 용접부에 공급하는 역할을 한다. 자동 또는 수동 작업을 위해 설계되었으며, 냉각 방식에 따라 공랭식과 수랭식으로 구분된다.[23]
수동 토치에는 손잡이가 있고 자동 토치에는 일반적으로 장착 랙이 있다. 일부 수동 토치는 운전자의 기호에 따라 핸들의 중심선과 텅스텐 전극의 중심선 사이의 각도를 조절할 수 있다. 공랭식은 최대 약 200암페어의 저전류 작동에 주로 사용되며, 수랭식은 최대 약 600 암페어의 고전류 용접에 필요하다. 토치는 케이블로 전원 공급 장치에 연결되고, 호스를 통해 차폐 가스 공급원과 물 공급 장치에 연결된다.[23]
토치 내부 금속 부분은 구리 또는 황동 합금으로 만들어져 전류와 열을 효과적으로 전달한다. 텅스텐 전극은 적절한 크기의 콜레트로 토치 중심에 고정되며, 전극 주위의 포트는 일정한 차폐 가스 흐름을 제공한다. 콜레트는 고정하는 텅스텐 전극의 직경에 따라 크기가 결정된다. 토치 몸체는 내열성 단열 플라스틱으로 만들어져 용접공을 열과 전기에서 보호한다.[23]
용접 토치 노즐의 크기는 원하는 차폐 영역의 양에 따라 달라진다. 가스 노즐의 크기는 전극의 직경, 접합부 구성 및 용접기로 접합부에 접근할 수 있는지 여부에 달려있다. 노즐의 내경은 적어도 전극 직경의 3배이지만, 엄격한 규칙은 아니다. 용접기는 차폐 효과를 판단하고 필요에 따라 외부 가스 차폐로 보호되는 면적을 늘리기 위해 노즐 크기를 늘린다. 노즐은 일반적으로 알루미나 또는 세라믹 재료로 만들어지지만, 융용 실리카는 가시성이 더 뛰어나다. 차폐 가스 흐름 제어를 개선하기 위해 가스 렌즈 또는 밸브와 같은 특수 장치를 노즐에 삽입할 수 있다. 수동 GTAW 토치에는 용접 전류를 제어하는 수동 스위치를 추가할 수 있다.[23]
=== 전원 공급 장치 ===
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 정전류 전원 공급 장치를 사용하며, 아크 거리와 전압이 변해도 전류와 열속은 비교적 일정하게 유지된다.[24] 이는 수동 또는 반자동 GTAW에서 작업자가 토치를 잡고 있어야 하므로 중요하다. 정전압 전원을 사용하면 아크 거리를 일정하게 유지하기 어렵고 열 변화가 심해 용접이 어려워질 수 있다.[24]
GTAW 시스템의 극성은 용접하는 금속의 종류에 따라 달라진다. 음극으로 대전된 전극을 사용하는 직류(DCEN)는 강철, 니켈, 티타늄 등의 금속 용접에 주로 사용된다.[25] 헬륨을 차폐 가스로 사용할 때 알루미늄 또는 마그네슘의 자동 GTAW에도 사용할 수 있다.[25] 음극으로 대전된 전극은 열음극 아크 방전을 통해 전자를 방출하여 열을 발생시키고, 전자는 아크를 가로질러 차폐 가스의 열 이온화를 일으켜 모재 온도를 높인다.[25] 이온화된 차폐 가스는 전극 쪽으로 흐르며, 용접면에 산화물이 축적될 수 있다.[25] 반면, 양극으로 대전된 전극을 사용하는 직류(DCEP)는 모재에 발생하는 열이 적어 얕은 용접에 주로 사용된다.[25] DCEN과 달리 전자가 전극에서 모재로 흐르므로 전극 온도가 매우 높아져 더 큰 전극을 사용해야 하는 경우가 많다.[25] 전자가 전극 쪽으로 흐르면 이온화된 차폐 가스가 모재 쪽으로 흐르면서 산화물과 불순물을 제거하여 용접부 품질을 향상시킨다.[25]
알루미늄과 마그네슘 용접에는 주로 교류(AC)가 사용되는데,[34] 이는 전극과 모재가 양극과 음극을 번갈아 가며 전류 방향이 바뀌어 두 직류를 결합한 형태이기 때문이다.[25] 교류 전류는 아크의 세정 작용을 통해 알루미늄 표면의 산화 피막을 제거하고, 모재의 용융을 돕는다. 이러한 세정작용은 산화물에서 전자가 방출되며 음극점이 순차적으로 이동하는 현상에 의해 발생한다. 교류를 사용하면 텅스텐 전극의 과열을 방지하면서 모재의 열을 유지할 수 있다.[25] 일부 전원 공급 장치는 불균형 교류파를 사용하여 전류가 각 극성에 소비하는 시간의 비율을 조정함으로써 열량과 세척 작용을 더 잘 제어할 수 있다.[25] 또한, 직류 극성에서 역 극성으로 전환될 때 아크가 재점화되지 않는 정류 현상에 유의해야 하며, 고주파나 구형파 전원 공급 장치를 사용하여 아크 안정성을 높일 수 있다.[25]
=== 텅스텐 전극 ===
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에 사용되는 전극은 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 만들어지는데, 이는 텅스텐이 순수 금속 중에서 가장 높은 녹는점(3422℃)을 가지고 있기 때문이다.[26] 그 결과, 전극은 용접 과정에서 소모되지 않지만, 어느 정도의 부식은 발생할 수 있다. 전극은 깨끗한 마감 또는 연마 마감을 가질 수 있으며, 직경은 0.5~6.4mm, 길이는 75~610mm 범위이다.
국제 표준화 기구(ISO)와 미국 용접 협회(AWS)는 GTAW 전극에 사용하기 위한 여러 가지 텅스텐 합금을 표준화했다.[26]
| ISO 등급 | ISO 색상 | AWS 등급 | AWS 색상 | 합금[26] |
|---|---|---|---|---|
| WP | 녹색 | EWP | 녹색 | 없음 |
| WC20 | 회색 | EWCe-2 | 주황색 | ~2% CeO2 |
| WL10 | EWLa-1 | ~1% La2O3 | ||
| WL15 | 황금색 | EWLa-1.5 | 황금색 | ~1.5% La2O3 |
| WL20 | 하늘색 | EWLa-2 | ~2% La2O3 | |
| WT10 | 노란색 | EWTh-1 | 노란색 | ~1% ThO2 |
| WT20 | EWTh-2 | ~2% ThO2 | ||
| WT30 | ~3% ThO2 | |||
| WT40 | 주황색 | ~4% ThO2 | ||
| WY20 | ~2% Y2O3 | |||
| WZ3 | 갈색 | EWZr-1 | 갈색 | ~0.3% ZrO2 |
| WZ8 | 흰색 | ~0.8% ZrO2 |
- 순수 텅스텐 전극(WP 또는 EWP)은 범용이며 저렴하지만, 열 저항과 전자 방출이 좋지 않아 마그네슘과 알루미늄의 AC 용접에 제한적으로 사용된다.[27]
- 토륨 산화물 합금 전극은 우수한 아크 성능과 시동 성능을 제공하지만, 토륨은 방사능 오염의 위험이 있다.[29] 대한민국에서는 환경 문제와 용접공의 안전을 위해 토륨 텅스텐 전극 사용이 제한적이다.
- 세륨 산화물 또는 란타넘 산화물 합금은 아크 안정성과 시동성을 향상시키고, 소모를 감소시키며 방사성이 없다.[29]
- 지르코늄 산화물 함유 전극은 아크 안정성과 시동 성능을 향상시키고, 전극 수명을 연장하여 전류 용량을 증가시킨다.[29]
TIG 용접은 일반적으로 직류 역극성(전극 쪽을 음극)으로 수행되는데, 이는 아크의 성질 때문이다. 전극 쪽이 음극인 경우, 전자는 전극에서 모재로 방출되어(열음극 아크 참조) 모재 쪽이 더 많이 가열된다. 반면, 전극은 전자의 충돌이 없으므로 거의 소모되지 않는다.
=== 차폐 가스 ===
차폐 가스는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에서 전극, 아크 또는 용접 금속에 대기 중의 질소 및 산소와 같은 기체가 접촉하여 용융 결함, 기공 및 용접 금속 취성을 유발하는 것을 방지하기 위해 필요하다.[31] 또한, 가스는 텅스텐 전극에서 금속으로 열을 전달하고 안정적인 아크를 발생시키고 유지하는 데 도움이 된다.[31]
차폐 가스의 선택은 용접되는 재료의 종류, 이음부 설계 및 원하는 최종 용접 외관을 포함한 여러 요인에 따라 달라진다. 아르곤(Ar)은 아크 길이의 변화로 인한 결함을 방지하는 데 도움이 되므로 GTAW에 가장 일반적으로 사용되는 차폐 가스이다. 교류(AC)를 사용하는 경우 아르곤 차폐는 높은 용접 품질과 우수한 외관을 제공한다. 헬륨(He)은 주로 이음부의 용입을 증가시키고, 용접 속도를 높이며, 구리와 알루미늄과 같이 열전도율이 높은 금속을 용접하는 데 사용된다. 헬륨 가스로 아크를 발생시키는 어려움과 아크 길이 변화와 관련된 용접 품질 저하가 주요 단점이다.[31]
아르곤-헬륨 혼합 가스도 GTAW에서 자주 사용된다. 이는 아르곤 사용의 장점을 유지하면서 열 입력 제어를 향상시킬 수 있기 때문이다. 일반적으로 혼합물은 주로 헬륨(종종 약 75% 이상)과 아르곤의 균형으로 구성된다. 이러한 혼합물은 알루미늄의 AC 용접 속도와 품질을 높이고 아크 발생을 더 쉽게 한다. 아르곤-수소 또 다른 차폐 가스 혼합물은 경게이지 스테인리스강의 기계화 용접에 사용되지만, 수소는 기공을 유발할 수 있으므로 사용이 제한적이다.[31] 질소는 때때로 오스테나이트계 스테인리스강에서 오스테나이트를 안정화하고 구리 용접 시 용입을 증가시키는 데 아르곤에 첨가될 수 있다. 그러나 페라이트계 강에서의 기공 문제와 제한적인 이점으로 인해 인기 있는 차폐 가스 첨가제는 아니다.[32]
4. 1. 용접 토치
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 용접 토치는 텅스텐 전극을 고정하고, 전류와 차폐 가스를 용접부에 공급하는 역할을 한다. 자동 또는 수동 작업을 위해 설계되었으며, 냉각 방식에 따라 공랭식과 수랭식으로 구분된다.[23]수동 토치에는 손잡이가 있고 자동 토치에는 일반적으로 장착 랙이 있다. 일부 수동 토치는 운전자의 기호에 따라 핸들의 중심선과 텅스텐 전극의 중심선 사이의 각도를 조절할 수 있다. 공랭식은 최대 약 200암페어의 저전류 작동에 주로 사용되며, 수랭식은 최대 약 600 암페어의 고전류 용접에 필요하다. 토치는 케이블로 전원 공급 장치에 연결되고, 호스를 통해 차폐 가스 공급원과 물 공급 장치에 연결된다.[23]
토치 내부 금속 부분은 구리 또는 황동 합금으로 만들어져 전류와 열을 효과적으로 전달한다. 텅스텐 전극은 적절한 크기의 콜레트로 토치 중심에 고정되며, 전극 주위의 포트는 일정한 차폐 가스 흐름을 제공한다. 콜레트는 고정하는 텅스텐 전극의 직경에 따라 크기가 결정된다. 토치 몸체는 내열성 단열 플라스틱으로 만들어져 용접공을 열과 전기에서 보호한다.[23]
용접 토치 노즐의 크기는 원하는 차폐 영역의 양에 따라 달라진다. 가스 노즐의 크기는 전극의 직경, 접합부 구성 및 용접기로 접합부에 접근할 수 있는지 여부에 달려있다. 노즐의 내경은 적어도 전극 직경의 3배이지만, 엄격한 규칙은 아니다. 용접기는 차폐 효과를 판단하고 필요에 따라 외부 가스 차폐로 보호되는 면적을 늘리기 위해 노즐 크기를 늘린다. 노즐은 일반적으로 알루미나 또는 세라믹 재료로 만들어지지만, 융용 실리카는 가시성이 더 뛰어나다. 차폐 가스 흐름 제어를 개선하기 위해 가스 렌즈 또는 밸브와 같은 특수 장치를 노즐에 삽입할 수 있다. 수동 GTAW 토치에는 용접 전류를 제어하는 수동 스위치를 추가할 수 있다.[23]
4. 2. 전원 공급 장치
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 정전류 전원 공급 장치를 사용하며, 아크 거리와 전압이 변해도 전류와 열속은 비교적 일정하게 유지된다.[24] 이는 수동 또는 반자동 GTAW에서 작업자가 토치를 잡고 있어야 하므로 중요하다. 정전압 전원을 사용하면 아크 거리를 일정하게 유지하기 어렵고 열 변화가 심해 용접이 어려워질 수 있다.[24]GTAW 시스템의 극성은 용접하는 금속의 종류에 따라 달라진다. 음극으로 대전된 전극을 사용하는 직류(DCEN)는 강철, 니켈, 티타늄 등의 금속 용접에 주로 사용된다.[25] 헬륨을 차폐 가스로 사용할 때 알루미늄 또는 마그네슘의 자동 GTAW에도 사용할 수 있다.[25] 음극으로 대전된 전극은 열음극 아크 방전을 통해 전자를 방출하여 열을 발생시키고, 전자는 아크를 가로질러 차폐 가스의 열 이온화를 일으켜 모재 온도를 높인다.[25] 이온화된 차폐 가스는 전극 쪽으로 흐르며, 용접면에 산화물이 축적될 수 있다.[25] 반면, 양극으로 대전된 전극을 사용하는 직류(DCEP)는 모재에 발생하는 열이 적어 얕은 용접에 주로 사용된다.[25] DCEN과 달리 전자가 전극에서 모재로 흐르므로 전극 온도가 매우 높아져 더 큰 전극을 사용해야 하는 경우가 많다.[25] 전자가 전극 쪽으로 흐르면 이온화된 차폐 가스가 모재 쪽으로 흐르면서 산화물과 불순물을 제거하여 용접부 품질을 향상시킨다.[25]
알루미늄과 마그네슘 용접에는 주로 교류(AC)가 사용되는데,[34] 이는 전극과 모재가 양극과 음극을 번갈아 가며 전류 방향이 바뀌어 두 직류를 결합한 형태이기 때문이다.[25] 교류 전류는 아크의 세정 작용을 통해 알루미늄 표면의 산화 피막을 제거하고, 모재의 용융을 돕는다. 이러한 세정작용은 산화물에서 전자가 방출되며 음극점이 순차적으로 이동하는 현상에 의해 발생한다. 교류를 사용하면 텅스텐 전극의 과열을 방지하면서 모재의 열을 유지할 수 있다.[25] 일부 전원 공급 장치는 불균형 교류파를 사용하여 전류가 각 극성에 소비하는 시간의 비율을 조정함으로써 열량과 세척 작용을 더 잘 제어할 수 있다.[25] 또한, 직류 극성에서 역 극성으로 전환될 때 아크가 재점화되지 않는 정류 현상에 유의해야 하며, 고주파나 구형파 전원 공급 장치를 사용하여 아크 안정성을 높일 수 있다.[25]
4. 3. 텅스텐 전극
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에 사용되는 전극은 텅스텐 또는 텅스텐 합금으로 만들어지는데, 이는 텅스텐이 순수 금속 중에서 가장 높은 녹는점(3422℃)을 가지고 있기 때문이다.[26] 그 결과, 전극은 용접 과정에서 소모되지 않지만, 어느 정도의 부식은 발생할 수 있다. 전극은 깨끗한 마감 또는 연마 마감을 가질 수 있으며, 직경은 0.5~6.4mm, 길이는 75~610mm 범위이다.국제 표준화 기구(ISO)와 미국 용접 협회(AWS)는 GTAW 전극에 사용하기 위한 여러 가지 텅스텐 합금을 표준화했다.[26]
| ISO 등급 | ISO 색상 | AWS 등급 | AWS 색상 | 합금[26] |
|---|---|---|---|---|
| WP | 녹색 | EWP | 녹색 | 없음 |
| WC20 | 회색 | EWCe-2 | 주황색 | ~2% CeO2 |
| WL10 | EWLa-1 | ~1% La2O3 | ||
| WL15 | 황금색 | EWLa-1.5 | 황금색 | ~1.5% La2O3 |
| WL20 | 하늘색 | EWLa-2 | ~2% La2O3 | |
| WT10 | 노란색 | EWTh-1 | 노란색 | ~1% ThO2 |
| WT20 | EWTh-2 | ~2% ThO2 | ||
| WT30 | ~3% ThO2 | |||
| WT40 | 주황색 | ~4% ThO2 | ||
| WY20 | ~2% Y2O3 | |||
| WZ3 | 갈색 | EWZr-1 | 갈색 | ~0.3% ZrO2 |
| WZ8 | 흰색 | ~0.8% ZrO2 |
- 순수 텅스텐 전극(WP 또는 EWP)은 범용이며 저렴하지만, 열 저항과 전자 방출이 좋지 않아 마그네슘과 알루미늄의 AC 용접에 제한적으로 사용된다.[27]
- 토륨 산화물 합금 전극은 우수한 아크 성능과 시동 성능을 제공하지만, 토륨은 방사능 오염의 위험이 있다.[29] 대한민국에서는 환경 문제와 용접공의 안전을 위해 토륨 텅스텐 전극 사용이 제한적이다.
- 세륨 산화물 또는 란타넘 산화물 합금은 아크 안정성과 시동성을 향상시키고, 소모를 감소시키며 방사성이 없다.[29]
- 지르코늄 산화물 함유 전극은 아크 안정성과 시동 성능을 향상시키고, 전극 수명을 연장하여 전류 용량을 증가시킨다.[29]
TIG 용접은 일반적으로 직류 역극성(전극 쪽을 음극)으로 수행되는데, 이는 아크의 성질 때문이다. 전극 쪽이 음극인 경우, 전자는 전극에서 모재로 방출되어(열음극 아크 참조) 모재 쪽이 더 많이 가열된다. 반면, 전극은 전자의 충돌이 없으므로 거의 소모되지 않는다.
4. 4. 차폐 가스
차폐 가스는 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에서 전극, 아크 또는 용접 금속에 대기 중의 질소 및 산소와 같은 기체가 접촉하여 용융 결함, 기공 및 용접 금속 취성을 유발하는 것을 방지하기 위해 필요하다.[31] 또한, 가스는 텅스텐 전극에서 금속으로 열을 전달하고 안정적인 아크를 발생시키고 유지하는 데 도움이 된다.[31]차폐 가스의 선택은 용접되는 재료의 종류, 이음부 설계 및 원하는 최종 용접 외관을 포함한 여러 요인에 따라 달라진다. 아르곤(Ar)은 아크 길이의 변화로 인한 결함을 방지하는 데 도움이 되므로 GTAW에 가장 일반적으로 사용되는 차폐 가스이다. 교류(AC)를 사용하는 경우 아르곤 차폐는 높은 용접 품질과 우수한 외관을 제공한다. 헬륨(He)은 주로 이음부의 용입을 증가시키고, 용접 속도를 높이며, 구리와 알루미늄과 같이 열전도율이 높은 금속을 용접하는 데 사용된다. 헬륨 가스로 아크를 발생시키는 어려움과 아크 길이 변화와 관련된 용접 품질 저하가 주요 단점이다.[31]
아르곤-헬륨 혼합 가스도 GTAW에서 자주 사용된다. 이는 아르곤 사용의 장점을 유지하면서 열 입력 제어를 향상시킬 수 있기 때문이다. 일반적으로 혼합물은 주로 헬륨(종종 약 75% 이상)과 아르곤의 균형으로 구성된다. 이러한 혼합물은 알루미늄의 AC 용접 속도와 품질을 높이고 아크 발생을 더 쉽게 한다. 아르곤-수소 또 다른 차폐 가스 혼합물은 경게이지 스테인리스강의 기계화 용접에 사용되지만, 수소는 기공을 유발할 수 있으므로 사용이 제한적이다.[31] 질소는 때때로 오스테나이트계 스테인리스강에서 오스테나이트를 안정화하고 구리 용접 시 용입을 증가시키는 데 아르곤에 첨가될 수 있다. 그러나 페라이트계 강에서의 기공 문제와 제한적인 이점으로 인해 인기 있는 차폐 가스 첨가제는 아니다.[32]
5. 안전
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 작업자는 강한 자외선에 노출되는 것을 막기 위해 가죽 장갑과 긴 소매 셔츠를 포함한 보호복을 착용해야 한다.[18] GTAW는 연기가 없어 전기 아크 광이 더 밝으므로, 작업자는 강한 자외선에 노출된다.[18] 용접 아크는 아크 안과 질환 및 피부 손상을 유발할 수 있다.[18] 따라서 작업자는 어두운 눈 보호대가 있는 불투명 헬멧과 머리, 목 전체를 덮는 장비를 착용해야 한다.[18] 최신 헬멧은 밝은 아크 광에 노출되면 자동으로 어두워지는 액정 타입의 페이스 플레이트를 사용하기도 한다.[18] 폴리염화비닐 플라스틱 필름으로 만들어진 투명 용접 커튼은 근처 작업자와 구경꾼을 자외선으로부터 보호하는 데 사용된다.[18]
GTAW 작업 시 발생하는 아크의 밝기는 주변 공기를 분해하여 오존과 질소 산화물을 형성할 수 있다.[18] 이 물질들은 폐 조직 및 수분과 반응하여 질산과 오존 화상을 유발하며, 장기간 노출될 경우 폐기종, 폐 부종으로 이어져 조기 사망을 초래할 수 있다.[18] 따라서 노출 기간, 반복 노출, 배기 가스 품질, 실내 공기 교체 등을 지속적으로 관찰해야 한다.[18] 또한 아크의 열은 세척 및 세척제에서 유독 가스를 발생시킬 수 있으므로, 이러한 세척 작업은 용접 현장 근처에서 수행하지 않아야 하며, 적절한 환기가 필요하다.[18]
6. 응용 분야
항공우주 산업은 가스 텅스텐 아크 용접의 주요 사용 분야 중 하나이지만, 이 공정은 다른 여러 분야에서도 사용된다. 많은 산업에서, 특히 비철금속의 경우 얇은 가공물을 용접하는 데 GTAW(가스텅스텐 아크 용접)를 사용한다. 우주선 제작에 광범위하게 사용되며, 자전거 산업에서 사용되는 것과 같은 소구경 박벽 튜브 용접에도 자주 사용된다. 또한, GTAW는 다양한 크기의 배관에 루트 또는 첫 번째 패스 용접을 하는 데에도 자주 사용된다. 유지보수 및 수리 작업에서는, 특히 알루미늄 및 마그네슘으로 제작된 부품의 경우 공구 및 금형 수리에 일반적으로 사용된다.[19] 대부분의 개방 아크 용접 공정과 달리 용가재가 전기 아크를 통해 직접 이동하지 않기 때문에, 용접 기술자는 매우 다양한 용가재를 사용할 수 있다. 사실, 다른 어떤 용접 공정도 이렇게 많은 합금을 이렇게 많은 제품 구성에서 용접할 수 있게 해주지 않는다. 알루미늄 및 크롬과 같은 용가재 합금은 기화를 통해 전기 아크에서 손실될 수 있다. 그러나 GTAW 공정에서는 이러한 손실이 발생하지 않는다. 결과 용접부는 원래 모재와 동일한 화학적 무결성을 가지거나 모재와 더욱 밀접하게 일치하기 때문에, GTAW 용접부는 장기간에 걸쳐 부식 및 균열에 대한 내성이 매우 높다. 이로 인해 GTAW는 사용후핵연료 용기를 매립하기 전에 밀봉하는 것과 같은 중요한 작업에 가장 적합한 용접 절차가 된다.[20]
대한민국에서 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 다양한 산업 분야에서 활용된다. 특히 비철금속 용접에 널리 사용되며, 얇은 가공물 용접에 적합하다.[19]
GTAW는 우주선 제작에 광범위하게 사용될 뿐만 아니라, 자전거 산업에서 소구경 박벽 튜브 용접에도 자주 사용된다.[19] 또한 배관 용접, 특히 루트 또는 첫 번째 패스 용접에도 활용된다.[19] 유지보수 및 수리 작업에서는 알루미늄 및 마그네슘 부품의 공구 및 금형 수리에 일반적으로 사용된다.[19]
GTAW는 용가재가 전기 아크를 통해 직접 이동하지 않기 때문에 다양한 용가재를 사용할 수 있다는 장점이 있다.[19] 다른 용접 공정에서는 용접이 불가능한 다양한 합금을 여러 제품 구성에서 용접할 수 있다.[19] 알루미늄 및 크롬과 같은 용가재 합금은 기화를 통해 전기 아크에서 손실될 수 있지만, GTAW 공정에서는 이러한 손실이 발생하지 않는다.[19] 따라서 GTAW 용접부는 원래 모재와 동일한 화학적 무결성을 가지거나 모재와 더욱 밀접하게 일치하여 부식 및 균열에 대한 내성이 매우 높다.[20] 이러한 특성 덕분에 GTAW는 사용후핵연료 용기를 매립하기 전에 밀봉하는 작업과 같이 매우 중요한 작업에 사용된다.[20]
구체적으로, 대한민국에서는 다음과 같은 주요 산업 분야에서 가스 텅스텐 아크 용접이 활용된다.
- 조선 산업: LNG 운반선, 해양 플랜트 등 고부가가치 선박 건조에 필수적이다.
- 자동차 산업: 알루미늄 차체, 배기 시스템 등 경량화 및 고강도 부품 용접에 사용된다.
- 항공우주 산업: 항공기 엔진, 동체 등 고정밀 부품 용접에 사용된다.
- 원자력 산업: 원자로, 핵연료 용기 등 안전성이 중요한 부품 용접에 적용된다.
- 전자 산업: 반도체 장비, 정밀 기기 등 미세 부품 용접에 사용된다.
6. 1. 대한민국 주요 응용 분야
대한민국에서 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 다양한 산업 분야에서 활용된다. 특히 비철금속 용접에 널리 사용되며, 얇은 가공물 용접에 적합하다.[19]GTAW는 우주선 제작에 광범위하게 사용될 뿐만 아니라, 자전거 산업에서 소구경 박벽 튜브 용접에도 자주 사용된다.[19] 또한 배관 용접, 특히 루트 또는 첫 번째 패스 용접에도 활용된다.[19] 유지보수 및 수리 작업에서는 알루미늄 및 마그네슘 부품의 공구 및 금형 수리에 일반적으로 사용된다.[19]
GTAW는 용가재가 전기 아크를 통해 직접 이동하지 않기 때문에 다양한 용가재를 사용할 수 있다는 장점이 있다.[19] 다른 용접 공정에서는 용접이 불가능한 다양한 합금을 여러 제품 구성에서 용접할 수 있다.[19] 알루미늄 및 크롬과 같은 용가재 합금은 기화를 통해 전기 아크에서 손실될 수 있지만, GTAW 공정에서는 이러한 손실이 발생하지 않는다.[19] 따라서 GTAW 용접부는 원래 모재와 동일한 화학적 무결성을 가지거나 모재와 더욱 밀접하게 일치하여 부식 및 균열에 대한 내성이 매우 높다.[20] 이러한 특성 덕분에 GTAW는 사용후핵연료 용기를 매립하기 전에 밀봉하는 작업과 같이 매우 중요한 작업에 사용된다.[20]
구체적으로, 대한민국에서는 다음과 같은 주요 산업 분야에서 가스 텅스텐 아크 용접이 활용된다.
- 조선 산업: LNG 운반선, 해양 플랜트 등 고부가가치 선박 건조에 필수적이다.
- 자동차 산업: 알루미늄 차체, 배기 시스템 등 경량화 및 고강도 부품 용접에 사용된다.
- 항공우주 산업: 항공기 엔진, 동체 등 고정밀 부품 용접에 사용된다.
- 원자력 산업: 원자로, 핵연료 용기 등 안전성이 중요한 부품 용접에 적용된다.
- 전자 산업: 반도체 장비, 정밀 기기 등 미세 부품 용접에 사용된다.
7. 공정 변수
7. 1. 펄스 전류 (Pulsed-current)
펄스 전류 모드에서는 용접 전류가 두 가지 레벨 사이를 빠르게 반복한다. 높은 전류 상태는 펄스 전류(pulse current)로, 낮은 전류 레벨은 배경 전류(background current)로 알려져 있다. 펄스 전류 기간 동안 용접 영역이 가열되고 용융이 발생하며, 배경 전류로 떨어지면 용접 영역이 식고 응고된다. 펄스 전류 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 열 입력이 낮고 그 결과 얇은 공작물의 변형과 휨이 감소되는 등 여러 가지 장점이 있다. 또한 용융지(weld pool)를 더 잘 제어할 수 있으며 용접 깊이, 용접 속도 및 품질을 향상시킬 수 있다. 유사한 방법인 수동 프로그래밍 GTAW는 작업자가 특정 속도와 크기의 전류 변화를 프로그래밍할 수 있도록 하여 특수한 용도에 유용하다.[38]7. 2. 다버 (Dabber)
다버(dabber)는 팁 티그(TIP TIG) 방식에서 얇은 가장자리에 용접 금속을 정확하게 위치시키는 데 사용된다.[39] 자동화된 공정은 차갑거나 뜨거운 충전 와이어를 용접 영역으로 공급하고 용접 아크에 두드리거나(또는 진동시키거나) 접촉시켜 수동 용접 동작을 복제한다.[39] 펄스 전류와 함께 사용할 수 있으며 티타늄, 니켈 및 공구강을 포함한 다양한 합금을 용접하는 데 사용된다.[39] 일반적인 용도로는 제트 엔진의 씰 재생 및 톱날, 밀링 커터, 드릴 비트, 잔디깎이 칼날 등의 용접이 있다.[39]8. 품질
가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 숙련된 작업자가 수행할 경우 다른 용접 공정보다 용접 영역에 대한 제어력이 뛰어나 고품질의 용접을 생성할 수 있다.[21] 최대 용접 품질은 청결성을 유지함으로써 보장된다. 사용되는 모든 장비와 재료는 기름, 습기, 먼지 및 기타 불순물이 없어야 한다. 이러한 불순물은 용접 기공을 유발하고 결과적으로 용접 강도와 품질을 저하시키기 때문이다. 기름과 그리스를 제거하려면 알코올이나 유사한 상업용 용제를 사용할 수 있으며, 스테인리스 스틸 와이어 브러시나 화학적 공정을 사용하여 알루미늄과 같은 금속 표면에서 산화물을 제거할 수 있다. 강철의 녹은 먼저 그릿 블라스팅으로 표면을 처리한 다음 와이어 브러시로 박힌 그릿을 제거하여 제거할 수 있다. 이러한 단계는 음극 직류가 사용될 때 특히 중요하다. 이러한 전원 공급 장치는 양극 직류 또는 교류와 달리 용접 과정에서 청소 기능을 제공하지 않기 때문이다.[21] 용접 중에 용접 풀을 깨끗하게 유지하려면 차폐 가스 흐름이 충분하고 일관되어야 하며, 바람이 많이 부는 환경이나 통풍이 잘 되는 환경에서 GTAW를 사용하면 용접부를 보호하는 데 필요한 차폐 가스의 양이 증가하여 비용이 증가하고 야외에서의 공정이 인기가 없어진다.[22]
열 입력량도 용접 품질에 영향을 미친다. 낮은 용접 전류 또는 높은 용접 속도로 인한 낮은 열 입력은 용입을 제한하고 용접 비드가 용접 대상 표면에서 떨어져 나가게 할 수 있다. 그러나 열 입력이 너무 많으면 용접 비드의 폭이 커지는 반면 과도한 용입과 스패터(작고 원치 않는 용융 금속 방울의 방출) 가능성이 증가한다. 또한, 용접 토치가 가공물에서 너무 멀리 떨어져 있으면 차폐 가스가 효과적이지 않아 용접부 내부에 기공이 발생한다. 이로 인해 핀홀이 있는 용접이 생성되는데, 이는 일반적인 용접보다 약하다.[22] 사용되는 전류량이 전극의 용량을 초과하면 용접부에 텅스텐 개재물이 발생할 수 있다. 텅스텐 스피팅으로 알려진 이 현상은 방사선 사진으로 식별할 수 있으며 전극 유형을 변경하거나 전극 직경을 늘림으로써 방지할 수 있다. 또한, 전극이 가스 차폐막으로 잘 보호되지 않거나 작업자가 실수로 용융 금속에 접촉하게 되면 오염될 수 있다. 이로 인해 용접 아크가 불안정해지는 경우가 많으므로 불순물을 제거하기 위해 다이아몬드 연마재로 전극을 연마해야 한다.[22]
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