용접

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1. 개요

용접은 열, 압력 또는 이 둘을 사용하여 두 금속을 영구적으로 접합하는 기술이다. 금속 접합의 역사는 수천 년 전으로 거슬러 올라가며, 고대 시대부터 단조 용접, 주조 접합 등의 기술이 사용되었다. 19세기에는 전기 아크 용접, 저항 용접, 가스 용접 등 다양한 용접 방식이 개발되었고, 20세기에는 제1차 세계 대전을 계기로 기술이 급격히 발전하여 자동 용접, 차폐 가스 기술 등이 도입되었다. 현재는 융접, 압접, 납접 등 다양한 종류의 용접 기술이 사용되며, 아크 용접, 가스 용접, 레이저 용접 등이 널리 활용된다. 용접은 접합부 형태, 가열 방법, 용접 재료 등에 따라 분류되며, 용접부의 설계 강도와 품질 관리가 중요하다. 용접 작업은 화상, 유해 가스 흡입 등의 위험을 동반하므로, 안전 장비 착용과 작업 환경 관리가 필수적이다.

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용접 - 아크 용접
아크 용접은 전극과 모재 사이의 아크 열로 모재를 용융하여 접합하는 방법으로, 전극 소모 여부, 가스 차폐 유무, 용접 방식에 따라 다양한 종류로 나뉘며, 전류와 전압 조절로 품질을 제어하고, 재료 특성에 따른 용접성과 안전이 중요하며, 19세기부터 발전해 왔다.
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용접
용접
용접 작업
정의	재료를 접합하는 제조 공정
특징	재료를 녹여 접합 영구적인 결합 형성
용접의 종류	융접 압접 납땜
용접 기술	아크 용접 가스 용접 저항 용접 레이저 용접 전자빔 용접
용접의 활용	건축 제조업 자동차 산업 항공우주 산업 조선업 철도
용접 공정
접합 과정	모재 준비 용접 장비 설정 용접 실시 용접 후 처리
용접 방법	수동 용접 자동 용접
용접 기술 분야
북한의 용접	용접, 산림 부문, 대학생 연구 발표회 개최 새로운 무선 통신탑 제작에 활용
관련 단체
한국	대한용접접합학회
일본	일본용접협회
국제	국제용접학회

2. 역사

"용접"이라는 용어는 중세 영어 동사 "well"에서 유래했는데, 이는 '가열하다', '끓이다'라는 의미를 지닌다. 이 단어는 고대 스웨덴어 단어 valla^mis와 관련이 있으며, 금속을 접합하는 것을 의미할 수 있다. 중세 시대 스웨덴은 철의 대규모 수출국이었으므로, 이 단어는 스웨덴의 철 무역이나 바이킹 정착민들을 통해 영어로 유입되었을 가능성이 있다.^[4]^[5] 영어로 처음 기록된 것은 1590년이다.^[2] 고대 영어 단어는 samod^ang('합치다') 또는 samodwellung^ang('뜨겁게 합치다')였다.^[3]

1905년 러시아 과학자 블라디미르 미트케비치는 용접에 3상 전기 아크를 사용하는 것을 제안했다. 교류 용접은 1919년 C. J. 홀슬래그가 발명했지만 10년 후에야 대중화되었다.^[16]

처음에는 산소 연료 용접이 휴대성과 상대적으로 낮은 비용으로 인해 더 인기 있는 용접 방법 중 하나였다. 그러나 20세기가 진행되면서 산업용으로는 인기가 떨어졌다. 용제의 발전과 함께 아크 용접으로 대체되었다.^[18] 전극을 덮는 용제는 주로 기본 재료를 불순물로부터 보호하지만 아크를 안정화시키고 용접 금속에 합금 성분을 추가할 수도 있다.^[19]

고대에는 청동기의 접합에 용접이 사용되었다. 중국의 삼성퇴 유적에서는 다량의 청동기가 발견되었는데, 여기에는 기원전 2500년경의 청동기에 이미 '''주조접합(鑄掛け)'''이라는 방법이 사용되었다. 주조접합은 모재와 모재 사이에 녹인 용가재를 흘려 넣어 접합하는 기술이다. 주조접합은 금속 제품의 균열이나 구멍을 보수하는 기술이지만, 접합에도 자주 사용되었다. 일본의 고오카 단기대학에서는 삼성퇴 종목 가면의 복원을 위해 이 고대 기술을 재현했다. 일본에는 청동기 기술 자체와 함께 이 주조접합 방법이 전래된 것으로 보인다. 야요이 시대의 동탁에서도 주조접합의 흔적이 다량으로 발견되고 있다.

유럽에서도 기원전 3000년경부터 청동기 유물에서 단접(鍛接), 리벳, 땜납^[81] 등의 가공 흔적이 발견되기 시작한다. 기원전 15세기경 (아나톨리아 반도)에서 철이 발명된다. 철은 전연성이 풍부하기 때문에 단조에 적합한 금속이다. 단조는 금속을 성형하는 동시에 단련하여 강도를 높이는 방법이지만, 가열한 금속을 겹쳐 단련하면 금속을 접합할 수 있었다. 이것을 '''단접(鍛接)'''이라고 한다. 철의 접합에는 주조접합과 함께 단접이 자주 행해졌다.

기원전 10세기경, 철의 기술은 다른 지역으로 전해진다. 단접 기술은 철과 함께 전해졌다. 일본에서는 기원전 3세기경부터 철기가 발견된다. 철기와 함께 철의 접합 기술이 전래된 것으로 보인다. 가와치에는 옛날부터 주물장](鋳物師)] (이모노시, 이모지)의 씨족이 있어, 대대로

2. 1. 고대 ~ 중세

금속 접합의 역사는 수천 년 전으로 거슬러 올라간다. 가장 초기의 예는 청동기 시대와 철기 시대에 유럽과 중동에서 찾아볼 수 있다. 고대 그리스 역사가 헤로도토스는 기원전 5세기의 ''역사''에서 키오스의 글라우쿠스가 "단독으로 철 용접을 발명한 사람"이라고 서술하고 있다.^[6] 단조 용접은 델리의 철주 건설에 사용되었는데, 이 철주는 서기 310년경 인도 델리에 세워졌으며 무게는 5.4톤이다.^[7]

중세 시대에는 대장장이들이 가열된 금속을 반복적으로 두드려 접합이 일어나도록 하는 단조 용접 기술이 발전했다. 1540년 바노치오 비링구치오는 ''De la pirotechnia''를 출판했는데, 여기에는 단조 작업에 대한 설명이 포함되어 있다.^[8]

2. 2. 근대 (19세기)

1800년 험프리 데이비 경은 짧은 펄스의 전기 아크를 발견하고 1801년에 그 결과를 발표했다.^[9]^[10]^[11] 1802년 러시아 과학자 바실리 페트로프는 연속 전기 아크를 만들었고,^[11]^[12]^[13] 이후 1803년에 "갈바니-볼타 실험 소식"을 출판하여 1802년에 수행한 실험을 설명했다. 이 연구에서 매우 중요한 것은 안정적인 아크 방전에 대한 설명과 금속 용융을 포함한 많은 응용 분야에 대한 가능성을 제시한 것이다.^[14] 1808년 페트로프의 연구를 알지 못했던 데이비는 연속 전기 아크를 재발견했다.^[10]^[11] 1881~1882년 발명가 니콜라이 베나르도스(러시아)와 스타니스와프 올셰프스키(폴란드)^[15]는 탄소 전극을 사용하는 탄소 아크 용접이라는 최초의 전기 아크 용접 방법을 고안했다. 1800년대 후반 러시아의 니콜라이 슬라비아노프(1888년)와 미국인 C. L. 코핀(1890년)에 의해 금속 전극이 발명되면서 아크 용접은 계속 발전했다. 1900년경 A. P. 스트로멘거는 영국에서 더 안정적인 아크를 생성하는 피복 금속 전극을 출시했다.

저항 용접도 19세기 후반에 개발되었으며, 최초의 특허는 1885년 엘리후 톰슨에게 나왔고, 그는 향후 15년 동안 더 많은 발전을 이루었다. 테르밋 용접은 1893년에 발명되었고, 그 무렵 다른 공정인 산소 연료 용접이 확립되었다. 아세틸렌은 1836년 에드먼드 데이비에 의해 발견되었지만, 적합한 토치가 개발된 1900년경까지 용접에 실용적으로 사용되지 않았다.^[17]

2. 3. 현대 (20세기 ~ 현재)

제1차 세계 대전은 용접 기술 발전의 기폭제가 되었다. 영국은 아크 용접을 사용하여 선박을 건조했고, 독일은 항공기 동체 제작에 용접을 적용했다.^[20]^[21]^[22] 1928년, 폴란드에 세계 최초의 용접 도로 교량인 마우르지체 다리가 건설되었다.^[23]

1920년대에는 자동 용접(1920년)과 차폐 가스 기술이 도입되어 용접 품질이 향상되었다.^[24] 1930년대에는 알루미늄과 마그네슘과 같은 반응성 금속 용접이 가능해졌다.^[25] 1930년, 카일 테일러가 스터드 용접을 출시했다. 잠호 용접은 1930년에 발명되어 현재까지도 널리 사용되고 있다. 1932년, 콘스탄틴 크레노프가 최초의 수중 전기 아크 용접을 실시했다.^[26] 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)은 1941년에 완성되었고, 가스 금속 아크 용접(GMAW)은 1948년에 개발되어 비철 재료의 고속 용접을 가능하게 했다. 1950년대에는 피복 아크 용접(SMAW)이 개발되어 가장 인기 있는 금속 아크 용접 공정이 되었다. 1957년에는 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)과 플라스마 아크 용접이 발명되었다. 일렉트로 슬래그 용접(ESW)은 1958년에, 일렉트로 가스 용접은 1961년에 도입되었다.^[26] 1953년, N. F. 카자코프가 확산 용접 방법을 제안했다.^[27]

1958년, 전자빔 용접이 개발되어 깊고 좁은 용접이 가능해졌다. 1960년대 이후부터 용접에는 산업용 로봇이 사용되기 시작했다. 레이저 빔 용접은 1960년 레이저 발명 이후 수십 년 후에 등장하여 고속 자동 용접에 유용하게 사용되고 있다. 자기 펄스 용접(MPW)은 1967년부터 산업적으로 사용되고 있다. 마찰 교반 용접은 1991년 영국의 용접 연구소(TWI)에서 발명되어 전 세계적으로 고품질 응용 분야에 활용되고 있다.^[28]

3. 종류

용접은 에너지원과 자동화 정도에 따라 다양하게 분류된다.^[95] 에너지원에 따라 기계적, 전기적, 화학적, 광학적으로 나눌 수 있으며, 자동화 정도에 따라 수동, 반자동, 자동으로 구분할 수 있다.^[95]

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현대에는 주로 아크 용접과 스폿 용접(저항 용접)이 사용된다.^[80] 아크 용접은 흔히 '용접'이라고 하면 떠올리는 방식이며, 스폿 용접은 주로 자동차나 얇은 금속판(박판)에 사용된다.

모재 사이에 틈이 있거나 강도를 높이기 위해 Filler metal|용가재^영어를 사용하기도 한다. 아크 용접은 대개 용가재(용접봉)를 사용하지만, 스폿 용접은 용가재를 사용하지 않는 경우가 많다.

3. 1. 융접 (Fusion Welding)

융접(Fusion welding^영어)은 모재나 용가재(필러 메탈)를 녹여서 가공물을 접합하는 방식으로,^[95] 가장 보편적인 용접 방법이다. 고체 상태에서 완전히 용해되는 물질은 융접이 잘 되며, 두 금속 사이에 용해되는 중간 매개 재료를 넣어 접합하기도 한다.^[95]

용접법은 에너지원에 따라 기계적, 전기적, 화학적, 광학적으로 분류할 수 있으며, 자동화 정도에 따라 수동, 반자동, 자동으로 구분할 수 있다.^[95] 융접에는 가스 용접과 모든 형태의 아크 용접이 포함된다. 융접에서는 기본 금속과 충전 금속이 녹는 영역을 용융지 또는 용탕이라고 하며, 대부분의 경우 용융지를 이음을 따라 밀어 용접 비드를 만든다.^[30]

3. 1. 1. 아크 용접 (Arc Welding)

아크 방전을 이용하여 금속을 용접하는 방법으로, 설비비가 저렴하고 간편하다.^[96] 자외선이 방출되므로 헬멧 착용이 필수적이다.

용접 전원 공급 장치를 사용하여 전극과 모재 사이에 전기 아크를 생성하고 유지하여 용접 지점에서 금속을 용융시킨다. 직류(DC) 또는 교류(AC)를 사용할 수 있으며, 소모성 또는 비소모성 전극을 사용한다. 용접 영역은 때때로 불활성 또는 반불활성 기체인 차폐 가스로 보호되며, 필러 재료가 사용되기도 한다.^[31]

가장 일반적인 아크 용접 방법 중 하나는 가스 보호 아크 용접(SMAW)이며,^[32] 수동 금속 아크 용접(MMAW) 또는 스틱 용접이라고도 한다. 전류를 사용하여 모재와 소모성 전극봉 사이에 아크를 발생시키는데, 이 전극봉은 충전재(일반적으로 강철)로 만들어지며 용접 영역을 산화 및 오염으로부터 보호하는 플럭스로 덮여 있다. 용접 과정에서 이산화탄소(CO₂) 가스를 발생시킨다. 전극 코어 자체가 충전재 역할을 하므로 별도의 충전재가 필요하지 않다.^[32]

이 공정은 다용도이며 비교적 저렴한 장비로 수행할 수 있어 작업장 작업과 현장 작업에 적합하다.^[32]^[33] 적당한 훈련만으로도 상당한 숙련도를 얻을 수 있으며, 경험을 통해 숙련도를 높일 수 있다. 소모성 전극을 자주 교체해야 하고 용접 후 플럭스 잔여물인 슬래그를 제거해야 하기 때문에 용접 시간이 다소 느리다.^[32] 또한, 이 공정은 일반적으로 철강 재료 용접에 제한되지만, 특수 전극을 사용하면 주철, 스테인리스강, 알루미늄 및 기타 금속의 용접이 가능하다.^[33]

가스 금속 아크 용접(GMAW)은 MIG 용접이라고도 하며, 연속 와이어 피드를 전극으로 사용하고 불활성 또는 반불활성 가스 혼합물을 사용하여 용접부를 오염으로부터 보호하는 반자동 또는 자동 공정이다. 전극이 연속적이므로 GMAW의 용접 속도는 SMAW보다 빠르다.^[34]

관련 공정인 플럭스 코어 아크 용접(FCAW)은 유사한 장비를 사용하지만 분말 충전재로 둘러싸인 강철 전극으로 구성된 와이어를 사용한다. 이 코어 와이어는 표준 솔리드 와이어보다 비싸고 연기 및/또는 슬래그를 발생시킬 수 있지만, 더 높은 용접 속도와 더 큰 금속 침투를 허용한다.^[35]

가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 또는 TIG 용접은 비소모성 텅스텐 전극, 불활성 또는 반불활성 가스 혼합물 및 별도의 충전재를 사용하는 수동 용접 공정이다.^[36] 특히 얇은 재료 용접에 유용하며, 안정적인 아크와 고품질 용접이 특징이지만 상당한 작업자 기술이 필요하며 상대적으로 낮은 속도로만 수행할 수 있다.^[36]

GTAW는 거의 모든 용접 가능한 금속에 사용할 수 있지만, 가장 자주 스테인리스강과 경금속에 적용된다. 자전거, 항공기 및 선박과 같이 용접 품질이 매우 중요한 경우에 종종 사용된다.^[36] 관련 공정인 플라즈마 아크 용접은 텅스텐 전극을 사용하지만 플라즈마 가스를 사용하여 아크를 생성한다. 아크는 GTAW 아크보다 더 집중되어 있어 횡방향 제어가 더 중요해지므로 일반적으로 기계화 공정으로 제한된다. 안정적인 전류로 인해 이 방법은 GTAW 공정보다 더 넓은 범위의 재료 두께에 사용할 수 있으며 훨씬 빠르다. 마그네슘을 제외하고 GTAW와 동일한 모든 재료에 적용할 수 있으며, 스테인리스강의 자동 용접은 이 공정의 중요한 응용 분야 중 하나이다. 이 공정의 변형은 효율적인 강철 절단 공정인 플라즈마 절단이다.^[37]

잠수 아크 용접(SAW)은 플럭스의 피복층 아래에서 아크가 발생하는 고생산성 용접 방법이다. 이렇게 하면 대기 중의 오염 물질이 플럭스에 의해 차단되어 아크 품질이 향상된다. 용접부에 형성되는 슬래그는 일반적으로 스스로 떨어져 나가며, 연속 와이어 피드의 사용과 결합하여 용접 침착 속도가 높다. 플럭스가 아크를 가리고 거의 연기가 발생하지 않기 때문에 다른 아크 용접 공정에 비해 작업 조건이 크게 향상된다. 이 공정은 특히 대형 제품과 용접 압력 용기 제조에 산업에서 일반적으로 사용된다.^[38] 다른 아크 용접 공정으로는 원자 수소 용접, 전자 슬래그 용접(ESW), 전자 가스 용접 및 스튭 아크 용접이 있다.^[39] ESW는 수직 또는 거의 수직 위치에서 25mm~300mm 두께의 재료에 대한 고생산성 단일 패스 용접 공정이다.

아크 용접 공정에 필요한 전력을 공급하기 위해 다양한 전원 공급 장치를 사용할 수 있다. 가장 일반적인 용접 전원 공급 장치는 정전류 전원 공급 장치와 정전압 전원 공급 장치이다. 아크 용접에서 아크 길이는 전압과 직접적인 관계가 있으며, 열량은 전류와 관계가 있다. 정전류 전원 공급 장치는 전압이 변하더라도 비교적 일정한 전류를 유지하기 때문에, 가스 텅스텐 아크 용접 및 가스 금속 아크 용접과 같은 수동 용접 공정에 가장 많이 사용된다. 이는 수동 용접에서는 전극을 완벽하게 고정하기 어렵기 때문에 아크 길이와 전압이 변동될 수 있기 때문이다. 정전압 전원 공급 장치는 전압을 일정하게 유지하고 전류를 변화시키므로, 가스 금속 아크 용접, 플럭스 코어 아크 용접 및 잠수 아크 용접과 같은 자동 용접 공정에 가장 많이 사용된다. 이러한 공정에서는 와이어와 모재 사이의 거리 변동이 전류의 큰 변화에 의해 신속하게 수정되기 때문에 아크 길이가 일정하게 유지된다. 예를 들어, 와이어와 모재가 너무 가까워지면 전류가 급격히 증가하여 열이 증가하고 와이어 끝이 녹아 원래의 간격으로 돌아간다.^[40]

용접에 사용되는 전류의 종류는 아크 용접에서 중요한 역할을 한다. 가스 금속 아크 용접 및 가스 텅스텐 아크 용접과 같은 소모성 전극 공정은 일반적으로 직류를 사용하지만, 전극은 양극 또는 음극으로 대전될 수 있다. 용접에서 양극으로 대전된 양극은 열 농도가 더 높으므로, 전극의 극성을 변경하면 용접 특성에 영향을 미친다. 전극이 양극으로 대전되면 모재가 더 뜨거워져 용입 및 용접 속도가 증가한다. 반대로, 음극으로 대전된 전극은 더 얕은 용접을 생성한다.^[41] 가스 텅스텐 아크 용접과 같은 비소모성 전극 공정은 직류뿐만 아니라 교류도 사용할 수 있다. 그러나 직류의 경우 전극이 아크만 생성하고 필러 재료를 제공하지 않기 때문에, 양극으로 대전된 전극은 얕은 용접을 생성하고, 음극으로 대전된 전극은 더 깊은 용접을 생성한다.^[42] 교류는 이 두 가지 사이를 빠르게 이동하여 중간 용입 용접을 생성한다. AC의 단점 중 하나는 매 제로 교차 후에 아크를 재점화해야 한다는 점인데, 이는 일반적인 사인파 대신 구형파 패턴을 생성하는 특수 전원 장치의 발명으로 해결되었으며, 빠른 제로 교차가 가능해지고 문제의 영향을 최소화한다.^[43]

3. 1. 2. 가스 용접 (Gas Welding)

산소와 아세틸렌 또는 프로판 불꽃으로 접합 부분을 가열한 후 압력을 가해 용접하는 방법이다. 접합면을 적당한 압력을 가해서 가열 접합하는 방법과, 접합면을 개별로 불꽃으로 용융 온도까지 가열한 다음 맞대고 가압하는 방법이 있다.^[18]

가장 일반적인 가스 용접 공정은 산소 연료 용접(oxyfuel welding), 즉 산소 아세틸렌 용접(oxyacetylene welding)이다. 이것은 가장 오래되고 다재다능한 용접 공정 중 하나이지만, 최근 몇 년 동안 산업 분야에서 인기가 줄었다. 그러나 여전히 파이프와 튜브 용접 및 수리 작업에 널리 사용된다.^[18]

장비는 비교적 저렴하고 간단하며, 일반적으로 산소에서 아세틸렌의 연소를 이용하여 약 3100°C의 용접 불꽃 온도를 생성한다.^[18] 전기 아크보다 덜 집중된 불꽃은 용접 냉각 속도를 늦추므로, 더 큰 잔류 응력과 용접 변형을 초래할 수 있지만 고합금강 용접을 용이하게 한다. 일반적으로 산소 연료 절단(oxyfuel cutting)이라고 하는 유사한 공정은 금속을 절단하는 데 사용된다.^[18]

3. 1. 3. 기타 융접

Electroslag welding^영어은 두꺼운 판의 맞대기 용접에 사용되는 용접법이다.^[81] 대형 화학 플랜트, 탱크, 대형 선박 용접에 이용된다.^[81]

레이저를 이용해 용접부를 가열하는 레이저 용접(레이저 빔 용접)은 투입되는 열량이 적고, 매우 깊이 용입되는 것이 가능하여 정밀 용접에 적합하다. 전자빔 용접과 달리, 차폐 가스를 사용하면 대기 중에서도 용접이 가능하다. 현재 레이저 빔원으로 YAG 레이저와 CO2 레이저를 사용한다. YAG 레이저는 광섬유를 사용할 수 있어 산업용 로봇에 부착하여 사용 가능하다. CO2 레이저는 광섬유를 사용할 수 없지만, 큰 출력을 낼 수 있다. 이미 스폿 용접의 대체 기술로 도입되고 있으며, 배나 자동차에 쓰이는 두꺼운 판의 용접이 가능하도록 레이저 광원의 대출력화 개발이 이루어지고 있다. 자동차 부품, 항공 부품 등에 응용이 진행 중이다.^[81]

전자빔 용접은 전자빔을 용접부에 접촉시켜 가열하는 방식으로, 가해지는 열량이 적고 매우 깊이 용입되는 것이 가능하여 정밀 용접에 이용된다. 다른 종류의 금속을 접합하는 것도 가능하다. 하지만 진공 중에서만 용접이 가능하여 비용이 매우 비싸다. 과거에는 비용을 무시할 수 있는 특수한 제품이 아니면 사용할 수 없었다. 인공위성이나 심해 탐사선, 고에너지 가속기의 접합 등에 사용된 예가 있다. 그러나 최근에는 자동차의 자동화에 따라, 변속기 기어 용접에 사용되게 되었다. 미국의 자동차 제조사는 제동 X선이 발생하는 문제 때문에 채용하지 않고 레이저 용접을 채용하고 있다.^[81]

3. 2. 압접 (Pressure Welding)

압접은 재료를 녹이지 않고 주로 고체 상태에서 강한 압력을 통해 두 물질을 접합하는 방식이다.^[97] 고체 상태에서의 용접 방식을 고상 용접(Solid phase welding^영어)이라고도 한다. 압접은 주로 서로 용해성이 없고 연성이 높은 재료에 사용된다.

압접에는 냉간 압접, 마찰 용접, 폭발 용접, 초음파 용접, 전기 저항 용접 등이 있다.

3. 2. 1. 종류

냉간 압접(Cold pressure welding^영어)은 철사나 전자 부품, 박판 등에 사용되는 고상 용접법이다. 마찰 용접은 고체 상태에서 이루어지는 압접의 일종으로 마찰열을 이용해 압력을 가하여 접합하는 방법이다.

폭발 용접은 접합될 소재 중 얇은 쪽 위에 폭약을 폭발시켜 그로 인해 발생하는 압력을 이용해 용접하는 방법으로, 접합 강도가 높은 편에 속한다.^[97]

초음파 용접은 모재에 초음파(18kHz 이상) 횡진동을 주어 진동 에너지에 의해 접촉부의 원자가 서로 확산되어 접합하는 방법이다.

전기 저항 용접(Electric resistance welding^영어)은 고전류 전기 회로를 통해 재료를 가열하면서 외압을 가해 강한 접합부를 얻을 수 있는 용접법이다.^[98] 마찰 교반 용접(FSW)은 회전하는 원주 형태의 공구를 강한 압력으로 판금에 밀착시켜 마찰열과 교반력으로 접합하는 방식이다. 핫 제트 용접은 열풍을 쬐어 모재를 녹여 용접하는 방식으로, 플라스틱 용접에 사용된다.

3. 3. 납접

모재보다 융점이 낮은 금속(납)을 사용하여 접합하는 방법이다.^[81]

4. 접합부 형태에 따른 종류

용접의 접합 부분 형태에 따라 그루브 용접, 필릿 용접, 플러그 및 슬롯 용접으로 구분한다.^[1]

그루브 용접의 유효면적은 용접유효길이에 유효목두께를 곱한 값이다. 용접유효길이는 부재축에 직각인 접합부분의 폭으로 하며, 접합부가 경사지게 용접되더라도 수직인 길이를 사용한다. 완전용입된 그루브 용접의 유효목두께는 접합판 중 얇은 판의 두께로 한다.^[1]

필릿 용접의 유효 면적은 용접유효길이에 유효목두께를 곱한 값이다. 용접유효길이는 필릿용접의 총길이에서 필릿 사이즈의 2배를 뺀 값이다. 유효목두께는 필릿사이즈의 0.7배이다.^[1] 용접선에 평행한 전단에 대하여 필릿 용접은 용접재의 저항계수 Φ=0.75이며 공칭 강도

F_w=0.6F_{uw}

이다.^[2] 소요 유효용접길이는 P_u를 계수하중, R_n을 용접부 공칭강도라 할 때,

l_e=\frac{P_u}{\phi R_n}

이다.^[3] 강도에 의해 지배되는 필릿용접설계의 경우 최소 유효길이는 필릿 사이즈의 4배 이상이어야 한다.(

l-2s\geq 4s

)^[4]

5. 용접부의 설계 강도

용접부 설계강도 $\phi R_n$ 은 모재 강도와 용접재 강도를 비교하여 작은 값으로 정한다. 모재 강도는 $R_n=F_{BM}A_{BM}$ 이며, 여기서 F_BM은 모재의 공칭강도(N/mm²)이고, A_BM은 모재의 단면적(mm²)이다. 용접 강도는 $R_n=F_w A_w$ 이며, 여기서 F_w는 용접재의 공칭강도(N/mm²)이고, A_w은 용접 유효 면적(mm²)이다.^[100]

6. 용접 재료

용접 시 녹여서 부착시키는 재료는 일반적으로 막대 모양이므로 용접봉(Welding rod)^[86]이라고 부른다. 용접봉은 소모품이므로, 용접 방법에 따라 다양한 종류가 시판되고 있다. 일반적인 용접봉부터 조선에서 다량 사용되는 전문적인 용접봉^[87]까지 여러 종류가 있다.

용접봉 외에 와이어 형태이며, 일반적으로 코일 모양으로 감겨 있는 용접 재료도 사용된다. 이를 용접 와이어라고 부르며, 솔리드 와이어와 플럭스 코어 와이어가 있다.

7. 경화 육성 용접

경화 육성 용접(硬化肉盛鎔接)은 모재 금속에 아크 용접 또는 가스 용접 등을 이용하여 특수 용도의 합금을 용착하는 것이다. 이는 마모된 기계 부품을 재생하거나 특정 부위에만 특수 합금면을 만들 때 상대적으로 저렴한 비용으로 우수한 내마모성을 부여할 수 있게 한다. 이러한 장점 때문에 오늘날 토목·건축 분야를 비롯한 모든 분야에 널리 응용되고 있다.^[88]

8. 대한민국 용접 관련 자격증

국가기술자격의 피복아크용접기능사, 이산화탄소가스아크용접기능사, 가스텅스텐아크용접기능사, 용접산업기사, 용접기사, 용접기능장, 용접기술사 등을 취득할 수 있다.

9. 용접 품질 관리

용접 강도와 주변 재료에는 용접 방법, 에너지 입력량 및 농도, 모재의 용접성, 충전재 및 플럭스 재료, 이음매 설계 및 이러한 모든 요인 간의 상호 작용이 영향을 미친다.^[54] 용접 자세는 용접 품질에 영향을 주는 요인 중 하나이며, 용접 코드 및 사양에서는 지정된 용접 자세(1G(평면), 2G(수평), 3G(수직), 4G(오버헤드), 5G(수평 고정 파이프), 6G(경사 고정 파이프))를 사용하여 용접 절차와 용접공 모두를 시험할 것을 요구할 수 있다.

금속 가공 산업에서는 용접공, 용접 검사원, 기술자 등이 적절한 용접 기술, 용접 설계, 용접 절차 규격의 품질을 판단하고, 용접 작업자의 기술을 평가하며, 용접 작업의 품질을 보장하는 방법을 안내하기 위해 코드 및 사양을 제정한다.^[54]

육안 검사, 방사선 투과 검사, 초음파 검사, 위상 배열 초음파 검사, 침투 탐상 검사, 자분 탐상 검사, 산업용 컴퓨터 단층 촬영 등은 특정 용접 결함을 탐지하고 분석하는 데 사용될 수 있다.

건축물, 선박의 철골 등 대규모 구조물에서 용접 결함은 구조적인 취약성으로 이어질 수 있다. 실제로 선박 침몰, 교량 붕괴, 원자력발전소 배관 파손 등에서 용접 불량이 원인으로 지적된 사례가 많아 엄격한 품질 관리가 필요하다.

9. 1. 검사 기술

용접 품질을 시험하기 위해, 파괴적 또는 비파괴 시험 방법을 사용한다. 용접 결함에는 균열, 변형, 기포(다공성), 비금속 개재물, 용융 불량, 관통 불량, 박리 파열 및 언더컷이 포함된다.^[54]

용접 결함은 육안으로 확인할 수 없는 경우가 많다. 표면에 나타나지 않는 균열 등은 내부 구조를 조사해야 발견할 수 있다. 용접 검사 기술은 다음과 같다.

'''육안 검사''': 사람의 눈으로 검사한다. 표면에 나타난 결함만 발견할 수 있으며, 미세한 상처는 간과할 수 있지만, 소정의 치수를 만족하는지 여부 등을 확인한다.
'''비파괴 검사''':
초음파 검사: 초음파가 금속 내부 또는 표면에서 전파 및 반사되는 모양을 통해 결함을 탐지한다. 주로 내부 결함에 효과적이다.
방사선 검사: X선·감마선 등의 투과를 이용하여 내부 결함을 탐지한다.
자기 검사: 전자석 등으로 금속에 자기를 부여하고, 검체 외부로 누출되는 자속을 측정하여 결함을 탐지한다.
전자유도 검사: 표면에 교류 자장을 가하고, 검체에서 발생한 와전류를 측정하여 결함을 탐지한다.
침투 탐상 검사: 육안으로 확인할 수 없는 미세한 상처에 색이 든 침투재를 스며들게 하여 검사한다. 모세관 현상을 이용한 표면에만 효과적인 검사이다.
자분탐상검사: 강자성체 검체 표면에 전자석 등으로 자기를 부여하고, 검체 외부로 누출되는 자속에 자분을 고르게 살포하여 나타난 자분 무늬로 표면 부근의 결함을 탐지한다.
'''파괴 검사''':
샤르피 충격 시험: 금속에 노치를 만들고, 해머를 떨어뜨려 인성을 조사한다. 용접 부분의 인성 검사에도 사용된다.

9. 2. 용접 결함으로 인한 사고 사례

1936년 일본 제국 해군 함대가 태풍을 만나 여러 척의 함정이 파괴된 제4함대 사건에서는 전기 용접 접합부의 불량이 원인 중 하나로 지적되었다.^[90]

제2차 세계 대전 중 미국에서 대량 생산된 화물선인 리버티 선이 취성 파괴를 일으킨 사고는 1,031건(건조된 리버티 선 총 2,708척)이 보고되었다. 용접 불량과 겨울철 차가운 바닷물로 인한 취성 파괴가 원인이었다. 이 사고를 계기로 인성이 우수한 금속 개발 등이 진행되어 용접 기술의 안전성이 향상되었다.^[90]

1994년 대한민국 서울특별시의 한강에 걸린 성수대교 붕괴 사고는 현수교의 철골 트러스에 용접 불량이 있었지만, 검사가 부실하여 발견되지 않았다. 과도한 예산 삭감과 품질 관리 부실 등이 지적되었고, 서울시 도로 시설 관계자 일부는 업무상 과실치사 등으로 체포되었다. 이 사고를 계기로 한국에서는 사회기반시설 시공 기술에 대한 불안감이 높아졌고, 김영삼 대통령은 전국의 토목 구조물 일제 점검을 지시했다.^[91]

1998년 대서양 항해 중이던 화물선 플레어호가 폭풍우를 만나 선체가 두 동강 나서 침몰한 사고에서는 선체의 용접 불량과 저온이라는 환경 악화가 결합하여 취성 파괴를 일으킨 것으로 밝혀졌다.

2000년 경복전기철도 에치젠 본선 열차 충돌 사고에서는 브레이크 로드를 반복적으로 용접 보수하여 사용해 왔으나, 용접 부분에서 파단되었다. 단행 열차였고, 브레이크 구조^[92] 때문에 1량의 4축 모든 제동력을 잃어 회피할 수 없는 상황에서 마주 오던 열차와 정면 충돌했다.

10. 용접과 안전

적절한 예방 조치를 취하지 않으면 용접은 위험하고 건강에 해로울 수 있다. 그러나 새로운 기술과 적절한 보호 장비를 사용하면 용접과 관련된 부상 및 사망 위험을 크게 줄일 수 있다.^[62]

많은 일반적인 용접 절차에는 개방형 전기 아크 또는 화염이 포함되므로 화상과 화재의 위험이 상당하다. 이것이 열 작업 공정으로 분류되는 이유이다. 부상을 방지하기 위해 용접공은 극심한 열과 화염에 노출되는 것을 피하기 위해 무거운 가죽 장갑과 보호용 긴 소매 재킷 형태의 개인 보호 장비를 착용한다. 폴리에스터와 같은 합성 의류는 화상을 입을 수 있으므로 착용해서는 안 된다.^[63] 또한 용접 영역의 밝기는 자외선이 각막의 염증을 유발하고 눈의 망막을 태울 수 있는 아크 눈 또는 플래시 화상이라는 상태를 유발한다. 이러한 노출을 방지하기 위해 어두운 UV 차단 필터가 있는 보안경과 용접 헬멧을 착용한다.^[64] 2000년대 이후로 일부 헬멧에는 강한 UV 광선에 노출되면 즉시 어두워지는 안면판이 포함되어 있다. 주변 사람들을 보호하기 위해 용접 영역은 종종 반투명 용접 커튼으로 둘러싸여 있다. 폴리염화비닐 플라스틱 필름으로 만들어진 이 커튼은 용접 영역 외부의 사람들을 전기 아크의 UV 광선으로부터 보호하지만, 헬멧에 사용되는 필터 유리 대신 사용할 수 없다.^[65] 재료의 종류, 용접 종류 및 기타 요인에 따라 용접은 100dB 이상의 소음을 발생시킬 수 있다.^[66] 장기간 또는 지속적인 고데시벨 노출은 소음성 난청을 유발할 수 있다.^[67]

국소 배기 시스템(LEV)을 갖춘 용접 부스는 유해 연기, 가스, 증기 및 먼지를 실내 공기와 섞이기 전에 제거한다. 유독성 배출 외에도 부스는 주변 사람들을 자외선으로부터 보호하는 데 도움이 된다. 환기가 잘 되는 부스라도 용접공은 여전히 개인 보호 장비가 필요하다.

용접공은 종종 위험한 가스와 미세먼지에 노출된다. 플럭스 코어 아크 용접 및 가스 금속 아크 용접과 같은 공정은 다양한 유형의 산화물 입자를 포함하는 연기를 생성한다. 문제의 입자 크기는 연기의 독성에 영향을 미치며, 더 작은 입자가 더 큰 위험을 나타낸다. 이는 더 작은 입자가 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있기 때문이다. 이산화탄소, 오존 및 중금속을 포함하는 연기와 같은 연기 및 가스는 적절한 환기와 훈련이 부족한 용접공에게 위험할 수 있다.^[68] 예를 들어, 낮은 수준(0.2mg/m3 미만)에서도 망간 용접 연기에 노출되면 신경 문제 또는 폐, 간, 신장 또는 중추 신경계 손상이 발생할 수 있다.^[69] 나노 입자는 폐의 폐포 대식세포에 갇혀 폐 섬유증을 유발할 수 있다.^[70] 많은 용접 공정에서 압축 가스와 화염을 사용하는 것은 폭발 및 화재 위험을 초래한다. 일반적인 예방 조치에는 공기 중 산소량을 제한하고 가연성 물질을 작업장에서 멀리하는 것이 포함된다.^[68]

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