산소 연료 용접 및 절단

3. 장치

가스 용접 장치는 산소와 연료 가스 공급원(보통 실린더)을 기본으로 하며, 다음과 같은 구성 요소들로 이루어진다.

• 압력 조절기: 실린더의 높은 압력을 용접에 적합한 낮은 압력으로 조절한다. 고압(실린더 측)과 저압(용접기 측) 두 개의 압력계가 있으며, 안전 밸브나 역화 방지 밸브가 부착된 경우도 있다.
• 호스: 가스 종류에 따라 색상, 치수, 두께 등이 일본 산업 규격(JIS)으로 정해져 있다. 열화된 호스는 역화의 원인이 되므로 전용 이음매를 사용하거나 교체해야 한다.
• 용접기/절단기 본체: 가연성 가스와 산소의 비율을 조절하여 혼합하는 "취관"과 불꽃이 나오는 "화구"로 나뉜다. 화구는 교체를 통해 불꽃 크기를 조절할 수 있다.
• 점화용 라이터: 가스 용접 점화를 위한 전용 라이터가 사용된다. 성냥이나 일반 라이터는 사용하지 않도록 지도된다.^[23]

• 용접 토치: 금속 용접에 사용되며, 산소 분사 트리거가 없다.
• 절단 토치: 재료 절단에 사용되며, 산소 분사 트리거나 레버가 있다.
• 로즈 버드 토치: 넓은 면적을 가열하여 금속을 굽히거나 펴는 데 사용된다.
• 인젝터 토치: 벤츄리 효과를 이용하여 연료 가스를 끌어들인다.

3. 1. 압력 조절기

3. 2. 가스 호스

3. 3. 역류 방지 밸브 및 역화 방지기

3. 4. 토치

• 용접 토치: 금속 용접에 사용된다. 노즐까지 하나 또는 두 개의 파이프만 연결되어 있고, 산소 분사 트리거가 없다. 손잡이 하단에 산소 및 연료 흐름을 조절하는 밸브 손잡이가 각각 두 개 있다.
• 절단 토치: 재료 절단에 사용된다. 용접 토치와 비슷하지만 산소 분사 트리거나 레버가 있다. 절단 시 금속은 먼저 화염으로 가열되어 선홍색이 된다. 이 온도에서 산소 분사 트리거를 누르면 가열된 부분에 산소가 공급된다. 이 산소는 금속과 반응하여 더 많은 열을 생성하고 산화물을 형성하며, 이 산화물은 절단 부위에서 배출된다. 절단 과정을 지속시키는 것은 바로 이 열이다. 절단 토치는 공정 시작을 위해 금속을 가열할 뿐이며, 추가적인 열은 타는 금속이 제공한다. 산화철의 녹는점은 절단되는 금속의 약 절반이다. 금속이 타면서 즉시 액체 산화철로 변하여 절단 영역에서 흘러나온다. 그러나 일부 산화철은 가공물에 남아 단단한 "슬래그"를 형성하며, 이는 가볍게 두드리거나 연삭하여 제거할 수 있다.^[23]
• 로즈 버드 토치: 넓은 면적을 가열해야 하는 금속의 굽힘, 펴기 등에 사용된다. 불꽃이 장미 봉오리처럼 생겼다고 해서 붙여진 이름이다. 용접 토치는 녹슨 너트와 볼트와 같은 작은 영역을 가열하는 데에도 사용할 수 있다.
• 인젝터 토치: 일반적인 산소 연료 토치(등압 토치)는 단순히 두 기체를 혼합한다. 반면, 인젝터 토치는 고압 산소가 토치 헤드 내부의 작은 노즐에서 분출되어 벤츄리 효과를 이용하여 연료 가스를 함께 끌어들인다.

4. 연료

산소-연료 공정에 사용되는 연료는 다음과 같다.

• 아세틸렌: 산소 연료 용접의 주요 연료이며, 수리 작업과 일반 절단 및 용접에 사용된다.
• 프로필렌
• LPG
• 프로판: 아세틸렌보다 저렴하고 운반이 용이하다.
• 천연 가스
• 수소: 깨끗한 불꽃을 가지며 알루미늄 용접에 적합하다. 수소 취성 때문에 강철 및 기타 철강 재료의 용접에는 사용되지 않는다.
• MAPP gas|맵 가스^영어 (프로파디엔과 메틸아세틸렌의 혼합물)
• 휘발유
• 디젤
• 메탄
• 석탄 가스
• 도시 가스

4. 1. 아세틸렌

4. 2. 휘발유

4. 3. 디젤

4. 4. 수소

• 산소와 수소는 전해조에서 개별적으로 배출되어 일반적인 산소 가스 토치의 두 개의 가스 연결부에 공급된다. 이는 보석과 전자 제품을 만드는 데 사용되는 작은 토치에서 때때로 사용되는 물 토치에서 발생한다.^[1]
• 혼합된 산소와 수소는 전해조에서 빼내어 역화를 방지하도록 설계된 특수 토치로 이어진다. ^[1]

4. 5. MPS 및 MAPP 가스

4. 6. 프로필렌 및 연료 가스

4. 7. 부탄, 프로판 및 부탄/프로판 혼합물

5. 운영 비용

실험 결과에 따르면, 산소-휘발유 토치는 13mm 두께까지의 강판을 산소-아세틸렌과 동일한 속도로 절단할 수 있다. 13mm보다 두꺼운 강판의 경우 절단 속도가 산소-아세틸렌보다 더 빨랐으며, 110mm에서는 3배 더 빨랐다.^[10] 액체 연료 증기는 기체 연료보다 밀도가 약 4배 높고, 액체가 증기로 변환될 때 부피가 크게 팽창하여 고속 절단 화염이 생성되므로 절단 화염이 틈새(판 사이의 공기 공간)를 통과할 수 있다.

산소-휘발유 토치는 페인트, 먼지, 녹 등 오염된 표면의 오래된 강철도 절단 가능하다. 이 시스템은 절단 중 거의 100% 산화를 제공, 슬래그에 용융된 강철이 거의 남지 않아 절단된 재료가 서로 붙는 것을 방지한다. 휘발유 토치의 운영 비용은 일반적으로 프로판 또는 아세틸렌 사용 대비 75~90% 낮다.

휘발유는 가압 탱크(수동 펌프 또는 가스 실린더 이용) 또는 비가압 탱크에서 공급 가능하며, 연료는 가압된 산소 흐름에 의한 벤츄리 작용으로 토치로 흡입된다.^[10]

디젤은 액체 연료 절단 토치 시장의 새로운 선택지이다. 디젤 토치는 기체 연료 및 휘발유 대비 안전성, 강력함, 빠른 절단 속도, 저렴한 비용 등 여러 장점을 가진다고 알려져 있다. 디젤은 휘발유, 아세틸렌, 프로판보다 강철 절단 속도가 빠르고 비용이 저렴하다. 액체 연료 증기는 기체 연료보다 밀도가 약 5배 높아 더 강력하며, 액체가 증기로 변환될 때 부피가 크게 팽창하여 고속 절단 불꽃이 생성되므로 절단 불꽃이 판 사이 공극을 쉽게 절단할 수 있다. 디젤/산소 토치는 강철의 페인트, 먼지, 녹 등 표면 오염 물질을 절단할 수 있다. 이 시스템은 절단 중 거의 100% 산화를 제공하므로 슬래그에 용융된 강철이 거의 남지 않아 절단된 재료가 서로 붙는 것을 방지한다. 디젤 토치의 운영 비용은 일반적으로 프로판 또는 아세틸렌 사용보다 75-90% 저렴하다.

다음 표는 13mm 두께 강판 절단 시 운영 비용을 비교한 것이다. 2012년 5월 산소 및 연료 평균 비용을 기준으로 하며,^[15] 휘발유 운영비는 프로판의 25%, 아세틸렌의 10% 수준이었다. 실제 비용은 산소/연료 출처, 절단 유형, 환경 등에 따라 달라진다.

6. 산소의 역할

산소는 연료가 아니다. 산소는 산화제로, 연료와 화학적으로 결합하여 용접에 필요한 열을 발생시킨다. 이를 '산화'라고 부르지만, 이 맥락에서 더 구체적이고 흔히 사용되는 용어는 '연소'이다. 수소의 경우, 연소 생성물은 단순한 물이다. 다른 탄화수소 연료의 경우, 물과 이산화탄소가 생성된다. 연소 생성물 분자가 연료와 산소 분자보다 더 낮은 에너지 상태를 가지기 때문에 열이 방출된다. 산소-연료 절단의 경우, 절단되는 금속(일반적으로 철)의 산화는 공작물을 "태우는" 데 필요한 거의 모든 열을 발생시킨다.^[1]

산소는 일반적으로 액체 공기의 증류를 통해 다른 곳에서 생산되며, 약 21000kPa (3000lbf/in2 = 200 기압)의 압력으로 고압 용기(일반적으로 "탱크" 또는 "실린더"라고 함)에 담겨 용접 현장으로 운송된다. 또한 대량의 산소를 사용하는 곳으로 듀어 타입 용기(큰 보온병과 유사)에 액체 상태로 운송된다.^[2]

공기를 가압하여 제올라이트 체를 통과시켜 공기에서 산소를 분리하는 것도 가능하다. 제올라이트는 질소를 선택적으로 흡착하고 산소(및 아르곤)를 통과시킨다. 이렇게 하면 약 93%의 순도로 산소를 얻을 수 있다. 이 방법은 브레이징에는 적합하지만, 절단 시 깨끗하고 슬래그가 없는 절단면을 생성하려면 더 높은 순도의 산소가 필요하다.^[3]

7. 불꽃의 종류

8. 용접 작업

불꽃을 모재에 대고 작은 용융 금속 풀이 형성될 때까지 유지한다. 용접 비드가 필요한 경로를 따라 풀을 이동시킨다. 일반적으로 용접봉 또는 필러 로드에서 용융 금속 풀에 금속을 담가 넣으면서 풀에 더 많은 금속을 추가한다. 금속 풀은 금속이 가장 뜨거운 곳으로 이동하는데, 이는 용접공의 토치 조작을 통해 수행된다.

금속에 가해지는 열의 양은 용접 팁 크기, 이동 속도 및 용접 자세에 따라 달라진다. 불꽃 크기는 용접 팁 크기에 따라 결정되며, 적절한 팁 크기는 금속 두께와 조인트 설계에 따라 결정된다.

산소-아세틸렌을 사용하는 용접 가스 압력은 제조업체의 권장 사항에 따라 설정된다. 용접공은 균일한 비드 폭을 유지하기 위해 용접 이동 속도를 수정한다. 균일성은 우수한 솜씨를 나타내는 품질 속성이다. 숙련된 용접공은 용접 시작 시 비드 크기를 용접 종료 시와 동일하게 유지하도록 교육받는다. 비드가 너무 넓어지면 용접 이동 속도를 높이고, 비드가 너무 좁아지거나 용접 풀이 손실되면 용접 이동 속도를 늦춘다. 수직 또는 오버헤드 자세에서의 용접은 일반적으로 평평하거나 수평 자세에서의 용접보다 느리다.

용접공은 필러 로드를 용융 풀에 추가해야 한다. 또한 필러 금속을 풀에 추가하지 않을 때는 산화를 방지하기 위해 뜨거운 외부 불꽃 구역에 필러 금속을 유지해야 한다. 용접 불꽃이 필러 금속을 태우지 않도록 주의해야 한다. 금속이 모재에 젖지 않으면 모재에 일련의 차가운 점처럼 보이며, 냉간 용접은 강도가 거의 없다. 필러 금속이 용융 풀에 제대로 추가되면 결과 용접은 원래 모재보다 더 강해진다.^[16]

9. 절단 작업

절단 토치는 용접 토치와 유사하지만, 산소 분사 트리거 또는 레버로 구별할 수 있다. 절단 작업은 다음과 같은 과정으로 이루어진다.

# 금속을 화염으로 가열하여 선홍색으로 만든다.

# 산소 분사 트리거를 눌러 가열된 부분에 산소를 공급한다.^[5]

# 산소는 금속과 반응하여 더 많은 열을 생성하고, 산화철을 형성한다. 이 산화철은 절단 부위에서 배출된다.

# 절단 과정은 이 열에 의해 지속된다. 절단 토치는 공정 시작을 위해 금속을 가열하고, 추가적인 열은 타는 금속이 제공한다.

산화철의 녹는점은 절단되는 금속의 약 절반이다. 금속이 타면서 액체 산화철로 변하여 절단 영역에서 흘러나오지만, 일부는 가공물에 남아 단단한 "슬래그"를 형성한다. 슬래그는 가볍게 두드리거나 연삭하여 제거할 수 있다.

절단 토치는 중앙 제트 주변에 배치된 구멍이 있는 60도 또는 90도 각도의 헤드를 가진다. 바깥쪽 제트는 산소와 아세틸렌의 예열 불꽃을 위한 것이고, 중앙 제트는 절단만을 위해 산소만 운반한다. 여러 개의 예열 불꽃을 사용하면 절단 방향을 자유롭게 변경할 수 있고, 더 나은 예열 균형을 제공한다.^[5] 불꽃은 금속을 녹이는 것이 아니라, 금속을 점화 온도까지 올리기 위한 것이다. 토치의 방아쇠는 토치의 세 번째 튜브를 통해 중앙 제트에서 워크피스로 더 높은 압력으로 추가 산소를 불어넣어 금속이 타게 하고, 그 결과 용융된 산화물을 반대편으로 불어낸다. 이상적인 커프(kerf)는 워크피스 양쪽에 날카로운 모서리가 있는 좁은 틈이다.

절단은 예열 제트만 사용하여 강철의 가장자리 또는 선단을 밝은 체리색 열까지 가열한 다음, 별도의 절단 산소 밸브를 사용하여 중앙 제트에서 산소를 방출하여 시작된다.^[5] 산소는 철과 화학적으로 결합하여 철을 용융 산화철로 빠르게 산화시켜 절단을 생성한다.

산소 유량은 매우 중요하다. 너무 적으면 절단이 느리고 거칠어지며, 너무 많으면 산소를 낭비하고 넓고 오목한 절단이 생성된다.^[5] 산소 랜스 및 기타 맞춤형 토치는 절단 산소에 대한 별도의 압력 제어가 없으므로, 절단 산소 압력은 산소 조절기를 사용하여 제어해야 한다. 산소 절단 압력은 절단 팁 산소 구멍과 일치해야 한다.^[5]

용융된 금속이 워크피스에서 흘러나오기 때문에, 워크피스 반대편에는 분무가 빠져나갈 공간이 있어야 한다.

기본적인 산소 아세틸렌 장비의 경우, 얇은 강철 단면의 절단 속도는 휘발유 구동 절단 그라인더보다 거의 두 배 빠르다. 산소 아세틸렌 토치는 200mm 이상의 철 재료를 쉽게 절단할 수 있다. 산소 랜스는 200mm보다 두꺼운 단면을 절단하는 데 사용된다.

로봇 산소 연료 절단기는 고속 발산 노즐을 사용하기도 한다. 이 노즐은 압축된 산소가 나가면서 팽창하여 평행 보어 노즐보다 덜 퍼지는 고속 제트를 형성하여 더 깨끗한 절단을 가능하게 한다.

산소 프로판 토치는 LPG가 아세틸렌보다 저렴하기 때문에 스크랩 절단에 주로 사용되지만, 프로판은 아세틸렌만큼 깔끔한 절단 프로파일을 생성하지는 않는다.

산소 아세틸렌은 저탄소에서 중탄소강 및 연철만 절단할 수 있다. 고탄소강은 슬래그의 용융점이 모재의 용융점에 더 가깝기 때문에 절단하기 어렵다. 주철의 경우, 곡물 사이의 흑연과 곡물 자체의 모양이 절단 작용을 방해한다. 스테인리스강도 재료가 쉽게 타지 않기 때문에 절단할 수 없다.^[17]

10. 안전

산소-아세틸렌 용접 및 절단 작업은 간단해 보이지만, 다양한 위험 요소가 존재하므로 안전 수칙을 철저히 준수해야 한다.

• 실린더 취급:
• 아세틸렌 실린더는 시간당 사용량이 용량의 1/7을 넘지 않도록 주의해야 한다. 이를 초과하면 아세톤이 유출되어 장비를 오염시킬 수 있다.^[24]
• 아세틸렌은 1 atm (15 psi) 이상에서 불안정해져 폭발할 수 있다.^[24]
• 환기: 유해 화학 물질 노출을 막기 위해 작업 시 적절한 환기가 필요하다.^[24]
• 폭발 위험:
• 가연성 가스는 충격이나 고온에 의해 인화, 역화, 폭발될 수 있다.^[24]
• 구리, 은 등은 아세틸렌과 반응하여 폭발성 물질을 생성하므로, 해당 금속 용접 시 주의가 필요하다.^[25][26]
• 프로판, 부탄은 낮은 농도에서도 폭발 가능성이 있고, 산소 결핍을 유발할 수 있다.
• 장비 관리: 용기, 용접기 등의 안전 장치와 더불어, 취급 및 운반 방법을 숙지해야 한다. 호스, 압력 조정기 등은 미세한 먼지로도 오작동을 일으킬 수 있으므로 주의한다.

10. 1. 눈 보호

10. 2. 실린더 안전

10. 3. 화학 물질 노출

10. 4. 플래시백

11. 대한민국 관련 자격

대한민국에서 가스 용접 및 절단 작업을 수행하려면 관련 자격 요건을 갖추어야 한다. 자세한 내용은 가스 용접 작업자 및 가스 용접 작업 주임자 문서를 참고할 수 있다.

참조

_[1] 서적 Scientific American Inventions and Discoveries John Wright & Songs, Inc. 2004
_[2] 서적 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th Edition https://books.google[...] CRC Press 2004-06-29
_[3] 웹사이트 Adiabatic Flame Temperature http://www.engineeri[...] 2015-07-02
_[4] 서적 Basic Mech Engg,3E Tnc Syllb https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education 2000-05-01
_[5] 간행물 The Oxy-Acetylene Handbook Union Carbide Corp 1975
_[6] 웹사이트 Safety in gas welding, cutting and similar processes http://www.hse.gov.u[...] Health and Safety Executive
_[7] 웹사이트 Fundamentals of Professional Welding http://64.78.42.182/[...] 2008-04-23
_[8] 웹사이트 Portable Oxy-Fuel Gas Equipment https://www.alce.vt.[...] Virginia Polytechnic Institute and State University 2016-02-02
_[9] 웹사이트 Special Hazards of Acetylene https://web.archive.[...] US Mine Safety and Health Administration 2012-01-07
_[10] 웹사이트 Oxy-Gasoline Torch https://www.dndkm.or[...] 2024-05-20
_[11] 서적 Chemical Discovery and Invention in the Twentieth Century Adamant Media Corporation 1999-01
_[12] 기타 1997
_[13] 웹사이트 DH3 Lightweight Gas Cutting & Welding Torches https://www.1stopwel[...] 2021-05-12
_[14] 웹사이트 Gas Cutting Torches https://www.1stopwel[...] 2021-05-12
_[15] 간행물 DAVCO SUPACUT Oxy-Petrol/Gasoline Cutting Systems https://davco.biz/wp[...] davco.biz 2022-12-23
_[16] 서적 Modern methods of welding as applied to workshop practice, describing various methods: oxy-acetylene welding, electric seam welding ... eye protection in welding operations [etc.] D. Van Nostrand Company 1922
_[17] 기타 1916
_[18] 서적 Authentic Aluminum Gas Welding: The Method Revived TM Technologies 2008
_[19] 뉴스 Air Cylinder Rocket Discovery Channel 2006-10-18
_[20] 웹사이트 Oxygen And Acetylene Use And Safety - AR Training https://web.archive.[...] 2015-10-03
_[21] 웹사이트 Zinc Metal Fume Fever : A Case Study : Blacksmithing How-to on anvilfire iForge https://www.anvilfir[...]
_[22] 서적 FCS Welding L2 https://books.google[...] Pearson South Africa 2008
_[23] 서적 プロが教える溶接 スタジオタッククリエイティブ 2009
_[24] Youtube ガス切断器 逆火の危険性と発生時の処置 https://www.youtube.[...] 2012-12-13
_[25] 문서 아세치렌
_[26] 서적 新版 ガス溶接技能者教本 産報出版 개정第２版