용접의 분류 및 위험성

용접(鎔接, Welding)은 두 개의 똑같거나 서로 다른 금속 재료 사이에 고열을 가해서 붙이는 기술이다. 금속은 금속끼리 접할 때 전자를 교환하며 붙는 금속결합을 하게 되는데, (주로 고열을 이용해 녹여서) 서로 다른 재료의 결합 표면을 일치시키고 불순물을 제거, 혹은 섞여 들어가게 하여 붙이게 된다.

 

 

 

용접의 분류 및 위험성

용접의 분류

보통 용접이라 하면 대개 고온에서 금속을 녹이면서 접합하는 것으로, 용접의 분류에는 융접, 압접, 납땜이 있다.

- 융접은 모재(대상이 되는 금속)를 융해시켜서 붙이는 것으로 퓨전 웰딩(Fusion welding)이라고 부른다.

- 압접은 모재를 소성변형시켜 붙이는 것으로 프레셔 웰딩(Pressure welding) 혹은 스폿 웰딩(Spot welding)이라고 한다.

- 납땜*은 나머지 둘과는 달리 모재를 녹이지 않고 용가재만 녹여서 붙인다. 경납땜(Brazing)과 연납땜(Soldering)이 있는데 450도 온도 이상에서 이루어 지는 것을 경납땜이라며 하고, 450도 온도 이하에서 이루어지는 것을 연납땜이라 한다. 경납땜은 높은 온도에서 금속 성질을 활용하여 필러금속을 침투시키는 것이고, 연납땜은 다소 강도가 약한, 흔히 사람들에 알려진 기판 납땜이다. 

*여기서 납은 금속 이름의 납이 아니다! 연납땜의 땜납에 납이 들어가있는 경우가 많기는 하지만, 납의 비중이 가장 높은 것도 아니다.

융접을 더 분류하자면, 피복제*로 무엇을 쓰냐에 따라 크게 전기 용접과 특수 용접으로 나누며, 전기용접은 방전 시 발생하는 아크열을 이용하는 아크 용접과 저항을 이용하는 전기 저항 용접으로 나눈다.

* 피복제란 용접 시 공기에 노출되어 일어나는 화학 변화를 줄이고 용접이 더욱 잘되게 하기 위해 사용되는 재료이다. 전기용접은 용접봉에 피복제가 포함되어 있으며 가스용접은 피복제 역할을 하는 물질을 가스로 대체한다. TIG 용접은 아르곤 가스를, MIG 용접은 CO2를 분사하여 피복제로 사용한다. 이러한 피복제의 차이 외에 전기용접과 가스용접의 원리는 거의 같다.

 

 

1. 가스용접

용접  원리는 불타는 가스의 고열로 녹이는 단순한 것으로, 정중앙에 불이 붙는 가스를 쏘고 외경에는 산소를 쏘는 것으로 압축 산소를 이용하기에 "산소용접"으로 통용된다.

불을 붙이는 가연셩 가스로는 아세틸렌, 수소, 프로판 가스 등이 사용된다.

가스용접은 가스절단의 용도로 더 많이 사용되는데, 가스 용접은 전술했듯 고열로 금속을 녹이는 것이고, 가스 절단은 절단할 것을 산화시켜서 자르는 것이기 때문이다. 그래서 산화 반응이 쉽게 일어나지 않는 금속 재료는 가스 절단이 거의 불가능하다. 

 

 

2. 아크용접

아크(arc discharge, 방전시 발생하는 스파크, 열)를 이용한다. 일반적으로 전극봉이 소모성인가 비소모성인가에 따라 나눈다. 전극봉 종류로 나누면, 전극봉 자체가 녹아 용가재(Filler) 역할을 하는 소모성 전극봉과 전극봉은 아크 발생만 담당하고 별도로 용가재를 첨가하는 비소모성 전극봉으로 나뉜다.

 

● SMAW(Shielded Metal Arc Welding, 피복 아크 용접)

일반적으로 전기 공급방식에 따라 나눈다. 전기 공급방식에는 교류식과 직류식이 있으며, 파워나 가격, 효율은 교류식이 훨씬 좋지만 아크가 굉장히 불안정하고, 직류식이 교류식보다 전압 공급이 일정해 용접 특성이 더 뛰어나지만 값이 비싸고 효율이 별로다. 일반적으로는 저렴한 교류식이 널리 쓰이고 있으나, 목적에 따라 직류식 사용이 불가피한 경우도 많다.

일반적으로 작업을 위해 공급되는 전기는 30~300A의 전류, 15~45V의 전압 범위이다.

 

● MIG(Metal Inert Gas welding, 가스 금속 아크 용접)

GMAW(Gas Metal Arc Welding) 용접이라고도 불리며, 용접봉에 코팅된 피복이 녹아 불활성 가스를 생성하는 SMAW와 달리 아르곤(Ar)이나 헬륨(He), 이산화 탄소(CO2), 혹은 혼합가스 등의 불활성 기체 가스를 용접이 진행되는 부위에 직접 분사하여 용접 부분의 화학 변화를 방지하는 불활성 분위기를 생성하고, SMAW와 달리 피복제에 의한 슬래그(용접 똥, 용접 후 용제가 굳어 발생하는 찌꺼기) 발생이 없으며, 피복재에 의한 전극 형태의 제한이 없기 때문에 직선형 전극봉만을 쓸 수 있는 SMAW와 달리 전극봉을 연속해서 공급할 수 있는 것이 특징이다.

- MAG (CO2 용접) : MIG 용접의 한 갈래로 불활성 가스 대신 저렴한 CO2 가스나 탄소 가스를 실드 가스로 이용한다.

 

CO2 용접에 대한 안전작업 내용은 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1302

CO2 용접 안전작업

 

 

 

● FCAW(Flux Cored Arc Welding, 플럭스 코어드 아크 용접, 유심용제 아크 용접)

SMAW와 MIG가 혼합된 방식이며, 튜브형의 용접봉 안으로 Si나 Mn등의 탈산제(Flux)가 공급되고, 노즐을 통해 공급되는 CO2 가스와 탈산제가 결합해 슬래그가 되어 표면으로 떠 오른다. 용접 속도가 빠르고 치밀한 결과물을 얻을 수 있다. 하지만 재질이 철이어야만 가능하다는 단점이 존재한다. 

- EGW(Electro Gas Welding, 전기 가스 용접) : FCAW의 특수한 형태로, 매우 두꺼운 소재를 용접 시 사용되며, 특이점은 용접면의 수직 방향으로 용가재를 채우듯이 진행되는 것이 특징이다.

 

● TIG(Tungsten Inert Gas)

아크 용접의 하위 분류로, GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 또는 WIG(Wolfram(유럽권에서 Tungsten의 명칭) Inert Gas welding) 라고 하기도 한다. 위에 언급된 다른 방식들과 달리 전극봉이 용융점이 매우 높은 텅스텐(W)으로 되어있어 아크만 발생시키고, 그 아크에 따로 선재를 공급해 용접하는 방식으로 비소모성 전극봉 방식에 해당한다. 용접 영역은 불활성 가스로 보호하고, 일반적으로 충전재 금속이 사용된다. 정전류 용접 전원은 플라즈마로 알려진 이온화 가스와 금속 증기의 컬럼을 통해 아크에 걸쳐 이루어지는 전기 에너지를 생성한다.

- GTAW는 가장 일반적으로 스테인리스 스틸 및 알루미늄, 마그네슘, 구리 합금 등의 비철 금속의 얇은 부분을 용접하는 데 사용된다. 

* TIG는 RT시험 때문에 경력이 많이 필요하지만, 스페터(불똥)가 튀지 않아 화재 위험이 적은 용접방식이다.

 

 

 

● SAW(Submerged Arc Welding,서브머지드 아크용접, 또는 잠호용접)

용접이 진행되는 방법 자체는 SMAW와 비슷하며, 피복으로 된 용제(Flux) 대신 입자화 된 용제를 공급하여 용접하는 부위를 아예 덮어버리는 방식이다. 용접부가 용제 더미에 의해 밀폐 된 채로 작업이 진행되기 때문에 스파크나 비산 등등 용접시 발생하는 위험 요인이 내부에서 빠져나오지 않아 보안경이나 보호장갑 외에 별다른 보호 장비가 필요 없는 용접 방식이다. 그 밖에 와이어의 직경이 크기 때문에 용접 속도가 빠르고 효율이 좋다는 장점이 있다. 용제를 쌓는 특성 때문에 아래보기 용접(1G, 가장 수월한 자세)*밖에 못한다는 단점이 있다.

* 용접의 자세는 1G(Groove 홈을 채우는 용접으로 맞대기용접이라고 한다)~6GR 자세가 있다.

 

● PAW(Plasma Arc Welding, 플라즈마 아크 용접)

플라즈마 아크 용접(PAW)은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 유사한 아크 용접 공정이다. 다만 열원이 섭씨 15,000도를 상회하며 이는 GTAW 열원의 약 3배를 상회한다. 압도적인 열원과 특유의 날카로운 아크 형상으로 키홀 기법으로 용접이 가능하여 완전용입을 달성할 수 있으며, 이로 인해 용접속도를 매우 빠르게 할 수 있어(분당 400~600mm) 열 변형이 적고 갖가지 비철금속들을 용접하기가 용이하여 타 용접법으로 다루기 힘들었던 고부가가치 강재들인 슈퍼 듀플랙스, 티타늄 강종의 작업이 가능하다. 열원이 높은 만큼 수동으로 하기는 굉장히 어렵고 최근 PAW를 이용한 자동화 용접이 가능해지고, 또 orbital 설비를 이용한 용접이 가능해지면서 슈퍼 듀플랙스를 이용한 해양플랜트 설비 부품, 고압용기, 심리스 파이프 등의 생산이 아주 용이해질 것으로 예상된다.

 

 

3. 전기저항용접

모재가 가진 저항을 용접에 이용하는 방식으로, 접합할 재료를 맞붙이고, 용접할 부분에 전기를 흘려 저항에 의해 발생하는 열로 용융/접합하는 방법이다. 다른 용접 방법과 달리 기술 숙련이 거의 필요 없기에 대량생산에 적합하다.

● 점 용접(스팟 용접) : 한 점을 집어서 용접

● 심 용접 : 롤러를 이용해 압착, 전류를 흘려 선으로 용접

● RPW(Resistance Projection Welding, 맞대기 용접) : 접합할 면을 밀착 시킨 뒤, 전기를 흘려서 용접

 

 

4. 기타 방식

마찰 용접(Resistance Projection Welding), 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding), 초음파용접(Ultrasonic Welding), 테르밋 용접*, 레이저 용접, 수중 습식 용접(Underwater Wet Welding) 등이 있다.

* 테르밋 반응이란 금속 산화물이 알루미늄에 의해 탈산되며 높은 반응열을 발생하는 반응을 말하는데, 이때 발생하는 열로 철재를 용접하는 것이 테르밋 용접이다. 

 

 

용접의 위험성

● 기본 1천 도를 넘어가는 열을 다루는 작업으로, 용접봉 잘못 만지거나 떨어뜨려 피부에 닿아 화상 및 용접 시 발생하는 불똥에 의한 화재 위험이 있다.

* 다행히 TIG 용접(Ar 용접)의 경우에는 불똥이 거의 튀지 않아 안전하고, 이를 요구하는 현장이 점차 늘어나는 추세이다.

● 부재가 제대로 고정이 되지 않은 상태에서 작업하다가 부재가 넘어지면서 충돌하거나 협착되는 사고가 가장 많다. 

● Ar과 같은 불활성 기체나 CO2 등의 보호 가스를 이용한 용접을 하다 누설된 가스에 질식하는 사고도 종종 일어난다. 

● 전기를 많이 다루기 때문에 감전도 무시못할 위험 요소이며, 특히 아크용접이 제일 위험하다. 아크용접기에 자동전격방지기가 달려 있어 감전 자체로 사망하는 경우는 흔치 않은 편이나, 높은 곳에서 작업하다가 감전되어 움찔하는 사이 중심을 잃고 추락하는 사고사례가 종종 있다.

● 아크 용접의 경우, 많은 전기를 사용하기 때문에 주위에 전자기파가 상당히 퍼진다. 사람한테는 별로 피해가 가진 않지만 전자기기에 치명적이다.

● 용접 시 발생하는 섬광이 굉장히 밝기 때문에 안구 건강에 매우 나쁘다. 보안경이 없거나 쓰기 귀찮다고 그냥 용접을 했다가는 넘쳐나는 자외선 때문에 광각막염에 걸려 며칠 동안 눈물을 질질 흘리면서 눈을 못 뜰 수 있다.

● 각종 발암물질이 축적될 수도 있다. 산업안전보건법에 따르면 용접시 무조건 방진마스크를 착용해야 한다. 방독마스크가 아닌 방진마스크를 착용하는 이유는 방독마스크는 시안화수소, 염소증기, 암모니아, 포스겐 등 화학물질을 막는 용도여서 비싸도 하루에도 몇번씩 필터를 교환해주어야 한다. 성능 좋은 방진마스크도 하루면 금속으로 꽉 막혀있을 정도로 흄(Fume)이 많이 발생한다. 따라서 방진방독겸용 마스크(방진마스크는 먼지와 용접흄만을 막을 수 있으나, 방진방독은 현장의 페인트나 유기용제 같은 유독물질도 걸러냄)를 사용하는 것을 추천한다. 

● 용접의 아크는 초고온이기 때문에 복사선 중 자외선의 비율이 높고, 이온화된 공기 분자도 자외선을 방출한다. 이 때문에 노출된 피부가 검게 그을린다.

 

 

용접 흄(Fume)

금속 물질을 고온을 이용하여 녹이는 과정에서 용접 흄 (Fume, 연기)이 발생하게 된다. 고온으로 금속을 녹이는 과정에서 증기가 발생하게 되며, 이 증기가 공기 중에서 냉각되면서 미세한 입자가 생긴다. 그것이 용접 흄(Fume)이다. 용접 흄에는 다양한 유해 물질이 함유되어 있으며, 이것을 많이 접하면 폐암이나 진폐증 등의 발병 확률이 높아진다. 따라서, 용접 할 때에는 방진마스크를 필히 착용해야 하고, 환기 대책을 세워야 한다. 경우에 따라 송기식 마스크도 필요하다.

 

Reference : https://namu.wiki/w/%EC%9A%A9%EC%A0%91