CWI 대비 해서  공부를 하고 있는데,  그동안 많은 용접의 종류에 대해서 알아보고 있다. 벌써 용접의 종류를 4번째 설명하고자 한다.  본인도 공부하면서 이렇게 많은 용접의 종류가 많은줄 몰랐다. 또한 이러한 용접의 종류를 기반으로 하여 새로운 용접법도 새로이 개발될것이라 생각한다. 레이저를 응용한다거나, 마찰열을 이용한 다양한 용접법등, 이러한 용접법은 나중에 다루기로 하자.

*CWI대비 용접의 종류 4*

산소 아세틸렌 용접(Oxyacetylene Welding )

그림.산소 아세틸렌의용접 장면

* 산소용접 작업*

산소 용접을 할 경우 아세틸렌 가스는 실질적인 용접을 하기위해 충분한 온도로 가열하는데만
사용한다. 과게 알고용접이 대중화 되지 않았을 당시엔 가장 보편화된 용접 법이었으나, 대체 용접 기술의 발달로 인하여, 오늘날의 산소용접은 귀금속공예 땜작업에 일반적으로 사용된다.

용접을 위한 열은 불꽃에 의하며 이 용접법은 화학적인 용접법으로 분류됨.
열은 화학반응으로 제공되며 용접을 위한 차폐는 이 불꽃(flame)이며 no flux또는 외적인 차폐가
필요하다. 산소 cylinder는 hollow(내부가 비어있으며)이며, 고압 용기로 대략 2200psi 압력을
유지할 수 있으며, 아세틸렌 실린더는 시멘트와 유사한 다공성 물질로 채워져 있으며, 액체
아세톤이 비 융해된 상태로 존재한다. 가스상태 아세톤은 매우 불안정하여 15psi를 초과할 경우
산소없이 폭발한다. 또한 액체 아세톤의 흘림을 방지하기 위해 실린더를 세워 놓아야 한다.
일반적으로 탄소강 용접은 중성 불꽃을 사용하며, 산소의 양이 많을 경우 산화불꽃, 아세틸렌이
많으면 탄화불꽃이다.

 Filler material(용가제)

OSW 에서 강 용접에 사용하는 filler material은 RG – 45, RG – 60 두 종류가 있는데 R은 rod의
서두를 의미하고, G는 gas, 45와 60은 용적의 최소 인장강도를 의미함.

2. 장 점
(1) 장비가 상대적으로 저가이며, 이동성이 편리
(2) 장비 크기가 작고, 전기가 불필요함

3. 단 점
(1) 장비 이동시 실린더의 1차 밸브가 파손 여부를 주의깊게 확인해야함.
(2) 화염 부적절한 조작이나 화염 조정으로 열 집중성이 저하함.
(3) 용접속도가 느리고, filler metal을 수동적으로 공급 해야하며, 용접 숙련도가 요구됨. 장비는
가스 흐름을 일정하게 유지할 수 있도로 해야함

스터드 용접(Stud Welding — SW)

*스터드용접의 원리*

이미지출처:https://lh3.googleusercontent.com/proxy/Ly3d9tNorCWvDCsoFUwbSo88-kUXaWoF_KRjl7kF2IApJDK4ZIAl7S4H_GuSJD1u_Y_nFy8DGlXDYhVBbyKG2-Hpv7CCr6zpxRE

1. 특징
금속 표면에 stud 또는 부착물을 용접하는 방법으로 모재와 스터드 사이에 아크를 발생하여 열에
의한 용접법이다. SW는 스터드와 모재사이의 아크를 발생하여 용접하기 때문에 아크 용접으로
고려된다. 이 용접법은 제어판을 통하여 전원 공급장치가 부착된 기계적인 건(gun)에 의해 관리
된다. 그래서, 용접은 매우 쉽고 반복적으로 작업을 할 수 있다.
이 작업은 stud를 고정하고 방아쇠(trigger)를 당긴뒤 제어판에서 일정시간과 연속으로 4 cycle
동안 용접된다.
스터드 용접을 적절하게 작업되었을때는, 스터드 모재 전 주위에 단면적 뿐만 아니라 보강
필렛부 또는 flush(평평)하게 완전한 융용을 나타내어야 한다.
스터드 장비는 직류이며, 제어판, 건으로 구성되며, 자동 스터드 공급장치외에 알루미늄 스터드
용접에 사용하는 가스 보호장치등이 있다.
단순성과 편리함으로 여러 종류의 금속들이 많은 산업에 사용되고 있음을 볼 수 있다.

2. 장 점
(1) 제어판 setting시 숙련도 불필요
(2) 표면에 다양한 부착 용접을 위해 상당히 경제적이고 유효한 방법으로 hole drilling이나
tapping 또는 다른 용접법을 사용하여 지루한 수동 용접을 감소함
(3) 검사가 쉬우며, 육안 검사시 stud 용접 전 주위(360˚) 매끄럽게 용접되었는지 확인하고 품질
검사는 hammer로 때리거나, 밀어서 합,부 판정해야함.

3. 기타사항
결함은 2가지로 360˚ Flash와 계면 용입부족이며, 모재면에 수분과 많은 먼지, mill scale이
존재 할 경우 용접 품질에 영향을 준다.

Laser Beam Welding (LBW)

레이저 용접의 원리도

이미지출처:https://t1.daumcdn.net/cfile/blog/1960431749EE98EA7F

레이져(laser)는 저에너지 레벨의 전자 또는 분자 변이를 자극함으로써 집중된 응집 광선빔을
생성하는 장치이다. Laser는 광선의 자극화된 방출에 의하여 빛 증폭에 대한 접두어이다.
응집은 모든 빛 파장의 단계(phase)를 의미한다.
실질적으로 레이져 장치는 광학적인 resonator cavity의 end 거울 사이에 위치한 매개체로 구성
되어있다. 기술자 입장에서, 레이져는 어떤 특수한 주파수(초음파, 가시광선 또는 적외선)의
전자기 광선빔을 일차적인 열원(전기적인, 화학적인, 열의, 광학적인 또는 원자력의)으로 부터
단순히 에너지를 변경시키는 장치이다.
레이져 빔용접은 용접되어질 이음부에 밀착, 단일 파장의 광선이 부딪치는 응집된 빔으로 부터
얻어진 열로 재료의 결합을 생성하는 용융 이음법이다.
레이져 빔 용접(LBW)은 비 접촉식 용접법이며, 그러므로 비압(壓) 용접부에 사용된다.
불활성 보호가스는 용융 puddle의 산화를 방지하기 위해 사용되며, 때때로 용가제가 사용된다.

레이져빔 용접의 장점

1) 열입력은 용접금속을 용융하기위해 요구된 최소양에 근접한다. 그러므로 열양향부에
금속학적 효과는 감소되며, 가열된 소재변형은 최소화 된다.
2) 단일pass 레이져 용접절차는 1¼(32 mm)까지 재료상 유자격되었으며, 그러므로 감소되어지는
용접 두께부에 허용되는 기간(time)과 제거 되어지는 용가제 선(정교한 이음처리)이 필요하다
3) 용접봉이 필요없다 ; 용접은 높은 저항 용접전류로 인한 용접봉 오염, indentation(들쭉
날쭉한), 또는 손상없이 된다. LBW는 비 접촉식 방법이기 때문에, 변형을 최소화하고 도구
마모가 필연적으로 감소된다.
4) 레이져 빔은 광학적인 요소들에 의해 집중되고, 정렬되며, 그리고 유도된다. 그러므로 소재로
부터 편리한 거리에 위치할 수있으며, 주위의 연장이나 방해물을 피하여 재 유도할 수 있다.
이것은 다른 용접 수단으로 쉽게 접근할 수없는 범위의 용접을 가능토록한다.
5) 소재는 진공상태 또는 통제된 분위기를 포함하여 밀봉된 상태에 위치하거나 용접할 수 있다.
6) 레이져 빔은 작은범위, 허용된 작은 이음부, 공간이 협소한 부재의 미소한 용접에 초점을
맞출 수 있다.
7) 다른 이종재질의 여러 결합을 포함하여 다양한 재료를 용접을 할 수 있다.
8) 레이져는 수치적인, 컴퓨터 관리를 포함하여 자동화되고, 고속용접에 기계화가 용이하다.
9) 박판 재료의 용접 과 작은 직경의 와이어는 아크용접의 경우보다 burn-back을 하기위해
덜 민감하다.
10) 레이져 용접은 아크나 전자빔 용접처럼 자장의 존재에 영향을 받지않는다 ; 그것들은 또한
빔과 이음부가 완벽하게 일직선이 되어있지 않을지라도 소재 root부를 통하여 용접 이음부를
따라가는 경향이있다.
11) 전기저항과 같은 물리적인 특성이 다른 금속도 용접할 수 있다.
12) 진공 또는 X-ray 차폐없이도 가능하다.
13) 10:1 상태의 모양(aspect) 비(즉 깊이 대(對) 넓이 비율)는 keyhole 용접과 같은 금속의
빈공간을 형성하는 용접일때도 가능하다.
14) 빔이 하나의 작업부 이상으로 옮겨질 경우 스위치 광학 빔을 사용하면 빔 시간의 분할이
가능하다.

레이져 빔용접의 단점
*이음부는 빔의 초점에 대하여 조정된 위치에서 그리고 빔 아래의 측면으로 정확하게 위치
해야한다.
*용접면이 상호 기계적으로 힘이 가해졌을때는, 기계적인 조임은 이음부의 최종 위치가
빔 영향점에 정확하게 일직선이 되는지 확인해야한다.
* 레이져 빔용접으로 할 수 있는 최대 이음 두께는 어느 정도 제한되어있다.  따라서 0.75in
(19 mm)이상의 용접관통은 실제적으로 제작하는 LBW 사용은 현재 로서는 없다고 할수있다.
* 높은 반사율 그리고 높은 열전도성의 재료 가령 알루미늄이나 구리합금은 레이져 용접성에
영향을 줄 수 있다.
* 중간에서 높은 전류 레이져 용접작업을 할때, 적절한 plasma 제어장치는 용접 생산성을
달성을 보증하기 위해 설치되어야한다.
* 레이져는 일반적으로 10% 이하의 상당히 낮은 저 에너지 변환효율을 가진다.
* LBW의 급속한 응고 특성의 연속성으로 용접 기공과 취성이 예상된다.
* 장비가 고가이다.

전자 빔 용접 (Electron Beam Welding)

전자빔 용접의 원리도

전자빔 용접이 1950년 후반기에 상업적인 용접법으로 최초로 사용된 이후로, 이 용접법은 산업계
에서 널리 환영을 받았다. 상업적인 적용의 최초 기간동안 이 용접법은 높은 진공실(chamber)애서
사용이 엄격히 제한되었다. 이 시스템은 곧 빔산출 부분에서 요구되는 고진공을 개발하였다.
EBW는 용접되어질 이음부에 일차적으로 고 에너지 전자들로 구성된 빔이 충돌하여 얻어진
열로서 재료를 결합하는 이음공정이다. 전자들은 음극과 매우 작은 질량을 가지며, 물질의 기본
적인 입자이다. EBW에 경우 빛 속도의 30 ∼ 70퍼센트 범위에 속도로 가속된 높은 에너지로 증가
시킨다. 전자들의 빔은 열전자 방출기(일반적으로 음극 또는 필라멘트 건으로 부르는)의 어떤
종류와 치우쳐진(biasing) 제어 전극봉(일반적으로 “grid” 또는 “grid cup” 건으로 부르는), 그리고
양극으로 어떤 종류를 대표적으로 포함하는 전자총을 사용하여 발생한다.
초점과 반사 코일과 같은 여러가지 추가적인 장치들은 이 빔의 초점과 반사를 위해 제공된다.
전자빔 용접법의 심장은 전자총/원주(column) 조립부이다.

실질적으로, 용접 이음부에 에너지 입력 비율은 4가지 기본 변수에 따라서 제어된다.
* 초당 전자의 숫자는 소재(빔 전류)에 영향을 준다.
* 이러한 전자들(빔 가속전압) 의 속도크기.
* 이 빔이 소재(초점 빔 크기)에 응집된 정도.
* 소재 또는 전자 빔이 이동되어진(용접 속도) 이송 속도.

*전자 빔 용접의 장점

1. EBW는 출력에너지 빔을 전기에너지로 직접적으로 변환한다. 그러므로 이 방법은 극도로
효율적이다.
2. 전자 빔 용접은 높은 깊이대 폭 비율을 나타낸다. 이런 특성은 두꺼운 이음부를 단일-pass
용접으로 사용할 수 있다.
3. 주어진 관통 깊이에 대하여 단위 길이당 열입력은 아크 용접보다 훨씬 낮다. 결과적인 좁은
용접부는 저 변형과 유해한 열효과를 최소화 할 수 있다.
4. 용접을 위하여 높은-순도 환경(진공)은 산화와 질화로 인한 금속의 오염을 최소화한다.
5. 간혹 진공에서 몇 피트 거리를 초과하는 빔을 투사하기위한 능력은 다른 방법으로 접근할 수
없는 위치의 용접에 사용된다.
6. 급속한 이송 속도는 이런 응집된 열원과 관련된 높은 용융율 때문에 가능하다. 이것은 용접시간
감소, 생산성과 에너지 효율성을 증가시킨다.
7. 두껍고 상대적으로 얇은 판의 적당한 square butt 이음부는 용가제 추가없이 단일 pass로
용접할 수 있다.
8. 밀봉구(Hermetic closures)는 부재 내부를 진공으로 유지하는 동안 작업을 높은- 또는 중간
-진공 모드로 용접할 수 있다.
9. 전자 빔들은 여러 모양의 용접부를 제작하기 위해 자기적으로 영향을 받을 수 있다 . 용접부의
품질 또는 용입 증가를 개선하기 위해 자기적으로 진동을 시킨다.
10. 상대적으로 초점이 긴 깊이를 가지고 있는 전자의 응집된 빔은 작업 거리가 넓은 범위에
사용된다.
11. 거의 평행한 면과 거의 대칭적인 수축을 나타내는 완전용입 단일 pass 용접을 할 수 있다.
12. 이종금속과 구리와 같은 높은 열전도성을 갖는 금속을 용접할 수 있다.

*전자 빔용접의 단점

1. 장비의 가격이 아크 용접장비 보다 실질적으로 훨씬 비싸다. 생산되는 부재의 부피에 따라
EBW로 이룰 수 있는 최종의 ” 단위 piece” 부재 가격은 상당히 경쟁력이 있다.
2. 높은 깊이 대(對) 넓이 비율의 용접부 처리는 이음 테두리의 정확한 기계가공, 정확한 일직선
정렬, 그리고 좋은 가접(fit-up)이 요구된다. 추가로 이음 갭은 전자빔의 작은 크기 이점을 얻기
위해 최소화 되어야 한다. 어떻든 깊이 대비 넓이 비율 용접이 필요하지 않는다면, 이러한
정확한 부재-준비 요건은 강제사항이 아니다.
3. 이루어진 급속한 응고율은 높게 제한된(constrained) 저 페라이트 스테인레스 강에 균열의
원인이 될 수있다.
4. 높거나 중간의 진공 용접에 대하여서는, 용접공간 크기가 조립 작업을 제공하기위해 충분히
커야만한다. 용접공간을 진공으로 하기위해 필요한 시간은 생산단가에 영향을 준다.
5. 높은 깊이 대비 폭 비율의 부분 관통용접은 root 부의 공간 그리고 기공 가능성이있다.
6. 전자 빔은 자장에 영향을 받기때문에 비자장 또는 적절하게 탈자(degaussed)된 금속을 빔 폭의
가까운 도구와 고정구에 사용되어야한다.
7. 비진공식 전자빔 용접형식으로써, 작업을 하기위해 전자빔 gun column(기둥)으로 부터 작업
거리의 제한으로 용접 이음부 직접적인 근처 부분 생산설계에 한정된다.
8. 모든 방식의 전자빔 용접에서, 광선차폐는 EBW 용접으로 방출되는 X-선이 작업자에게 노출
되지 않도록 확인하고 유지되어야한다.
9. 적절한 환기는 이런 형식의 EBW 용접동안 형성된 오존과 다른 질화가스의 적절한 제거를 확인
하기위해 비진공식 전자빔 용접에서는 요구된다.

전자빔 용접 원리의 영상입니다. 개인적으로  설명이 잘되어 있어서 링크를 해봤습니다.

참고문헌 : CWI 교재 일부 발췌