티그 (TIG, GTAW) 용접 상세

가스 텅스텐 아크 용접 (GTAW : Gas Tungsten Arc Welding)

1) 원리와 특징

토치에 물려 있는 텅스텐 전극을 이용하여 발생한 아크 열로 양쪽 모재를 용융시켜 접합하기도하고 또한 용가재를 공급하여 양쪽 모재와 함께 용융시켜 접합하는 방법이다. 용접시 불활성 보호가스(Ar, He, 등) 가 모재, 용접부, 텅스텐봉의 산화를 방지하기 위해서 사용하여 TIG (Tungsten Inert Gas) 용접이라고 부르기도한다.

용가재를 사용하는 경우 아크의 전방에서 공급하여 아크 열로 녹여서 용융부에 이행되도록 하는데 이 때 용가재의 송급 위치가 아크의 중심에 놓이게 한다. 용가재가 아크 중심이 아닌 위쪽에 치우치면 텅스텐봉과 접촉할 확률이 높다. 반대로 아래 쪽에 치우치면 용융지에 고체 상태의 용가재가 접촉하므로 스패터 등이 발생하여 아크의 안전성을 저해할 수 있다.

GTAW은 모든 용접자세에 적용이 가능하고 아크가 안정되고 용접 품질이 우수하여 산화나 질화가 등에 민감한 재질의 용접, SMAW 가 적용이 곤란한 부위의 용접, 박판튜브 용접, 배관 맞대기 용접시 1층 용접에 많이적용된다. 한편 다른 용접방법 보다 용접속도가 느리므로 생산성이 낮다.

전원은 정전류를 사용하므로 아크 전압이 아크 길이의 변화에 따라 선형적으로 변화하고 모든 전류 영역에서아크는 항시 안정되며 아크 길이가 변화해도 용접전류가 일정하게 유지되어 용접의 용융량이 일정하게 된다.용융량은 극성에 따라 영향을 받고 정극성(DCSP)를 사용하면 용접봉 보다 모재에 열이 많이 발생하므로 모재의 용융량을 중가시킨다, 역극성(DCRP)은 그 반대이고 박판용접이나 알루미늄 등의 용접에 적용된다. 교류전원을 사용하면 아크의 소멸과 생성이 반복되므로 아크가 불안정하여 항상 아크 발생기를 작동시켜야 한다.

텅스텐봉은 재질이 순수 텅스텐봉을 사용하거나, 정극성 전원을 사용 시 1~2% 산화토륨을 첨가한 텅스텐봉을 사용한다. 역극성이 정극성 보다 텅스텐봉에 열이 많이 발생하기 때문에 동일한 용접전류에서 역극성에사용되는 텅스텐봉의 직경이 정극성의 것보다 커야 한다.

정극성의 경우 텅스텐봉의 끝을 연마하여 원뿔 형태로 사용하며 원뿔의 각도가 작으면 용입이 커진다. 전원의 극성, 사용 용접전류, 텅스텐봉의 재질에 따라 적합한 봉의 직경은 아래 표와 같다.

2) GTAW 용접장비 및 구성

(1) 용접전원

GTAW 용접기(DCEN, DCEP, AC)와 용접토치 및 연결용 케이블, 보호가스 공급병 및 유량게이지 등으로 구성된다. 교류 용접기, DC 정극성 용접기, DC 역극성 용접기가 있고 DC 용접기는 교류를 변압기 및 정류기를 통해서 나온 DC를 사용하는 재래식, 쓰리스타, 변압기, 정류기를 통해서 나온 DC를 사용하는 쓰리스타 방식, 정류기, 인버터/피드백제어기, 변압기, 정류기를 나온 DC를 사용하는 인버터 방식이 있는데 인버터 방식은 용접기 무게를 급격하게 감소화 가능하고 출력 전류을 정밀하게 제어 가능하므로 인버터 용접기를 많이 사용한다.

펄스형태 전류는 용융지의 요동이 증가하며 응고과정에서 결정이 성장하는 것을 방해하여 금속조직이 미세화되어 용접부의 기계적 성질도 향상된다.

(2) 토치 및 용가재 공급장치

GTAW 토치는 앞부분에 전극(텅스텐봉), 세라믹 컵, 냉각수 자케트, 컬릿, 캡과 뒷부분에 토치 손잡이 그리고 토치에 연결되는 전력케이블, 냉각수 튜브, 보호가스호스로 구성된다.

(3) 기타 주변 및 보조 장치

자동화나 생산성을 향상 시키기 위해 서 부수적으로 사용되는 아크길이를 일정하게 제어하는 AVC (Automatic Voltage Control)와 용접토치에 전자석을 부착하여 자기장을 발생시켜 아크가 휘어지도록 하는 오실레이터를 사용할 수 있다.

3) 용접변수와 영향

(1) 극성과 전극(텐스텐봉)

극성(DCEN, DCEP)에 따라 테스텐봉에 발생한 열량이 변화하고 용융지에 영향을 준다. 또한 극성 및 사용전류에 따라 적합한 텅스텐봉의 직경을 사용해야 한다.

(2) 용접 전류, 전압, 속도

용접 전류, 전압 및 속도는 용접조건 선정에 있어 매우 중요한 변수로 용융량, 열영향부의 크기 및 냉각속도 등에 영향을 미친다. 용접 입열량은 용접전류, 전압에 비례하고 속도에 반비례한다. 아크 전압은 아크 길이와 비례관계 있고 아크 길이가 길면 아크열이 분산되므로 용입 적고 용접 비드 폭

이 증가한다. 펄스 전류를 사용할 경우 전류 평균값이 동일한 값의 직류전류와 비교 시 용입이 증가하고 입열량과 열변형이 감소하므로 박판 용접 및 배관의 위보기 자세 용접에 유용하다.

(3) 보호가스

보호가스(Shielding gas)는 불활성 가스인 알곤(Ar), 헬륨(He), 알곤과 헬륨 혼합가스를 사용한다. 용융부를 층분히 보호할 수 있도록 노즐의 크기와 가스량을 선정해야 하며 가스량은 약 5~10 l/Min 범위에서 선정한다.

또한 보호가스의 순도가 중요하고 보호가스에 습기나 공기가 유입을 방지하여 산화나 기공이 발생되지않도록 해 한다. 알곤과 헬륨가스의 특성은 다음과 같다.

2 1/4 Cr 이상 합금강, 스테인레스강, 알루미늄 및 그 합금강의 맞대기 용접부시이면 산화를 방지하기 위해서 이면에도 보호가스를 공급하여 산화를 방지해야 한다. 이 때 이 보호가스를 백 퍼징가스(Back Purging Gas)라고 한다.

(4) 용가재

박판이 경우 용가재 없이 모재를 용융하여 접합 가능하지만 후판의 용접에서는 용가재를 사용하는데 용가재는 모재 유사한 성분의 재료가 사용되어야 하고 모재와 용가재 규격에 표시되어 있는 최소 강도를 고려해야 한다. 용가재의 직경은 0.5~5mm에서 선정하고 모재와 용가재의 송급각도는 약 10~20°를 유지한다. 용접전류와 전압에 따라 용가재 송급속도가 결정되고 용착량은 약 40~100g/Min이다.

(5) 홈 형상

모재가 1~2mm 박판인 경우 홈(groove) 과 간극(root gap) 없이 용접하고 모재 두께가 2mm 초과 할때는 간극과 홈을 고려해야 한다. 간극(root gap)을 줄 경우 아크가 간극을 통해서 이면에 도달함으로 용입이 증가한다.

모재 두께가 두꺼울 경우 맞대기 홈을 U, V, J 등으로 만들어야 한다. 홈의 단면적은 가능한 작도록 설계해야 입열량, 열변형, 열영향부를 줄일 수 있고 용접에 소요되는 시간과 용가재 량을 감소시켜 생산성을 높일 수 있다.

출처 : 공공누리 http://www.kogl.or.kr/