미그 (MIG, GMAW) 용접

미그 (MIG, GMAW) 용접

영어로 GMAW (Gas metal arc welding) 혹은 MIG (metal inert gas) 라 한다. 소모성 와이어 전극와 대상물 사이에 전기적 아크를 생성하여 대상물을 녹여서 용접하는 방식이다. 용접건에서 소모성 전극과 공기중 이물질의 침투 방지를 위한 가스가 함께 공급된다. 반자동 혹은 자동화가 가능한 공정으로 일정한 DC 전압이 주로 사용되나 일정한 교류를 사용하기도 한다. globular, short-circuiting, spray pulsed-spray의 네가지 특징적인 방법으로 세부적으로 나누어진다. 원래는 1940년에 알루미늄과 비철 금속 용접을 위해 개발되었으나 다른 용접 방법들에 비해 속도가 빨라 철금속에도 적용되었으며 다양한 방법도 개발되었다. 불활성기체의 높은 가격으로 인해 CO2가 많이 사용되어졌으며 결과적으로 산업분야에서 가장 많이 사용된다. 

미그 용접용접 장비 구성도 (1) 용접 토치 (2) 대상물 (3) 전원 (4) 와이어 공급기 (5) 전극 소스 (6) 가스 공급기미그 용접 부위 (1) 진행 방향 (2) 접촉 튜브 (3) 소모성 전극 (4) 가스 (5) 대상물 (용융 상태) (6) 고체화된 용접 금속 (7) 대상물

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4. 가스 메탈 아크 용접(GMAW: Gas Metal Arc Welding)

1) 원리 및 특징

소모 전극인 용가재(솔리드 와이어)를 일정한 속도로 공급하여 모재와 용가재 사이에 아크를 발생시키고 이 아크 열에 의해서 용융되어 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하여 용접하는 방법이다. 이 때 아크와 용융 부위은 가스노즐을 통해서 공급되는 보호가스에 의해 공기를 차단한다. 보호가스가 Ar 과 같은 불활성가스를 사용하는 것을 MIG(Metal Inert Gas)용접이라 하고 순수한 탄산가스(CO2)를 사용할 경우 CO2 용접이라고 하며 탄산가스와 Ar가스가 혼합된 가스를 사용 시 MAG(Metal Active Gas) 용접이라고 부른다. SMAW에 비해 대전류를 사용으로 용착 속도가 높고 용접로봇이나 자동화 기기 등을 사용하여 자동화가 용이하다.

SMAW에 비해 GMAW의 장단점은 아래와 같다.

2) 용융금속의 이행 현상

용융금속 이행은 소모성 전극을 이용한 아크 용접에서 용융된 금속이 용융지로 이행하는 현상을 말하는데 이를 금속이행이라고도 한다. 금속이행 현상은 용접재료, 용접조건, 보호가스 등에 따라 몇 가지 형태로 나타나는데 이 들 변수의 변화에 따라 와이어 선단의 용적에 작용하는 중력, 표면장력, 전자기력, 항력의 크기와 방향이 변화기 때문이다. 용접전류가 클수록 중력과 항력은 감소하고 전자기력은 급격하게 증가한다. 한편 표면장력은 항상 일정하다. 높은 전류 영역에서는 전자기력이 금속이행에 주도적인 역할을 한다. GMAW 금속이행는 단락(Short circuit), 용적(Globular), 스프레이(Spray) 이행이 있고 그 이행 형상과 특성은 다음 표와 같다.

3) GMAW 장비 및 구성

용접전원, 와이어 송급 장치, 토치 및 케이블, 보호가스 공급 기기 등으로 구성된다.

(1) 용접 전원

정극성(DCSP)은 금속의 (+) 극과 아르곤의 (+)이온이 전극에 총돌하여 전극의 선단을 과열하므로 대립의 용적을 만들어 중력에 의해서 간헐적으로 용융지에 떨어지는데 이를 단락형 금속이행(Globular Transfer)라고 하며 용접비폭이 넓고 용입이 얕게 된다. 한면에 역극성(DCRP)은 모재의 (+)이온과 아르곤의 (+)이온이 모재에 충돌하여 비교적 용접비드 폭이 좁고 깊은 용입을 얻을 수 있어 일반적으로 GMAW는 DCRP전원을 사용한다. 알루미늄 용접은 교류용을 사용하고 비철금속의 용접은 펄스기능의 전원을 사용한다. GMAW 전원의 외부 특성은 정전압 특성이며 정속도 와이어 송급 제어 방식을 조합하여 아크길이를 자동적으로 일정하게 유지하도록 하는 아크 자기제어 방식을 사용한다.

전원의 출력제어 방식에 따라 정류식 중에서 트랜지스터 인버터 방식을 많이 사용하고 있는데 이 방식은 교류를 직류로 변환 후 용접 변압기를 트랜지스터의 출력 측에 설치하여 용접 이행 과정에서 단락 전류 증가, 감소, 피크치의 제어로 정밀한 파형으로 제어가 가능하고 CO2 용접에서 스패터을 대폭적으로 줄일 수 있다.

(2) 와이어 송급 장치

와이어 송급장치는 와이어를 스풀 또는 릴에서 뽑아서 토치 케이블을 통해서 용접부까지 공급하는 장치인데 송급 방식은 송급 장치의 배치에 따라 Push 방식, Pull 방식, Push-Pull 방식, Double Push 방식이있다. 반자동 용접에서는 주로 Push 방식을 많이 사용한다. 송급 장치는 와이어 릴, 와이어 교정롤러, 송급모터, 감속기, 송급롤러와 가압롤러 등으로 구성된다.

(3) 용접토치

반자동 토치는 선단부의 형태에 따라 커브형과 권총형이 있고 냉각방식에 따라 공냉식과 수냉식이 있다. 토치 구성은 종류에 따라 다르지만 전원 케이블, 가스 송급 호스, 스위치케이블이 있고, 수냉식은 냉각수 공급 및 배출 호스가 있으며 토치 몸체는 내구성과 내화성이 높은 열경화성 수지로 절연되어 있다. 

4) 용접변수의 영향

용접변수는 용접재료(와이어 종류, 직경, 보호가스 종류 등), 용접전류, 용접전압, 용접속도, 이음 형상 등 용접에 영향을 줄 수 있는 모든 변수를 인데, 이들 변수를 적적히 선택하는 것이 매우 중요하다. 용접변수가 용접에 어떤 영향을 주며 각각 변수는 상호 어떻게 작용하는지에 대해서 알아 알아 본다.

(1) 와이어 송급 속도

다른 변수가 일정할 경우 와이어 송급 속도는 전류의 제곱근 함수적으로 비례한다. 그리고 컨텍트 팁과모재 간 거리(L)이 증가하면 용접 전류는 감소한다.

(2) 용접전류

용접전류는 금속이행 모드뿐만 아니라 용착 속도 및 용입 깊이를 결정하는 가장 중요한 변수이다. 용접전류는 와이어 송급속도를 조정함으로 제어하고 와이어 송급속도는 용착속도와 일치한다. 용접전류를 높이면 모재에 열이 많이 유입되어 용입 깊이가 증가하게 된다. 지나친 전류는 용접비드가 볼록하게 되어외관이 불량이 되므로 적절한 전류값을 선택해야 한다. 통상적으로 용접전류를 높이면 전압도 함께 높여줘야 양호한 비드가 형성된다.

(3) 용접전압

용접전압은 아크전압과 용접 게이블 등 전압강하를 포함하는데 케이블 등의 전압강하 전압이 작아서 아크전압과 큰 차이가 없다. 아크전압은 와이어 끝과 모재 간의 전압으로 아크 길이에 비례하고 용접 비드의 형상 및 금속이행 형태에 중요한 변수이다. 용접전압이 증가하면 비드 폭이 넓어져서 납작한 비드 형상되고 용입깊이는 약간 증가하다가 감소하게 된다. 따라서 양호한 비드 형상을 얻기 위해서는 적절한 전류와 전압의 조합이 이루어 져야 한다. 용접전압은 용접전류와 보호가스와 함께 금속이행 형태에 커다란 영향을 미친다.

(4) 와이어 돌출길이(Stick out 길이)

와이어 돌출길이는 컨텍트 팁 선단에서 와이어 선단부까지 길이를 의미하는데, 이 길이가 길어지면 전기 저항이 증가하여 와이어 용융속도가 증가하고 도출길이가 지나치게 길어지면 아크가 불안해 지고 기공 등의 결함이 발생된다. 반대로 돌출길이가 너무 짧을 경우 보호효과는 좋으나 노즐에 스패터가 부착되기 쉽고 용접부의 외관이 나빠지고 작업성도 나쁘다. 통상적으로 적정 돌출길이는 단락이행 조건에서는10~15mm 이며, 다른 이행조건(200A 이상)에서는 15~25mm 정도이다.

(5) 용접속도

용접속도는 아크가 용접 이음부를 따라 진행하는 속도로 용접전류, 용접전압과 함께 용입깊이, 비드형상, 및 아크 안전성에 등에 영향을 준다. 종래의 반자동 용접에서 대개 30~50cm/min 범위의 속도가 적절하다.

(6) 토치방향

토치를 용접진행 방향의 반대로 약 15~20°로 유지하는 전진법과 반대로 용접진행 방향 쪽으로 유지 할 때 후진법이 있다. 후진법이 아크 안전성, 용융지의 보호효과 측며에서 양호하므로 일반적으로 후진법이 사용된다.

5) 용접재료

(1) 보호가스

보호가스는 용융 금속을 대기로부터 차단하며 다음과 같은 사항에 상당한 영향을 끼치므로 가스종류와 적절한 조성을 선택해야 한다. 아크 특성, 용적이행 모드, 용입 깊이 및 비드 형상, 용접속도, 언더컷 결함발생 정도, 청정 작용, 용착 금속의 기계적 성질, 용접 비용 보호가스는 Ar, He, CO2, 이들 가스 중 2가지이상 혼합한 가스, 또는 이들 가스에 소량의 산소를 첨가한 가스를 사용하는데 모재의 재질에 따른 보호 가스 선정 기준은 아래 표에서 보여준다

(2) 용접 와이어

용접 와이어는 솔리드 와이어로 0.6~1.4mm 직경을 주로 사용하고 와이어 표면에 전기 전도성과 방청성을 높이기 위해서 Cu 도금되어 있는 것이 보통이다. 와이어는 용착금속을 만들어 용접부의 화학 성분과 기계적 성질을 결정하기 때문에 적절한 선정이 매우 중요하다. 와이어 선택할 때 모재의 화학적 성분 및 기계적 성질, 사용할 보호가스, 이음형상, 적용요구 규격 등을 고려해야 한다. 또한 용접봉 제조자가 제공하는 카타로그에서 해당 규격에 부합되는 브랜드를 보고 앞에 언급된 고려사항을 참조하여 선정한다. 와이어의 합금원소들의 주요 기능은 용융지의 탈산과 기계적 성질을 향상시킨다.

· Si 은 탈산제로서 가장 많이 사용되고 일반적으로 0.4~1% 함유하고 있는데 용착 금속에 Si 함량이 너무 많으면 용접부 강도는 증가하지만 인성과 연성은 감소한다. 

· Mn은 대게 탈산제 및 강도 증가의 기능을 하고, 연강 와이어일 경우 약 1~2% 정도 함유하며 그 양이 증가하면 용착금속의 강도는 증가하나 고온균열에 민감하다. C는 기계적 성질에 영향을 많이 주는 원소인데 일반적으로 그 함량은 0.05~0.12% 정도다.

출처 : 

점선아래부터 공공누리 http://www.kogl.or.kr/