용접이란? 판금 가공에 있어서의 용접의 정보집

용접은 금속을 접합하는 가공의 일종입니다. 기계나 금속 부품뿐만 아니라 자동차나 선박 등의 탈 것, 철근이나 철골 등의 건축물 등 폭넓은 분야에서 사용되고 있습니다. 이 기사에서는 판금 가공에서 이루어지는 용접에 주목하여 그 정보를 수집했습니다.

용접이란

용접은 금속을 접합하는 방법의 일종입니다. 접합하고 싶은 금속 부품에 열이나 압력을 가하여 녹인 후 냉각하여 고체 상태로 되돌림으로써 접합되는 구조입니다. 접합부끼리 녹아 섞임으로써 접합부의 금속끼리 분자적으로 연결되어 매우 강력한 접합이 형성되는 것이 특징입니다.
용접은 매우 폭넓은 분야에서 활용되고 있는 가공이지만, 판금 가공에서도 프로세스의 일부로서 취급되고 있습니다. 부품끼리 접합하거나 구부림에 의해 인접한 부위를 접합하기 위해 행해지거나 합니다.
판금 가공의 용접은 그 이외의 분야에서 이루어지는 용접과 차이가 없습니다. 그러나 마찰압접과 같이 판금에서는 잘 이루어지지 않는 용접도 존재합니다.

용접에는 다음과 같은 장점이 있습니다.

・접합부위의 강도가 높음
・접합 부위의 기밀성이 높음
・접합을 위한 부품이 필요 없음
・용접을 위한 기계나 장치가 크지 않음

그러나 용접에는 다음과 같은 단점도 있습니다.

・열에 의한 변형이나 잔류 응력이 발생할 가능성이 있음
・접합부를 분해할 수 없음

이외에도 용접의 종류에 따라 각각의 장점이나 단점이 존재합니다. 따라서 용접을 할 때는 각각의 가공방법과 특징을 알고 최적의 용접을 선택해야 합니다.

금속 접합에서 용접의 특징

용접은 금속 접합의 일종으로 주로 「재료적 접합」에 해당합니다. 다른 접합 방법에는 「기계적 접합」과 「화학적 접합」이 있습니다.

기계적 접합이나 화학적 접합에서도 금속은 접합 가능하지만 나사나 핀, 접착제 등 외부 물체를 사용하기 때문에 접합의 강도는 「재료적 접합」과 비교하면 떨어집니다.

재료적 접합이 다른 접합 방법보다 강한 이유는 다음과 같습니다.

• 접합부의 파괴 위험을 억제할 수 있다
• 금속 결합으로 접합되어 있다

나사나 핀 등의 기계적 접합에서는 접합부의 접촉 면적이 한정되므로 응력이 국소적으로 집중되기 쉽고 부하가 걸리면 파괴되기 쉬워집니다. 용접은 기계적 접합에 비해 접합부의 접촉 면적이 넓어 파괴 위험이 낮아집니다.
또한 금속을 용해하여 접합하기 때문에 자유전자와 양이온 간 쿨롱력으로 금속원자끼리 결합하여 견고하고 기밀성이 높은 접합이 실현됩니다.
접합 강도가 높은 「재료적 접합」은 다음과 같은 용도로 사용되고 있습니다.
접합 강도가 높은 「재료 접합」은, 이하의 용도로 사용되고 있습니다.

• 자동차나 항공기 등의 구조물
• 유독가스가 통과하는 배관
• 용접에 의한 수리

구조물의 형성 및 보수는 물론 공기 중으로 누출되면 위험한 유독가스가 지나가는 배관 접합 등의 용도가 존재합니다. 특히 배관접합은 유독가스 누설 위험을 최대한 줄이고 싶은 공장(반도체 등)에서 요구되고 있어 용접(재료적 접합)이 편리합니다.

판금 용접의 종류

용접에는 많은 종류가 있으며 융접, 압접, 납접의 3종류로 크게 나눌 수 있습니다. 여기에서는 판금 가공에서 많이 사용되는 용접에 대해 해설합니다.

융접에 의한 용접

융접에 의한 용접에서는 접합하는 재료(모재)도 가열하여 녹입니다. 용접의 기본 개념에 가장 가까운 방법입니다. 융접에 의한 용접에서는 용접봉이라고 불리는 금속막대를 녹여 풀처럼 접합하는 재료 사이에 걸쳐 접합하는 방법과 용접봉은 이용하지 않고 모재끼리 녹여 접합하는 방법이 있습니다.
융접에 의한 용접의 장점은 용접의 강도가 높고 큰 재료로도 가공하기 쉽다는 것입니다. 한편 일부 용접을 제외하고 수작업에 의한 용접이 많아 작업자에 의한 품질 불균형이 발생할 가능성이 있습니다.

아크 용접

아크 용접이란 아크라고 불리는 방전에 의해 발생하는 불꽃의 열을 이용하여 용접하는 방법입니다. 모재를 전위적으로 마이너스측에 접속하고 용접봉(또는 전극)을 플러스측에 접속하여 용접봉을 모재에 가까이 했을 때 발생하는 불꽃(아크)을 이용하여 모재를 녹이면서 용접합니다.
아크 용접은 고온의 아크를 사용하므로 모재가 쉽게 녹고 작업이 빠른 것이 장점입니다. 또한 용접기의 구조도 간단합니다.
한편 용접을 하는 사람은 「아크 용접 작업자」의 자격이 필요합니다. 또한 모재에도 통전해야 하기 때문에 산화피막으로 덮여 있는 등 통전성이 없는 재료에는 사용할 수 없습니다.

판금 가공에서 특히 많이 사용되는 아크 용접은 피복 아크 용접과 TIG 용접입니다.
피복 아크 용접은 특수한 성분을 함유한 피막에 덮여 있는 용접봉을 전극에 사용하여 실시하는 아크 용접입니다. 이 피막은 아크에 의해 연소되어 공기 중의 산소를 차단하는 역할을 합니다. 용접 설비가 단순하고 야외 등에서도 작업하기 쉬운 반면 얇은 재료는 용접하기 어려운 단점이 있습니다.
TIG 용접은 전극에 텅스텐 등의 융점이 매우 높은 자재를 사용하는 것이 특징입니다. 피복 아크 용접과 달리 전극이 녹지 않습니다. 전압을 조정하기 쉽고 얇은 재료로도 용접할 수 있는 것이 특징입니다.

레이저 용접

레이저 용접은 레이저를 조사했을 때 발생하는 열을 이용하여 모재를 녹여 용접하는 방법입니다. 레이저의 강도는 다른 용접에 있어서의 가열 방법에 비해 조정하기 쉽기 때문에 얇은 소재라도 용접이 용이한 것이 장점입니다. 또한 가열되는 범위가 매우 작고 국소적으로 고온으로 할 수 있기 때문에 미세한 용접도 용이한 것이 특징입니다. 열에 의한 변형도 일어나기 어렵고, 작업자의 기능에 의해 용접 품질이 좌우되기 어려운 점도 들 수 있습니다.
한편으로 매우 강한 레이저를 사용하기 때문에 전용 설비(방)가 필요합니다. 또한 레이저를 반사해 버리는 경면 마감의 스테인레스나 알루미늄 등은 기본적으로 용접할 수 없습니다.

판금 가공에서 특히 많이 쓰이는 레이저 용접은 CO2 레이저와 YAG 레이저입니다. 특히 YAG 레이저는 오래전부터 레이저 용접에 사용되어 왔습니다.

가스 용접

가스 용접은 아세틸렌이나 도시 가스 등의 가연성 가스를 연소시켜 그 열을 이용하여 용접하는 방법입니다. 아크용접에 비하면 온도 조정이나 작업중 가공 부위 확인이 쉬워 비교적 쉽게 용접할 수 있습니다. 또한 설비도 소형이고 저렴하며, 장소를 가리지 않고 작업하기 쉬운 것도 특징입니다. 한편으로 아크나 레이저에 비해 재료의 가열이 느리고 작업에 시간이 걸립니다. 또한 가열되는 범위도 넓어져 버리기 때문에 재료가 쉽게 변형됩니다. 또한 가스 취급에는 위험도 많고, 가스 용접을 할 때는 「가스 용접 기능자」라는 자격이 필요합니다.

압접에 의한 용접

압접이란 마찰이나 통전에 의해 접합 부위를 가열하고 거기에 압력을 가해 접합하는 방법입니다. 전술한 마찰 압접도 압접의 일종이지만, 원기둥 모양의 재료로 행해지는 경우가 많기 때문에 판금에서는 기본적으로 행해지지 않습니다.
압접은 압력이나 온도를 기계적으로 제어할 수 있기 때문에 용접의 품질이 일정한 것이 장점입니다. 한편으로 설비가 대규모가 되기 쉽고, 전용 가공밖에 할 수 없는 경우가 많습니다.

스폿 용접

전극으로 용접 부위를 끼워 전류를 흘려 접합합니다. 스테이플러로 몇 군데를 고정할 수 있도록 점에서 접합하는 것이 특징입니다.

심 용접

롤러 모양의 전극을 사용하여 스폿 용접과 마찬가지로 전류를 흘리면서 압력을 가하여 접합합니다. 연속된 선으로 접합하는 것이 특징입니다.

납접에 의한 용접

납접이란 「납」이라고 불리는 모재보다 녹는점이 낮은 금속재료를 접착제처럼 사용하여 접합하는 방법입니다. 다른 용접 방법과 달리 모재를 가열할 필요는 없습니다. 모재를 손상시키지 않고 변형이 잘 발생하지 않으며, 다른 소재끼리의 용접에도 적합한 것이 장점입니다. 한편 다른 용접 방법에 비하면 용접 강도가 약간 떨어집니다.

경납땜

경납땜은 납접 중에서도 녹는점이 450℃ 이상인 납을 사용하는 방법입니다. 녹는점이 450℃ 이하인 납을 사용하는 경우에는 연납땜이라고 합니다. 경납땜과 연납땜을 비교하면 경납땜이 강도가 높습니다. 경납땜에서는 가스버너를 이용하는데 반해 연납땜에서는 인두를 사용합니다.

로봇 용접

용접은 수작업뿐만 아니라 로봇에 의해 이루어지는 경우도 있습니다.
스폿 용접이나 심 용접은 원래 로봇에 의한 용접이 주류였습니다. 한편으로 아크 용접이나 레이저 용접은 수작업 용접도 많이 행해져 온 한편, 특히 최근에는 로봇에 의한 자동 용접의 사례도 증가하고 있습니다.
특히 아크 용접에서는 협동 로봇을 이용해 손으로 로봇을 가이드 하거나 화상으로 용접 범위를 자동 인식하는 등 티칭을 하기 쉬운 로봇도 늘고 있습니다.

용접 기호, 용접의 표시 방법

용접 기호를 이차원 도면으로 표기할 때의 기본 형태는 아래와 같습니다.

용접 기호의 표시 방법

기준선의 상하에 용접 기호를 사용하여 용접 종류를 표기합니다. 위의 예에서는 필릿 용접 기호가 적혀 있습니다.
또한 이때 화살이 향하는 부위에 앞의 용접은 기준선 아래쪽에 표기합니다. 화살에 반대쪽 용접은 기준선 위쪽에 표기합니다. 모서리 부분에서 직각을 이루는 변의 길이를 지정하는 경우에는 용접기호의 좌측에 표기하고 용접의 길이방향 치수지시는 용접기호의 우측에 표기합니다.

용접기호에는 주로 다음과 같은 것들이 있습니다.

그루브 형상과 기본 기호 

기본 기호	I형 그루브	V형 그루브	レ형 그루브	J형 그루브
그루브 형상
기본 기호

기본 기호	U형 그루브	K형 그루브	X형 그루브	필렛 용접
그루브 형상
기본 기호

그루브 형상과 기본 기호

재질 당 용접의 특징

용접은 금속 재료마다 주의점이 달라집니다. 여기서는 스틸이나 스테인레스, 알루미늄 용접의 특징을 소개합니다.

스틸

스틸 용접에서는 스틸에 섞여 있는 화합물에 주의가 필요합니다. 특히 주의해야 할 것이 탄소입니다. 탄소가 많이 들어 있는 철은 용접에 의한 급격한 온도 변화에 의해 내부의 결정 구조가 변화해 버려, 깨짐이 발생하거나 끈기가 없어져 버리기도 합니다. 따라서 스틸 용접에서는 가능한 한 저탄소강을 선택하면 좋을 것입니다. SS재(일반 구조용 압연 강재)는 스틸재 중에서도 비교적 용접에 적합한 재료입니다. 또한 SM재(용접 구조용 압연 강재)는 특히 용접용으로 만들어진 재료이므로 용접하기 쉬운 재료입니다.
스틸 용접에는 TIG 용접이나 피복 아크 용접이 적합합니다.

스테인레스

일반적으로 스테인레스는 용접이 어려운 재료로 알려져 있습니다. 왜냐하면 스테인레스는 종류에 따라 조성이 크게 다르기 때문에 각각 간에 용접 시 특성이 크게 다르기 때문입니다. 용접에 적합한 스테인레스는 오스테나이트 계열로 분류되는 SUS304와 SUS316입니다. 한편 페라이트 계열의 SUS430이나 마르텐사이트 계열의 SUS410은 용접에는 그다지 적합하지 않습니다.

알루미늄

알루미늄은 용접이 비교적 어려운 소재의 대표입니다. 알루미늄은 금속으로서의 녹는점은 그다지 높지 않습니다. 그러나 공기 중의 산소와 결합하여 녹는점이 높은 산화 피막을 형성해 버립니다. 따라서 표면의 얇은 산화피막을 녹이려고 하면 먼저 안의 알루미늄이 너무 녹아 버려서 모재고 녹아내리게 될 가능성이 있습니다.
또한 알루미늄은 열전도율이 매우 높아 용접 시 열이 부재 전체에 퍼져 버립니다. 따라서 용접 부위의 온도가 상승하기 어려워지고, 부재가 뒤틀리기 쉬워집니다.
알루미늄 용접 시에는 용접부를 효율적으로 가열하고 빠르게 용접해야 합니다. 알루미늄 용접에는 TIG 용접이 적합합니다.

용접 자격에 대해

용접의 자격은 크게 이하의 10종류로 분류됩니다.

• 손 용접(아크 용접)
• 손 용접(가스 용접)
• 반자동 용접
• 스테인레스 스틸 용접
• 티타늄 용접
• 플라스틱 용접
• 은 경납땜
• 필렛 용접
• 석유 공업 용접

어떤 자격증을 따면 좋을지 모르는 분도 있겠지만, 기본적으로 현장에서 사용하는 자격증 취득을 목표로 합시다.

본 기사에서는 일반적으로 실시되는 「아크 용접」과 「가스 용접」의 자격을 취득하는 방법이나 난이도, 비용에 대해 해설합니다.

아크 용접 작업자의 자격은 「학과 11시간」 「실기 10시간」의 합계 21시간의 강습을 수강해 취득할 수 있습니다. 수험 자격은 「만 18세 이상」으로 정해져 있기 때문에, 자격 취득의 난이도는 간단합니다.

가스 용접 기능자의 자격은 「학과 8시간」 「실기 5시간」의 합계 13시간의 강습을 수강해, 학과의 수료 시험에 합격하면 취득할 수 있고, 수료 시험은 크게 이하 3개의 내용이 추궁됩니다.

• 가스용접 설비의 구조 및 취급방법에 관한 지식
• 가연성가스 및 산소에 관한 지식
• 법률

각각의 내용을 60%이상 맞추면 합격입니다. 수험 자격은 아크 용접 작업자와 같이 「만 18세 이상」이며, 수료 시험에 합격하면 취득할 수 있기 때문에 자격 취득의 난이도는 간단하다고 할 수 있습니다.

용접의 건강 위험과 안전 대책

용접의 건강 리스크로는 「용접 흄」을 들 수 있습니다. 용접 흄이란 아크 용접(방전을 이용한 용접)에 의해 금속이 녹아 증발하면서 발생하는 흰 연기(금속의 미세한 입자)입니다.
용접 흄을 흡입하면 금속열 등 급성 중독의 원인이 될 수 있습니다. 근년에 노동자에게 신경 장애 등의 건강 장해를 끼칠 가능성이 밝혀져 2021년4월부터 「특정화학물질」로 인정되었습니다.
상기 배경으로부터 용접 흄을 예방하기 위해서 「실내외 불문」 이하의 대책이 강구되어 있습니다.

• 작업주임자 기능강습 수료자 중에서 작업주임자를 선임
• 작업장 내 용접 흄 농도에 따른 환기 방법 지휘
• 아크용접에 종사하는 작업자는 호흡용 보호구를 착용

설계에 있어서의 용접의 주의점

설계 시 용접을 지정할 때 주의해야 할 점에는 다음과 같은 것이 있습니다.

용접부에 다른 부품을 갖다 대는 것은 피한다

용접에서는 용접부위가 달아오르는 경우가 대부분입니다. 고조량을 지시하거나 고조된 부분을 깎을 수도 있습니다만, 특히 수작업 용접에서는 용접 부위에는 불균형도 발생합니다.
따라서 용접부에 다른 부품이 딱 접촉하는 설계는 가능한 한 피하는 것이 무난합니다. 상대 부품에 접촉주의를 붙이는 등, 연구합시다.

돌출 용접에 주의합니다

파이프나 원기둥을 홀에 꽂아 용접할 때는 파이프나 원기둥의 끝을 홀의 바닥에 대지 않도록 합니다.
용접 시 열에 의해 파이프나 원기둥이 팽창하여 용접부에 응력이 가해지는 것을 방지하기 때문입니다.

용접선의 중첩을 피합니다

용접선이 겹치거나 부재의 앞뒷면에서 용접이 겹치면 용접 시 열영향이 쉽게 축적되어 변형의 원인이 됩니다.
용접선이나 용접부는 겹치지 않도록 주의합시다.

정리

용접은 금속을 접합하는 방법의 일종으로 금속 부품에 열이나 압력을 가해 녹인 후 냉각하여 고체 상태로 되돌림으로써 접합합니다. 접합부의 금속끼리 분자적으로 연결되기 때문에 접합부가 매우 강력한 것이 특징입니다.
용접에는 융접, 압접, 납접의 3종류가 있습니다. 판금 가공에서 많이 사용되는 용접은 융접에서는 아크 용접, 레이저 용접, 가스 용접이 있습니다. 압접에서는 스폿 용접이나 심 용접, 납접에서는 납땜이 많이 이루어집니다.
스틸을 용접할 때는 함유되는 탄소량에 주의가 필요합니다. 용접에 적합한 스테인레스는 SUS304와 SUS316 등의 오스테나이트 계열입니다. 한편 알루미늄은 용접에 그다지 적합하지 않습니다.