용접 vs. 고상 용접: 주요 차이점 완벽 가이드

용접의 정의와 분류

제조 공정에서 두 개 이상의 부품을 결합하는 것은 필수적입니다. 다양한 재료를 여러 방식으로 조립하기 위한 수많은 접합 기술이 존재하는데, 이 중 일부는 영구 접합을 제공하고 다른 일부는 임시 접합을 제공합니다. 리벳팅, 커플링, 접착 접합과 마찬가지로 용접도 영구 접합 공정의 하나입니다. 정의에 따르면 용접은 외부 압력, 열, 용가재의 적용 여부에 관계없이 두 개 이상의 고체 부품을 융합 형성에 의해 영구적으로 접합하는 공정입니다. 따라서 용접을 위한 열과 압력이 모두 필수적인 것은 아니며, 이들은 대체적으로 적용됩니다. 일부 용접 공정에서는 외부 열을 가하고, 다른 공정에서는 외부 압력을 가합니다. 이러한 근거로 용접 공정은 크게 용융 용접(Fusion Welding)과 고상 용접(Solid State Welding) 두 그룹으로 분류할 수 있습니다.

용융 용접(Fusion Welding)이란?

외부 열원에서 충분한 열을 가해 모재의 페이싱 면(faying surface)을 용융시켜 비드(bead)를 형성하는 모든 용접 공정을 용융 용접 공정이라 합니다. 이러한 공정에서는 일반적으로 압력이 필요하지 않습니다. 모든 아크 용접, 가스 용접, 저항 용접 공정이 여기에 속합니다. 참고로 모재 페이싱 면의 용융은 열의 직접적인 적용에 의한 것이며, 압력이나 마찰 등의 결과가 아닙니다.

고상 용접(Solid State Welding)이란?

반면 고상 용접 공정에서는 열을 직접 가하지 않고, 대신 대부분의 경우 충분한 압력을 가합니다. 압력의 결과로 접촉 구역에 열이 발생할 수 있으나, 일반적으로 이 온도는 모재의 용융점보다 훨씬 낮게 유지됩니다. 확산 용접, 단조 용접, 폭발 용접, 압력 용접, 마찰 용접 등이 이 범주에 속합니다.

용융 용접과 고상 용접의 주요 차이점 비교표

구분	용융 용접 (Fusion Welding)	고상 용접 (Solid State Welding)
페이싱 면 용융	모재의 페이싱 면이 용융되어 용접 비드 형성	용융 없음; 페이싱 면 온도가 모재 용융점 이하로 유지
열과 압력의 적용	외부에서 열 직접 가함; 압력은 보통 불필요	열 직접 가하지 않음; 대신 대부분의 경우 충분한 압력 가함
용가재 적용	필요 시 외부 용가재 쉽게 적용 가능	대부분 자동용접(autogenous) 방식; 용가재 적용 어려움
열영향부(HAZ)	높은 열 입력으로 인해 용접 비드 주변에 넓은 HAZ 존재	용융이 없어 HAZ가 좁음; 대부분 무시할 수준으로 용접 구조물에 문제 없음
기계적/야금적 특성 변화	강렬한 가열과 용융으로 다양한 특성이 크게 영향받음	기계적/야금적 특성이 심각하게 영향받지 않음
이종 금속 접합	용융 용접으로 이종 금속 접합이 비교적 용이	고상 용접으로 이종 금속 접합은 매우 어려움
변형(왜곡) 수준	과도한 열 입력으로 높은 변형 발생; 적절한 지그 필요	변형 수준이 낮아 보통 예방 조치 불필요
대표 공정 예시	모든 아크 용접, 가스 용접, 저항 용접, 고에너지 빔 용접	확산 용접, 압력 용접, 압연 용접, 냉간 용접, 마찰 용접, 단조 용접 등

상세 분석: 7가지 핵심 차이점

1. 페이싱 면의 용융 여부

이름에서 알 수 있듯 용융 용접에서는 모재의 페이싱 면을 용융시켜 비드 또는 융합을 만듭니다. 용가재를 사용하는 경우에도 용융되어 모재 용융 금속과 혼합됩니다. 반면 고상 용접에서는 어떠한 용융도 일어나지 않으며, 부품이 고체 상태에서 접합됩니다. 압력과 마찰의 동시 적용으로 모재 온도가 상승할 수 있으나, 항상 모재 용융점 이하로 유지되어 용융이 발생하지 않습니다. 이것이 두 용접 방식의 가장 근본적인 차이입니다.

2. 열과 압력의 적용 방식

용융 용접에서는 외부 열원이 필수적입니다. 열원 유형은 아크 용접의 전극 아크, 가스 용접의 산소-연료 가스 연소, 저항 용접의 전기 저항 열, 그리고 플라즈마/레이저/전자빔 용접(PAW, LBW, EBW)의 고에너지 빔 등 다양합니다. 고상 용접 공정은 일반적으로 압력 적용을 요구하며, 직접적인 열 가열은 원하지 않으나 압력, 마찰 등의 결과로 열이 발생할 수 있습니다.

3. 용가재 적용

용가재는 모재 간 루트 갭(root gap)을 메우기 위해 사용됩니다. 용가재 적용 여부와 조성에 따라 자동용접(autogenous), 동종 용접(homogeneous), 이종 용접(heterogeneous)으로 분류됩니다. 루트 갭이 매우 작으면 용가재가 불필요하며 이를 자동용접이라 합니다. 고상 용접은 주로 자동용접 모드로 수행됩니다. 용가재를 사용하되 그 조성이 모재와 유사하면 동종 용접, 다르면 이종 용접입니다. 용융 용접은 세 모드 모두 유리하게 수행 가능하나, 이종 모드에서는 각별한 주의와 최적 파라미터가 필요합니다.

4. 열영향부(HAZ)의 존재

열영향부(HAZ)는 용접 비드를 둘러싼 좁은 층으로, 용융되지는 않았으나 가열과 후속 냉각으로 인해 다양한 물리적/기계적 특성이 영향을 받은 영역입니다. HAZ는 기계적/화학적 파손에 취약한 약한 영역으로 간주됩니다. 용융 용접은 용융점 이상의 극한 가열로 인해 용접 비드 주변에 넓은 HAZ가 형성되는 반면, 고상 용접은 발생 열이 적어 좁은(때로는 무시할 만한) HAZ만 관찰됩니다.

5. 기계적/야금적 특성 변화

결정 입자 배향, 결정 구조, 원자 결함 등 다양한 야금적 특성이 용접 중 영향을 받습니다. 강도, 경도, 인성 등 기계적 특성도 야금적 변화의 결과로 영향을 받습니다. 이러한 변화는 주로 가열 및 냉각 수준과 연관됩니다. 용융 용접은 높은 열을 가하고 재료를 용융시키므로 다양한 특성을 극한 수준까지 변화시킬 수 있습니다. 반면 고상 용접으로 접합 시 이러한 변화는 미미하며 대부분 허용 범위 내에 있습니다.

6. 이종 금속 접합 능력

모든 접합 공정 중 용접의 가장 큰 장점 중 하나는 이종 재료의 누설 방지 및 건전한 접합이 가능하다는 점입니다. 그러나 모든 용접 공정이 이 목적에 적합한 것은 아닙니다. 이종 금속 접합은 본질적으로 이종 용접이므로, 일부 용융 용접 공정만 이 요구사항을 충족할 수 있으며 극도의 주의와 최적 공정 파라미터가 필요합니다. 고상 용접은 이종 금속 접합에 전혀 적합하지 않습니다.

7. 용접 구조물의 변형 수준

용접 중 불균일한 팽창과 수축으로 인해 조립 구조물이 다른 평면으로 변형되어 용접 결함이 발생합니다. 이러한 변형은 치수 부정확과 불량품을 초래합니다. 변형 경향은 열 입력 증가와 함께 커집니다. 적절한 지그를 사용하거나 스킵 용접, 역방향 프리셋팅 등 변형 최소화 기법을 채택하지 않으면, 열 입력이 더 큰 용융 용접 부품이 더 높은 변형을 보입니다.

대표 공정 예시 요약

• 용융 용접: 모든 아크 용접(MMAW, GMAW, TIG, SAW, FCAW, ESW 등), 가스 용접(OAW, OHW, AAW, PGW 등), 저항 용접(RSW, RSEW, PW, PEW, FW 등), 고에너지 빔 용접(PAW, LBM, EBW)
• 고상 용접: 확산 용접(DFW), 압력 용접(PW), 압연 용접(ROW), 냉간 용접(CW), 마찰 용접(FRW), 단조 용접(FOW) 등

참고 자료

1. Difference between fusion welding and solid state welding - difference.minaprem.com
2. Welding Defects - M. Preto (1st edition, Aracne)
3. Physical Chemistry of Fusion Welding - G. F. Deyev and D. G. Deyev (1st edition, DGD Press)