용접 화염 이해: 중성, 탄화, 산화 화염 종류

오늘은 가스 용접에 사용되는 용접 화염의 종류를 알아보겠습니다. 이전 글에서 가스 용접을 다뤘습니다. 이 공정에서는 연료 가스를 연소시켜 고온 화염을 만들고, 이를 용접 이음부 생성에 이용합니다.

화염은 용접 이음부 형성에 주도적 역할을 하며, 용접 물성은 화염에 크게 의존합니다. 화염은 중성 화염, 탄화 화염, 산화 화염 세 가지로 나뉩니다. 중성 화염은 연료와 산소의 동기화된 혼합, 탄화 화염은 연료 과다, 산화 화염은 산소 과다 상태입니다. 소재와 용접 조건에 따라 다른 화염을 사용합니다.

용접 화염이란?

용접 화염은 금속이나 열가소성을 가열하여 식으면서 융합시키는 데 사용됩니다. 대부분 가스 용접 공정은 산소-연료 용접을 사용합니다. 1903년 처음 개발된 가장 오래된 용접 공정 중 하나입니다. 산소-연료 용접(산소-아세틸렌 용접이라고도 함)에서는 아세틸렌 같은 액체 연료나 가스를 사용하며, 산소와 혼합해 화염 온도를 높입니다.

토치에는 가스 탱크와 연결된 호스가 있습니다. 용접을 시작할 준비가 되면 밸브를 열고 토치에서 나오는 가스를 점화합니다. 그런 다음 밸브를 조절해 각 가스의 유량을 조정하고 가스 비율을 바꿉니다.

각 화염에는 콘(cone)이라 불리는 여러 구역이 있습니다. 내부 콘이 화염의 가장 뜨거운 부분으로, 아세틸렌과 산소가 결합하는 곳입니다. 외부 콘은 주변 공기에서 산소를 더 많이 얻으므로 더 차갑습니다. 외부 엔벨로프 또는 시스(외피)라고도 부릅니다.

용접 화염의 종류

세 가지 화염 유형이 있습니다: 중성 화염, 탄화 화염, 산화 화염.

• 중성 화염은 부피 기준 연료와 산소의 동기화된 혼합을 가집니다.
• 탄화 화염은 연료가 더 많습니다.
• 산화 화염은 산소가 더 많습니다.

알다시피 세 가지 기본 용접 화염은 다음과 같습니다.

1. 중성 화염

이름 그대로 부피 기준 산소와 연료 가스량이 동일합니다. 이 화염은 연료를 완전 연소시키며 용접할 금속에 화학적 영향을 주지 않습니다. 주로 연강, 스테인리스강, 주철 등에 사용됩니다. 연기가 적게 발생합니다.

이 화염은 두 구역으로 나뉩니다. 내부 구역은 백색이며 온도는 약 3100℃, 외부 구역은 청색이며 약 1275℃입니다.

2. 탄화 화염

연료 가스가 과다한 화염입니다. 이 화염은 금속과 화학 반응하여 금속 탄화물을 생성합니다. 따라서 탄소를 흡수하는 금속에는 사용하지 않습니다. 연기가 나고 조용한 화염입니다. 세 구역으로 구성됩니다.

내부 구역은 백색, 중간 구역은 적색, 외부 콘은 청색입니다. 내부 콘 온도는 약 2900℃입니다. 이 화염은 중탄소강, 니켈 등에 사용됩니다.

3. 산화 화염

중성 화염에서 아세틸렌 양이 줄거나 산소 양이 늘면 내부 콘이 사라지는 경향이 있으며, 이때 얻는 화염을 산화 화염이라 합니다. 중성 화염보다 뜨겁고 명확한 두 구역을 가집니다.

내부 구역은 매우 밝은 백색이며 약 3300℃, 외부 화염은 청색입니다. 이 화염은 황동, 청동 등 무산소 구리 합금 용접에 사용됩니다.

이상적인 화염을 위한 가스 선택

논의한 가스 용접 화염 생성에 가장 흔히 쓰이는 가스는 아세틸렌이지만 유일한 옵션은 아닙니다. MAPP 가스와 수소가 대안으로 거론됩니다. 아세틸렌은 탄소 원자를 독특하게 결합하는 '삼중 결합'을 가집니다.

다른 가스들은 발화 온도에 도달하면 결합이 끊어지며 에너지를 흡수합니다. 하지만 아세틸렌은 결합이 끊어질 때 에너지를 방출합니다. 이 덕분에 아세틸렌이 더 높은 온도를 달성할 수 있습니다.

다른 가스들에 비해 아세틸렌은 산화 특성도 적습니다. 하지만 쉽게 발화합니다. MAPP는 더 안전한 대안으로 개발되었습니다. MAPP 가스는 프로판과 아세틸렌을 결합한 액화 석유 가스입니다. 표준 아세틸렌보다 작은 용기에 운반 가능하고, 발화 온도가 높으며, 훨씬 높은 압력에서 작동합니다.

MAPP의 단점은 온도입니다. MAPP로 생성되는 화염은 아세틸렌 화염보다 온도가 낮습니다. 대부분 강철에는 적합하지 않지만 알루미늄에는 잘 맞을 수 있습니다. 수소도 알루미늄 용접에 용이합니다. MAPP와 마찬가지로 수소 화염은 온도가 낮고 높은 압력에서 작동합니다.

알루미늄 용접이 아니라면 아세틸렌을 사용하세요. 낮은 온도와 증발율 때문에 MAPP와 수소는 경금속을 제대로 융합하지 못합니다. 가스 용접에는 최선이 아니지만, 가스 절단용으로는 인기 있는 옵션이 되었습니다. 고압 토치와 함께 쓰면 MAPP와 수소는 더 깨끗한 절단을 제공합니다.

낮은 온도는 MAPP와 수소를 가열, 벤딩, 브레이징 용도로 흔히 쓰이게 합니다.

산소-아세틸렌 화염 생성을 위한 일반적인 비율

중성 가스 용접 화염은 산소와 가스의 동일 혼합입니다. 탄화 화염은 산소가 적고, 산화 화염은 산소가 많습니다. 그렇다면 비율을 어떻게 정할까요?

어떤 프로젝트든 중성 화염부터 시작하세요. 탄화 화염과 산화 화염은 중성 화염을 만든 후 아세틸렌이나 산소 방출량을 늘려 만듭니다.

다음은 각 화염의 산소 대 아세틸렌 대표적 비율입니다:

• 탄화 화염: 0.8 ~ 1.0
• 중성 화염: 1.0
• 산화 화염: 1.0 ~ 2.5

아세틸렌 유량을 늘리면 내부 콘에서 깃털(feather)이 뻗어 나옵니다. 깃털 길이는 내부 콘 길이의 2~3배가 적당합니다. 가스가 완전 연소되지 않게 하면 온도도 낮아집니다.

산화 화염이 필요하면 아세틸렌 대신 산소 유량을 늘립니다. 여분의 산소가 산화 효과를 내고 연소를 가속화해 온도를 높입니다.

가스 용접용 중성 화염 만들기

중성 화염은 다른 화염 생성의 출발점이므로, 가장 먼저 배우는 화염입니다. 레귤레이터를 조정하여 시작합니다. 산소 실린더와 아세틸렌 실린더 각각에 두 개의 게이지가 있는 레귤레이터가 있습니다. 하나는 잔여 압력, 다른 하나는 작업 압력을 표시합니다.

레귤레이터 나사를 돌려 작업 압력을 조절해 산소나 가스 유량을 증감시킵니다. 토치에 점화하기 전 레귤레이터 정면에서 벗어나 서서 산소 실린더를 천천히 연 후 아세틸렌 실린더를 엽니다. 레귤레이터 나사로 압력 설정을 조정합니다.

레귤레이터 압력 설정 후 토치에 점화하고 조정합니다. 아세틸렌 밸브를 1/4 회전 열고 점화합니다. 산소 밸브를 천천히 열어 세 개의 뚜렷한 구역이 보일 때까지 엽니다. 내부 콘, 깃털 모양 아세틸렌 콘, 외부 엔벨로프가 보여야 합니다. 깃털이 내부 콘 속으로 사라질 때까지 산소 밸브를 천천히 더 엽니다. 이제 중성 화염이 되었습니다.

탄화 화염을 만들려면 아세틸렌 실린더 밸브를 천천히 열어 깃털이 내부 콘 길이의 2~3배가 되게 합니다. 산화 화염을 만들려면 산소 유량을 늘려 내부 콘이 원래 크기의 1/4 정도가 되게 합니다. 특유의 쉭쉭 소리도 들립니다.