동 용접 전문 가이드: 기술, 팁 및 모범 사례

동 용접 방법

동 용접은 어렵지 않습니다. 이 용접에 필요한 열은 동일 두께 강철의 약 2배입니다. 동은 열전도율이 높습니다. 이 열 손실을 보상하기 위해 강철용보다 1~2 사이즈 큰 팁을 권장합니다.

두꺼운 대형 단면 용접 시 보조 가열이 권장됩니다. 이 공정은 기공이 적은 용접부를 생성합니다.

동은 약간 산화성 화염으로 용접할 수 있습니다. 용융 금속이 화염에 의해 형성된 산화막으로 보호되기 때문입니다. 플럭스로 용융 금속을 보호한다면 화염은 중성이어야 합니다. 산소-프리 동(탈산동봉)을 산소 함유 동 대신 가스 용접 조립에 사용해야 합니다. 로드는 모재와 동일 조성이어야 합니다.

동이란?

동은 부드러운 비철 금속으로 여러 용접 공정을 사용해 쉽게 구부리고, 자르고, 성형하고, 접합할 수 있습니다. 장식용 가정용품과 건축 자재로 자주 쓰이지만, 전기와 열의 우수한 전도체라 전기 산업에서 널리 쓰이며, 동관, 밸브, 기타 피팅은 배관에 흔히 사용됩니다.

연성과 가공성이 뛰어나 황동, 청동, 니켈-동 등 수백 가지 합금의 주성분으로 쓰입니다. 동 합금에 가장 흔히 쓰이는 합금 원소는 알루미늄, 니켈, 아연, 주석, 실리콘입니다.

순수 동은 너무 연해 기계 가공이 어렵기 때문에 소량의 타원소를 각종 합금에 첨가해 가공성을 높이고, 탈산, 내식성 향상, 기계적 특성 개선, 열처리 반응 개선을 도모합니다. 상업적으로 300가지 이상의 동 합금이 있습니다.

동 용접의 다양한 방법

동은 여러 방법으로 용접 가능하지만, 여기서는 동 용접법을 가르치는 이 글에서 가장 일반적인 기술만 다룹니다. 가스 금속 아크 용접(GMAW), 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 피복 아크 용접(MMAW)이 포함됩니다. 각 설명은 다음과 같습니다.

가스 금속 아크 용접 (GMAW/MIG)

MIG 용접이라고도 하는 GMAW는 SMAW 시스템을 따릅니다. 즉, 이 용접 기술의 필러 재료가 전극입니다.

하지만 두 방식에 차이가 있습니다. SMAW가 짧은 봉 여러 개를 소모성 전극으로 쓰는 반면, GMAW는 사용자 설정 속도로 연속 '와이어'를 용접 토치에 자동 공급합니다. 또한 차폐 가스 공급을 위한 조절 설정이 있습니다.

GMAW로 동을 용접할 때 ERCu 동 전극 사용을 권장합니다. 아우프하우저 탈산동(순도 98.5%) 사용도 권장됩니다. 이는 동 합금 또는 필러 재료입니다.

용접할 동 단면 두께가 필요한 가스 혼합물을 결정합니다. 일반적으로 6mm 이하 두께에는 아르곤을 사용합니다. 이를 초과하면 헬륨-아르곤 혼합물을 사용합니다. GMAW로 동 용접 시 좁은 위빙 또는 스트링거 비드로 필러 금속을 증착해야 하며, 스프레이 전이로 가능합니다.

가스 텅스텐 아크 용접 (GTAW/TIG)

TIG 용접이라고도 하는 GTAW는 대부분의 아크 용접 공정과 유사하게 동을 용접합니다. 즉, 전기로 아크를 생성해 동 모재와 필러 재료를 가열하고 녹입니다.

용융 풀을 식히고 고체화할 때 토치 팁에서 아르곤이나 헬륨 같은 차폐 가스를 공급해 대기 영향으로부터 보호합니다. GTAW는 많은 아크 용접 공정과 유사하지만, 소모성 전극으로 아크를 모재에 전달하는 아크 용접 방식과는 다릅니다.

대신 GTAW는 비소모성 전극을 사용해 필러 재료 유무와 관계없이 모재 간 용접 이음을 만듭니다. 또한 많은 다른 아크 용접 방식에서 필러 재료가 모재에 아크를 전달하는 전극 역할을 합니다.

그러나 GTAW에서는 별도 필러 와이어를 사용합니다. 또한 GTAW로 동을 용접할 때 필러 재료를 반드시 도입할 필요는 없습니다.

GTAW는 최대 16mm 두께 동 조각을 성공적으로 용접할 수 있습니다. 이 공정 권장 필러 와이어는 모재와 조성이 유사한 금속입니다. 1.6mm 이하 두께 동 단면에는 아르곤 차폐 가스를 선호합니다. 이 두께를 초과하는 공작물에는 헬륨-아르곤 혼합물을 사용합니다.

아르곤 대비 헬륨-아르곤 혼합물은 유사한 용접 전류에서 더 높은 이동 속도와 깊은 관통을 허용합니다. 헬륨의 좋은 관통 특성과 아르곤의 아크 안정성을 동시에 제공하기 위해 흔히 25%Ar/75%He 혼합물을 사용합니다. 마지막으로, 좁은 위빙이나 스트링거 비드로 이 공정을 수행할 때는 전진 용접(forehand welding)을 권장합니다.

피복 아크 용접 (MMAW/스틱)

이 방법은 주로 동과 동 합금의 수리 또는 유지보수 용접에 사용됩니다. 이 방법 권장 필러 재료는 ECuSn-C 전극입니다. 또 다른 권장사항은 스트링거 비드 기법으로 직류 전극 양극(DC+)을 사용하는 것입니다. 이 필러 재료 사용 시 MMAW 방법은 다음에 도움이 됩니다:

• 동을 다른 금속에 용접
• 얇은 동 조각 소규모 수리
• 접근 제한된 이음부 용접

이상이 동 용접에 쓰이는 세 가지 가장 일반적인 방법입니다. 이제 각 방법에 대한 기본 정보를 알았으니, 본인 필요와 수행 작업에 가장 적합한 기술/방법을 선택할 수 있습니다. 그러나 어떤 방법을 선택하든 효과적인 용접을 위해 따라야 할 기본 단계가 있습니다. 다음 섹션에서 이 단계들을 다룹니다.

동 용접의 핵심 단계

직접 동을 용접할 때 효과적으로 용접하기 위해 관련된 중요한 단계를 알아야 합니다. DIY 동 용접에는 11단계가 있습니다. 다음 순서대로 수행하면 매우 내구성 있는 동 용접을 만들 수 있습니다.

#1. 안전 확보

직접 동을 용접하려 할 때 가장 먼저 해야 할 일은 안전을 확보하는 것입니다. 어떤 금속을 용접하든 용접 시작 전 적절한 예방 조치를 취해야 합니다. 이를 소홀히 하면 부상 위험이 있습니다.

동 용접 전 취할 수 있는 예방 조치는 무엇인가요? 안전 장비 착용, 주변에 인화물질 없음 확인, 깨끗하거나 이물질 없는 구역에서 작업해야 합니다.

안전 예방 조치는 동 용접 시 특히 중요한데, 동은 전기의 극히 좋은 전도체라 맨손으로 다루면 감전될 수 있기 때문입니다.

감전 위험 외에도 동 용접은 유독 가스에 노출될 수 있습니다. 따라서 가죽 장갑과 안전 의복만으로 안전을 확보하지 말고, 호흡기 마스크와 눈 보호구도 안전 장비에 포함해야 합니다.

#2. 표면 준비

동 용접을 위한 표면 준비는 용접 시작 전 용접 구역을 그리스, 오일, 페인트, 먼지, 기타 이물질로부터 자유롭게 유지하는 것입니다. 왜 이러한 입자가 없는 구역이 필요할까요? 금속과 섞이면 용접이 균열될 수 있기 때문입니다. 또한 황, 인, 납 같은 유해 화학물질을 포함할 수 있습니다.

용접 구역뿐만 아니라 용접 전 동 자체도 세척해야 합니다. 용접 구역과 동을 어떻게 세척하나요? 청동 와이어 브러시와 적절한 세정제로. 먼저 와이어 브러시로 닦은 후 세정제로 탈지하세요. 또한 각 용접 패스 증착 후 와이어 브러시로 용접 중 형성된 산화막을 제거하세요.

#3. 예열

왜 용접 전 동을 예열해야 할까요? 이 금속은 열전도율이 높기 때문입니다. 특히 동 금속 두께가 0.01인치(0.25mm) 이상이면 중요합니다. 용접 필요한 모든 단면을 균일하게 예열해야 합니다.

동이 용접 이음부 열을 주변 모재로 빠르게 전도하므로 두꺼운 동 단면 용접에는 높은 예열이 필요합니다. 온도는 금속 두께에 따라 10~400℃(50~752℉) 범위입니다.

하지만 동 합금을 용접한다면 이 섹션을 건너뛸 수 있습니다. 이 경우 열확산도가 동보다 훨씬 낮기 때문입니다. 동(합금 아님)을 용접한다면 용도에 적합한 예열을 선택하세요. 동 모재 두께, 용접 공정, 용접물 전체 질량뿐만 아니라 용접 중인 동 자체에 특별한 주의를 기울여야 합니다.

위와 더불어 열을 가능한 한 국부 영역으로 제한하는 것도 중요합니다. 이는 너무 많은 소재가 연성 손실을 유발하는 온도 범위에 있지 않도록 보장하는 데 도움이 됩니다.

또한 이음부가 용접될 때까지 예열 온도를 유지해야 합니다. 용접을 시작하면 예열된 동 열이 소산되기 시작해 균열 위험이 낮아집니다.

#4. 이음부 설계 고려

동 용접을 효과적으로 수행하는 또 다른 중요한 단계는 이음부 설계 고려입니다. 무엇을 수반하나요? 첫째, 이음부 간 거리를 고려해야 합니다. 이상적으로 모재와 브레이징 합금에 기반한 특정 공차 내로 이 거리를 제어해야 합니다. 하지만 이음부 최적 간격은 0.04~0.20mm 사이입니다.

또 다른 중요한 고려사항은 이음부 겹침(overlap)입니다. 이상적인 이음부 겹침은 접합해야 할 가장 얇은 부분 두께의 최소 3배 이상이어야 합니다. 원하는 강도를 달성하기 위해 가능한 한 적은 재료를 사용하려 노력해야 합니다.

#5. 화염 조절

효과적인 동 용접을 원한다면 화염을 적절히 조절해야 합니다. 여기서 가장 좋은 방법은 중성 화염을 사용하는 것입니다. 중성 화염이란? 아세틸렌과 산소가 같은 비율로 같은 속도로 혼합되도록 조절된 화염입니다. 또 다른 중요한 점은 백색 내부 콘을 명확히 정의하고 헤이즈(haze)가 없도록 하는 것입니다.

#6. 플럭스 제거

플럭스를 사용했다면 다음 방법 중 하나로 잔여물을 반드시 제거해야 합니다:

• 와이어 브러시로 닦고 스팀 처리
• 와이어 브러시로 닦고 뜨거운 물로 헹굼
• 뜨거운 가성소다 욕에 담금

플럭스를 완전히 제거하지 않으면 이음부가 약해지거나 심지어 실패할 수 있습니다.

필러 재료 선택

올바른 필러 재료 선택은 동을 효과적으로 용접하는 가장 중요한 단계 중 하나입니다. 올바른 필러 재료 선택은 모재보다 강한 동 조각 용접에 도움이 됩니다. 동 용접에 가장 적합한 필러 재료는 금속의 내식성, 이음부에 요구되는 강도, 작동 온도, 비용에 따라 달라집니다.

최고의 결과를 위해 GMAW, GTAW, MMAW 중 어떤 방법을 쓰든 실리콘(Si) 또는 망간(Mn) 함유로 탈산제 역할을 하는 필러 금속을 선택해야 합니다.

동 용접 필러 재료로 가장 권장되고 흔히 쓰이는 것은 ErCu와 ErCuSi-A입니다. 전자는 주석(Sn)도 함유해 유동성을 돕습니다. 후자는 P-탈산 동 용접 시나 Si와 Mn을 탈산제로 함유한 경질 피치 동 용접 시 좋은 옵션입니다.

동 납땜

금속 접합에 사용된 초기 방법 중 하나인 납땜은 필러 금속(필러 와이어 형태)을 가열해 녹여 이음부를 채우는 방식입니다. 연납땜(soft soldering)이 가장 간단한 공정으로 가정에서 작은 금속 제품 수리에 흔히 쓰입니다. 배관공이 동관과 동 피팅 접합/수리에도 사용하는 방법입니다.

저렴한 납땜 인두나 적절한 플럭스를 쓴 블로토치로 연납땜 가능합니다. 경납땜(hard soldering)은 필러 재료를 훨씬 높은 온도로 가열하므로 다른 납땜 이음부보다 훨씬 강한 이음부가 됩니다.

필러 재료가 다르며 보통 은을 함유해 은 브레이징이라 불리기도 합니다. 하지만 진짜 브레이징은 더 높은 온도에서 수행됩니다.

동 브레이징

브레이징은 본질적으로 납땜과 유사한 기술로, 납땜에 쓰이는 같은 종류의 필러 재료(와이어나 브레이징 로드)를 사용합니다. 이음부는 매우 밀착되어야 모세관 현상이 필러 금속을 접합되는 동 조각 사이로 끌어당길 수 있습니다.

사용 온도는 납땜보다 상당히 높아야 하지만, 모재가 융점까지 가열되어서는 안 됩니다.

배관 작업에 광범위하게 사용되며, 이종 금속 접합이나 서로 다른 두께의 금속 공작물 접합에도 사용할 수 있습니다.