용접 화염 이해하기: 중성, 탄화, 산화 화염

오늘은 가스 용접에 사용되는 용접 화염의 종류에 대해 알아보겠습니다. 이전 게시물에서 가스 용접을 다뤘습니다. 이 용접 공정에서는 가스와 연료를 연소시켜 고온 화염을 생성하고, 이를 이용해 용접 조인트를 만듭니다.

화염은 용접 조인트 생성에 주도적인 역할을 하며, 용접 특성은 화염에 크게 의존합니다. 화염에는 중성 화염, 탄화 화염, 산화 화염 세 가지 유형이 있습니다. 중성 화염은 연료와 산소의 동기화된 혼합, 탄화 화염은 연료 과다, 산화 화염은 산소 과다입니다. 용접 조건에 따라 다른 재료에 다른 화염을 사용합니다.

용접 화염이란?

용접 화염은 금속이나 열가소성 수지를 가열하여 냉각되면서 융합시키는 데 사용됩니다. 대부분의 가스 용접 공정은 산소연료 용접을 사용합니다. 1903년 처음 개발된 가장 오래된 용접 공정 중 하나입니다. 산소연료 용접(산소-아세틸렌 용접이라고도 함)에서는 아세틸렌 같은 액체 연료나 가스가 필요합니다. 가스는 산소와 결합되어 화염 온도를 높입니다.

토치에는 가스 탱크에 연결된 호스가 있습니다. 용접을 시작할 준비가 되면 밸브를 열고 토치에서 나오는 가스를 점화합니다. 그런 다음 밸브를 조절하여 각 가스의 유량을 조절하고 가스 비율을 변경할 수 있습니다.

각 화염에는 콘(Cone)이라고 불리는 여러 구역이 있습니다. 내부 콘은 화염의 가장 뜨거운 부분입니다. 이곳에서 아세틸렌과 산소가 결합합니다. 외부 콘은 주변 공기에서 더 많은 산소를 얻기 때문에 더 차갑습니다. 외부 엔벨로프(Envelope) 또는 시스(Sheath)라고도 합니다.

용접 화염의 종류

세 가지 유형의 화염이 있습니다: 중성 화염, 탄화 화염, 산화 화염.

• 중성 화염(Natural flame) 은 부피 기준 연료와 산소의 동기화된 혼합을 가집니다.
• 탄화 화염(Carburizing flame) 은 연료가 더 많습니다.
• 산화 화염(Oxidizing flame)은 산소가 더 많습니다.

알다시피 세 가지 기본 용접 화염이 있습니다. 이들은 다음과 같습니다.

1. 중성 화염 (Natural Flame)

이름에서 알 수 있듯이 이 화염은 부피 기준으로 산소와 연료 가스가 같은 양입니다. 이 화염은 연료를 완전히 연소시키며 용접할 금속에 화학적 영향을 주지 않습니다. 주로 연강, 스테인리스강, 주철 등에 사용됩니다. 연기가 적게 발생합니다.

이 화염은 두 구역이 있습니다. 내부 구역은 흰색이며 약 3100°C, 외부 구역은 파란색이며 약 1275°C입니다.

2. 탄화 화염 (Carburizing Flame)

이 화염은 연료 가스가 과다합니다. 이 화염은 금속과 화학적으로 반응하여 금속 탄화물을 형성합니다. 이 때문에 탄소를 흡수하는 금속에는 사용하지 않습니다. 연기가 나고 조용한 화염입니다. 이 화염은 세 영역이 있습니다.

내부 구역은 흰색, 중간 구역은 붉은색, 외부 콘은 파란색입니다. 내부 콘 온도는 약 2900°C입니다. 이 화염은 중탄소강, 니켈 등을 용접하는 데 사용됩니다.

3. 산화 화염 (Oxidizing Flame)

중성 화염에서 아세틸렌 양이 줄어들거나 산소 양이 증가하면 내부 콘이 사라지는 경향이 있으며, 이때 얻는 화염을 산화 화염이라 합니다. 중성 화염보다 더 뜨겁고 명확히 정의된 두 구역이 있습니다.

내부 구역은 매우 밝은 흰색이며 약 3300°C입니다. 외부 화염은 파란색입니다. 이 화염은 황동, 청동 등 무산동 합금 용접에 사용됩니다.

이상적인 화염을 위해 어떤 가스를 사용해야 할까?

아세틸렌은 논의된 가스 용접 화염 유형을 생성하는 데 가장 많이 사용되는 가스지만 유일한 옵션은 아닙니다. MAPP 가스와 수소가 아세틸렌 대안으로 종종 거론됩니다. 아세틸렌은 탄소 원자를 독특하게 결합하는 '삼중 결합'을 가집니다.

다른 가스들이 발화 온도에 도달하면 결합이 끊어지고 에너지를 흡수합니다. 아세틸렌에서 결합이 끊어지면 에너지를 방출합니다. 이로 인해 아세틸렌이 더 높은 온도를 달성할 수 있습니다.

다른 가스들과 비교해 아세틸렌은 산화 특성도 더 적습니다. 그러나 쉽게 발화하기도 합니다. MAPP는 더 안전한 옵션으로 개발되었습니다. MAPP 가스는 프로판과 아세틸렌이 결합된 액화 석유 가스입니다. 표준 아세틸렌보다 작은 용기에 운반 가능하며, 발화 온도가 더 높고 훨씬 높은 압력에서 작동합니다.

MAPP의 단점은 온도입니다. MAPP로 생성되는 화염은 아세틸렌 화염보다 낮은 온도에 도달합니다. 대부분의 강철에는 적합하지 않지만 알루미늄에는 잘 작동할 수 있습니다. 수소도 알루미늄을 쉽게 용접하는 또 다른 가스입니다. MAPP와 마찬가지로 수소 화염은 낮은 온도에 도달하고 높은 압력에서 작동합니다.

알루미늄 용접 계획이 없다면 아세틸렌을 사용하십시오. 낮은 온도와 증발 속도로 인해 MAPP와 수소는 더 단단한 금속을 제대로 융합하지 못합니다. MAPP와 수소는 가스 용접에는 최선의 선택이 아니지만, 가스 절단에는 인기 있는 옵션이 되었습니다. 고압 토치와 함께 사용하면 MAPP와 수소가 더 깨끗한 절단을 제공합니다.

낮은 온도는 MAPP와 수소를 가열, 벤딩, 브레이징의 일반적인 선택으로 만듭니다.

산소-아세틸렌 화염 생성을 위한 일반적인 비율

중성 가스 용접 화염은 산소와 가스의 균등 혼합입니다. 탄화 화염은 산소가 적고 산화 화염은 산소가 더 많습니다. 그렇다면 비율을 어떻게 결정할까요?

어떤 프로젝트든 중성 화염으로 시작하십시오. 탄화 화염과 산화 화염은 중성 화염 달성 후 아세틸렌 또는 산소 방출을 증가시켜 생성합니다.

다음은 각 화염에 대한 산소 대 아세틸렌의 일반적인 비율 목록입니다:

• 탄화 화염: 0.8 ~ 1.0
• 중성 화염: 1.0 (기준)
• 산화 화염: 1.0 ~ 2.5

아세틸렌 유량을 증가시키면 내부 콘에서 깃털(Feather)이 뻗어 나옵니다. 깃털은 내부 콘 길이의 약 2~3배까지 도달해야 합니다. 가스가 완전히 연소되지 않게 하면 온도도 낮아집니다.

산화 화염이 필요하면 아세틸렌 유량 대신 산소 유량을 증가시킵니다. 추가 산소는 산화 효과를 생성하고 가스가 더 빨리 연소되게 하여 더 높은 온도를 만듭니다.

가스 용접을 위해 중성 화염을 어떻게 만드는가?

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

레귤레이터의 나사를 조정하여 작업 압력을 조절하면 산소 또는 가스 유량을 증가 또는 감소시킬 수 있습니다. 토치에 점화하기 전, 레귤레이터 앞쪽에서 물러나 서서 산소 실린더를 천천히 연 다음 아세틸렌 실린더를 엽니다. 레귤레이터 나사를 돌려 압력 설정을 조정합니다.

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

탄화 화염을 만들려면 아세틸렌 실린더 밸브를 천천히 열어 깃털이 내부 콘 길이의 2~3배가 될 때까지 엽니다. 산화 화염을 만들려면 산소 유량을 증가시켜 내부 콘이 원래 크기의 약 1/4이 될 때까지 만듭니다. 또한 뚜렷한 휘파람 소리도 들릴 것입니다.