스프레이 용접 설명: 공정, 기술 및 안전 지침

스프레이 용접이란?

스프레이 용접은 열분사 형태의 여러 용접 공정을 지칭합니다. 분말 또는 와이어를 압축 가스로 고속 분무하여 금속 표면에 분사하는 산업 활동입니다.

스프레이 용접에는 산업용 플라즈마, 화염, 폭발 건, 아크 분사, 고속 산소연료가 사용됩니다. 스패터 용접으로 인한 상당한 열 발생으로 인해 사람과 환경에 해를 끼치지 않도록 절차와 규정을 신중하고 일관되게 따라야 합니다.

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스프레이 용접 작동 원리

열분사는 여러 코팅 공정을 나타내는 일반적인 용어입니다. 전체 용접은 코팅 재료(봉, 분말, 와이어 등)를 다양한 에너지원으로 녹이는 것을 포함합니다.

간단히 말해, 열원과 용융된 코팅 재료 방울이 고속으로 분사되는 산업 코팅 공정으로 정의할 수 있습니다. 분사는 분무 제트 또는 가스에 의해 기판을 향해 추진됩니다.

열분사는 상당히 다재다능한 공정으로 높은 효율성으로 알려져 있습니다. 열처리 또는 질화 처리, 크롬/니켈 도금, 아노다이징 등 여러 표면 처리의 좋은 대안이 될 수 있습니다.

코팅 두께는 개별 선호도에 따라 다릅니다. 코팅은 마모된 부품과 기본 기계 부품을 수리합니다. 또한 요소의 성능과 내구성을 향상시키기 위해 적용할 수 있습니다. 잘 관리하면 최대 70% 더 오래 지속될 수 있습니다.

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다양한 스프레이 용접 기술 유형

1. 스프레이 아크 용접

스프레이 아크 용접은 필러 와이어 직경보다 작은 수많은 작은 방울 형태로 용융 물질을 전달하는 방법 중 하나입니다. 단락이 없어 아크가 안정적이고 스패터가 없습니다.

성공적인 스프레이 아크 용접의 전제 조건은 전류와 전압 값이 특정 한계 이상이어야 한다는 것입니다. 결과적으로 단락 아크 용접보다 공작물에 더 많은 열이 공급되며, 5mm 이상 두께의 소재만 스프레이 아크 용접에 적합합니다.

높은 열 입력으로 용융 풀도 커서 용접은 수평 위치에서 수행해야 합니다. CO2를 보호 가스로 사용할 때 순수 스프레이 아크를 달성할 수 없음에 유의해야 합니다.

보호 가스는 순수 아르곤이어야 하며, 소량의 CO2(최대 25%) 또는 O2가 포함된 것이 바람직합니다. 보호 가스가 주로 아르곤인 알루미늄 및 스테인리스강 MIG 용접에 특히 적합합니다.

스프레이 아크 용접은 두꺼운 필러 와이어보다 얇은 필러 와이어로 더 낮은 전류에서 성공적으로 수행할 수 있습니다.

아크 전압은 단락 없는 아크를 유지할 만큼 충분히 높게 설정해야 합니다. 필러 와이어는 보통 양극에 연결됩니다.

장점

스프레이 아크 용접은 매우 효율적인 공정입니다. 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 높은 증착율
• 좋은 융합과 관통
• 용접 외관 양호
• 더 큰 직경 전극 와이어 사용 가능
• 스패터가 거의 없음

한계

스프레이 아크 용접의 한계는 다음과 같습니다.

• 1/8인치(3mm) 두께 이상 소재에만 사용 가능(핸드헬드)
• 평면 및 수평 필렛 용접 자세로 제한됨
• 오픈 루트 기능이 없으므로 항상 좋은 맞물림(Fit-up) 필요

2. 화염 분사 공정

화염 분사는 산소/아세틸렌 연소 분사라고도 하며, 약 100년 전에 개발된 최초의 열분사 기술입니다. 용접 토치의 기본 원리에 고속 공기 흐름을 추가하여 용융 입자를 기판으로 추진합니다.

코팅 재료는 와이어 또는 분말 형태일 수 있습니다. 화염 분사 코팅은 적용 후 종종 용융되어 접착력과 코팅 밀도를 향상시킵니다.

장점

• 높은 증착율
• 낮은 표면 가열
• 다용성
• 공정이 간단하고 사용자 친화적

단점

• 상대적으로 낮은 접착력
• 가열 효율 증가
• 융점 2,800°C 초과 금속과 호환되지 않음

3. 고속 산소연료(HVOF)

HVOF(고속 산소-연료) 공정은 프로판, 프로필렌, 수소 등 선택된 가연성 가스와 산소를 연소시킵니다. HVOF 시스템은 연소 기본 원리를 사용하지만, 분사 건은 표준 산소-연료 분사 건과 다르게 설계되었습니다.

HVOF 건의 차이는 더 높은 화염 온도와 더 높은 속도를 생성합니다. 결과는 더 완전히 용융된 분말과 코팅 재료의 용융 입자를 '평평하게' 만들기 위한 더 많은 운동 에너지입니다. HVOF 공정은 우수한 결합 강도와 코팅 밀도를 생성합니다.

HVOF 공정은 텅스텐 카바이드, 크롬 카바이드 등 고융점 금속 및 금속 합금 증착에 가장 일반적으로 사용됩니다.

장점

• 두꺼운 코팅에 매우 적합
• 낮은 기공률
• 높은 접착력
• 화염 분사나 플라즈마보다 더 많은 탄화물 유지

단점

• 최대 130dB의 소음으로 상대적으로 시끄러움
• 낮은 증착율
• 약간 비쌈

4. 플라즈마 분사 공정(PTA)

플라즈마 분사 공정(비전이 아크)은 전극을 지나 불활성 가스를 공급하여 가스의 '플라즈마' 상태를 유도합니다. 가스가 건 장치 노즐을 빠져나가 정상 상태로 돌아가면 엄청난 양의 열이 방출됩니다.

분말 코팅 재료가 플라즈마 '화염'에 주입되어 기판으로 추진됩니다.

세라믹 코팅은 높은 융점(종종 >3500°F)으로 인해 플라즈마 분사로 가장 자주 적용됩니다. 여러 유형의 세라믹 코팅을 플라즈마 분사로 적용할 수 있습니다.

장점

• 적용이 용이함
• 서멧 입자가 더 큼
• 내마모성
• 매우 낮거나 제로 기공률
• 두꺼운 코팅
• GTAW 대비 낮은 기판 가열

단점

• 분사 재료의 높은 산화
• 1mm 이하 얇은 층 얻기 어려움

5. 폭발 분사(Detonation Spraying)

폭발 분사는 구성 요소의 표면 특성을 변경하여 내구성을 향상시키기 위해 초음속 속도로 보호 코팅을 적용하는 데 사용되는 열분사 기술의 여러 형태 중 하나입니다. 이는 1955년 H.B. Sargent, R.M. Poorman, H. Lamprey에 의해 처음 발명되었으며, 특별히 설계된 폭발 건(D-gun)을 사용하여 구성 요소에 적용됩니다. 분사되는 구성 요소는 표면 오일, 그리스, 이물질을 제거하고 표면을 거칠게 하여 강력하게 결합된 폭발 분사 코팅을 달성할 수 있도록 올바르게 준비되어야 합니다.

이 공정은 모든 열분사 기술 중 가장 높은 속도(≈3500 m/s 충격파가 코팅 재료 추진)와 온도(≈4000°C)의 코팅 재료를 포함합니다.

이는 폭발 분사가 낮은 다공성(1% 미만)과 낮은 산소 함량(0.1~0.5% 사이)의 보호 코팅을 적용하여 부식, 마모, 저하중 하 접착으로부터 보호할 수 있음을 의미합니다.

이 공정은 내마모성 코팅으로 유용한 매우 단단하고 치밀한 표면 코팅 적용을 가능하게 합니다. 이 이유로 폭발 분사는 항공기 엔진, 플러그 및 링 게이지, 절삭 날(스키빙 나이프), 튜블러 드릴, 로터 및 스테이터 블레이드, 가이드 레일, 또는 고마모가 발생하는 기타 금속 재료의 보호 코팅에 흔히 사용됩니다.

폭발 분사 중 구성 요소에 분사되는 일반적인 재료는 금속, 금속 합금, 서멧 및 그 산화물(알루미늄, 구리, 철 등)의 분말입니다.

폭발 분사는 올바르고 안전한 환경에서 수행되지 않으면 위험할 수 있는 산업 공정입니다. 따라서 이 열분사 기술을 사용할 때 준수해야 할 많은 안전 예방 조치가 있습니다.

6. 콜드 분사 공정

콜드 분사(CS)는 코팅 증착 방법입니다. 고체 분말(직경 1~50 마이크로미터)이 초음속 가스 제트에서 최대 약 1200 m/s 속도로 가속됩니다. 기판과의 충격 시 입자는 소성 변형을 겪으며 표면에 부착됩니다.

균일한 두께를 위해 분사 노즐을 기판을 따라 스캔합니다. 금속, 폴리머, 세라믹, 복합 재료, 나노결정 분말을 콜드 분사로 증착할 수 있습니다.

가스 팽창에 의해 공급되는 입자의 운동 에너지는 결합 시 소성 변형 에너지로 변환됩니다. 플라즈마 분사, 아크 분사, 화염 분사, 고속 산소 연료(HVOF) 등 열분사 기술과 달리 분말은 분사 공정 중에 녹지 않습니다.

스프레이 용접의 장점

• 스프레이 용접은 매끄러운 용접을 보장
• 높은 관통력으로 3/16인치 이상 두꺼운 금속에 적합
• 높은 용접 증착율로 생산성 향상
• 스패터가 거의 없음
• 저렴함: 저렴한 재료 사용 및 스프레이로 강화
• 스프레이 용접은 다용성, 대부분의 금속, 세라믹, 플라스틱 분사 가능
• 다양한 두께에서 작동
• 빠른 처리 속도: 공정에 따라 3~60 lb/시간 분사 시간

스프레이 용접의 단점

• 분사용 특수 용접사 교육 필요
• 가스 비용이 더 높음(아르곤 농도 증가로 >85%)
• 평면 자세 및 수평 필렛에만 권장
• 높은 열로 용접사 불편함 유발 가능
• 특히 용접 가장자리에서 언더컷팅 가능성
• 코팅은 기계적으로 결합되며 야금학적으로는 결합되지 않음
• 시선 직선 공정(Line of sight process)
• 국부 하중(Pinpoint loading)에 대한 코팅 저항 낮음

자주 묻는 질문

스프레이 용접이란?

스프레이 용접은 열분사 형태의 여러 용접 절차를 분류하는 용어입니다. 압축 가스로 고속에서 분말 또는 와이어를 분무 및 분사하여 금속 표면에 도포하는 산업 활동입니다.

스프레이 아크 용접이란?

스프레이 아크 용접은 필러 와이어 직경보다 작은 수많은 작은 방울 형태로 용융 물질을 전달하는 방법 중 하나입니다. 단락이 없어 아크가 안정적이고 스패터가 없습니다.

스프레이 아크를 어떻게 설정하나요?

더 높은 생산 속도를 위해 스프레이 전송 사용. 80% 이상 아르곤 혼합 시 전압을 23-4볼트로 시작. 와이어 피드 속도 약 300-400인치로 전류 설정. 다시 와이어 피드 속도 증가/감소하여 150암페어 도달.

스프레이 용접으로 얼마나 두껍게 할 수 있나요?

열분사는 다른 코팅 공정(전기도금, 물리/화학적 기상 증착)에 비해 넓은 영역에 높은 증착율로 두꺼운 코팅(약 20미크론~수 mm 두께 범위, 공정과 피드스톡에 따라 다름)을 제공할 수 있습니다.