본질적으로 헬륨은 용접에서 용융 용접 풀을 오염으로부터 보호하는 진정한 불활성 분위기를 조성하는 데 사용됩니다. 헬륨은 화학적으로 비활성인 "비활성 기체" 계열에 속합니다. 이 불활성 보호막은 용융 금속이 주변 공기의 산소, 질소 및 수소와 반응하기 매우 쉽기 때문에 중요합니다. 이러한 반응은 완성된 용접부에 기공 및 취성과 같은 심각한 결함을 유발할 수 있습니다.
헬륨, 아르곤 또는 혼합물이든 모든 차폐 가스의 핵심 목적은 용접 영역에서 활성 대기 가스를 제거하는 것입니다. 헬륨을 특별히 사용하는 이유는 불활성 때문만이 아니라, 열, 속도 및 용접 아크의 용입을 제어하기 위한 고유한 열적 특성을 활용하기 위함입니다.
차폐 가스의 근본적인 역할
헬륨의 특정 역할을 이해하려면 먼저 대부분의 아크 용접 공정에서 차폐 가스가 필수적인 이유를 파악해야 합니다. 우리 주변의 대기는 용융 금속에 근본적으로 적대적입니다.
대기 오염 방지
우리가 숨 쉬는 공기는 대략 질소 78%, 산소 21%이며, 미량의 수증기 및 기타 가스를 포함합니다. 용접 아크의 고온에서 이러한 가스는 용융 용접 금속과 격렬하게 결합합니다.
이 반응은 산화물과 질화물을 생성하여 응력 하에서 파손될 수 있는 약하고 다공성이며 부서지기 쉬운 용접부를 만듭니다. 차폐 가스는 아크와 용접 풀 주위에 보호 기포를 형성하여 대기를 물리적으로 밀어냅니다.
용접 아크 안정화
차폐 가스는 수동적인 장벽이 아닙니다. 전기 아크가 흐르는 매개체입니다. 가스는 아크 내에서 이온화됩니다(플라즈마).
가스 자체의 화학적 및 물리적 특성(예: 이온화 용이성 및 열 전도성)은 아크의 안정성, 모양 및 온도에 직접적인 영향을 미칩니다. 이는 결국 최종 용접 품질을 결정합니다.
용접에서 "불활성"의 이해
"불활성"이라는 용어는 이 맥락에서 특정 의미를 가집니다. 일부 가스는 진정으로 불활성이지만, 다른 가스는 제어되고 때로는 유익한 반응성을 가집니다.
진정한 불활성 가스: 헬륨 및 아르곤
헬륨(He)과 아르곤(Ar)은 비활성 기체입니다. 이들은 어떤 용접 조건에서도 화학적으로 비활성입니다.
이들은 용접 아크나 용융 금속과 결합하지 않으므로 알루미늄, 마그네슘, 티타늄과 같은 고반응성 금속을 용접하는 유일한 선택입니다. 다른 유형의 가스를 사용하면 이러한 민감한 재료를 오염시킬 수 있습니다.
반불활성 또는 "활성" 가스
이산화탄소(CO2)와 같은 가스는 특히 강철 용접에 때때로 사용됩니다. 참고 문헌에서 정확히 지적했듯이 CO2는 진정으로 불활성이 아니며 아크와 반응할 수 있습니다.
아크의 강렬한 열에서 CO2는 분해되어 소량의 산소를 방출할 수 있습니다. 탄소강의 경우 이러한 미미한 반응성은 실제로 유익하여 아크 안정성과 용접 풀의 유동성을 개선하여 더 나은 모양의 용접 비드를 만들 수 있습니다.
헬륨의 독특한 특성
아르곤과 헬륨이 모두 불활성이라면 헬륨을 사용하기로 결정하는 것은 주로 높은 열전도율과 같은 헬륨의 독특한 물리적 특성 때문입니다.
더 뜨겁고 넓은 아크 생성
헬륨은 아르곤보다 훨씬 효율적으로 열을 전달합니다. 이는 더 뜨겁고 넓은 용접 아크를 생성합니다.
이러한 특성은 작업물에 더 많은 에너지를 효율적으로 전달해야 할 때 상당한 이점입니다.
더 깊은 용입 및 더 빠른 속도
헬륨이 생성하는 더 뜨거운 아크는 모재에 훨씬 더 깊은 용입을 가능하게 합니다. 또한 금속이 더 빨리 녹기 때문에 더 빠른 용접 속도를 가능하게 합니다.
이로 인해 헬륨 또는 헬륨-아르곤 혼합물은 두꺼운 금속 단면, 특히 열을 빠르게 방출하는 알루미늄 및 구리와 같은 고전도성 재료를 용접하는 데 선호되는 선택입니다.
장단점 이해
헬륨을 선택하는 것은 주로 비용 및 취급과 관련된 상당한 장단점을 수반하는 엔지니어링 결정입니다.
헬륨의 높은 비용
헬륨은 유한한 자원이며 아르곤보다 훨씬 비쌉니다. 가격은 주요 요인이 될 수 있으며, 성능 이점이 절대적으로 필요한 응용 분야로 사용이 제한됩니다.
더 높은 유량 필요
헬륨은 공기보다 훨씬 가볍고 아르곤보다도 가볍습니다. 동일한 수준의 차폐 범위를 제공하려면 더 높은 가스 유량이 필요합니다.
이는 가스 1세제곱피트당 더 많은 비용을 지불할 뿐만 아니라 더 많은 양을 사용해야 하므로 운영 비용이 더욱 증가합니다.
아크 시작 및 안정성
헬륨은 이온화 전위가 높기 때문에 아르곤에 비해 순수 헬륨에서 아크를 시작하기가 더 어려울 수 있습니다. 결과적인 아크는 특히 낮은 전류에서 덜 안정적일 수 있으므로 매우 얇은 재료를 용접하는 데 덜 적합합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
차폐 가스 선택은 야금 요구 사항, 원하는 성능 및 경제적 현실 사이의 균형입니다.
- 알루미늄 또는 티타늄과 같은 반응성 비철금속 용접에 주로 초점을 맞춘다면: 안정적인 아크와 탁월한 제어를 위해 순수 아르곤으로 시작하되, 두꺼운 단면에 더 많은 열 입력이 필요할 때 헬륨을 혼합하십시오.
- 두꺼운 재료에 고속 또는 깊은 용입 용접에 주로 초점을 맞춘다면: 높은 헬륨 함량 혼합물(예: 헬륨 75% / 아르곤 25%)은 열 성능을 위한 우수한 기술적 선택입니다.
- 탄소강의 비용 효율적인 용접에 주로 초점을 맞춘다면: 아르곤/CO2 혼합물 또는 순수 CO2는 거의 항상 올바른 선택입니다. 이는 비용의 일부로 탁월한 결과를 제공합니다.
궁극적으로 차폐 가스 선택은 용접 작업의 품질, 속도 및 비용을 직접 제어하는 중요한 변수입니다.
요약표:
| 속성 | 헬륨 | 아르곤 |
|---|---|---|
| 화학적 불활성 | 진정한 불활성 (비활성 기체) | 진정한 불활성 (비활성 기체) |
| 열전도율 | 높음 | 낮음 |
| 아크 특성 | 더 뜨겁고 넓은 아크 | 더 안정적이고 좁은 아크 |
| 주요 이점 | 두꺼운 재료에 깊은 용입, 빠른 속도 | 탁월한 제어, 얇은 재료에 이상적 |
| 비용 | 높음 | 낮음 |
올바른 차폐 가스로 용접 공정 최적화
올바른 차폐 가스를 선택하는 것은 용접 품질, 속도 및 비용 효율성에 매우 중요합니다. 알루미늄 및 티타늄과 같은 반응성 금속을 다루거나 두꺼운 단면에 높은 용입이 필요한 경우, 올바른 가스 혼합물이 모든 차이를 만듭니다.
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