테르밋 반응과 용접, 그리고 여러 용접들의 종류와 과학적 특징 (1차)

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보고서 쓴 이유

과학 발표 수행을 준비하는 과정에서 테르밋 반응과 테르밋 용접에 대해 알아가면서 건설 현장, 조선업에서뿐만 아니라 실생활에서 어떠한 용접이 사용될지 궁금해졌기 때문이다.

  • 서론

1)테르밋 반응

테르밋 반응에서 테르밋이란 1893년 독일의 과학자 한스 골드슈미트(Hans Goldschmidt)에 의해 발견된 혼합물로 산화환원 반응을 이용해 고온을 발생하는 용도로 사용되는 물질이다. 혼합물은 산화철 등 금속성 산화제 분말과 알루미늄, 마그네슘 등 금속 연료 분말을 혼합한 것으로 점화하면 연료 분말이 산화제 속의 산소를 이용해 격렬한 연소반응을 일으키며 순간적으로 극도의 고열을 발생시킨다. 즉 테르밋 반응이란 금속 산화물이 알루미늄에 의해 탈산되며 강열한 반응열을 발생하는 반응을 총칭하여 테르밋 반응이라고 한다. 화학식으로 나타내면

3Fe3O4+8Al → 9Fe+4Al2O3

Fe2O3+2Al → 2Fe+ Al2O3

3FeO+2Al → 3Fe+Al2O3

이렇게 나타낼 수 있고 반응에 의해서 생기는 철의 이론적 온도는 약 3000℃이다.

2)용접이란?

두 개의 똑같은 금속, 혹은 다른 금속 사이에 고열을 가해 붙이는 기술이다. 금속은 금속끼리 접할 때 전자를 교환하며 붙는 금속결합을 하게 되는데, 서로 다른 재료의 결합 표면을 일치시키고 불순물을 제거하여 붙게 된다. 용접은 강한 빛과 열, 허리와 무릎에 좋지 않은 자세, 용접 시 나오는 가스 등으로 인해 건강에 안 좋다. 여름엔 용접으로 발생하는 열로 매우 덥고, 그래서 겨울엔 따뜻한 것으로 착각할 수 있지만, 용접 시 발생하는 열과 흄 때문에 환풍기를 켜놔야 하니 춥다.

3)테르밋 용접

테르밋 용접은 용접 열원을 외부에서 가하는 것이 아니라, 테르밋 반응에 의해 생성되는 열을 이용하여 금속을 용접하는 방법이다. 테르밋 용접의 특징으로는 용접 작업이 간단하고 용접 결과의 재현성 이 높으며 설비비가 저렴하다. 그리고 용접 작업 후의 변형이 적고 전력이 필요하지 않다. 또한 용접 시간이 비교적 짧다는 특징이 있다. 테르밋 용접은 차축, 레일 등의 큰 단면을 가진 모재의 맞대기용접에 이용된다.

아크 용접

1.아크 용접이란?

용접봉과 용접할 부분 사이에 생기는 전기 아크, 즉 방전 시 발생하는 스파크, 열로 용접부를 용융해서 용접하는 방법으로, 전극은 일반적으로 용접봉이 쓰인다. 아크 용접의 종류에는 GMAW, SMAW, GTAW 등 이 있다.

2).특징과 장단점

아크 용접은 전기 공급 방식과 전극 봉이 소모성인가 비소모성인가에 따라 나눈다. 전기 공급방식에는 교류식과 직류식이 있다. 교류식은 파워나 가격, 효율이 훨씬 좋지만 아크가 굉장히 불안정하다. 직류식은 교류식보다 전압 공급이 일정해 용접 특성이 더 뛰어나지만 값이 비싸고 효율이 좋지 않다. 일반적으로는 저렴한 교류식이 널리 쓰이고 있다. 직류는 정극성 용접과 역극성 용접으로 응용이 가능하다. 전극봉 종류는 전극봉 자체가 녹아 용가재 역할을 하는 소모성 전극봉과 아크 발생만 담당하고 별도로 용가재를 첨가하는 비소모성 전극봉으로 나뉜다. 아크 용접의 단점은 많은 전기를 사용하기 때문에 주위에 전자기파가 상당히 퍼진다. 사람한테는 별로 피해가 가진 않지만, 전자기기에 치명적이기 때문에, 휴대폰이나 시계, 기타 금속 장신구를 하고 작업에 들어가면 빨리 망가진다. 또한 아크는 초고온이기 때문에 복사선 중 자외선의 비율이 높고, 이온화된 공기 분자도 자외선을 방출하는데 이 때문에 노출된 피부가 검게 그을린다. 가장 만만한 것처럼 보이지만, 실제로 가장 어렵고 가장 돈이 되는게 아크용접이라고 말하는 용접사가 많이 있다.

3).이용

철 금속 용접, 아크 용접의 종류 중 GTAW는 발전소 건설에서 주로 기계, 배관, 전기의 강관 혹은 튜브용접에 사용되고 STAW 용접은 주로 구조물 용접, GMAW 용접은 조선 건조에서 주로 쓰인다.

1).레이저 용접이란?

레이저의 열을 이용한 용접이다. 강력한 레이저를 조사하여 모재를 융융시켜 접합시킨다.

2)특징과 장단점

레이저 용접의 장점은 정밀하다는 것이고, 특히 전자제어로 출력조절, 가스의 양이나 용접재의 불균일성 같은 변수의 영향이 적다. 또 매우 작은 영역만을 용융시킬수도 있어 용융에 의한 손상을 최소화 할 수 있다. 또한 한 지점에 에너지를 집중시킴으로써 빠르게 용융시키며 이는 용접시간 단축과 열전도를 최소화시킬 수 있다. 레이저 용접은 아크용접과 달리 가스용접처럼 이종모재, 즉 다른 재질을 용접시킬 수 있으면서도 가스용접보다 통제된 용접 결과물을 낼 수 있다. 가스나 아크용접과 달리 레이저가 향하는 방향만 주의하면 되고 출력제어가 편해서 숙달되는 데 드는 시간이 매우 짧다. 그러나 출력에 따라 일정 이상 두꺼운 자재를 용접하려면 시간이 길어지는데다 아직은 크기대비 출력에도 한계가 있어 선박같이 매우매우 두꺼운 철판을 사용하고 작업공간이 좁은 곳에는 거의 사용할 수 없다는 단점이 있다.

3)이용

레이저 용접 공정은 자동화 시스템을 갖춘 대규모 응용 분야에서 거의 예외 없이 사용되며 용접 속도는 1-5m/min입니다. 주로 대형 패널 용접 라인에서 사용되지만, 최근에는 레이저 용접 라인에 광섬유 레이저 활용이 점점 더 보편화되고 있으며, 이 방식은 첨단 고급형 3D 로봇 용접 라인에 적용할 수 있다. 레이저 용접과 레이저 하이브리드 용접은 자동차 산업과 선박 건조, 철도 산업의 기본 작업 방식이며 농업 장비와 덤프트럭 적재함, 컨테이너 분야에서도 빠르게 성장하는 추세를 보이고 있다.

  • 용접

1).MIG 용접이란?

이너트가스 아크 용접(아르곤·헬륨 등과 같은 불활성가스를 용접부에 방출시키고 그 속에서 하는 아크 용접을 가리킨다.)의 한 가지이다. 불활성가스 금속아크용접이라고도 한다. 피복재가 없는 지름 1.0~2.4㎜의 나심 선의 전극와이어를 일정한 속도로 토치에 공급하여 와이어와 모재 사이에 아크를 발생시켜 나심 선을 스프레이 상태로 용융하여 용접을 하는 방법이다.

2).특징과 장단점

GMAW 용접이라고도 불리며, 용접봉에 코팅된 피복이 녹아 불활성 가스를 생성하는 SMAW와 달리 아르곤이나 헬륨 이산화탄소, 혹은 혼합가스 등의 불활성 가스를 용접이 진행되는 부위에 직접 분사하여 용접 부분의 화학 변화를 방지하는 불활성 분위기를 생성하고, SMAW와 달리 피복재에 의한 슬래그 발생이 없으며, 피복재에 의한 전극 형태의 제한이 없기 때문에 직선형 전극봉만을 쓸 수 있는 SMAW와 달리 전극봉을 연속해서 공급할 수 있는 것이 특징이다. MIG 용접의 장점은 사용하기 쉽고 용접 공정이 빠르다. MIG 전극은 덜 안정적인 아크를 생성해서 용접부의 신뢰성이 문제가 된다. 용접 중에 더 많은 연기, 스파크 및 연기를 발생시킨다. 그래서 공정을 덜 깨끗하게 만든다는 단점도 있다.

3)이용

군함이나 요트와 같이 알루미늄 소재를 주로 사용하는 조선건조에서 MIG 용접을 많이 쓴다.

1.테르밋 용접, 아크 용접, 레이저 용접, MIG 용접 비교

분류테르밋 용접레이저 용접아크 용접MIG 용접
특징용접 열원을 외부에서 가하는 것 ×, 반응에 의해 생성되는 열을 이용하여 금속을 용접9전기저항용접의 한 종류)레이저의 열을 이용한 용접, 강력한 레이저를 조사하여 모재를 융융시켜 접합용접봉과 용접할 부분 사이에 생기는 전기 아크(스파크,열)를 이용하여 용접하는 방법아크 용접의 한 종류 중 GMAW 에 속함, 불활성가스 금속아크용접이라고도 함
이용 분야차축, 레일 등자동차 산업과 선박 건조, 철도 산업 등철금속 용접 등군함이나 요트, 조선건조 등

2.우리나라의 조선업이 전 세계 1위인 이유와 용접 기술의 연관성

국내 조선업계가 2월, 전 세계 수주 물량을 가장 많이 확보했다고 한다. 영국의 조선·해운 시황 분석기관 클락슨 리서치에 따르면 한국은 지난달 8척(20만CGT)을 수주하며 1위를 차지했다고 밝혔다고 한다. 그렇다면 왜 우리나라의 조선업이 전 세계 1위인 것일까? 한국의 조선업에서의 용접 기술은 세계에서 1위라고 할 수 있을 만큼 좋다. 조선업에서 사용되는 용접에는 다른 말로 MAG라고도 하고 MIG의 한 갈래로 불활성 가스 대신 저렴한 CO2가스나 탄소가스를 실드가스로 이용하는 CO2 용접을 주로 이용하고 그 이외에도 Submerged Arc 용접(SAW), TIG(GTAW) 용접, MIG(FCAW) 용접, STUD용접, 수동(SMAW)용접이 있는데 이러한 기술이 훌륭하다는 것이다. 즉 용접의 기술력이 우리나라가 조선업에서 세계 1위인 이유에 영향을 주었다고 할 수 있다.

2020년 11월 5일

참고문헌

https://www.fetv.co.kr/news/article.html?no=49590

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