편집자 주: Pharmaceutical Online은 업계 전문가인 Arc Machines의 바바라 헤논 박사가 작성한 생물공정 배관의 궤도 용접에 관한 4부작 기사를 소개하게 되어 기쁩니다. 이 기사는 헤논 박사가 작년 말 ASME 컨퍼런스에서 발표한 내용을 바탕으로 작성되었습니다.
내식성 손실을 방지하십시오. 탈이온수(DI) 또는 주사용수(WFI)와 같은 고순도 물은 스테인리스강에 매우 강력한 부식제입니다. 또한, 제약 등급 주사용수는 멸균 상태를 유지하기 위해 고온(80°C)에서 순환 처리됩니다. 제품에 치명적인 미생물이 번식할 정도로 온도를 낮추는 것과 "루즈(rouge)" 생성을 촉진할 정도로 온도를 높이는 것에는 미묘한 차이가 있습니다. 루즈는 스테인리스강 배관 시스템 부품의 부식으로 인해 발생하는 다양한 조성의 갈색 막입니다. 먼지와 산화철이 주요 구성 요소일 수 있지만, 다양한 형태의 철, 크롬 및 니켈도 존재할 수 있습니다. 루즈는 일부 제품에 치명적이며 추가적인 부식을 유발할 수 있지만, 다른 시스템에서는 비교적 무해한 것으로 나타납니다.
용접은 내식성에 악영향을 미칠 수 있습니다. 용접 중 용접부와 열영향부에 산화 물질이 침착되어 발생하는 핫 컬러(Hot color)는 특히 해롭고, 제약 용수 시스템에서 루즈(rouge) 형성과 관련이 있습니다. 크롬 산화물 형성은 핫 컬러를 유발하고, 부식에 취약한 크롬 결핍층을 남깁니다. 핫 컬러는 산세척 및 연삭을 통해 제거할 수 있는데, 이 과정에서 표면의 금속, 특히 크롬 결핍층까지 제거되어 내식성이 모재 수준에 가깝게 복원됩니다. 그러나 산세척 및 연삭은 표면 마감을 손상시킵니다. 배관 시스템을 가동하기 전에 용접 및 제작으로 인한 악영향을 극복하기 위해 질산 또는 킬레이트제 제제를 이용한 부동태화 처리를 시행합니다. 오거 전자 분석 결과, 킬레이트 부동태화는 용접부 및 열영향부에서 발생한 산소, 크롬, 철, 니켈, 망간 분포의 표면 변화를 용접 전 상태로 복원할 수 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 부동태화는 표면 마감에만 영향을 미칩니다. 표면층에만 나타나고 50옹스트롬 이하로는 침투하지 않는 반면, 열적 변색은 표면 아래 1000옹스트롬 이상까지 확장될 수 있습니다.
따라서, 용접되지 않은 기판 근처에 내식성 배관 시스템을 설치하려면 용접 및 제작으로 인한 손상을 부동태화 처리를 통해 상당 부분 복구할 수 있는 수준으로 제한하는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 산소 함량이 최소화된 퍼지 가스를 사용하고 대기 중 산소나 습기에 오염되지 않도록 용접부 내경에 공급해야 합니다. 용접 중 열 입력량을 정확하게 제어하고 과열을 방지하는 것 또한 내식성 손실을 막는 데 중요합니다. 반복 가능하고 일관된 고품질 용접을 달성하기 위한 제조 공정 제어와 오염 방지를 위해 제조 과정에서 스테인리스강 파이프 및 부품을 주의 깊게 다루는 것은 내식성이 뛰어나고 장기간 생산적인 서비스를 제공하는 고품질 배관 시스템을 위한 필수 요건입니다.
고순도 바이오의약품용 스테인리스강 배관 시스템에 사용되는 재료는 지난 10년간 내식성 향상 방향으로 진화해 왔습니다. 1980년 이전에는 대부분 304 스테인리스강이 사용되었는데, 이는 상대적으로 저렴하고 이전에 사용되었던 구리보다 내식성이 우수했기 때문입니다. 실제로 300 시리즈 스테인리스강은 가공이 비교적 용이하고, 내식성 손실 없이 용접이 가능하며, 특별한 예열 및 후열 처리가 필요하지 않습니다.
최근 고순도 배관 분야에서 316 스테인리스강의 사용이 증가하고 있습니다. 316형은 304형과 조성이 유사하지만, 두 재질에 공통적으로 포함된 크롬과 니켈 합금 원소 외에도 약 2%의 몰리브덴을 함유하고 있어 내식성이 크게 향상되었습니다. "L" 등급으로 불리는 304L 및 316L형은 표준 등급보다 탄소 함량이 낮습니다(0.035% 대 0.08%). 이러한 탄소 함량 감소는 용접으로 인해 발생할 수 있는 탄화물 석출량을 줄이기 위한 것입니다. 탄화물은 크롬 모재의 결정립계를 고갈시켜 부식에 취약하게 만드는 크롬 탄화물의 형성을 말합니다. "민감화"라고도 불리는 크롬 탄화물 형성은 시간과 온도에 따라 달라지며, 특히 수동 납땜 시에 더 큰 문제가 됩니다. 본 연구에서는 초오스테나이트 스테인리스강의 궤도 용접에 대해 연구했습니다. AL-6XN은 수작업으로 하는 유사한 용접보다 내식성이 뛰어난 용접부를 제공합니다. 이는 궤도 용접이 전류, 맥동 및 타이밍을 정밀하게 제어하여 수작업 용접보다 더 낮고 균일한 열 입력을 가능하게 하기 때문입니다. 궤도 용접은 "L" 등급 304 및 316 강재와 함께 사용될 경우 배관 시스템의 부식 발생 요인인 탄화물 석출을 사실상 제거합니다.
스테인리스강은 제조 배치에 따라 열량에 차이가 있습니다. 용접 매개변수 및 기타 요소를 상당히 엄격한 허용 오차 범위 내에서 유지할 수 있지만, 스테인리스강 용접에 필요한 열 입력량은 제조 배치마다 다릅니다. 제조 배치 번호는 공장에서 특정 스테인리스강 용융물에 부여되는 로트 번호입니다. 각 배치의 정확한 화학적 조성은 배치 식별 번호 또는 제조 배치 번호와 함께 공장 시험 보고서(MTR)에 기록됩니다. 순철은 1538°C(2800°F)에서 녹는 반면, 합금 금속은 각 합금 또는 미량 원소의 종류와 농도에 따라 다양한 온도 범위에서 녹습니다. 스테인리스강은 제조 배치마다 각 원소의 농도가 정확히 동일하지 않기 때문에 용접 특성은 용광로마다 다릅니다.
AOD 파이프(위)와 EBR 재질(아래)에 적용된 316L 파이프 궤도 용접부의 SEM 이미지는 용접 비드의 평활도에서 상당한 차이를 보여준다.
외경과 벽 두께가 비슷한 대부분의 열처리에는 단일 용접 절차가 적용될 수 있지만, 어떤 열처리에는 일반적인 것보다 낮은 전류가 필요하고 어떤 열처리에는 더 높은 전류가 필요합니다. 따라서 작업 현장에서 다양한 재료를 가열할 때는 잠재적인 문제를 방지하기 위해 전류량을 신중하게 관리해야 합니다. 종종 새로운 열처리에서는 만족스러운 용접 절차를 얻기 위해 전류량을 약간만 변경해도 됩니다.
황 문제. 원소 황은 철광석과 관련된 불순물로, 제강 공정에서 대부분 제거됩니다. AISI 304 및 316 스테인리스강은 최대 황 함량이 0.030%로 규정되어 있습니다. 아르곤 산소 탈탄(AOD) 및 진공 유도 용해 후 진공 아크 재용융(VIM+VAR)과 같은 이중 진공 용해 공정을 비롯한 현대적인 제강 공정의 개발로 화학적 조성 측면에서 매우 특수한 강재를 생산하는 것이 가능해졌습니다. 강재의 황 함량이 약 0.008% 미만일 때 용접 풀의 특성이 변하는 것으로 나타났습니다. 이는 황과 다른 원소들이 용접 풀의 표면 장력 온도 계수에 영향을 미치기 때문이며, 이 온도 계수는 액체 풀의 유동 특성을 결정합니다.
황 함량이 매우 낮은 경우(0.001%~0.003%), 용접 풀의 침투 폭이 황 함량이 중간 정도인 재료에 대한 유사한 용접에 비해 매우 넓어집니다. 저황 스테인리스강 파이프에 용접하면 용접 폭이 넓어지고, 벽 두께가 두꺼운 파이프(0.065인치, 또는 1.66mm 이상)에서는 용접 전류가 완전 침투 용접을 생성하기에 충분할 때 오목 용접이 발생할 가능성이 더 커집니다. 따라서 황 함량이 매우 낮은 재료, 특히 벽 두께가 두꺼운 재료는 용접하기가 더 어렵습니다. 304 또는 316 스테인리스강에서 황 함량이 높은 경우, 용접 비드는 황 함량이 중간 정도인 재료에 비해 유동성이 떨어지고 거칠어지는 경향이 있습니다. 따라서 용접성을 위한 이상적인 황 함량 범위는 제약 등급 튜브에 대한 ASTM A270 S2에 명시된 대로 약 0.005%~0.017%입니다.
전해연마 스테인리스강 파이프 제조업체들은 316 또는 316L 스테인리스강에 함유된 적당한 수준의 황조차도 반도체 및 바이오 제약 분야 고객들이 요구하는 매끄럽고 흠집 없는 내부 표면을 얻기 어렵게 만든다는 사실을 발견했습니다. 튜브 표면 마감의 평활도를 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM)을 사용하는 것이 점점 더 보편화되고 있습니다. 비철금속에 함유된 황은 비금속 개재물 또는 황화망간(MnS) "스트링거"를 형성하는 것으로 나타났는데, 이는 전해연마 과정에서 제거되고 0.25~1.0 마이크론 범위의 공극을 남깁니다.
전해연마 튜브 제조업체와 공급업체는 표면 마감 요구 사항을 충족하기 위해 초저유황 소재 사용을 시장으로 이끌고 있습니다. 그러나 문제는 전해연마 튜브에만 국한된 것이 아닙니다. 비전해연마 튜브에서도 배관 시스템의 부동태화 처리 과정에서 불순물이 제거됩니다. 기공은 매끄러운 표면보다 부식에 더 취약한 것으로 나타났습니다. 따라서 저유황, 즉 "더 깨끗한" 소재를 선호하는 추세에는 타당한 이유가 있습니다.
아크 편향. 스테인리스강의 용접성을 향상시키는 것 외에도, 소량의 황은 가공성도 향상시킵니다. 따라서 제조업체들은 일반적으로 지정된 황 함량 범위의 상한선에 해당하는 재료를 선택하는 경향이 있습니다. 황 함량이 매우 낮은 튜빙을 황 함량이 높은 피팅, 밸브 또는 기타 튜빙에 용접하면 아크가 황 함량이 낮은 튜빙 쪽으로 치우쳐 용접 문제가 발생할 수 있습니다. 아크 편향이 발생하면 황 함량이 낮은 쪽의 침투 깊이가 황 함량이 높은 쪽보다 깊어지는데, 이는 황 함량이 같은 파이프를 용접할 때와는 반대되는 현상입니다. 극단적인 경우, 용접 비드가 황 함량이 낮은 재료를 완전히 관통하여 용접부 내부가 완전히 융합되지 않은 채로 남을 수도 있습니다(Fihey and Simeneau, 1982). 피팅의 황 함량을 파이프의 황 함량과 일치시키기 위해 펜실베이니아주에 있는 Carpenter Technology Corporation의 Carpenter Steel Division은 저황(최대 0.005%) 316 봉강(Type 316)을 출시했습니다. 316L-SCQ) (VIM+VAR)는 저유황 파이프에 용접하도록 설계된 피팅 및 기타 구성 요소 제조에 사용됩니다. 두 가지 저유황 재료를 서로 용접하는 것은 저유황 재료를 고유황 재료에 용접하는 것보다 훨씬 쉽습니다.
저유황 튜브 사용으로의 전환은 주로 매끄러운 전해연마 처리된 튜브 내부 표면을 얻어야 하는 필요성 때문입니다. 표면 마감 및 전해연마는 반도체 산업과 바이오/제약 산업 모두에 중요합니다. SEMI는 반도체 산업 규격을 제정할 당시 공정 가스 라인용 316L 튜브의 최적 성능을 위해 황 함량을 0.004% 이하로 제한하도록 규정했습니다. 반면 ASTM은 제약 등급 튜브에 대한 ASTM 270 규격을 개정하여 황 함량을 0.005~0.017% 범위로 제한했습니다. 이는 낮은 황 함량 범위에 비해 용접 시 어려움을 줄여줄 것으로 예상됩니다. 그러나 이러한 제한된 범위 내에서도 저유황 파이프와 고유황 파이프 또는 피팅을 용접할 때 아크 편향이 발생할 수 있으므로, 시공자는 재료의 가열 과정을 주의 깊게 관찰하고 용접 전에 가열 조건과 납땜 재료 간의 호환성을 확인해야 합니다.
기타 미량 원소. 황, 산소, 알루미늄, 규소 및 망간을 포함한 미량 원소는 용접 침투에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 모재에 산화물 개재물 형태로 존재하는 미량의 알루미늄, 규소, 칼슘, 티타늄 및 크롬은 용접 중 슬래그 형성과 관련이 있습니다.
다양한 요소들의 영향은 누적되므로 산소의 존재는 낮은 황 함량으로 인한 일부 영향을 상쇄할 수 있습니다. 높은 알루미늄 함량은 황 침투에 대한 긍정적인 효과를 상쇄할 수 있습니다. 망간은 용접 온도에서 휘발되어 용접 열영향부에 침착됩니다. 이러한 망간 침착물은 내식성 저하와 관련이 있습니다(Cohen, 1997 참조). 반도체 산업계는 현재 이러한 내식성 저하를 방지하기 위해 저망간 및 초저망간 316L 소재를 실험하고 있습니다.
슬래그 생성. 일부 용융 공정에서 스테인리스강 비드에 슬래그 섬이 간혹 나타납니다. 이는 본질적으로 재료 문제이지만, 용접 매개변수를 변경하거나 아르곤/수소 혼합비를 변경하여 이를 최소화하거나 용접 품질을 개선할 수 있습니다. 폴라드(Pollard)는 모재의 알루미늄 대 실리콘 비율이 슬래그 생성에 영향을 미친다는 것을 발견했습니다. 원치 않는 판상 슬래그 생성을 방지하기 위해 그는 알루미늄 함량을 0.010%, 실리콘 함량을 0.5%로 유지할 것을 권장합니다. 그러나 Al/Si 비율이 이 수준을 초과하면 판상 슬래그 대신 구형 슬래그가 생성될 수 있습니다. 이러한 유형의 슬래그는 전해 연마 후 피트를 남길 수 있으며, 이는 고순도 용도에는 적합하지 않습니다. 용접부 외경에 형성된 슬래그 섬은 내경 패스의 불균일한 용입을 유발하고 불충분한 용입으로 이어질 수 있습니다. 또한 내경 용접 비드에 형성된 슬래그 섬은 부식에 취약할 수 있습니다.
펄스 전류를 이용한 단일 패스 용접. 표준 자동 궤도 튜브 ​​용접은 펄스 전류와 연속적인 일정 속도 회전을 이용한 단일 패스 용접입니다. 이 기술은 외경 1/8인치에서 약 7인치, 벽 두께 0.083인치 이하의 파이프에 적합합니다. 일정 시간 동안 사전 퍼지를 수행한 후 아크가 발생합니다. 아크는 발생하지만 회전은 없는 일정 시간 지연 동안 튜브 벽의 용입이 이루어집니다. 이 회전 지연 후, 전극은 용접 이음매 주위를 회전하여 마지막 용접층에서 용접부가 초기 용접 부분과 연결되거나 겹칠 때까지 회전합니다. 연결이 완료되면 전류는 일정 시간 동안 서서히 감소합니다.
스텝 모드("동기식" 용접). 일반적으로 0.083인치(약 2.2mm)보다 두꺼운 벽 두께의 재료를 융접할 때, 융접 전원 공급 장치를 동기식 또는 스텝 모드로 사용할 수 있습니다. 동기식 또는 스텝 모드에서는 용접 전류 펄스가 스트로크와 동기화되므로, 고전류 펄스 동안에는 로터가 고정되어 최대 침투 깊이를 확보하고 저전류 펄스 동안에는 회전합니다. 동기식 용접 기술은 기존 용접의 0.1초 또는 0.1초 펄스 시간과 비교하여 0.5초에서 1.5초 정도의 더 긴 펄스 시간을 사용합니다. 이 기술은 0.154인치(약 3.8mm) 또는 6인치(약 15.7mm) 두께의 40게이지 얇은 벽 파이프를 효과적으로 용접할 수 있습니다. 스텝식 용접 기술은 더 넓은 용접부를 생성하여 결함 허용성이 뛰어나며, 치수 공차, 정렬 불량 또는 재료의 열적 부적합성이 있을 수 있는 파이프 피팅과 같은 불규칙한 부품을 용접하는 데 유용합니다. 이 유형의 용접은 기존 용접보다 아크 시간이 약 두 배 더 오래 걸리며, 특정 용도에는 적합하지 않습니다. 더 넓고 거친 이음매로 인해 초고순도(UHP) 응용 분야에 적합합니다.
프로그래밍 가능한 변수. 최신 용접 전원 장치는 마이크로프로세서 기반으로, 용접할 파이프의 특정 외경(OD)과 벽 두께에 대한 용접 매개변수의 수치 값을 지정하는 프로그램을 저장합니다. 이러한 매개변수에는 퍼지 시간, 용접 전류, 이송 속도(RPM), 층 수 및 층당 시간, 펄스 시간, 하강 시간 등이 포함됩니다. 필러 와이어를 사용하는 궤도형 튜브 용접의 경우, 프로그램 매개변수에는 와이어 공급 속도, 토치 진동 진폭 및 유지 시간, AVC(일정한 아크 간격을 유지하기 위한 아크 전압 제어), 상승 경사 등이 포함됩니다. 융합 용접을 수행하려면 적절한 전극과 파이프 클램프 인서트가 장착된 용접 헤드를 파이프에 설치하고 전원 장치 메모리에서 용접 스케줄 또는 프로그램을 불러옵니다. 버튼이나 멤브레인 패널 키를 눌러 용접 시퀀스를 시작하면 작업자의 개입 없이 용접이 계속됩니다.
프로그래밍 불가능한 변수. 일관되게 우수한 용접 품질을 얻으려면 용접 매개변수를 신중하게 제어해야 합니다. 이는 용접 전원의 정확도와 용접 프로그램(특정 크기의 파이프 또는 파이프를 용접하기 위한 용접 매개변수로 구성된 일련의 지침)을 통해 달성됩니다. 또한 용접 합격 기준을 명시하는 효과적인 용접 표준과 용접이 합의된 표준을 충족하는지 확인하는 용접 검사 및 품질 관리 시스템이 있어야 합니다. 그러나 용접 매개변수 외에도 특정 요소와 절차를 신중하게 관리해야 합니다. 이러한 요소에는 우수한 단부 준비 장비 사용, 적절한 세척 및 취급 관행, 용접되는 튜브 또는 기타 부품의 양호한 치수 공차, 일관된 텅스텐 유형 및 크기, 고순도 불활성 가스, 재료 변동에 대한 세심한 주의 등이 포함됩니다. - 고온.
궤도 용접은 수동 용접에 비해 파이프 끝단 용접 준비 요건이 훨씬 더 중요합니다. 궤도 용접으로 접합되는 파이프는 일반적으로 사각 맞대기 이음입니다. 궤도 용접에서 요구되는 반복성을 확보하기 위해서는 정밀하고 일관성 있는 기계 가공된 끝단 준비가 필수적입니다. 용접 전류는 벽 두께에 따라 달라지므로, 끝단은 외경(OD) 또는 내경(ID)에 버(burr)나 경사면이 없어야 하며, 벽 두께가 달라지지 않도록 정확하게 가공되어야 합니다.
파이프 끝단은 용접 헤드에서 서로 정확하게 맞아야 하며, 사각 맞대기 이음매 끝단 사이에 눈에 띄는 틈이 없어야 합니다. 작은 틈이 있는 용접도 가능하지만 용접 품질이 저하될 수 있습니다. 틈이 클수록 문제가 발생할 가능성이 높아집니다. 조립이 제대로 되지 않으면 용접 부위가 완전히 파손될 수 있습니다. 파이프 절단과 끝단 가공을 동시에 할 수 있는 조지 피셔(George Fischer) 등의 파이프 절단기나 프로템(Protem), 왁스(Wachs) 등의 휴대용 끝단 가공 선반을 사용하면 가공에 적합한 매끄러운 끝단 궤도 용접을 만들 수 있습니다. 절단톱, 쇠톱, 밴드톱, 튜브 절단기는 이러한 용도에 적합하지 않습니다.
용접에 필요한 전력을 공급하는 용접 매개변수 외에도 용접에 큰 영향을 미칠 수 있지만 실제 용접 절차에는 포함되지 않는 여러 변수가 있습니다. 이러한 변수에는 텅스텐의 종류와 크기, 아크 보호 및 용접 이음매 내부 퍼징에 사용되는 가스의 종류와 순도, 퍼징에 사용되는 가스 유량, 사용되는 헤드 및 전원의 종류, 이음매의 형상, 그리고 기타 관련 정보가 포함됩니다. 이러한 변수들을 "비프로그래밍 가능" 변수라고 하며 용접 스케줄에 기록합니다. 예를 들어, 가스의 종류는 ASME 섹션 IX 보일러 및 압력 용기 코드 준수를 위한 용접 절차 사양(WPS)에서 필수 변수로 간주됩니다. 가스 종류 또는 가스 혼합 비율을 변경하거나 용접 이음매 내부 퍼징을 생략하는 경우 용접 절차를 재검증해야 합니다.
용접 가스. 스테인리스강은 상온에서 대기 중 산소 산화에 대한 저항성이 있습니다. 하지만 녹는점(순철의 경우 1530°C 또는 2800°F)까지 가열하면 쉽게 산화됩니다. 불활성 아르곤은 궤도형 GTAW 용접 공정에서 보호 가스 및 내부 용접부 퍼징에 가장 일반적으로 사용됩니다. 산소 및 수분 함량에 대한 가스의 순도는 용접 후 용접 부위 또는 그 주변에서 발생하는 산화로 인한 변색 정도를 결정합니다. 퍼징 가스의 품질이 최상이 아니거나 퍼징 시스템에 소량의 공기가 유입될 정도로 누출이 완전히 없는 경우, 산화된 부분은 옅은 청록색 또는 푸른색을 띨 수 있습니다. 물론, 어떤 세척도 흔히 "스위트닝(sweetened)"이라고 불리는 딱딱하고 검은 표면을 만들 수는 없습니다. 실린더에 공급되는 용접용 아르곤은 공급업체에 따라 순도가 99.996~99.997%이며, 산소 및 H2O, O2, CO2를 포함한 기타 불순물이 5~7ppm 함유되어 있습니다. 탄화수소 등을 포함하여 총 불순물 함량은 최대 40ppm입니다. 실린더에 담긴 고순도 아르곤 또는 듀어 용기에 담긴 액체 아르곤은 순도 99.999% 또는 총 불순물 10ppm(산소 최대 2ppm)까지 가능합니다. 참고: 나노켐(Nanochem) 또는 게이트키퍼(Gatekeeper)와 같은 가스 정화기를 퍼징 과정에서 사용하면 오염 수준을 ppb(parts per billion) 범위까지 낮출 수 있습니다.
혼합 조성. 75% 헬륨/25% 아르곤 및 95% 아르곤/5% 수소와 같은 가스 혼합물은 특수 용도에서 보호 가스로 사용할 수 있습니다. 이 두 혼합물은 동일한 프로그램 설정에서 아르곤만 사용했을 때보다 더 높은 용접 온도를 생성했습니다. 헬륨 혼합물은 탄소강의 융접 용접에서 최대 침투를 위해 특히 적합합니다. 반도체 산업 컨설턴트는 초고압(UHP) 응용 분야에서 보호 가스로 아르곤/수소 혼합물을 사용할 것을 권장합니다. 수소 혼합물은 여러 가지 장점이 있지만 심각한 단점도 있습니다. 장점은 더 습한 용융 풀과 더 매끄러운 용접 표면을 생성하여 가능한 한 매끄러운 내부 표면을 가진 초고압 가스 공급 시스템을 구현하는 데 이상적이라는 것입니다. 수소의 존재는 환원 분위기를 제공하므로 가스 혼합물에 미량의 산소가 존재할 경우, 결과 용접부는 순수 아르곤에서 유사한 산소 농도로 용접했을 때보다 변색이 적고 더 깨끗해 보입니다. 이 효과는 수소 함량이 약 5%일 때 최적입니다. 일부는 내부 외관을 개선하기 위해 95/5% 아르곤/수소 혼합물을 내부 퍼지로 사용합니다. 용접 비드.
수소 혼합물을 보호 가스로 사용할 경우 용접 비드는 더 좁아지지만, 스테인리스강의 경우 황 함량이 매우 낮아 순수 아르곤을 사용한 동일 전류 설정보다 용접 시 더 많은 열이 발생합니다. 아르곤/수소 혼합물의 중요한 단점은 아크가 순수 아르곤보다 훨씬 불안정하고 아크 드리프트 현상이 발생하기 쉽다는 점입니다. 심한 경우 용접 불량을 초래할 수 있습니다. 다른 혼합 가스를 사용하면 아크 드리프트 현상이 사라지는 경우가 있는데, 이는 오염이나 불량한 혼합 때문일 수 있음을 시사합니다. 아크에서 발생하는 열은 수소 농도에 따라 달라지므로, 반복 가능한 용접을 위해서는 일정한 농도를 유지하는 것이 필수적이며, 시판되는 혼합 가스마다 농도 차이가 있습니다. 또 다른 단점은 수소 혼합물을 사용할 경우 텅스텐의 수명이 크게 단축된다는 것입니다. 혼합 가스로 인한 텅스텐 열화의 원인은 아직 명확히 밝혀지지 않았지만, 아크 발생이 어려워지고 한두 번의 용접 후 텅스텐을 교체해야 할 수도 있다는 보고가 있습니다. 아르곤/수소 혼합물은 용접에 사용할 수 없습니다. 탄소강 또는 티타늄.
TIG 용접 공정의 특징 중 하나는 전극을 소모하지 않는다는 점입니다. 텅스텐은 모든 금속 중에서 가장 높은 융점(3370°C, 6098°F)을 가지고 있으며 전자 방출 능력이 뛰어나 소모되지 않는 전극으로 사용하기에 특히 적합합니다. 아크 발생 및 아크 안정성을 향상시키기 위해 세리아, 산화란탄 또는 산화토륨과 같은 특정 희토류 산화물을 2% 첨가하면 특성이 개선됩니다. 순수 텅스텐은 특히 궤도 GTAW 응용 분야에서 우수한 특성을 지닌 세륨 텅스텐 때문에 GTAW에 거의 사용되지 않습니다. 토륨 텅스텐은 방사능이 있어 과거에 비해 사용량이 줄었습니다.
연마 처리된 전극은 크기가 더 균일합니다. 전극 형상의 일관성은 일관되고 균일한 용접 결과에 매우 중요하므로 매끄러운 표면이 거칠거나 불규칙한 표면보다 항상 바람직합니다. 전극 끝에서 방출되는 전자(DCEN)는 텅스텐 끝에서 용접 부위로 열을 전달합니다. 끝 부분이 가늘면 전류 밀도를 매우 높게 유지할 수 있지만 텅스텐의 수명이 단축될 수 있습니다. 오비탈 용접의 경우 텅스텐 형상과 용접의 반복성을 보장하기 위해 전극 끝을 기계적으로 연마하는 것이 중요합니다. 끝이 뭉툭하면 용접 아크가 텅스텐의 동일한 지점으로 집중됩니다. 끝 직경은 아크의 모양과 특정 전류에서의 침투량을 제어합니다. 테이퍼 각도는 아크의 전류/전압 특성에 영향을 미치므로 지정하고 제어해야 합니다. 텅스텐의 길이는 아크 간격을 설정하는 데 사용할 수 있으므로 중요합니다. 특정 전류 값에 대한 아크 간격은 전압을 결정하고 결과적으로 용접에 가해지는 전력을 결정합니다.
전극 크기와 끝 직경은 용접 전류 강도에 따라 선택됩니다. 전류가 전극이나 끝 부분에 비해 너무 높으면 끝 부분에서 금속 손실이 발생할 수 있으며, 전류에 비해 끝 직경이 너무 큰 전극을 사용하면 아크 드리프트가 발생할 수 있습니다. 전극 및 끝 직경은 용접 이음매의 벽 두께에 따라 지정되며, 소형 정밀 부품 용접에 0.040인치 직경 전극을 사용하도록 설계된 경우를 제외하고는 벽 두께가 0.093인치 이하인 거의 모든 경우에 0.0625인치 직경을 사용합니다. 용접 공정의 반복성을 위해 텅스텐 종류 및 표면 처리, 길이, 테이퍼 각도, 직경, 끝 직경 및 아크 간격을 모두 지정하고 제어해야 합니다. 튜브 용접에는 세륨 텅스텐이 권장됩니다. 세륨 텅스텐은 다른 종류보다 수명이 훨씬 길고 아크 점화 특성이 우수하기 때문입니다. 세륨 텅스텐은 비방사성 물질입니다.
더 자세한 정보를 원하시면 Arc Machines, Inc.의 기술 자료 담당 관리자인 Barbara Henon(주소: 10280 Glenoaks Blvd., Pacoima, CA 91331, 전화: 818-896-9556, 팩스: 818-890-3724)에게 문의하십시오.