스테인리스강 막대의 종방향 용접은 적절한 부동태화를 위해 전기화학적으로 버를 제거합니다. 이미지 제공: Walter Surface Technologies
제조업체가 핵심 스테인리스 스틸 제품 생산 계약을 체결했다고 가정해 보겠습니다. 판금과 파이프 단면을 절단, 굽힘, 용접하여 마무리 작업장으로 보냅니다. 이 부품은 파이프에 수직으로 용접된 판재로 구성됩니다. 용접 상태는 좋아 보이지만, 구매자가 원하는 이상적인 가격은 아닙니다. 결과적으로 연삭기는 평소보다 더 많은 용접 금속을 제거하는 데 시간을 소모합니다. 그런데 안타깝게도 표면에 뚜렷한 파란색이 나타났습니다. 이는 과도한 열 입력을 나타내는 명백한 징후입니다. 이 경우, 해당 부품은 고객의 요구 사항을 충족하지 못할 것입니다.
샌딩과 마감 작업은 종종 수작업으로 이루어지며, 숙련된 기술과 장인 정신이 요구됩니다. 마감 작업의 실수는 가공물에 부여된 모든 가치를 고려할 때 매우 큰 손실을 초래할 수 있습니다. 스테인리스 스틸과 같은 고가의 열에 민감한 재료를 추가하거나, 재작업 및 스크랩 설치 비용이 더 높아질 수 있습니다. 오염 및 부동태화 불량과 같은 복잡한 문제들이 더해지면, 한때 수익성이 높았던 스테인리스 스틸 작업도 수익성이 떨어지거나 심지어 평판에 손상을 줄 수 있습니다.
제조업체는 이 모든 것을 어떻게 방지할 수 있을까요? 먼저 연삭 및 마무리에 대한 지식을 넓히고, 그 역할과 스테인리스 스틸 가공물에 미치는 영향을 이해하는 것부터 시작할 수 있습니다.
이것들은 동의어가 아닙니다. 사실, 모든 사람의 목표는 근본적으로 다릅니다. 연삭은 버(burr)나 과도한 용접 금속과 같은 물질을 제거하는 반면, 마무리는 금속 표면에 고운 마감을 제공합니다. 큰 연삭 휠을 사용하는 사람들은 많은 금속을 매우 빠르게 제거하고 그 과정에서 매우 깊은 흠집이 남을 수 있다는 점을 고려하면 이러한 혼란은 이해할 만합니다. 하지만 연삭할 때 흠집은 단지 결과일 뿐이며, 특히 스테인리스 스틸과 같은 열에 민감한 금속을 다룰 때는 재료를 빠르게 제거하는 것이 목표입니다.
마무리 작업은 작업자가 거친 입자로 시작하여 더 미세한 연삭 휠, 부직포 연마재, 그리고 경우에 따라 펠트 천과 연마 페이스트를 사용하여 거울처럼 매끄러운 마감을 얻는 단계적으로 진행됩니다. 목표는 특정 최종 마감(스크래치 패턴)을 얻는 것입니다. 각 단계(더 미세한 입자)는 이전 단계에서 생긴 더 깊은 스크래치를 제거하고 더 작은 스크래치로 대체합니다.
연삭과 마무리는 목적이 다르기 때문에 서로 보완적이지 않고, 잘못된 소모품 전략을 사용할 경우 서로 상충될 수 있습니다. 과도한 용접 금속을 제거하기 위해 작업자는 연삭 휠로 매우 깊은 흠집을 만든 후 부품을 드레서에게 넘기는데, 드레서는 이 깊은 흠집을 제거하는 데 많은 시간을 소모해야 합니다. 연삭에서 마무리까지의 이러한 순서는 고객의 마무리 요구 사항을 충족하는 가장 효율적인 방법일 수 있습니다. 하지만 다시 한번 강조하지만, 이는 추가적인 공정이 아닙니다.
가공성을 고려하여 설계된 가공물 표면은 일반적으로 연삭이나 마감 처리가 필요하지 않습니다. 샌딩만 하는 부품은 샌딩이 용접부나 기타 이물질을 제거하는 가장 빠른 방법이기 때문에, 그리고 연삭 휠에 의해 생기는 깊은 흠집이 고객이 원하는 바로 그 부분이기 때문에 샌딩만 합니다. 마감 처리만 필요한 부품은 과도한 재료 제거가 필요하지 않도록 제작됩니다. 대표적인 예로, 텅스텐 전극으로 보호되는 아름다운 용접부를 가진 스테인리스 스틸 부품을 들 수 있으며, 이 전극은 기판의 마감 패턴과 혼합하고 일치시키기만 하면 됩니다.
재료 제거율이 낮은 연삭기를 사용하면 스테인리스강 작업 시 심각한 문제를 야기할 수 있습니다. 과열은 블루잉(bluing) 현상과 재료 특성 변화를 유발할 수 있습니다. 스테인리스강은 작업 과정 전반에 걸쳐 최대한 차갑게 유지해야 합니다.
이를 위해 용도와 예산에 맞춰 가장 빠른 연삭 속도를 가진 연삭 휠을 선택하는 것이 좋습니다. 지르코늄 휠은 알루미나 휠보다 연삭 속도가 빠르지만, 대부분의 경우 세라믹 휠이 가장 효과적입니다.
매우 강하고 날카로운 세라믹 입자는 독특한 방식으로 마모됩니다. 입자가 점차 분해되면서 평평해지지 않고 날카로운 날을 유지합니다. 즉, 다른 연삭 휠보다 몇 배나 빠르게 재료를 제거할 수 있습니다. 일반적으로 이러한 특징 덕분에 세라믹 연삭 휠은 그만한 가치가 있습니다. 큰 칩을 빠르게 제거하고 열과 변형을 줄여 스테인리스강 가공에 이상적입니다.
제조업체가 어떤 연삭 휠을 선택하든 잠재적 오염 가능성을 염두에 두어야 합니다. 대부분의 제조업체는 탄소강과 스테인리스강 모두에 동일한 연삭 휠을 사용할 수 없다는 것을 알고 있습니다. 많은 사람들이 탄소강 연삭 작업과 스테인리스강 연삭 작업을 물리적으로 분리합니다. 스테인리스강 부품에 떨어지는 탄소강의 아주 작은 불꽃조차도 오염 문제를 일으킬 수 있습니다. 제약 및 원자력 산업과 같은 많은 산업에서는 소모품의 무공해 등급을 요구합니다. 즉, 스테인리스강 연삭 휠은 철, 황, 염소가 거의 없어야 합니다(0.1% 미만).
연삭 휠은 스스로 연삭하는 것이 아니라 전동 공구가 필요합니다. 연삭 휠이나 전동 공구의 장점을 누구나 광고할 수 있지만, 실제로는 전동 공구와 연삭 휠이 하나의 시스템으로 작동합니다. 세라믹 연삭 휠은 특정 출력과 토크를 가진 앵글 그라인더용으로 설계되었습니다. 일부 공압 연삭 휠은 필요한 사양을 갖추고 있지만, 대부분의 경우 세라믹 휠 연삭은 전동 공구를 사용합니다.
출력과 토크가 부족한 그라인더는 최신 연마재에도 심각한 문제를 일으킬 수 있습니다. 출력과 토크가 부족하면 공구가 압력을 받으면 상당히 느려져, 연삭 휠의 세라믹 입자가 본래의 기능, 즉 큰 금속 덩어리를 빠르게 제거하여 연삭 휠에 유입되는 열 물질의 양을 줄이는 기능을 하지 못하게 됩니다.
이는 악순환을 더욱 악화시킵니다. 샌더는 재료가 제거되지 않는 것을 보고 본능적으로 더 세게 누르게 되고, 이로 인해 과도한 열과 블루잉 현상이 발생합니다. 결국 너무 세게 눌러 휠에 윤이 나게 되고, 결국 휠을 교체해야 한다는 사실을 깨닫기도 전에 더 열심히 작업하고 더 많은 열을 발생시키게 됩니다. 얇은 튜브나 시트를 이런 식으로 작업하면 재료가 완전히 관통하게 됩니다.
물론, 작업자가 제대로 훈련받지 않았다면, 아무리 최고의 도구를 사용하더라도 이러한 악순환이 발생할 수 있으며, 특히 작업물에 가하는 압력과 관련하여 더욱 그렇습니다. 가장 좋은 방법은 그라인더의 정격 전류에 최대한 가깝게 작업하는 것입니다. 작업자가 10암페어 그라인더를 사용하는 경우, 그라인더가 약 10암페어의 전류를 소모하도록 세게 눌러야 합니다.
제조업체가 고가의 스테인리스강을 대량으로 가공하는 경우, 전류계를 사용하면 연삭 작업을 표준화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 물론, 실제로 전류계를 정기적으로 사용하는 작업은 거의 없으므로 주의 깊게 듣는 것이 좋습니다. 작업자가 RPM이 급격히 떨어지는 것을 듣고 느낀다면, 너무 세게 연삭하고 있을 수 있습니다.
너무 약한 접촉(즉, 너무 약한 압력)은 알아차리기 어려울 수 있으므로, 이 경우 스파크 흐름에 주의를 기울이는 것이 도움이 될 수 있습니다. 스테인리스강을 샌딩하면 탄소강보다 더 어두운 스파크가 발생하지만, 여전히 눈에 띄고 작업 영역에서 고르게 튀어나와야 합니다. 작업자가 갑자기 스파크가 적게 보인다면, 충분한 힘을 가하지 않았거나 휠에 광택이 나지 않았기 때문일 수 있습니다.
작업자는 일정한 작업 각도를 유지해야 합니다. 작업물에 거의 직각(작업물과 거의 평행)으로 접근하면 심각한 과열을 유발할 수 있으며, 너무 큰 각도(거의 수직)로 접근하면 휠 가장자리가 금속에 부딪힐 위험이 있습니다. 27형 휠을 사용하는 경우 20~30도 각도로 작업물에 접근해야 합니다. 29형 휠을 사용하는 경우 작업 각도는 약 10도여야 합니다.
28형(테이퍼) 연삭 휠은 일반적으로 넓은 연삭 경로에서 재료를 제거하기 위해 평평한 표면을 연삭하는 데 사용됩니다. 이 테이퍼 휠은 낮은 연삭 각도(약 5도)에서도 가장 효과적이므로 작업자의 피로를 줄이는 데 도움이 됩니다.
이는 또 다른 중요한 요소, 즉 적절한 연삭 휠 유형을 선택해야 한다는 것을 의미합니다. 27형 휠은 금속 표면 접촉점을 가지고 있고, 28형 휠은 원뿔 모양으로 인해 접촉선을 가지고 있으며, 29형 휠은 접촉면을 가지고 있습니다.
오늘날 가장 널리 사용되는 27형 휠은 다양한 영역에서 작업을 수행할 수 있지만, 그 형상 때문에 용접된 스테인리스 강관 조립품처럼 깊은 프로파일 부품이나 곡선 작업에는 어려움이 있습니다. 29형 휠의 프로파일 형상은 곡면과 평면을 모두 연삭해야 하는 작업자의 작업에 도움을 줍니다. 29형 휠은 표면 접촉 면적을 늘려 작업자가 각 위치에서 연삭하는 데 많은 시간을 소모할 필요가 없어 열 축적을 줄이는 데 효과적입니다.
실제로 이는 모든 연삭 휠에 적용됩니다. 연삭 작업 시 작업자는 한 자리에 오랫동안 머물러서는 안 됩니다. 작업자가 몇 피트 길이의 필렛에서 금속을 제거하고 있다고 가정해 보겠습니다. 휠을 짧은 상하 운동으로 구동할 수 있지만, 휠을 좁은 공간에 장시간 고정시키면서 작업물이 과열될 수 있습니다. 열 입력을 줄이기 위해 작업자는 한쪽 노즈에서 전체 용접을 한 방향으로 진행한 다음, 공구를 들어 올려(작업물이 식도록 한 후) 다른 노즈에서 같은 방향으로 작업물을 통과시킬 수 있습니다. 다른 방법도 효과가 있지만, 모두 한 가지 공통점이 있습니다. 바로 연삭 휠을 계속 움직여 과열을 방지한다는 것입니다.
널리 사용되는 "코밍" 방법도 이러한 작업에 도움이 됩니다. 작업자가 평평한 위치에서 맞대기 용접을 연삭한다고 가정해 보겠습니다. 열 응력과 과도한 파기를 줄이기 위해, 작업자는 접합부를 따라 연삭기를 밀어내는 것을 피했습니다. 대신, 작업자는 끝부분에서 시작하여 접합부를 따라 연삭기를 움직입니다. 이렇게 하면 휠이 재료 속으로 너무 깊이 들어가는 것을 방지할 수 있습니다.
물론, 작업자가 너무 느리게 작업하면 어떤 기술이든 금속이 과열될 수 있습니다. 너무 느리게 작업하면 작업자가 작업물을 과열시키고, 너무 빠르게 작업하면 샌딩에 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 이송 속도의 최적점을 찾는 데는 보통 경험이 필요합니다. 하지만 작업자가 해당 작업에 익숙하지 않더라도 스크랩을 연삭하여 작업물에 적합한 이송 속도를 "느낄" 수 있습니다.
마감 전략은 마감 부서에 들어오고 나갈 때 재료의 표면 상태에 따라 달라집니다. 시작점(실현된 표면 상태)과 종료점(필요한 마감)을 정하고, 두 지점 사이의 최적 경로를 찾는 계획을 세우세요.
종종 가장 좋은 방법은 매우 공격적인 연마재로 시작하지 않는 경우가 많습니다. 이는 직관에 어긋나는 것처럼 보일 수 있습니다. 어쨌든 거친 표면을 얻기 위해 거친 모래로 시작한 다음 더 고운 모래로 넘어가는 것은 어떨까요? 더 고운 입자로 시작하는 것은 매우 비효율적이지 않을까요?
반드시 그런 것은 아닙니다. 이는 비교의 특성과 관련이 있습니다. 각 단계에서 더 미세한 입자가 생성됨에 따라 컨디셔너는 깊은 스크래치를 더 미세한 스크래치로 대체합니다. 40번 사포나 플립 팬으로 시작하면 금속에 깊은 스크래치가 남습니다. 이러한 스크래치가 표면을 원하는 마감에 더 가깝게 만들어준다면 좋을 텐데, 이것이 40번 마감재가 제공되는 이유입니다. 그러나 고객이 #4 마감(방향성 샌딩)을 요청하는 경우 #40번으로 인해 생긴 깊은 스크래치를 제거하는 데 오랜 시간이 걸립니다. 장인들은 여러 입자 크기를 사용하거나 미세 입자 연마제를 사용하여 큰 스크래치를 제거하고 더 작은 스크래치로 대체하는 데 많은 시간을 소비합니다. 이 모든 것은 비효율적일 뿐만 아니라 작업물에 과도한 열을 가합니다.
물론, 거친 표면에 고운 입자의 연마재를 사용하면 작업 속도가 느려질 수 있으며, 잘못된 기술과 결합하면 과도한 열이 발생할 수 있습니다. 2인용 디스크나 엇갈린 디스크를 사용하면 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 이러한 디스크에는 표면 처리 재료와 연마 천이 결합되어 있습니다. 이러한 디스크를 사용하면 장인이 연마재를 사용하여 재료를 효과적으로 제거하면서 더욱 매끄러운 마감을 얻을 수 있습니다.
마무리 작업의 다음 단계에는 부직포 사용이 포함될 수 있는데, 이는 또 다른 독특한 마무리 특징을 보여줍니다. 이 공정은 가변 속도 전동 공구와 함께 사용할 때 가장 효과적입니다. 10,000rpm으로 작동하는 앵글 그라인더는 일부 연마재를 처리할 수 있지만, 일부 부직포는 완전히 녹을 수 있습니다. 이러한 이유로 마무리 작업자는 부직포 마무리 작업 전에 3,000~6,000rpm으로 속도를 낮춥니다. 물론 정확한 속도는 용도와 소모품에 따라 달라집니다. 예를 들어, 부직포 드럼은 일반적으로 3,000~4,000rpm으로 회전하고, 표면 처리 디스크는 일반적으로 4,000~6,000rpm으로 회전합니다.
적절한 도구(가변 속도 그라인더, 다양한 마감재)를 갖추고 최적의 작업 단계를 결정하면, 기본적으로 입고된 재료와 마감재 사이의 최적 경로를 보여주는 지도가 만들어집니다. 정확한 경로는 작업에 따라 다르지만, 숙련된 트리머는 유사한 트리밍 방법을 사용하여 이 경로를 따릅니다.
부직포 롤은 스테인리스 스틸 표면을 완성합니다. 효율적인 마감 처리와 최적의 소모품 수명을 위해 다양한 마감재가 각기 다른 회전 속도로 작동합니다.
첫째, 시간이 걸립니다. 얇은 스테인리스 스틸 조각이 뜨거워지는 것을 보면, 한 곳에서 마무리 작업을 멈추고 다른 곳에서 작업을 시작합니다. 아니면 두 개의 다른 작품을 동시에 작업할 수도 있습니다. 한 작품을 조금 작업한 후 다른 작품을 작업하면서 다른 작품이 식을 시간을 줍니다.
경면 연마 시, 연마기는 연마 드럼이나 연마 디스크를 이전 단계와 수직 방향으로 교차 연마할 수 있습니다. 교차 연마는 이전 스크래치 패턴과 어우러져야 하는 부분을 강조하지만, 표면을 #8 경면 연마로 만들지는 않습니다. 모든 스크래치를 제거한 후에는 펠트 천과 버핑 패드를 사용하여 원하는 광택 마감을 만들어야 합니다.
적절한 마감 처리를 위해 제조업체는 마감 담당자에게 실제 도구와 재료를 포함한 적절한 도구는 물론, 특정 마감 처리의 모양을 결정하기 위한 표준 샘플을 제작하는 등의 의사소통 도구도 제공해야 합니다. 이러한 샘플은 마감 부서 옆, 교육 자료, 판매 자료에 게시되어 모든 담당자가 동일한 시각을 유지하도록 도와줍니다.
실제 공구(전동 공구 및 연마재 포함)의 경우, 일부 부품의 형상은 가장 숙련된 마무리 작업팀에게도 까다로울 수 있습니다. 이는 전문 공구의 가공에 도움이 될 것입니다.
작업자가 얇은 스테인리스 스틸 파이프를 조립해야 한다고 가정해 보겠습니다. 플랩 디스크나 드럼을 사용하면 문제, 과열, 심지어 튜브 자체의 납작한 부분까지 발생할 수 있습니다. 바로 이 부분에서 파이프용 벨트 그라인더가 도움이 될 수 있습니다. 컨베이어 벨트는 파이프 직경의 대부분을 덮고 있어 접촉 지점을 분산시켜 효율을 높이고 열 입력을 줄입니다. 하지만 다른 모든 작업과 마찬가지로, 작업자는 과도한 열 축적을 줄이고 블루잉 현상을 방지하기 위해 벨트 샌더를 다른 위치로 옮겨야 합니다.
다른 전문 마무리 도구에도 동일하게 적용됩니다. 손이 닿기 어려운 곳에 사용하도록 설계된 벨트 샌더를 생각해 보세요. 마무리 작업자는 이 샌더를 사용하여 두 판재를 예각으로 필렛 용접할 수 있습니다. 핑거 벨트 샌더를 수직으로 움직이는 대신(이를 닦는 것처럼), 기술자는 필렛 용접의 상단 가장자리를 따라 수평으로 움직인 다음 하단을 따라 움직여 핑거 샌더가 한곳에 너무 오래 머무르지 않도록 합니다.
스테인리스 스틸의 용접, 연삭, 마감 작업에는 또 다른 과제가 있습니다. 바로 적절한 부동태화를 보장하는 것입니다. 이러한 모든 과정 후에도 재료 표면에 스테인리스 스틸 크롬 층이 자연스럽게 형성되지 않도록 하는 오염 물질이 남아 있지는 않았습니까? 제조업체에게 가장 필요한 것은 녹슬거나 더러운 부품에 대해 불만을 제기하는 화난 고객입니다. 바로 이 부분에서 적절한 세척과 추적성이 중요합니다.
전기화학 세척은 오염 물질을 제거하여 적절한 부동태화를 보장하는 데 도움이 되지만, 이러한 세척은 언제 해야 할까요? 적용 분야에 따라 다릅니다. 제조업체가 스테인리스강을 완전히 부동태화하기 위해 세척하는 경우, 일반적으로 용접 직후에 세척합니다. 그렇지 않으면 마감재가 작업물의 표면 오염 물질을 흡수하여 다른 곳으로 확산될 수 있습니다. 그러나 일부 중요한 적용 분야의 경우, 제조업체는 추가적인 세척 단계를 추가할 수 있으며, 스테인리스강이 공장에서 출고되기 전에 적절한 부동태화 여부를 테스트하는 경우도 있습니다.
제조업체가 원자력 산업에 중요한 스테인리스강 부품을 용접한다고 가정해 보겠습니다. 전문 텅스텐 아크 용접공이 보기에 완벽한 매끄러운 이음매를 만듭니다. 하지만 이 또한 매우 중요한 작업입니다. 마감 부서의 한 직원이 전기화학 세척 시스템에 연결된 브러시를 사용하여 용접 표면을 세척합니다. 그런 다음 부직포 연마재와 천으로 용접 부위를 사포질하고 모든 표면을 매끄럽게 마무리합니다. 마지막으로 전기화학 세척 시스템을 사용하여 브러시로 마무리합니다. 하루나 이틀 정도 가동을 중단한 후 휴대용 테스터를 사용하여 부품의 부동태화가 제대로 되었는지 확인합니다. 작업과 함께 기록 및 저장된 결과는 부품이 출고 전에 완전히 부동태화되었음을 보여줍니다.
대부분의 제조 공장에서 스테인리스강의 연삭, 마무리, 그리고 부동태화 세척은 일반적으로 후속 단계에서 이루어집니다. 실제로 이러한 작업들은 대개 작업 제출 직전에 수행됩니다.
부적절하게 가공된 부품은 가장 값비싼 폐기물과 재작업을 초래하기 때문에 제조업체는 샌딩 및 마감 부서를 다시 살펴보는 것이 합리적입니다. 연삭 및 마감 작업의 개선은 주요 병목 현상을 제거하고, 품질을 향상시키며, 골치 아픈 문제를 해결하고, 무엇보다도 고객 만족도를 높이는 데 도움이 됩니다.
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