저항 용접(RW)은 열과 압력의 조합을 통해 접합을 이루는 다양한 융합 용접 기술을 포괄합니다. 용접해야 할 접합부에서 전류 흐름에 대한 전기 저항으로 인해 열이 발생합니다. 저항 용접의 주요 구성 요소는 아래 그림에 나와 있으며, 이 중에서 가장 널리 사용되는 저항 점 용접 방식을 보여줍니다. 용접할 부품(주로 판금 부품), 마주 보는 두 개의 전극, 부품을 전극 사이에 고정하는 장치, 그리고 제어된 전류를 공급할 수 있는 교류 전원이 구성 요소입니다. 점 용접에서는 두 부품 사이에 용접 너깃이라고 하는 용융 영역이 생성됩니다.
저항 용접은 아크 용접처럼 보호 가스, 플럭스, 용가재가 필요하지 않으며, 전력을 전달하는 전극도 소모되지 않습니다. 저항 용접은 열이 가해지면 접합면이 거의 예외 없이 녹기 때문에 융합 용접의 한 종류로 분류됩니다. 하지만 몇 가지 예외가 있습니다. 융합을 방지하기 위해 특정 저항 가열 용접 기술은 모재의 융점보다 낮은 온도를 사용합니다.
저항 용접 공정은 전극 특성, 용접 전류, 전극 압력, 전류 지속 시간 등 여러 가지 주요 변수를 포함합니다. 저항 용접은 아크 용접보다 10배에서 100배 더 큰 전류를 필요로 하기 때문에 효율적이고 빠른 용접 공정이며, 실제 용접 시간은 보통 1초 미만입니다.
RW의 전원 및 열 발생
저항 용접(RW)에서 회로 저항, 전류 흐름, 전류 인가 시간은 모두 용접에 필요한 열에너지에 영향을 미칩니다. 다음 수학적 표현은 이러한 관계를 나타냅니다.
H = I2 Rt
여기서 ��는 발생한 열량(줄 단위, Btu로 변환하려면 1055로 나누기), ��는 전류(암페어 단위), ��는 전기 저항(옴 단위), ��는 시간(초 단위)입니다.
저항 용접 공정은 종종 상대적으로 낮은 전압(일반적으로 10V 미만)에서 매우 높은 전류(5000~20,000A)를 사용합니다. 대부분의 공정에서 전류 지속 시간(t)은 짧습니다. 예를 들어, 일반적인 점 용접 작업에서는 0.1~0.4초 정도 지속될 수 있습니다. 저항 용접(RW)의 저항은 매우 낮고(약 0.0001V) 위의 식에서 제곱항이 전류의 영향을 증폭시키기 때문에 높은 전류가 사용됩니다. 용접 회로에는 공작물, 전극, 전극과 공작물 사이의 접촉 저항, 그리고 공급면의 접촉 저항이 모두 합쳐져 저항이 발생합니다. 따라서 이러한 전기 저항 영역 각각에서 열이 발생합니다. 용접이 가장 잘 되는 부위는 접합면이므로 접합면의 저항이 가장 큰 것이 최적입니다. 구리와 같이 저항률이 매우 낮은 금속을 사용하면 전극의 저항을 줄일 수 있습니다. 전극에서 발생하는 열을 분산시키기 위해 전극은 종종 물로 냉각됩니다. 가공물의 저항은 가공물의 두께와 모재의 비저항에 의해 결정됩니다. 전극의 크기, 모양, 접촉 면적뿐만 아니라 표면 상태(예: 전극의 스케일 및 가공물 표면의 청결도)는 전극과 가공물 사이의 접촉 저항을 결정합니다.
궁극적으로 표면 마감, 위생 상태, 접촉 면적 및 압력은 모두 접합면의 저항에 영향을 미칩니다. 페인트, 기름 또는 먼지와 같은 불순물이 접촉면을 분리시키지 않아야 합니다.
저항 용접의 성공에 있어 압력은 열만큼이나 중요합니다. 저항 용접(RW)에서 압력의 주요 목적은 적절한 용접 온도에 도달했을 때 접합면을 서로 밀착시켜 접합을 이루는 것과 전류가 흐르기 전에 두 작업 표면과 전극 사이에 접촉을 강제하는 것입니다.
저항 용접의 장점과 단점
저항 용접은 여러 장점 덕분에 산업 현장에서 널리 사용되는 용접 방식입니다. 특히 높은 효율성과 빠른 속도로 대량 생산이 가능하다는 점이 가장 큰 장점입니다. 용접 과정에서 용가재가 필요하지 않고, 열이 국소적으로 전달되기 때문에 인접 부품의 변형 가능성이 적습니다. 또한 자동화에 매우 적합하여 대규모 생산에 이상적입니다. 열을 정밀하게 제어할 수 있어 견고하고 정확한 용접 결과를 얻을 수 있습니다. 저항 용접은 다른 용접 방식에 비해 후가공 작업과 에너지 소비가 적어 비용 효율적이며, 유해 가스나 불꽃이 발생하지 않아 안전합니다.
저항 용접에는 몇 가지 단점이 있습니다. 필요한 장비가 고가이고 특수 장비인 경우가 많아 일부 작업에서는 장비 확보에 어려움을 겪을 수 있습니다. 또한 전기 저항이 높은 재료만 용접할 수 있기 때문에 용접 가능한 금속의 종류가 제한됩니다. 밀폐된 공간에서 열이 발생하기 때문에 큰 부품을 용접하기 어렵고, 접합부 불량을 방지하기 위해서는 부품의 정확한 정렬이 필수적입니다. 열로 인한 재료의 불균일한 팽창 또는 수축은 변형을 초래할 수 있으며, 이는 잠재적인 문제가 될 수 있습니다. 이러한 어려움에도 불구하고 저항 용접은 여전히 많은 제조 현장에서 유용한 기술입니다.
주요 저항 용접 공정
상업적으로 중요한 세 가지 주요 저항 용접 공정은 저항 점 용접(RSW), 저항 심 용접(RSEW) 및 돌출 용접(RPW)입니다.
저항 점용접(RSW)
저항 점 용접(RSW)은 동종 용접 방식 중 가장 일반적인 방법으로, 가전제품, 자동차, 금속 가구 및 기타 판금 제품의 대량 생산에 널리 사용됩니다. 자동차 차체에 평균 약 10,000만 개의 점 용접 부위가 있고 전 세계 연간 자동차 생산량이 수천만 대에 달한다는 점을 고려하면 저항 점 용접의 경제적 중요성이 분명해집니다.
저항 점 용접(RSW)은 겹침 이음매의 접합면을 서로 마주보는 전극으로 한 지점에서 접합하는 용접 방식입니다. 이 방법은 기밀 조립이 필요하지 않은 두께 3mm(0.125인치) 이하의 판금 부품에 적용됩니다. 여러 개의 점 용접을 연속적으로 수행하여 부품을 접합합니다. 가장 흔하게 사용되는 전극은 원형이지만, 사각형, 육각형 등 다양한 모양의 전극도 사용할 수 있으며, 전극 끝 부분의 모양에 따라 용접점의 크기와 형태가 결정됩니다.
결과적으로 생성되는 용접 너깃의 직경은 일반적으로 5~10mm(0.2~0.4인치)이며, 열영향부가 확장되는 부분에서 모재는 너깃보다 약간 더 돌출되어 있습니다. 용접이 제대로 이루어지면 용접부의 강도는 주변 금속과 유사해야 합니다. 다음 그림은 점 용접 공정의 단계를 보여줍니다.
저항 용접(RSW) 전극을 만드는 데에는 크게 두 가지 종류의 재료가 사용됩니다. 하나는 구리 기반 합금이고, 다른 하나는 구리와 텅스텐 같은 내화 금속 조성물입니다. 후자의 재료가 내마모성이 더 뛰어나다는 것은 잘 알려져 있습니다. 대부분의 생산 공정과 마찬가지로 점 용접에서도 공구는 사용함에 따라 점차 노화됩니다. 따라서 전극은 가능하면 내부에 수냉 통로를 갖도록 제작됩니다. 점 용접은 산업 현장에서 광범위하게 사용되기 때문에 다양한 공구와 기술을 사용하여 수행할 수 있습니다. 장비는 휴대용 점 용접 건뿐만 아니라 프레스식 및 로커 암식 점 용접기로 구성됩니다. 로커 암식 점 용접기는 상부 전극이 움직일 수 있도록 설계되어 있어 작업물의 적재 및 하역을 용이하게 하기 위해 위아래로 움직일 수 있습니다. 하부 전극은 고정되어 있습니다. 상부 전극은 로커 암에 고정되어 있으며, 작업자의 발 페달로 로커 암의 움직임을 제어합니다.
최신 장비에서는 프로그래밍을 통해 용접 사이클 전반에 걸쳐 힘과 전류를 제어할 수 있습니다. 프레스가 장착된 스폿 용접기는 더 무거운 작업에 적합합니다. 유압 또는 공압으로 구동되는 수직 프레스는 상부 전극에 직선 운동을 제공합니다. 프레스 동작 덕분에 더 큰 힘을 사용할 수 있으며, 제어 장치를 사용하여 복잡한 용접 사이클을 프로그래밍할 수 있습니다. 이러한 작업은 앞서 언급한 두 가지 유형의 고정식 스폿 용접기로 옮겨집니다. 하지만 크고 무거운 작업을 위해 부품을 고정식 기계로 옮기고 위치시키는 것은 어렵습니다. 휴대용 스폿 용접기는 이러한 상황에 맞춰 다양한 크기와 조합으로 제공됩니다. 이 장치는 집게 메커니즘 내부에 고정된 두 개의 마주 보는 전극으로 구성됩니다. 각 장치는 가볍기 때문에 산업용 로봇이나 작업자가 잡고 조작할 수 있습니다. 유연한 전기 케이블과 공기 호스를 사용하여 용접기를 전원 및 제어 장치에 연결합니다. 필요한 경우 전극 냉각을 위해 물 호스를 사용할 수도 있습니다. 자동차 조립 공장에서 자동차 차체 스폿 용접은 휴대용 스폿 용접기를 사용하는 일반적인 작업입니다. 이러한 총기 중 일부는 여전히 사람이 조작하지만, 현재는 산업용 로봇이 주요 기술로 자리 잡았습니다.
저항 솔기 용접(RSEW)
저항 용접(RSEW)은 점 용접에서처럼 막대 모양의 전극 대신 회전하는 휠 전극을 사용하여 겹치는 이음매를 따라 일련의 점 용접을 생성하는 기술입니다. 아래 그림에 나타낸 이 공정은 기밀성이 뛰어나기 때문에 판금 용기, 자동차 머플러, 연료 탱크 생산에 자주 사용됩니다. 점 용접과 RSEW는 기본적으로 동일하지만, RSEW는 휠 전극을 사용하고 작업이 연속적으로 진행된다는 점에서 추가적인 복잡성을 지닙니다.
RSEW(회전식 용접 용접)의 연속 작업 특성상 이음매는 직선 또는 균일한 곡선을 따라 형성되어야 하며, 날카로운 모서리나 불연속부는 문제가 될 수 있습니다. 또한, 부품의 변형이 큰 문제이므로 가공물을 제자리에 고정하고 변형을 최소화하기 위한 지그가 필수적입니다.
RSEW(롤 스폿 용접)에서 용접 전류의 인가와 전극 휠의 회전 속도는 용접 너깃 사이의 간격을 결정합니다. 가장 일반적인 연속 동작 용접 방식에서는 휠이 일정한 속도로 회전하는 동안 주기적으로 전류를 펄스 형태로 인가하여 적절한 스폿 용접 간격을 확보합니다. 이 방식에서는 일반적으로 용접 부위가 겹치는 현상이 발생합니다. 반면, 롤 스폿 용접 방식에서는 전류 주파수를 낮추면 용접 스폿 사이에 간격이 생길 수 있습니다. 또는 일정한 용접 전류를 유지하면 연속적인 용접 이음매를 얻을 수 있습니다. 아래 그림은 이러한 다양한 방식을 보여줍니다.
RSEW의 또 다른 변형은 간헐적 동작 용접으로, 전극 휠이 일정한 간격으로 정지하면서 각 점 용접이 이루어집니다. 용접 영역 사이의 간격은 휠이 정지하는 동안의 움직임에 따라 결정되며, 그 결과 위 그림 (a) 및 (b)와 같은 패턴이 생성됩니다.
전극 휠은 막대형 전극 대신 사용되지만, 이음매 용접기는 프레스형 점 용접기와 유사합니다. RSEW(회전식 이음매 용접) 과정에서는 공작물과 전극 휠 모두 냉각이 필요한 경우가 많습니다. 이러한 냉각을 위해 일반적으로 전극 휠 주변의 공작물 표면의 위쪽과 아래쪽에 물을 분사합니다.
저항 돌출 용접(RPW)
저항 돌출 용접(RPW)은 접합할 부품의 미리 정해진 작은 접촉점에서 접합이 이루어지는 저항 용접 공정입니다. 이러한 접촉점은 부품 자체에 형성된 돌출부, 엠보싱 또는 국부적인 접합부일 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 판금 부품을 접합할 때, 위쪽 부품은 아래 그림과 같이 아래쪽 부품과 먼저 접촉하는 오목한 모서리로 제작될 수 있습니다. 용접으로 인한 비용 절감은 엠보싱 공정이 부품 가격을 증가시키는 것처럼 보일지라도 그 비용을 상쇄할 수 있습니다.
저항 돌출 용접(RPW)은 아래 그림과 같이 두 가지 변형이 있습니다. 한 가지 변형은 RPW를 사용하여 형상 또는 가공된 돌출부가 있는 패스너를 판재에 영구적으로 고정함으로써 향후 조립 공정을 간소화할 수 있도록 합니다. 쇼핑 카트, 스토브 그릴, 철망 울타리와 같은 용접 와이어 제품 제작에는 교차 와이어 용접이라고 하는 또 다른 변형이 사용됩니다. 이 공정에서는 원형 와이어의 접촉면이 돌출부 역할을 하여 용접에 필요한 저항열을 국부적으로 집중시키는 데 도움을 줍니다.
기타 저항 용접 작업
이전에 다룬 주요 저항 용접 절차 외에도, 플래시 용접(FW), 업셋 용접(UW), 타격 용접(PEW), 고주파 저항 용접(HFRW)과 같은 대체 방법들도 이 범주에 속하며 알아두어야 합니다.
플래시 용접(FW)
플래시 용접(FW)은 주로 맞대기 용접에 사용됩니다. 이 공정은 용접할 표면을 서로 가깝게 대고 전류를 이용하여 녹을 때까지 가열하는 방식입니다. 표면 접촉 정도에 따라 아크가 발생할 수 있으며, 이를 플래싱(flashing)이라고도 합니다. 따라서 플래시 용접은 아크 용접의 한 종류로 분류되기도 합니다. 가열 후 표면을 강하게 밀착시켜 용접을 진행하며, 이 과정에서 균일한 접합 치수를 확보하기 위해 추가적인 가공 작업이 필요한 경우가 많습니다. 플래시 용접은 선재 인발 공정에서 선재 끝단을 연결하거나 압연 공장에서 강판을 맞대기 용접하는 등 고속의 경제적인 공정에 사용됩니다.
업셋 용접(UW)
FW와 유사하게, 업셋 용접(UW)은 가열 및 압착 단계를 단일 공정 사이클로 결합합니다. 그러나 FW와 달리 UW는 접촉면에서의 전기 저항만을 이용하여 가열하며, 아크 발생은 없습니다. 용융점 이하의 온도에 도달하면 접촉면이 증가된 압력 하에서 접합되고, 이 과정에서 접촉 부위의 재료가 변형됩니다. UW는 전선, 파이프, 튜브 접합 등 FW와 여러 분야에서 공통적으로 사용되지만, 앞서 언급한 다른 용접 기술들처럼 엄밀히 말하면 융합 용접은 아닙니다.
타격 용접(PEW)
FW와 유사하게, 타격 용접(PEW)은 1~10밀리초 사이의 매우 짧은 용접 사이클을 사용합니다. 접합해야 할 표면 사이에 전기 에너지가 갑자기 방출되면 급격한 가열이 발생합니다. 그런 다음 타격력을 가하여 부품을 융합합니다. 소형화가 필수적이고 열에 민감한 인접 부품이 필요한 전자 제품에는 PEW의 국부 가열 방식이 이상적입니다.
고주파 저항 용접(HFRW)
고주파 저항 용접(HFRW)에서는 고주파 교류를 사용하여 금속 표면을 가열한 후, 압착력을 가하여 용접을 마무리합니다. 10~500kHz 범위의 주파수에서 작동하는 이 기술은 고주파 전류의 표피 효과를 통해 용접 부위에 열을 집중시킵니다. 이와 유사한 방식인 고주파 유도 용접(HFIW)에서는 직접적인 전기 접촉 대신 유도 코일을 사용하여 전류를 생성합니다. 금속 파이프 및 튜브의 세로 이음매 접합과 같은 연속 용접 작업에는 HFRW와 HFIW가 적합합니다. 이러한 기술은 고속 생산 환경에서 일관되고 고품질의 용접을 구현할 수 있기 때문에 다양한 산업 공정에 유용하게 사용됩니다.
참고자료
Groover, MP, 2010. 현대 제조의 기초: 재료, 공정 및 시스템. 4판. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc.
