P3-2623분
동·동합금 용접
황동·인청동·규소청동·AL청동·NI청동·베릴륨청동 6종
🔵Reviewed — 교차 검증 완료
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구리(Cu)의 용접 도전 과제
구리는 융점 1,084℃로 강(1,538℃)과 알루미늄(660℃)의 중간이지만, 열전도도가 매우 높아 용접이 까다롭습니다.
Cu의 물성 비교
| 항목 | 순 Cu | 연강 | AL |
|---|---|---|---|
| 융점 (℃) | 1,084 | 1,538 | 660 |
| 열전도도 (W/m·K) | 401 | 50 | 237 |
| 비열 | 0.385 | 0.49 | 0.90 |
| 열팽창계수 (×10⁻⁶/K) | 16.5 | 11 | 24 |
열전도도가 강의 8배 → 용접 입열이 즉시 모재 전체로 확산 → 충분한 용입을 얻으려면 반드시 예열 필요. HAZ도 강보다 훨씬 넓게 형성됩니다.
합금 첨가 시 변화:
- 전기전도도 약간 저하
- 열팽창계수 = 연강의 약 1.5배, AL의 약 0.7배
- 강도 증가, 용접성 변화
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Cu의 산소 함량과 정련동 / 무산소동
정련동(Electrolytic Tough Pitch, ETP)은 산소 0.04~0.07%를 함유합니다. 이 산소는 용접 시 큰 문제를 일으킵니다.
기공 발생 메커니즘 (수증기 폭발):
$$Cu_2O + H_2 \to 2Cu + H_2O\,(\text{수증기})$$
용접 중 수소가 모재의 Cu₂O와 반응하여 수증기를 생성 → 응고 시 가스가 빠져나가지 못해 다공질 형성.
대책:
- 무산소동(OFHC, Oxygen-Free High Conductivity Copper) 사용 — O ≤ 0.001%
- 또는 탈산제 함유 용가재 사용 (Si, P, Mn 등)
- 산소 유무 판별: 800℃ × 30분 H₂ 분위기 가열 후 굽힘 → 균열 無 = 탈산동
Cu의 균열:
- 순동: 두꺼운 판·강한 구속에서 고온균열
- 동합금: Pb·창납 등 저융점 불순물이 입계 편석 → 균열 多
- AL합금, 오스테나이트 STS와 같은 FCC계로 균열 특성 유사
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동합금 6종 분류와 용접성
| 합금 | 조성 | 융점 (℃) | 용접 권장 프로세스 | 예열 (℃) | 주의 |
|---|---|---|---|---|---|
| 황동(Brass) | Cu-Zn (10~45%Zn) | 900~960 | 가스용접 多 | 250~350 | Zn 증발(900℃) → 산화불꽃 보호막 |
| 인청동(Phosphor Bronze) | Cu-Sn-P (Sn 5~10%) | 1,000~1,060 | SMAW/MIG | 100~180 | 열간취성, 편석균열 多, 직선비드, 피닝 |
| 규소청동(Silicon Bronze) | Cu-Si (1.5~3.25%) | 970~1,025 | TIG/MIG | 예열 不필요 | 열·전기 전도도 ↓ → 가장 용접 쉬움 |
| 알루미늄청동(Al Bronze) | Cu-Al (4~11%) | 1,030~1,080 | TIG/MIG | 위빙 비드 자유 | 열간 강도·연성 우수 |
| 니켈청동(Ni Bronze) | Cu-Ni (10~30%) | 1,150~1,240 | TIG/MIG (DCRP) | 과열 회피 | 가스용접 시 환원불꽃, MN/SI 탈산제 |
| 베릴륨청동(Be Bronze) | Cu-Be (0.5~2%Be) | 870~980 | TIG/MIG | 300~400 | BeO 분진 발암성 — 환기 필수 |
황동의 Zn 증발 회피법:
- 산화불꽃 사용 → 표면에 ZnO 산화막 보호
- 또는 Si 청동 용가재(Zn 무) 사용
- 가스용접 시 작업이 가장 어려움 (백색 ZnO 연기로 비드 불가시)
**베릴륨청동 — 발암성 분진 경고** Be 함유 합금은 용접·연마 시 발생하는 **BeO(산화베릴륨) 분진이 1급 발암물질(IARC Group 1)**입니다. **필수 안전조치**: - 국소배기장치(LEV) 사용 - HEPA 필터 송기마스크 - 작업 후 신체 세척, 작업복 격리 세탁 - 작업장 청소는 진공청소기(HEPA) — 빗자루 금지 - 한국 기준 노출한도 TWA 0.002 mg/m³ (산업안전보건법) 발암성을 인지하고 작업해야 하며, 가능한 한 다른 재질로 대체 검토.
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용접 방법별 적합성 가이드
| 프로세스 | 적용 두께 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|---|
| TIG | 6mm 이하 | 정밀, 청정, 박판 우수 | 예열 다량 필요, 후판 어려움 |
| MIG | 6mm 이상 | 고전류·고능률, 후판 적합 | 박판 어려움 |
| SMAW | 5mm 이상 | 설비 간단 | 슬래그 혼입·기공 多 → 불활성가스 대비 不리 |
| SAW | 12mm 이상 | 자동화, 큰 입열 | 후판 한정 |
| 가스용접 | 박판 | 황동 전용 | 효율 낮음 |
| 저항용접 | 박판 | 박판 점접합 | 대전류 필요 |
TIG 극성: Cu·합금은 일반적으로 직류 정극성(DCSP) 사용 (전극에 열 적게 가서 보호). AL과 반대.
예열 온도 결정 가이드: 두께 6mm 이하 → 200℃ / 12mm 이상 → 300~400℃. 합금별로 조정.
TIG로 12mm 이상 시도 시: 높은 예열·고전류 필요 → MIG가 더 적합.
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다층 용접 시 미세균열(Micro Fissure) 대책
동의 다층 용접에서 깊이 3mm 이하의 입계 미세균열이 발생하기 쉽습니다. 원인은 다층 패스의 누적 열응력과 입계 편석.
3대 대책:
1. 용접입열 낮춤 — 각 패스의 열량 최소화
2. 각 층 피닝 — 응고 직후 가볍게 타격하여 응력 완화
3. 예열·층간온도 유지 — 급냉 회피
용가재 선정:
- 정련동(O 함유) 모재 + 동일 조성 용가재 → 다공질 多 (수증기)
- 대신 Pb 함유 탈산용접봉 또는 Si 탈산 용접봉 사용
- 무산소동도 Pb 함유 탈산용접봉 권장 — 더 건전한 용접부
황동 용접 추가 팁:
- TIG로 황동 용접 시 Zn 증발 → Si 청동 용가재로 대체 사용
- 또는 표면 적색이 보일 때까지(약 480℃) 약산화불꽃으로 보호막 형성 후 본 용접 진행
1
모재 확인 + 산소·Pb 검사
합금 분류(황동·청동 등) 확인. 정련동인지 OFHC인지 판별(H₂ 800℃ 30분 가열 후 굽힘). Pb·Bi·Cd 등 저융점 불순물 분석 — 함량 높으면 균열 위험.
2
예열 + 용가재 선정
두께·합금별 예열 온도 결정. 황동: 250~350℃, 인청동: 100~180℃, AL청동·규소청동: 100℃ 이하 또는 불필요. 용가재는 **모재와 동일 또는 탈산 강화** 선택.
3
용접 실시 — 청정·직선비드
TIG: DCSP, Ar 가스. MIG: DCRP, 후판. 이음부와 봉 청정 필수. 인청동은 **위빙 회피, 직선 비드 + 빠른 진행**. 베릴륨청동은 환기·LEV 사용.
4
후처리 + 검사
각 층 피닝(다층 미세균열 방지). 규소청동·니켈청동은 후열 500℃ 검토 (인성 회복). 황동은 응력부식(SCC) 우려 → 응력제거 풀림 검토. PT/RT로 결함 검사.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
구리 용접에 반드시 예열이 필요한 주된 이유는?