용접 시 금속의 뒤틀림은 흔히 겪는 골칫거리입니다. ~에서 신코팹, 저희는 매달 수천 개의 판금 부품을 가공하고 용접합니다. 산업 분야 고객사를 위해 맞춤형 프레임, 정밀 도어, 공차 범위가 엄격한 판금 인클로저를 제작해 온 과정에서, 저희 제작 담당자들은 대량 생산 단계에서 열 변형을 방지하는 방법을 터득했습니다.
이 가이드에서는 용접 시 금속의 뒤틀림을 방지하는 구체적인 방법을 알려드리겠습니다. 작업물을 평평하게 유지할 수 있는 단계별 과정을 확인하실 수 있습니다. 금속을 준비하는 방법, 클램프로 고정하는 방법, 용접기 설정을 조정하는 방법, 그리고 뒤틀림이 발생하기 전에 미리 막을 수 있는 유용한 용접 요령을 다룰 예정입니다.
이 문제를 단번에 해결해 봅시다.
용접을 하면 금속이 왜 뒤틀리는 걸까요?
금속의 뒤틀림을 방지하려면, 먼저 그 원인이 무엇인지 이해해야 합니다.
용접 시 금속의 뒤틀림은 열팽창과 수축으로 인해 발생합니다. 용접 아크의 열로 인해 금속이 팽창한 후 급격히 냉각되면, 새로 용접된 접합부가 수축하게 되어 심각한 내부 응력이 발생하고, 이로 인해 재료가 휘어지거나 뒤틀리게 됩니다.
열팽창과 수축의 주기 (열팽창)
금속은 뜨거워지면 팽창하고, 식으면 수축합니다.
용접 풀의 온도는 몇 초 만에 2,500°F를 넘습니다. 용접부 주변의 금속은 급격히 가열되어 바깥쪽으로 밀려나옵니다.
그러면 용접을 중단합니다. 금속이 식으면서 원래 크기로 수축하려고 합니다.
하지만 지금은 서로 용접되어 붙어 있습니다. 금속은 수축하려고 하지만, 새로 생긴 용접부가 이를 제자리에 고정하고 있습니다. 이로 인해 심각한 내부 응력이 발생합니다. 바로 그 응력이 작업물을 잡아당기고, 휘게 하며, 비틀어 모양을 일그러뜨리는 힘입니다.
얇은 금속이 가장 큰 과제인 이유
두꺼운 강판은 실수를 용서해 주지만, 얇은 판금은 그렇지 않다.
두꺼운 금속 조각은 스펀지처럼 작용하여 열을 흡수한 뒤 용접 부위에서 안전하게 열을 빼내어 줍니다. 얇은 금속은 이러한 추가적인 질량이 부족하기 때문에 열이 빠져나갈 곳이 없습니다.
얇은 금속을 용접할 때 다음과 같은 세 가지 현상이 발생합니다:
- 너무 빨리 뜨거워집니다: 열이 넓게 퍼지면서 패널 전체가 팽창하게 된다.
- 힘이 부족하다: 얇은 두께의 금속은 용접부가 식으면서 발생하는 인장력에 저항할 수 없다.
- 쉽게 휘어집니다: 서로 상반되는 열과 냉의 힘이 작용하여 표면이 금세 물결 모양이 된다.
알아두면 좋은 금속별 요령
연강에는 효과가 좋은 방법도 다른 재료에는 해를 끼칠 수 있습니다. 용접을 하기 전에, 해당 금속이 열에 어떻게 반응하는지 정확히 파악해야 합니다.
알루미늄: 빠른 가열과 부드러운 가장자리
강철과 달리 알루미늄은 녹기 전에 붉게 달아오르지 않습니다. 한 순간에는 아무 문제 없어 보이다가도, 다음 순간에는 테이블을 뚫고 떨어질 수도 있습니다.
이 현상은 제작 과정에서 나타납니다 6061 알루미늄 섀시. 열 전도율이 높기 때문에 열이 부품 전체로 빠르게 퍼집니다. 작업자가 알루미늄 프레임에 과도한 열을 가하면 구조가 뒤틀려 정사각형 형태를 잃게 되며, 이로 인해 공차가 엄격한 조립 작업에는 사용할 수 없게 됩니다.
스테인리스강: 높은 팽창률과 열 축적
스테인리스강은 열전도율이 낮습니다.
작년에 저희는 18게이지 304 스테인리스 식품 등급 인클로저를 대량으로 생산했습니다. 그 과정에서 열이 용접 이음매 부위에 집중된다는 사실을 알게 되었습니다. 야금학적 데이터에 따르면, 304 오스테나이트계 스테인리스강은 연강보다 열팽창률이 50% 더 높지만, 열전도율은 연강의 3분의 1에 불과합니다. 한 지점에 고열이 집중되면 국부적인 팽창이 발생합니다. 이러한 요인들이 복합적으로 작용하여, 엄격한 공장 규정을 준수하지 않으면 얇은 스테인리스 강판을 평평하게 유지하기 어렵습니다.
1단계: 금속 재료와 기계 준비하기
용접 변형의 대부분은 부적절한 설비 배치에서 비롯됩니다. 적절한 사전 준비 작업을 통해 나중에 금속이 뒤틀리는 것을 방지할 수 있습니다.
금속 용접부를 깨끗하게 유지하면 냉각 효과가 높아집니다
그라인더부터 시작하세요. 깨끗한 금속이야말로 좋은 금속입니다. ShincoFab 작업장에서는 규칙이 간단합니다. 밀스케일, 기름, 녹이 묻어 있다면 토치를 켜지 않습니다.
얇은 판금에 굵은 용접선을 사용하면 실패할 수밖에 없습니다. 그 굵은 용접선을 녹이기 위해서만 해도 용접기의 출력을 높여야 하기 때문입니다. 해결책은 간단합니다. 와이어 규격을 한 단계 낮추면 됩니다. 예를 들어, 우리 직원들이 0.035 규격의 와이어로 얇은 판금을 MIG 용접할 경우, 업계 표준을 준수하여 0.023 규격의 와이어로 교체하도록 의무화하고 있습니다. 얇은 두께의 판재에 가해지는 열 입력을 최소화하기 위한 모범 사례. 가느다란 와이어는 훨씬 낮은 온도에서 녹기 때문에, 최종 제품이 더 평평하고 뒤틀림이 없습니다.
와이어 브러시나 플랩 디스크를 준비하세요. 이음매 가장자리를 광이 날 정도로 깨끗하게 연마하여 금속 본체가 드러나게 하세요. 이음매가 깨끗할수록 토치를 더 빠르게 움직일 수 있습니다. 빠르게 움직일수록 부품의 온도가 낮아지고 표면이 더 평평해집니다.
완벽한 피팅 완성하기 (틈새는 절대 안 돼)
과도한 열을 공급하지 않고서는 큰 간극을 메울 수 없다.
열린 틈을 메우려면 용융 금속으로 된 다리를 만들어야 하는데, 이로 인해 열입력이 증가한다.
금속 부품을 틈 없이 단단히 조립하려면 다음 세 단계를 따르십시오:
- 지름길을 피하려면 두 번 측정하라.
- 가장자리를 곧게 갈아주세요.
- 부품을 고정하기 전에 부품들이 표면과 수평이 되도록 밀어 넣으십시오.
맞물림이 꽉 조일수록 견고한 용접을 만드는 데 필요한 열량이 줄어듭니다.
필러 와이어의 크기가 중요할까요? (네, 그 이유는 다음과 같습니다)
많은 용접공들이 모재의 두께에만 집중하고 용가선의 굵기는 간과하곤 합니다.
얇은 판금에 굵은 용접선을 사용하면, 용접선을 녹이기 위해 용접기의 열을 높여야 합니다. 해결책은 용접선 굵기를 한 단계 줄이는 것입니다. 예를 들어, 작업자가 0.035 용접선을 사용하여 얇은 판금을 MIG 용접할 경우, 0.023 용접선으로 교체하도록 의무화하고 있습니다. 더 얇은 와이어는 더 낮은 온도에서 녹기 때문에, 최종 제품의 표면이 더 평평해집니다.
2단계: 고철 시험 가동
용접기 설정을 대충 추측하지 마십시오. 실제 작업 중에 설정을 조정하는 것은 위험합니다. 기계의 온도가 너무 높으면 양질의 금속이 뒤틀리거나 완전히 타버릴 수 있습니다.
설정을 절대 추측해서는 안 되는 이유
먼저 고철로 설정을 테스트해 보세요. 전압과 와이어 공급 속도를 대충 추정하면 평평한 패널이 순식간에 휘어질 수 있습니다.
ShincoFab 작업장의 원칙은 다음과 같습니다. ‘시운전 과정에서 불량품이 나오지 않으면, 최종 제품에서도 아크 현상이 발생하지 않는다.’ 5분 정도 시간을 내어 시험 용접을 진행하면 이러한 위험을 완전히 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 절단 부품을 폐기물통으로 보내는 일을 막을 수 있습니다.
'Trash Metal'에서 전압과 이동 속도 조정하기
시험편은 해당 프로젝트와 동일한 배치에서 출처되어야 하며, 두께와 재질이 정확히 일치해야 합니다.
고철을 사용하여 용접기 설정을 적절하게 조정하려면 다음 네 단계를 따르십시오:
- 테스트 조인트를 설정합니다: 작품과 같은 방식으로 두 개의 자투리 조각을 서로 고정하세요.
- 간단하게 비드를 만들어 보세요: 웅덩이를 지켜보며 아크 소리를 들어보세요.
- 난방 상태를 확인하세요: 용접 부위가 너무 깊게 파여 있나요? 전압을 낮추세요.
- 속도를 조절하세요: 열이 너무 많이 발생하지 않을 정도로 빠르게 손을 움직이되, 금속이 녹아 붙을 수 있을 만큼은 천천히 움직이세요.
용접 상태가 만족스러워 보일 때까지 다이얼을 조절해 보세요. 설정이 확정되면 더 이상 건드리지 마세요.
3단계: 방열판을 이용해 열을 배출하기
얇은 금속은 금방 뜨거워집니다. 패널에 손상이 발생하기 전에 열을 빼낼 방법이 필요합니다. 방열판이 바로 그 역할을 합니다.
구리 받침봉이 얇은 금속을 어떻게 보호하는가
구리 백킹 바는 얇은 판금의 방열판 역할을 합니다. ShincoFab에서는 대량 생산을 위해 두께 1/2인치, 폭 2인치의 맞춤형 구리 백킹 블록을 가공하며, 일반적으로 길이는 12인치와 24인치로 제작합니다.
구리는 뛰어난 열전도성을 지니고 있으며, 탄소강이나 스테인리스강보다 훨씬 빠르게 열을 전달한다. 용접부 뒤쪽에 두꺼운 구리 막대를 놓으면, 이 막대는 거대한 열 흡수체 역할을 하여 주변 금속이 뒤틀리기 전에 용접 부위에서 발생하는 강렬한 열을 즉시 흡수해 버립니다.
최대 효과를 위한 방열판 배치
방열판은 열 전달 경로를 형성하기 위해 밀착되고 평평하게 접촉되어야 합니다.
열 전달 효율을 극대화하기 위해 방열판을 설치하려면 다음 세 단계를 따르세요:
- 이음매를 뒤로: 구리 막대를 이음매 바로 뒤에 놓으십시오.
- 꽉 조이세요: 클램프를 사용하여 구리를 강철에 단단히 밀착시키십시오. 공기 틈이 있으면 열이 전달되지 않습니다.
- 이격 거리를 잘 확인하세요: 용접 토치를 가리지 않도록 클램프를 이음매 근처에 배치하십시오.
구리 막대가 없다면 두꺼운 알루미늄 덩어리를 사용해도 괜찮습니다.
4단계: 모든 것을 단단히 고정하기 (신체 구속)
금속이 냉각되면 강력한 인장력이 발생합니다. 부품이 움직이지 못하도록 물리적으로 고정해야 합니다.
고강도 클램프와 지그를 사용하십시오
용접부가 식으면서 강한 힘으로 당겨지게 됩니다.
재료를 고정하려면 고강도 클램프가 필요합니다. 반복적인 산업용 작업의 경우, 당사의 엔지니어링 팀이 맞춤형 용접 지그를 설계합니다. 지그는 매번 부품을 정확한 위치에 고정해 줍니다. 금속이 미끄러지면 뒤틀리게 됩니다.
용접식 임시 보강재 및 보강판
클램프로 고정하기에는 너무 큰 부품의 경우, 임시 버팀대를 사용하십시오.
90도 각도의 프레임을 만들 경우, 식으면서 모서리가 안쪽으로 당겨져 닫히려 할 수 있습니다. 이 경우, 내부 모서리를 대각선으로 가로지르도록 폐금속 조각을 임시로 고정하여 견고한 지지대를 만들어 주세요.
다음 두 가지 방법을 사용하여 임시 보강재를 추가하고 금속이 휘는 것을 방지하십시오:
- 큰 패널은 평평하게 보관하십시오: 용접 이음매 바로 옆에 두꺼운 앵글 철재를 하나 고정하세요.
- 좌우 흔들림 방지: 이음매에 수직이 되도록 용접 스크랩 조각을 용접하십시오.
프로젝트가 완전히 식으면 보강재를 잘라내고 해당 부위를 연마하여 매끄럽게 다듬으세요.
작품의 일부를 작업대에 직접 타크 용접하세요
때로는 작업대에 금속을 고정해도 충분히 단단히 고정되지 않는 경우가 있습니다. 금속이 뜨거워지면 위로 들리려고 하기 때문입니다.
작업물을 금속 작업대 위에 직접 타크 용접으로 고정하세요. 바깥쪽 가장자리를 따라 3~4군데 정도 작은 타크 용접만 하면 됩니다. 최종 용접부가 식으면 커트오프 휠을 사용하여 타크 용접 부위를 잘라내어 분리하세요.
5단계: 타크 용접을 완벽하게 익히기
가봉 용접은 프로젝트의 토대가 됩니다.
왜 압정이 첫 번째 방어선인가
타크는 모든 부품을 제자리에 고정해 줍니다. 또한 타크는 최종 용접 시 발생하는 인장력에 견딜 수 있는 강도를 금속에 부여합니다.
못의 길이는 약 1/4인치로 만드세요. 조각들을 단단히 고정할 수 있을 정도의 강도가 있어야 합니다. 못을 너무 크게 만들면 과도한 열이 발생합니다.
가봉 후 틈새를 확인하세요. 특정 부분에서 틈새가 더 넓어 보인다면, 추가로 가봉하여 단단히 고정하세요.
센터-아웃 태크 순서
가장자리부터 박음질을 시작하면 열로 인해 반대쪽 끝이 벌어집니다. 대신 중앙에서 바깥쪽으로 박음질하는 방법을 사용하세요.
센터-아웃 태킹 순서를 수행하려면 다음 세 단계를 따르세요:
- 정중앙에서 시작하세요: 첫 번째 핀을 이음매의 중앙에 꽂으세요.
- 바깥쪽으로 이동: 각 가장자리를 향해 차례로 다음 못을 박아 나가세요.
- 간격을 균일하게 두세요: 판금을 고정할 때는 압정을 대략 2~4인치 간격으로 박으십시오.
‘중심에서 바깥쪽으로’ 진행되는 변형 과정은 응력을 금속의 열린 끝부분 쪽으로 밀어냅니다. 이로 인해 수축력이 한곳에 집중되지 않고 자연스럽게 분산됩니다.
6단계: 열 조절하기 (현명한 용접 기법)
비드를 놓는 방식이 중요합니다. 뒤틀림을 방지하려면 토치를 움직이는 방식을 다시 한 번 생각해 보세요.
연속 용접 중지 (짧은 스티치 사용)
24인치를 한 번에 연속으로 용접하는 대신, 여러 구간으로 나누어 용접하십시오.
2인치 구간을 용접한 뒤 잠시 멈춥니다. 간격을 두고, 앞쪽으로 건너뛰었다가 다시 2인치 구간을 용접합니다. 이렇게 하면 주변 금속이 식을 시간을 벌 수 있습니다.
또한 양쪽을 번갈아 가며 용접하여 응력을 균형 있게 분산시킬 수 있습니다. 왼쪽에서 3인치를 용접한 다음, 오른쪽으로 이동하여 그곳에서도 3인치를 용접하세요. 이렇게 좌우로 번갈아 가며 용접하면 수축력이 서로 상쇄됩니다.
백스텝 기법 설명
이음매를 따라 앞으로 용접하는 대신, 뒤로 용접하십시오.
가장자리에서 몇 인치 안쪽부터 시작하세요. 시작 지점을 향해 뒤로 용접하세요. 그런 다음, 아직 용접되지 않은 이음매를 따라 몇 인치 더 아래로 이동하세요. 이전 용접 풀과 연결될 때까지 다시 뒤로 용접하세요.
이를 통해 열이 한 방향으로 쏠리는 것을 막고, 열 응력을 관리 가능한 단위로 분산시킵니다.
더 빠르게 움직여 열기를 낮춰라
이동 속도가 너무 느리면 열이 주변 패널 깊숙이 스며듭니다. 열영향부를 좁게 유지하기 위해 이동 속도를 충분히 높게 유지하십시오.
고온이 넓은 범위로 퍼지는 넓은 뱀 모양의 움직임을 피하십시오. 대신, 촘촘하고 곧은 줄 모양의 비드를 만드십시오.
과도하게 용접하고 싶은 유혹을 참으세요. 3/16인치 이음매에는 1/4인치나 되는 큰 용접 비드가 필요하지 않습니다. 불필요한 용가재를 추가하면 과도한 열이 발생하고 금속이 더 단단해집니다.
7단계: 식히기 (용접 부위를 물이나 압축 공기로 식힐 수 있을까?)
용접이 완료된 부분은 자연 냉각되도록 하십시오. 냉각 과정을 인위적으로 서두르지 마십시오.
뜨거운 금속을 절대로 급랭시켜서는 안 되는 이유
방금 용접한 부위를 절대로 물에 담가 식히지 마십시오.
1,000도인 용접부를 찬물에 담그면 격렬한 열충격이 발생합니다. 다음에서 자세히 설명한 바와 같이 열처리 및 담금질에 관한 야금 지침, 이러한 급격하고 통제되지 않은 냉각으로 인해 두 가지 끔찍한 일이 발생합니다:
- 용접부를 손상시킵니다: 갑작스러운 충격으로 인해 금속이 취성화되어, 새로 용접한 부분이 가운데에서 갈라지는 경우가 많습니다.
- 모양이 망가져 버립니다: 당기는 힘으로 인해 부품이 심하게 뒤틀려 더 이상 수리할 수 없게 됩니다.
유일하게 안전한 방법은 금속을 공기 중에서 자연스럽게 식히는 것입니다.
압축 공기와 젖은 걸레가 초래하는 숨겨진 피해
용접 부위를 식히기 위해 젖은 천, 압축 공기 또는 선풍기를 사용하지 마십시오.
강제 냉각은 패널 전체에 걸쳐 온도 불균형을 초래합니다.
강제 냉각 방식이 가열된 금속 시트에 어떤 손상을 주는지 다음과 같습니다:
- 젖은 걸레: 표면층을 너무 빨리 식히면 표면에 균열이 생길 수 있습니다.
- 압축 공기: 한쪽은 얼어붙고 다른 쪽은 뜨거워진 채로 남아 있어 금속이 휘어지게 됩니다.
- 팬들: 얇은 판금을 뒤틀리게 하는 고르지 않은 기류를 생성한다.
실온에서 금속이 천천히 그리고 고르게 식도록 하십시오.
금속이 여전히 뒤틀린다면 어떻게 해야 할까요?
제대로 고정하고, 이음새를 처리하고, 냉각한 후에도 금속이 여전히 휘어 있다면, 이를 해결할 수 있는 두 가지 방법이 있습니다.
용접 후 뒤틀린 금속은 어떻게 고치나요?
열 스트레이트닝은 열을 이용해 휨을 교정하는 방법입니다.
패널이 뒤틀리면 한쪽 면(“긴” 쪽)이 늘어나게 됩니다. 그 긴 쪽을 줄여야 합니다.
긴 쪽의 작은 부분을 옅은 붉은 빛이 날 때까지 가열합니다. 토치를 치우고 자연적으로 식히도록 둡니다. 붉게 달아오른 부분이 식으면서 수축합니다. 이 수축 작용으로 인해 주변 금속이 원래의 정렬 상태로 되돌아갑니다.
기계식 프레스 및 굽힘 가공
열만으로는 충분하지 않은 경우, 유압 프레스와 고강도 클램프를 함께 사용하여 휘어진 부품을 제 모양으로 바로잡으십시오.
다음 세 단계를 따라 열과 기계적 힘을 안전하게 결합하여 머리카락을 곧게 펴세요:
- 토치로 구부러진 부분을 약 400~600°F 정도로 살짝 가열하십시오.
- 프레스로 아주 천천히 압력을 가하십시오.
- 살짝 밀어보고, 멈춘 다음, 정렬 상태를 확인하세요.
결론
왜곡이 생기기 전에 미리 막는 것이, 이미 망가진 프레임을 다시 바로잡는 것보다 훨씬 쉽습니다. 시간을 내어 가장자리를 깨끗이 정리하고, 자투리 재료로 설정을 테스트한 뒤, 모든 부위를 단단히 고정하세요.
ShincoFab에서는 가공 및 판금 용접 매일. 이러한 표준 운영 절차(SOP) 덕분에 우리가 제작하는 모든 부품은 정밀하게 가공되며 고객 사양을 충족합니다. 맞춤형 브라켓을 용접하든, 대량 생산을 외주하든, 열을 적절히 제어하는 것이 최우선 과제입니다.
자, 이제 작업장으로 가서 조립 상태를 확실히 점검하고 평면 용접을 해보세요. 대규모 정밀 판금 가공이 필요하시다면, 저희를 어디서 찾을 수 있는지 잘 아실 겁니다.
