우리가 앞서 알아본 '아크 용접'이나 '가스 용접'이 튼튼하고 실용적인 옷을 만드는 '기본 바느질'이라면, 특수 용접은 아주 섬세한 드레스나 최첨단 우주복을 만드는 '정밀 재봉 기술' 또는 '3D 프린팅'과 같습니다. 특수 용접은 일반적인 방법으로는 붙이기 어려운 특별한 재료를 다루거나, 아주 높은 정밀도와 품질이 필요할 때 사용하는 첨단 기술입니다. 강력한 에너지 빔을 사용하거나, 아예 금속을 녹이지 않고 합치는 등 독특하고 신기한 방법들이 많습니다. 미래 산업의 핵심인 특수 용접의 대표적인 방법들을 자세히 알아보겠습니다.
레이저 빔 용접 (Laser Beam Welding)
돋보기로 햇빛을 모아 종이를 태워본 경험이 있나요? 레이저 용접은 이와 비슷한 원리입니다. 아주 강력한 빛(레이저)을 렌즈로 아주 작은 한 점에 집중시켜, 그 엄청난 에너지로 금속을 순식간에 녹여 붙이는 기술입니다.
1. 원리: 강력한 레이저 빛을 머리카락보다 가느다란 점으로 모으면, 그 점의 온도는 수천, 수만 ℃까지 올라갑니다. 이 빛의 칼로 금속을 깊고 정교하게 녹여 용접하는 것입니다.
2. 특징 및 주요 용도:
1) 초정밀 작업: 매우 작은 점에 에너지를 집중시키므로, 스마트폰 내부의 작은 부품이나 의료기기처럼 섬세한 용접이 가능합니다.
2) 적은 변형: 순식간에 필요한 부분만 녹이고 바로 굳기 때문에, 열로 인한 제품의 뒤틀림이나 변형이 매우 적습니다.
3) 빠른 속도: 로봇과 결합하여 매우 빠른 속도로 자동화 용접을 할 수 있습니다.
4) 단점: 장비가 매우 비싸고, 정밀한 제어 기술이 필요합니다.
5) 주요 용도: 자동차 차체, 에어백, 배터리 등 정밀함이 생명인 자동차 산업과 전자부품, 의료용 임플란트 제작에 널리 사용됩니다.
전자빔 용접 (Electron Beam Welding)
오래된 브라운관 TV는 전자총에서 쏜 전자(Electron)가 화면에 부딪혀 그림을 만들었습니다. 전자빔 용접은 이 전자를 훨씬 강력하게 가속시켜, 그 운동에너지를 열에너지로 바꿔 금속을 녹이는 기술입니다.
1. 원리: 진공 상태의 공간(챔버) 안에서 전자를 총처럼 쏴서 금속에 부딪히게 합니다. 전자가 금속과 충돌하면서 엄청난 열을 발생시켜 금속을 깊숙이 녹입니다. 공기가 있으면 전자가 날아가다 부딪혀 흩어지기 때문에, 반드시 진공 상태에서 작업해야 합니다.
2. 특징 및 주요 용도:
1) 강력한 용입: 현존하는 용접 방법 중 금속을 가장 깊게 녹일 수 있습니다. 수십 cm 두께의 금속도 한 번에 용접할 수 있습니다.
2) 최고의 품질: 진공 속에서 작업하므로, 공기 중의 불순물이 섞이지 않아 매우 깨끗하고 강한 용접부를 얻을 수 있습니다.
3) 이종 금속 용접: 성질이 다른 여러 종류의 금속을 붙이는 데 탁월한 성능을 보입니다.
4) 단점: 진공 장치가 필수라 설비가 거대하고 매우 비쌉니다. 작업 준비 시간도 오래 걸립니다.
5) 주요 용도: 한 치의 오차도 허용되지 않는 항공기 엔진 부품, 우주 발사체, 원자력 발전 설비 등 최첨단 산업의 핵심 부품 제작에 사용됩니다.
플라즈마 아크 용접 (Plasma Arc Welding)
'플라즈마'는 고체, 액체, 기체에 이은 '물질의 제4 상태'라고 불립니다. 기체에 아주 높은 에너지를 가하면 원자가 전자와 이온으로 분리되는데, 이 상태가 바로 플라즈마입니다. 번개가 바로 자연에서 볼 수 있는 플라즈마 현상입니다.
1. 원리: TIG 용접처럼 텅스텐 전극에서 아크를 발생시키지만, 이 아크를 매우 좁은 노즐로 통과시키면서 고온의 플라즈마 가스를 분사합니다. 이렇게 만들어진 플라즈마 아크는 일반 TIG 아크보다 훨씬 더 가늘고, 온도가 높으며, 에너지가 집중되어 있습니다.
2. 특징 및 주요 용도:
1) 안정적인 아크: 아크가 매우 안정적이어서 아주 낮은 전류에서도 꺼지지 않고 섬세한 용접이 가능합니다.
2) 높은 에너지 밀도: 가늘고 강력한 아크 덕분에 용접 속도가 TIG보다 빠르고 더 깊이 용접할 수 있습니다.
3) 정밀 절단: 용접뿐만 아니라 금속을 정밀하게 절단하는 '플라즈마 절단'에도 널리 사용됩니다.
4) 단점: TIG 용접보다 장비가 더 복잡하고 비쌉니다.
5) 주요 용도: 고품질이 요구되는 스테인리스강 탱크, 압력 용기, 항공기 부품, 파이프라인 용접 등에 사용됩니다.
마찰 교반 용접 (Friction Stir Welding, FSW)
위의 방법들이 모두 금속을 녹여서 붙이는 '용융 용접'인 반면, 마찰 교반 용접은 금속을 녹이지 않고 합치는 독특한 '비용융(고상) 용접'입니다.
1. 원리:
1) 두 개의 금속 판을 맞대어 놓습니다.
2) '툴(Tool)'이라는 단단하고 둥근 막대 모양의 도구를 고속으로 회전시키며 이음새에 강력하게 누릅니다.
3) 이때 발생하는 엄청난 마찰열 때문에 금속이 녹지는 않고, 마치 뜨거운 엿이나 찰흙처럼 부드럽게 연화됩니다.
4) 회전하는 툴이 이 연화된 금속을 물리적으로 휘저어 섞어버린 후 지나가면, 두 금속은 완벽하게 하나로 합쳐집니다.
2. 특징 및 주요 용도:
1) 변형 및 결함 없음: 금속을 녹이지 않으므로, 식으면서 발생하는 수축이나 변형, 기포 같은 결함이 원천적으로 없습니다.
2) 알루미늄 용접 최강자: 열에 약하고 용접이 까다로운 알루미늄 합금을 매우 쉽고 튼튼하게 용접할 수 있습니다.
3) 친환경 공정: 용접 연기나 유해 광선이 발생하지 않는 깨끗한 공정입니다.
4) 단점: 두꺼운 판에는 적용하기 어렵고, 직선이나 완만한 곡선 형태의 단순한 이음새에만 적용하기 쉽습니다.
5) 주요 용도: 전기자동차의 배터리 케이스, 애플의 맥북 본체, 고속철도 차량, 선박 등 가볍고 튼튼해야 하는 알루미늄 제품 제작에 활발하게 사용되고 있습니다.