냉간 압력 용접: 유형, 장단점, 장비

냉간 용접 또는 고체 용접이라고도 하는 저압 용접은 열을 가하지 않고 고강도의 금속 결합을 만드는 혁신적인 접합 기술입니다. 이 공정은 소성 변형 원리를 사용하여 상온에서 두 금속 표면을 원자 수준으로 결합합니다.

저압 용접 중에는 일반적으로 재료의 항복 강도를 초과하는 상당한 압축력이 금속 계면에 가해집니다. 이 강한 압력은 국부적인 소성 변형을 일으키며, 이는 두 가지 중요한 기능을 수행합니다:

1. 표면 산화물 제거: 플라스틱 흐름이 인터페이스에서 표면 오염 물질과 산화물 층을 강제로 밀어내어 깨끗한 초기 금속 표면을 노출시킵니다.
2. 원자 확산: 극한의 압력은 깨끗한 금속 표면을 밀접하게 접촉시켜 계면을 가로지르는 원자 확산과 금속 결합 형성을 가능하게 합니다.

이 프로세스는 기존의 퓨전 용접 방식에 비해 몇 가지 장점이 있습니다:

1. 열 영향 구역(HAZ)이 없습니다: 냉간 용접은 열 유입을 제거함으로써 모재의 원래 미세 구조와 기계적 특성을 보존합니다.
2. 연화나 취성이 없습니다: 이 공정은 입자 성장, 상 변형 또는 취성 금속 간 화합물 형성과 같은 열에 의한 현상을 방지합니다.
3. 잔류 응력 최소화: 상온 공정으로 열 스트레스와 왜곡을 크게 줄입니다.

저압 용접은 특히 연성이 높은 금속과 합금을 접합하는 데 효과적입니다:

• 알루미늄 및 그 합금
• 구리 및 구리 합금
• 실버
• 골드
• 일부 스테인리스 스틸 등급

이 기술은 전기 및 전자 제조, 항공우주, 보석 생산 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 하지만 이 공정에는 매우 깨끗한 표면이 필요하고 기계적 특성이 크게 다른 이종 금속을 접합하는 데 적합하지 않다는 등의 한계가 있습니다.

냉간 용접 원리

고체 용접이라고도 하는 저압 용접은 상온에서 고압을 가하여 두 공작물 사이에 야금학적 결합을 만드는 접합 공정입니다. 이 기술의 원리는 근본적으로 소성 변형과 원자 확산을 기반으로 합니다.

이 과정에서 공작물에 상당한 압력이 가해져 인터페이스에 국부적인 소성 변형이 발생합니다. 이러한 변형은 여러 가지 중요한 기능을 수행합니다:

1. 산화막 파괴: 가해진 힘은 금속 표면에서 자연적으로 발생하는 산화물 층을 분해하여 일반적으로 결합을 억제합니다.
2. 표면 확장: 재료가 변형되면서 오염되지 않은 신선한 금속 표면이 노출되어 밀접하게 접촉하게 됩니다.
3. 원자 상호 작용: 깨끗한 금속 표면의 근접성으로 인해 원자 간 힘이 작용하여 인터페이스 전반에 걸쳐 금속 결합이 형성될 수 있습니다.

맞대기 저압 용접의 경우 일반적으로 다음 단계로 진행됩니다:

1. 준비: 공작물을 깨끗이 세척하고 클램핑 지점 너머로 미리 정해진 길이로 특수 고정 장치에 정확하게 배치합니다.
2. 업셋: 이동식 고정 장치가 전진하면서 압력을 가하여 제어된 소성 변형을 일으킵니다. 이 업셋 힘의 크기는 소재의 특성과 공작물의 단면적에 따라 신중하게 보정됩니다.
3. 압출: 초기 변형으로 인해 일부 표면 재료와 불순물이 조인트 인터페이스에서 돌출되어 표면 청결도가 더욱 향상됩니다.
4. 본딩: 지속적으로 압력을 가하면 계면 전체에 걸쳐 원자 확산과 결정 구조 정렬이 촉진되어 고체 상태의 결합이 이루어집니다.
5. 반복: 재료 특성에 따라 최적의 결합 강도를 보장하기 위해 이 업셋 과정을 1~3회 반복할 수 있습니다.

저압 용접의 성공에 영향을 미치는 주요 요소는 다음과 같습니다:

1. 가해지는 압력: 필요한 소성 변형을 유도하고 원자 결합을 촉진하려면 충분한 힘이 필수적입니다. 제한된 금형 캐비티에서 용접할 때는 더 높은 압력이 필요할 수 있습니다.
2. 재료 가소성: 공작물 재료는 파손 없이 필요한 변형을 겪을 수 있는 적절한 저온 가소성을 가져야 합니다.
3. 열 효과: "차가운" 공정으로 분류되지만, 소성 변형은 국부적인 열을 발생시켜 원자 확산과 결합에 도움이 될 수 있습니다.
4. 시간: 압력 적용 시간은 원자 확산 및 결합 형성의 정도에 영향을 미칩니다.
5. 표면 상태: 청결도와 표면 거칠기는 고품질 용접을 달성하는 데 중요한 역할을 합니다.

저압 용접은 상온 연성이 높은 소재에 가장 효과적이라는 점에 유의해야 합니다. 작업 경화도가 높거나 자연적으로 단단한 소재는 문제가 발생할 수 있으며, 접근 방식을 수정하거나 다른 접합 방법이 필요할 수 있습니다.

산업 분야에서 저압 용접은 특히 열 영향 영역이 바람직하지 않은 전기 및 전자 산업에서 유사 금속과 이종 금속을 접합하는 데 사용됩니다. 이 공정은 열 영향 영역이 없고, 충전재가 필요 없으며, 이종 금속을 접합할 수 있는 등의 장점이 있지만 접합 형상 및 재료 적합성 측면에서 한계가 있습니다.

냉간 용접 유형

접합 구성에 따라 저압 용접은 랩 저압 용접과 맞대기 저압 용접의 두 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다.

(1) 랩 냉간 압력 용접

랩 냉간 압력 용접은 공작물을 겹치는 구성으로 배치하고 특수 설계된 압자를 사용하여 압력을 가하는 방식으로 이루어집니다. 압자가 미리 정해진 깊이까지 눌러지면 공정이 완료되어 겹치는 표면 사이에 고체 상태의 결합이 생성됩니다. 이 방법은 두 가지 범주로 더 세분화할 수 있습니다:

a) 랩 스폿 용접: 원주형 들여쓰기를 사용하여 개별 용접 지점을 만듭니다.
b) 랩 심 용접: 롤러형 압자를 사용하여 연속 용접 이음새를 생성합니다.

랩 심 용접은 사용되는 특정 기술과 툴링에 따라 롤링 용접, 슬리브 용접, 압출 용접으로 더 세분화할 수 있습니다.

랩 저압 용접은 기존의 융착 용접 방식으로는 어렵거나 왜곡이 발생할 수 있는 포일 및 플레이트와 같은 얇은 재료를 접합하는 데 특히 효과적입니다.

(2) 엉덩이 저압 용접

맞대기 저압 용접에서는 공작물이 반대쪽 죠에 클램핑되고 클램핑 지점을 약간 넘어 확장됩니다. 그런 다음 상당한 업셋 압력이 가해져 확장된 부분에 방사형 소성 변형이 발생합니다. 이 변형은 두 가지 중요한 목적을 달성합니다:

a) 표면 불순물을 압출하여 조인트 주위에 금속 플래시를 형성합니다.
b) 원자 단위로 깨끗한 금속 표면을 밀접하게 접촉시켜 고체 상태의 결합을 촉진합니다.

그 결과 모재를 녹이지 않고도 높은 무결성의 용접 조인트가 형성됩니다. 이 기술은 주로 금속 와이어, 바 또는 파이프의 맞대기 접합부를 만드는 데 사용되며 유사 금속과 이종 금속을 모두 접합할 수 있습니다.

버트 저압 용접은 융점이 크게 다른 재료를 접합할 수 있고, 열 영향 영역을 최소화하며, 모재의 미세 구조를 보존하는 등 여러 가지 장점이 있습니다.

냉간 용접 장비

저압 용접 장비는 주로 저압 용접 집게와 저압 용접기로 구성되며, 각각 금속 접합 공정의 특정 용도에 맞게 설계되었습니다.

저압 용접 집게는 주로 맞대기 저압 용접에 사용되며, 특히 현장 설치에 적합합니다. 이 집게는 직경 1.2~2.3mm의 알루미늄 도체를 용접할 수 있어 케이블 용접 시설에서 널리 채택되고 있습니다. 휴대성과 정밀성이 뛰어나 유연성이 중요한 현장 작업에 이상적입니다.

저압 용접 공정에는 맞대기 용접과 스폿 용접이라는 두 가지 주요 기술이 포함됩니다. 이 중 저압 맞대기 용접기가 가장 광범위하게 사용되고 있습니다. 이 정교한 장비는 견고한 프레임, 정밀 기계 헤드, 고급 공급 메커니즘, 고성능 가위 장치 및 다양한 보조 부품을 포함한 여러 핵심 구성 요소가 통합되어 있습니다. 이 포괄적인 설계는 다양한 응용 분야에서 최적의 용접 성능을 보장합니다.

통신 인프라, 전력 케이블 제조 및 소형 변압기 생산 시설에서는 일반적으로 저압 용접기를 사용하여 단면이 큰 용접물을 접합합니다. 이러한 기계는 상당한 크기의 공작물을 높은 정밀도로 처리할 수 있습니다. 기계의 성능에서 중요한 요소는 용접 압력에 큰 영향을 미치는 냉압 용접 다이의 구조 크기입니다. 따라서 다이 설계는 냉간 용접기 엔지니어에게 가장 중요한 고려 사항이며, 최적의 결과를 얻기 위해 세심한 계산과 재료 선택이 필요합니다.

저압 용접기 최종 사용자의 경우, 용접 장비의 제조 과정에서 금형의 구조 크기가 미리 결정된다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 기계가 생산되면 이 파라미터는 고정된 상태로 유지됩니다. 그러나 작업자는 기계 제조업체가 제공한 기술 사양에 따라 적절한 용접 압력을 선택하여 용접 공정을 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 기계의 성능 범위 내에서 다양한 재료와 조인트 구성을 수용하도록 용접 작업을 미세 조정할 수 있습니다.

일관된 용접 품질과 효율성을 보장하려면 사용자는 재료 특성, 조인트 형상 및 각 용접 작업의 특정 요구 사항에 따라 정기적으로 용접 압력을 보정해야 합니다. 또한 장비 수명을 연장하고 최적의 성능을 유지하려면 저압 용접기의 다이 및 기타 주요 구성 요소를 유지 관리하는 것이 필수적입니다.

냉간 용접 특성

장점

냉간 용접은 몇 가지 뚜렷한 장점을 제공하는 고체 접합 공정입니다:

1. 재료 및 에너지 효율성: 이 공정에는 필러 금속이나 플럭스와 같은 추가 용접 소모품이 필요하지 않습니다. 상온에서 수행되므로 가열 장비가 필요하지 않으므로 운영 비용이 절감되고 툴링이 간소화되며 에너지가 크게 절약됩니다. 열 영향 구역(HAZ)이 없기 때문에 기본 재료의 특성이 보존됩니다.
2. 깨끗하고 부식에 강한 조인트: 플럭스를 사용하지 않으므로 용접 후 세척이 불필요하고 사용 중 플럭스로 인한 부식 위험이 제거됩니다. 이는 조인트의 무결성과 수명을 향상시키는 데 기여합니다.
3. 간소화된 공정 제어: 용접 파라미터는 주로 금형 형상과 가해지는 압력에 의해 결정되므로 일반적으로 융착 용접 공정과 관련된 전류, 전압 또는 용접 속도를 복잡하게 조정할 필요가 없습니다.
4. 재료 접합의 다양성: 냉간 용접은 야금 호환성에 관계없이 이종 금속을 접합하는 데 탁월하여 설계 유연성과 재료 최적화 기회를 제공합니다.
5. 우수한 조인트 특성: 열 영향을 받는 영역이 없기 때문에 연화되거나 부서지기 쉬운 금속 간 상이 형성되는 것을 방지합니다. 그 결과 조인트 인터페이스에서 전기 전도성과 내식성이 뛰어납니다. 이 공정은 작업 경화를 유도하여 종종 모재와 동등하거나 그 이상의 접합 강도를 제공합니다.
6. 미세 구조 무결성: 조인트 인터페이스에서 원자 확산이 제한되어 미세 구조의 큰 변화 없이 입자 간 결합을 촉진하여 재료 특성을 보존합니다.
7. 공정 안정성 및 작업 조건: 냉간 용접 공정은 전력 변동에 덜 민감하며 용융 용접 방식과 관련된 연기, 스패터 또는 고열이 없어 작업 조건이 개선됩니다.

단점

냉간 용접의 장점에도 불구하고 몇 가지 한계가 있습니다:

장비 비용: 필요한 압력을 생성할 수 있는 고용량 냉간 용접기는 비용이 많이 들기 때문에 소규모 작업에서 광범위하게 채택하는 데 제한이 있을 수 있습니다.

국부적 변형: 높은 압력이 필요하면 특히 랩 조인트에서 심각한 국부적 변형이 발생하여 부품 형상과 표면 마감에 영향을 미칠 수 있습니다.

이종 금속의 금속 간 형성: 특정 이종 금속(예: 구리 및 알루미늄)을 접합할 때 용접 후 고온에 노출되면 취성 금속 간 화합물의 형성이 촉진되어 접합 연성 및 전기 전도도가 저하될 수 있습니다. 이로 인해 이러한 조인트의 고온 성능이 제한됩니다.

크기 및 재료 제한: 이 공정은 용접 장비의 용량에 따라 랩 조인트의 두께와 맞대기 조인트의 단면적에 제한을 받습니다. 또한 접합할 재료의 경도는 용접 다이의 기계적 특성에 의해 제한됩니다.

표면 준비: 성공적인 냉간 용접을 위해서는 산화물과 오염 물질을 제거하기 위해 세심한 표면 준비가 필요한 경우가 많으며, 이는 처리 시간과 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

제한된 조인트 구성: 냉간 용접은 주로 랩 및 맞대기 접합과 같은 단순한 접합 형상에 적합하므로 복잡한 어셈블리에는 적용이 제한됩니다.