용접할 때 용융금속은 왜 특정 형태로 뭉치려는 경향이 있나요?

Question

용접 공정에서 녹은 금속이 표면장력 때문에 특정한 형태를 이룬다고 배우는데, 액체 금속에서도 이런 표면장력이 어떻게 작용하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

용융금속도 액체이기 때문에 원자 사이의 응집력이 작용하며 표면에 있는 원자들은 내부보다 이웃 원자가 적어 상대적으로 높은 에너지를 갖게 됩니다 그래서 액체는 표면적을 줄여 에너지를 낮추려는 방향으로 움직이는데 이것이 표면장력으로 나타나며 방울처럼 둥근 형태를 만들려는 경향이 생깁니다 용접에서는 표면장력뿐 아니라 중력 아크의 힘 용융금속과 모재 사이의 젖음성 온도 차이에 따른 유동 등이 함께 작용해 용융풀이 형성됩니다 그래서 용접 조건과 재료에 따라 용융금속이 퍼지거나 불록하게 뭉치는 정도가 달라집니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

액체 금속의 표면장력은 물보다 훨씬 강해요. 표면장력은 액체 내부 원자들이 서로 끌어당기는 힘에서 나오는데, 내부 원자는 사방에서 당겨져 안정적이지만 표면 원자는 바깥쪽에 이웃이 없어 에너지가 높은 상태거든요. 그래서 액체는 표면적을 최대한 줄이려 하고, 그 결과가 구형으로 뭉치려는 경향이에요. 녹은 강철의 표면장력은 물의 스무배 가까이 돼서 이 뭉침이 훨씬 강하게 나타나요. 연잎 위 물방울이 또르르 구르는 것보다 더 야무지게 방울 지는 셈이죠.

용접에서는 이게 양날의 검인데, 뭉치려는 성질 덕에 녹은 금속이 흘러내리지 않고 용접 부위에 머물러서 천장을 보고 하는 위보기 용접도 가능해요. 그런데 너무 강하게 뭉치면 모재에 넓게 퍼지며 붙어야 할 금속이 볼록한 비드로 솟기만 하고 접합이 얕아져요. 젖음성이 나쁘다고 하는 상태예요.

그래서 실무에서는 표면 장력을 조절하는 게 기술이에요. 온도를 올리면 표면장력이 줄어 잘 펴지고, 보호가스 조성이나 플럭스 성분에 따라서도 달라져요. 표면의 산화막을 플럭스가 걷어내면 젖음 성이 확 좋아지거든요. 용접 비드가 예쁘게 나왔다는 건 이 힘들의 균형을 잘 잡았다는 거죠 :)

Answer 3

안녕하세요.

용접할 때 녹은 금속이 둥글게 뭉치려는 모습이 보이는 건 액체 표면장력의 영향이 커요.

액체 금속도 표면에 있는 원자들이 내부 원자보다 결합할 이웃이 적어서 표면 에너지를 낮추려는 방향으로 움직이려는 성질이 있어요. 그래서 용융금속은 가능한 한 표면적을 줄이는 쪽으로 움직이고, 이 때문에 방울처럼 뭉치려는 모습이 나타나게 돼죠.

용접에서는 여기에 중력과 아크의 힘, 금속이 식으면서 생기는 응고 과정까지 함께 작용해서 최종적인 용접 비드 모양이 결정되게 돼요.

감사합니다.