도면에 맞춰 만든 부품도 용접으로 이어 붙이면 치수나 각도가 달라질 수 있을까요?
용접은 여러 장의 판이나 부품을 이어 하나의 구조로 만드는 방법입니다. 작업대나 프레임, 케이스처럼 부품을 견고하게 연결해야 하는 제작에 활용됩니다.
도면에서는 두 부품이 선 하나로 깔끔하게 맞닿아 있지만, 실제 용접한 부품에는 이음부의 돌출이나 표면 변색이 남고, 열에 의해 치수나 각도가 달라지기도 합니다.
이러한 변화가 모두 불량을 뜻하는 것은 아닙니다. 부품의 용도와 도면에서 요구하는 치수·표면 조건에 맞춰 관리하는 것이 중요합니다.
지난 [제작 첫걸음 : 한 걸음 더 #06]에서는 판을 접어 형상을 만드는 절곡을 살펴보았습니다. 이번글 에서는 부품을 서로 이어 붙이는 용접에서 형태와 표면이 달라지는 이유, 그리고 원하는 상태로 제작하기 위해 고려할 점을 알아보겠습니다.
용접한 부품은 왜 휘거나 줄어들까요?
용접 부위가 뜨거워졌다가 식으면서 줄어들기 때문입니다.
용접은 이어 붙일 부분의 금속을 녹인 뒤 굳혀서 붙이는 방식입니다. 금속은 뜨거워지면 늘어나고 식으면 줄어드는데, 용접할 때는 이음 부분과 그 주변에 열이 집중됩니다.
이때 주변의 차가운 부분이 팽창을 제한하고, 이후 가열된 부분이 식으며 수축하면서 부품에 휨이나 기울어짐이 생길 수 있습니다. 이를 ‘용접 변형’ 이라고 합니다.
대표적인 예로, 바닥판 위에 판을 직각으로 세워 붙이는 ‘T자 이음’이 있습니다. 한쪽 면만 용접하면 세운 판이 용접한 쪽으로 끌려가 직각이 조금 기울어질 수 있습니다. 긴 부품을 여러 곳 이어 붙이면 전체 길이가 도면보다 조금 짧아지기도 합니다.
변형의 정도는 용접하는 길이와 위치, 판의 두께 등에 따라 달라집니다. 용접 길이가 길거나 한쪽에 몰려 있으면 수축의 영향이 커지기 쉽고, 얇은 판은 열을 받아 더 쉽게 휘어질 수 있습니다.
이러한 변화가 작더라도 다른 부품과 조립할 때는 문제가 될 수 있습니다. 서로 맞아야 할 구멍의 위치가 어긋나거나, 평평하게 닿아야 하는 면 사이에 틈이 생기기 때문입니다.
용접한 부분은 왜 도면과 다르게 보일까요?
녹은 금속이 굳은 흔적과 열로 인한 자국이 남기 때문입니다.
용접한 자리를 보면 녹은 금속이 굳으면서 줄 모양의 흔적이 남습니다. 이를 ‘용접 비드’ 라고 하며, 이음 방식과 용접 조건에 따라 표면보다 볼록하게 형성되기도 합니다.
[제작첫걸음: 한 걸음 더 #02]에서 다룬 버가 절삭이나 절단 과정에서 생기는 날카로운 돌기라면, 비드는 용접 과정에서 녹은 금속이 굳어 형성된 부분입니다.
비드는 겉모습뿐 아니라 조립에도 영향을 줍니다. 용접한 모서리에 다른 부품을 바짝 붙여야 한다면, 솟은 비드가 걸려 틈이 생길 수 있습니다. 필요에 따라 갈아내 평평하게 다듬기도 하지만, 지나치게 제거하면 용접부의 강도에 영향을 주거나 주변 판이 얇아질 수 있습니다.
용접 열은 주변 표면의 색도 바꿉니다. 특히 스테인리스에서는 표면의 산화층이 두꺼워지면서 노란색이나 푸른색 등의 변색이 나타날 수 있습니다. 이 과정에서 표면 가까운 부분의 조성이 달라져 녹에 견디는 성질인 내식성이 낮아질 수 있습니다.
용접 중에는 보호가스로 뜨거운 금속과 공기의 접촉을 줄이고, 남은 변색은 산세나 전해 세정 등의 방법으로 제거합니다. 필요한 표면 상태에 따라 전해연마를 적용하기도 합니다.
따라서 비드를 평평하게 다듬는 작업과 열 변색을 제거하는 작업은 목적이 다릅니다. 다른 부품과 맞닿는 면은 돌출 여부가, 외관이나 내식성이 중요한 부분은 표면 마무리가 중요해집니다.
모든 용접부를 같은 방식으로 마무리할 필요는 없습니다. 조립에 방해되지 않는 비드는 남겨둘 수 있고, 외부에 드러나거나 내식성이 필요한 부분은 용도에 맞는 마무리 방법을 검토합니다.
따라서 제작을 의뢰할 때는 비드를 다듬어야 하는 위치와 원하는 표면 상태를 함께 전달하는 것이 좋습니다.
용접할 부품은 설계에서 무엇을 고려할까요?
용접량과 배치로 변형을 줄이고, 정밀도가 필요한 부분은 용접 후 가공 가능성까지 고려합니다.
① 필요한 강도를 확보하는 범위에서 용접량을 줄입니다.
이음 전체를 용접한다고 항상 더 적합한 구조가 되는 것은 아닙니다. 필요한 강도를 확보할 수 있다면 일정한 간격으로 구간을 나누어 용접하는 방법도 검토할 수 있습니다. 용접 길이와 용접 금속의 양을 줄이면 열에 의한 변형을 줄이는 데 도움이 됩니다.
다만 액체나 기체가 새지 않아야 하는 구조는 이음부를 연속적으로 용접해야 할 수 있습니다. 이처럼 용접 범위는 부품의 용도에 따라 달라집니다.
② 용접부를 균형 있게 배치합니다.
한쪽에만 용접부가 있으면 수축의 영향도 그쪽으로 치우치기 쉽습니다. 구조상 가능하다면 용접부를 양쪽에 균형 있게 배치해 한 방향으로 변형이 쌓이는 것을 줄일 수 있습니다. 실제 제작에서는 양쪽을 번갈아 용접하는 등 작업 순서도 함께 조절합니다.
③ 정밀한 부분은 용접 후 마무리 가공하기도 합니다.
용접 전에 정확하게 가공한 면도 이후 열을 받으면 위치나 치수가 달라질 수 있습니다. 그래서 정밀도가 중요한 부품은 용접으로 전체 구조를 만든 뒤, 필요한 면이나 구멍을 절삭·연삭해 최종 치수에 맞추기도 합니다.
이는 변형을 완전히 없애는 대신, 변형이 발생한 뒤 정밀도를 확보하는 방법입니다. 다만 공구가 접근할 수 있는 구조여야 하므로 모든 부품에 적용할 수 있는 것은 아닙니다.
용접은 부품을 이어 붙이는 작업이지만, 완성된 형태에는 열을 받고 식는 과정까지 영향을 줍니다. 용접부의 배치와 작업 순서로 변형을 줄이고, 필요에 따라 추가 가공과 표면 마무리를 거쳐 부품을 완성합니다.
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