텅스텐 전극봉(Tungsten electrode)의 선택과 준비에 대한 가이드

 

텅스텐은 GTAW(혹은 티그로 불리는) 전극봉의 제작에 사용되는 희귀한 금속 성분입니다. GTAW 용접은 아크 발생하기 위한 용접 전류가 흘려보내기 위해 텅스텐 고유의 강도와 고온에서의 저항을 이용합니다.

 

 

 GTAW 용접을 위한 텅스텐 전극봉의 선택은 모재의 종류와 두께에 따라 달라지고 직류나 교류를 선택하는가에 따라서도 달라집니다.  적절한 텅스텐 적용과 준비를 하기 위해 최적의 선택 방법에 대하여 확인해 보록 하겠습니다.

 

 

재질	색상	특징
순 텅스텐	녹색	낮은 전류를 사용하는 교류 용접에 이용, 알루미늄에 주로 사용, 연마를 하지 않아도 용접이 가능한 장점이 있음, 가격이 제일 저렴
1% 토륨	노랑	강, 스테인리스, 동합급 등에 사용, 수명이 길다.
2% 토륨	빨강	전류 전도성이 좋아 아크가 안정되어 전극의 소모가 적어 직류 정극성에 사용되며 주로 강, 스테인레스, 동합금 용접에 적합하다. 1% 토륨보다 수명이 김, 많은 현장에서 다용도로 사용되었으나 최근 토륨의 그라인드 분진에 대한 방사선 문제로 발암 문제가 제기되어 사양되는 추세임
2% 세륨	회색	비교적 낮은 전류를 사용하는 직류 용접, 정밀 금형에 특히 널리 사용
1% 란탄	흑색	토륨과 유사하지만 인체에 무해한 재질로 2% 토륨을 대체하고 있는 추세이며 모든 금속에 용접이 가능하여 다양한 용도로 사용됨
1.5% 란탄	금색
2% 란탄	하늘색
지르코늄	갈색/백색	교류 용접을 사용한 알루미늄 용접에서 우수한 용접성을 가짐

 

1. 순 텅스텐(Pure Tungsten)

순 텅스텐(Pure Tungsten) 전극봉은(AWS 분류에서 EWP)는 99.5%의 텅스텐 성분을 포함합니다. 다른 전극봉들 중에서 가장 빠른 소모 속도를 가지고 있고 일반적으로 다른 합금 전극봉보다 더 저렴합니다.

 

 

이 전극봉은 가열되었을 때 깨끗하고 구형의 끝 부분을 형성하고 균형이 잡힌 파동을 가지는 교류 용접에서 매우 좋은 아크 안정성을 제공합니다. 순수 텅스텐 전극봉은 또한 AC 싸인파 용접(AC sine wave welding)에 대해 (특히 알루미늄과 마그네슘에 대해) 좋은 아크 안정성을 제공합니다. 그러나 보통 직류 용접에 일반적으로 사용 됩니다. (순 텅스텐 전극봉은 토륨이나 세륨 텅스텐 전극봉에 비해 강한 아크 시작을 제공하지는 않음)

 

2. 토륨 텅스텐(2% Thoriated)

토륨 텅스텐 전극봉은 (AWS에서 EWTh-2로 분류)는 최소 97.3%의 텅스텐의 함량을 가지고 1.7에서 2.2%의 토륨 함량을 가집니다. 현재 가장 많이 대중적으로 사용되는 전극봉이며 내구성과 손쉬운 사용법으로 가장 선호됩니다.
토륨은 전극봉에서 전자 방출의 품질을 좋게 합니다. 그리고 이것은 아크 시작을 개선하고 더 높은 전류 수용 능력을 갖게 합니다.
또한 토륨 텅스텐 전극봉은 다른 전극봉보다 용접부의 오염에 있어 더 나은 수준을 만드는 특징을 가지고 있습니다.

순 텅스텐(Pure Tungsten)과는 달리 이 전극봉은 특별한 교류 용접에서만 오직 사용됩니다.(0.060-in 보다 얇은 알루미늄이나 다른 자재들의 용접) 그러나 carbon, stainless steel, nickel, titanium의 적용에 대한 DCEN이나 DCSP 용접에서는 예외적입니다.

전극봉 제작 동안에 토륨은 전극봉 속에서 고르게 분포하게 됩니다. 이 고르게 분포된 토륨은 전극봉이 얇은 두께의 자재를 용접하기 위한 예리한 팁을 유지하게 합니다. 그러나 전극봉의 팁을 날카롭게 만드는 그라인드 작업은 특별한 주의가 수반되어야 합니다. 이유는 토륨은 방사선의 특징이 있으므로 항시 제조자 주의사항,  MSDS (Material Safety Data Sheet)를 참고하여 사용하여야 합니다.

 

3. 세륨 텅스텐 (2% Ceriated)

세륨 텅스텐 전극봉은(AWS 분류에서 EWCe-2) 최소 97.30%의 텅스텐과 1.80 ~ 2.20%의 세륨을 포함하고 있습니다.
이 전극봉은 낮은 전류 셋팅에서의 직류 용접에 최적의 성능을 발휘하지만 교류나 직류법에서도 효율적으로 사용될 수 있습니다. 낮은 전류에서의 훌륭한 아크 스타트를 할 수 있기 때문에 세륨 텅스텐 전극봉은 오비탈 튜브(orbital tube), 배관 제작, 박판의 금속 작업, 작고 섬세한 부분이 용접되는 곳과 같은 적용에 주로 사용됩니다. 세륨은 토륨 텅스텐(2% Thoriated) 전극봉과  대체품으로 사용되어 탄소강, 스테인리스 강, 니켈 합금, 티타늄의 용접에 최적으로 사용됩니다.

세륨 텅스텐은 토륨 보다 조금 다른 전기적인 특성을 가지고 있으나 대부분의 사용자는 차이점을 알기 어렵습니다. 세륨 텅스텐은 높은 전류에서 사용을 추천하지 않습니다. 높은 전류에서는 산화물 함량을 제거하며 이 세륨 텅스텐에 대한 이점을 무효화시키면서 산화물이 전극봉의 끝에 있는 열 쪽으로 빠르게 이동하게 만들기 때문입니다.

 

4. 란탄 텅스텐 전극봉 (1.5% Lanthanated)

란탄 텅스텐 전극봉은 (AWS classification EWLa-1.5)은 최소 97.80% 의 텅스텐과 1.30 ~ 1.70%의 lanthanum이나  lanthana가 포함되어 있습니다. 이 전극봉은 훌륭한 아크 스타트, 낮은 용융 속도, 좋은 아크 안정성, 뛰어난 재점화 특성 등의 세륨 전극봉처럼  같은 많은 이점들을 가지고 있습니다. 란탄 텅스텐 전극봉은 또한 토륨 전극봉의 전도성의 특징이 매우 유사합니다. 그래서 때때로는 특별한 용접 프로그램의 변경 없이도 토륨 전극봉을 대체하여 사용하기도 합니다. 

 

1.5% 란탄 텅스텐 전극봉은 여러분의 용접 능력을 최적화 시키는 것을 원한다면 이상적인 선택이 됩니다. 란탄 전극봉은 교류나 직류의 DCEN에서 전극봉 팁이 뾰족할 때 상당히 효과적이고, 또한 교류 싸인파 용접의 사용을 위한 ball 형태가 될 수 있습니다. 란탄 용접봉은 제조 동안에 전극봉 전체의 길이에 균등하게 분포되어야 합니다. 란탄 용접봉은 또한 전극봉 팁을 날렵하게 유지하게 하고 이것은 DC나 AC squarewave 용접전원을 사용하는 용접 금속이나 스테인리스 금속에 이점이 됩니다.

 

토륨 전극봉과는 달리 이 전극봉은 세륨 전극봉과 같이 교류 용접에 적합하고 아크가 낮은 전압에서도 시작하고 유지될 수 있게 합니다. 순 텅스텐 전극봉과 교류에서 비교했을 때 1.5% 란탄 전극봉은 동일 사이즈의 전극봉에 대해서 대략 50%까지 최대 수용 능력을 증가시킵니다.

 

5. 지르코늄 전극봉(Zirconiated)

지르코늄 텅스텐 전극봉(AWS 분류에서 EWZr-1)는 최소 99.10% 텅스텐과 0.15에서 0.40%의 지르코늄을 포함합니다. 지르코늄 텅스텐 전극봉은 극도의 아크 안정성을 만들어내고 텅스텐이 빠져나가는 것을 저항하게 합니다. 이 전극봉은 구형의 팁을 유지하고 오염에 높은 저항을 가지므로 AC 용접에 이상적입니다. 전류 수용 능력은 토륨 텅스텐 전극봉과 같거나 그 이상입니다. 어떠한 상황에서도 지르코늄 전극봉은 DC 용접에 추천되지 않는 것을 유념하여야 합니다.

 

6. 희토류 전극봉(Rare Earth)

희토류 전극봉은(AWS Classification에서 EWG)은 명시되지 않은 희토류 산화물이나 다른 산화물들의 복합 혼합물을 포함합니다. 그러나 제조업자는 각 부가물을 확인하는 것이 요구되고 함량을 명시하여야 합니다. 부가물에 따라 요구되는 결과는 AC와 DC 용접에서 둘 다 안정적인 아크를 가져오고 토륨보다 더 오래 견디며 더 작은 사이즈의 텅스텐 전극봉을 사용하여 동일한 작업을 할 수 있고 더 높은 전류에 견디고 텅스텐 방출도 막습니다.

 

 

텅스텐 전극봉 준비 – 구형(Balled),  날카로운(pointed), 원뿔(Truncated) 형태로 구분

 구형의 팁은 보통 순수 텅스텐 전극봉에 사용되고 싸인파의 AC 용접과 전통적인 squarewave TIG의 사용에 제안됩니다.  텅스텐의 끝부분을 적절하게 구형으로 만들기 위한 간단한 방법으로 사용되는 전극봉 지름에 추천되는 AC 전류를 적용하면 이 텅스텐 전극봉의 끝은 자체적으로 구형을 가지게 됩니다. 구형의 끝부분의 지름은 전극봉의 지름의 1.5배를 초과하지 않는 것이 좋습니다. (예를 들어, 1/8인치 전극봉은 3/16인치 끝부분 지름을 초과하지 않아야 함) 전극봉의 끝부분에서의 더 큰 지름은 아크의 안정성을 감소시키거나 용접부를 오염시키기 때문입니다.

 

 

텅스텐 전극봉의 형상에 대한 차이로 인한 아크의 안정성에 변화를 하기의 그림으로 알 수 있습니다.

 

 

텅스텐 그라인드 시 그라인드 방법을 좌측의 올바른 방법을 사용하여 그라인드 자국이 전극봉 길이방향으로 남도록 진행하여야 안정적인 아크 출력이 가능합니다. 우측과 같이 방사형의 그라인드 자국을 남게되면 아크가 모이지 못하고 방황(원더링)하게 됩니다.

 

뾰족하거나 구형의 팁은 (주로 순수 텅스텐, 세륨 텅스텐, 토륨 텅스텐에 사용) 인버터 AC와 DC 용접법에 사용됩니다. 적합하게 텅스텐을 그라인드 하기 위하여 텅스텐 그라인드를 위해(오염을 막고) 특별하게 고안된 그라인드 휠을 사용합니다. 그라인드 연마 휠은 텅스텐의 경도보다 강한 보라존(borazon)이나 다이아몬드를 만들어집니다.

 

주의사항: 만약 토륨 텅스텐을 그라인드 한다면 그라인드 후의 먼지를 제어하고 수집하는 것을 명심하여야 하고 그라인드 장소에 적합한 환기시스템을 구축하고 전극봉 제조사의 경고, 지침, MSDS 안내서를 따라야 합니다.

 

결론

어떠한 적용에서든 간에  용접에 사용되는 텅스텐 전극봉의 종류와 형상은 아크의 품질의 결정과 용접 기량의 획득에 도움을 줍니다. 여기에 소개되는 6개의 텅스텐 전극봉의 종류는 명백한 장점과 단점을 보여주고 있습니다. 그러므로 여러분이 어떠한 재질을 티그 용접하던지 상관 없이 또는 교류나 직류 용접을 사용하든 간에 각 적용에 적합한 텅스텐 전극봉을 사용하여야 함이 중요합니다. 그렇게 함으로써 티그 용접에 완전함에 더 가까워지게 될 것이고 불필요한 작업이나 오염 방지에 최적의 예방 조치의 하나가 될 것입니다.