피스톤 크라운(piston crown)부와 같은 파손된 부품의 재생에 적합한 대표적인 용접공정은 서브머지드 아크용접(SAW: Submerged Arc Welding)공정이다. SAW 공정은 아크가 노출되지 않기 때문에 열효율이 높다. 또한 깊은 용입이 얻어져서 이음부의 그루브 간격의 허용오차를 크게 할 수있어 비용절감을 가져올 수 있다. 또한 용접 속도가 높고, 용접 퓸(fume)의 해독을 줄일 수 있다. SAW법의 고능률 용접법으로 최근 SF-SAW법이 개발되어 있다[1]. 이 방법은 용융 플럭스를 와이어 속에 충진하여 이음매 없는 코어드 와이어(Seamless Flux Cored Wire)를 제조하여 이를 이용함으로써 종래의 솔리드 와이어에 비해 동일 용접조건에서 고속 고능률의 용접이 가능하다. 이 방법은 또한 플럭스 속에 유효합금 성분이 첨가됨으로써 탁월한 용접금속의 기계적 성질을 얻을 수 있다.

최근에는 탄뎀 SAW 용접이 풍력타워 조립과 같은 후판용접에 사용되고 있다[2]. 탄뎀 SAW 용접은 Figure 1과 같이 선행토치(lead torch), 후행토치(tail torch) 로 구성되어 있으며, 두 개의 용접 토치가 같은 방향으로 이동하며 용접을 수행한다. 이와 같은 방식의 용접기법은 용접 공정의 횟수를 줄이고, 열손실을 최소화하여 용접공정에서의 열효율을 높일 수 있다. 다전극 용접은 선행토치(Lead torch)가 용접을 진행하게 되면 일정 간격을 유지한 체 후행토치(Tail torch)가 선행토치가 용접한 모재위에 연속적으로 2차 용접을 수행하게 된다. 높은 전류와 전압을 사용함으로써 용착량을 증가시키고, 빠른 용접속도로 입열량을 감소시켜 생산성을 향상시키는 용접 기법이다.

Figure 1: 
Tandem SAW torch [2]

용착속도를 더욱 향상시킬 수 있는 용접법으로 탄뎀·투윈(Tandem·Twin) SAW법이 최근 개발되어 있다[5]. 이 방법은 Figure 2와 같이 4 개의 전극(보통 전부 2.5mm)이 다 같이 1개의 용융지를 형성한다. 이 용접법은 2대의 용접전원과 2대의 와이어 송급 유닛을 사용한다. 이 용접법은 1,800A를 초과하는 높은 전류로 100cm/min.을 초과하는 속도로 입열량을 제한하여 비드단면적을 감소시킨다. 이 때문에 후속비드에 의한 템퍼링을 빈번하게 시행한다. 이 템퍼링효과에 의해 용접금속이나 열영향부의 기계적 성질이 개선된다. C-Mn합금 와이어 전극을 이용하여 최저 -50℃에서의 저온인성을 만족시키기 위해서는 패스수를 증가하여 다층 용접을 시행하는 것이 바람직하다.

Figure 2: 
Tandem twin SAW [3]

용착량 증대에 의한 고능률 오버레이 용접법으로 탄뎀 MAG 용접법이 개발되어 있다. 이 용접법은 근접한 2본의 용접 와이어로부터 동시에 아크를 발생시켜 1개의 용융 풀에서 2개의 아크열을 효율적으로 이용하는 MAG용접법이다. Figure 3에 탄뎀 MAG 용접법의 개요도를 보인다. 이 용접법에서는 2개의 아크가 같은 극성이기 때문에 전자력에 의해 서로 끌어당겨 용적이 아래쪽으로 이행하지 않고 서로의 아크방향으로 향하는 현상이 나타날 수 있다. 탄뎀 MAG용접법을 이용하여 오버레이 용접 시 적정한 용입 깊이를 확보하면서 스패터의 발생이 없이 용착량을 고능률로 하기 위해서는 선행하는 아크와 후행하는 아크에 있어서 각각 다른 최적의 실드가스 조성의 조정이 필요하다.

Figure 3: 
Schematic of Tandem MAG welding [4]

Ar+20%CO2의 혼합 가스를 선행, 후행 다 같이 실드가스로 사용 했을 때에 비하여 Ar+CO2 가스의 혼합비를 선행과 후행에서 최적화 했을 때 스패터의 발생이 현저히 줄어드는 실험결과가 발표되어 있다[4].

TIG - MIG 하이브리드용접은 MIG 용접법과 TIG 용접법의 장점을 취할 수 있는 용접법으로 그 개요도를 Figure 4에 보인다[4]. 이 용접법은 MIG 용접전원과 TIG 용접전원에 각각 단독으로 전용의 용접초치를 접속하여 전극간 거리도 일정 범위로 배치하고 용접 방향은 TIG용접 선행으로 MIG용접 후행으로 한다. 이 용접의 시공에 있어서는 MIG용접은 보통의 DCEP로, TIG용접은 보통의 DCEN으로 서로 역극성으로 하기 때문에 서로의 아크가 반발하는 경향이 있다. 그러나 TIG용접의 전류를 MIG용접의 전류보다도 크게 함으로써 서로 간의 아크를 안정화 시킬 수 있다. TIG-MIG 하이브리드 용접은 재래의 일반적인 TIG 용접법의 품질을 유지하면서도 용접속도나 용착량을 3～4배로 높일 수 있어서 매우 고능률의 용접법이다.

Figure 4: 
TIG-MIG hybrid welding [5]

초내열합금과 같은 Ni 기합금제 선박엔진 배기밸브의 오버레이 보수용접 시는 용접 공정으로 희석률이 낮고 저입열화가 요구된다. 이러한 요구에 부합하는 공정으로 펄스 MIG 용접과 CMT 용접이 있다. Figure 5는 펄스 MIG 용접 공정의 펄스 파형을 보인 것이다[6]. 펄스 MIG 용접은 펄스 주기에만 용적 이행이 이루어지기 때문에 일반의 MIG 용접의 단락 이행과 비교하여 입열량 제어가 용이하게 되어 용입이 얕고 희석률을 낮게 유지할 수 있다.

Figure 5: 
Pulse wave pattern in Pulse MIG welding [6]

펄스 MIG용접에서의 시공조건 범위가 협소함을 극복하기 위해 CMT(Cold Metal Process) 프로세스가 초내열 합금제 엔진 부품의 오버레이 보수목적으로 이용되고 있다. Figure 6은 CMT 프로세스의 개요를 보인 것이다[7].

Figure 6: 
CMT(Cold Metal Transfer) process [7]

CMT 프로세스는 와이어의 전진과 후퇴작용으로 아크기간과 단락기간을 제어함으로서 입열량을 작게 유지할 수 있다. 즉 아크기간에 와이어를 전진시키면서 와이어 선단을 가열하고 와이어 선단이 모재와의 접촉이 일어나 단락이 발생하여 아크가 끊어짐과 동시에 용접전류를 낮춘다.

다음단계에서 용접와이어를 후퇴시켜 다시 아크를 발생시켜 같은 공정이 반복됨으로서 용입깊이와 희석률, 입열량을 모두 낮게 유지할 수 있다.

CMT 공정을 INCONEL 718 초내열합금의 클래딩에 적용하여 용접공정 파라메타의 적정한 제어를 통해 낮은 희석률과 포로시티(porocity)와 같은 결함이 발생되지 않은 건전한 클래딩부를 얻을 수 있음이 보고되어 있다[8].

레이저/아크 하이브리드 용접은 CO2 레이저, YAG 레이저, 반도체 레이저, 파이버 레이저 등의 레이저와 TIG, MIG, MAG, 플라즈마 등의 아크열원을 하이브리드 화하여 각기 단독의 열원에 의한 용접의 결점을 보완하여 용융성을 배가시켜 고효율, 고품질의 용접법으로 발전시킨 용접법이다. 따라서 레이저/아크 하이브리드 용접은 레이저 단독 용접이나 아크 단독용접에 비해 고능률, 고신뢰성, 저 비용의 용접으로 밝혀져 자동차, 조선, 항공, 철도차량, 가전 산업 등 제조업에서의 응용이 세계적으로 활발히 전개되고 있다. 선박엔진 부품의 고능률 오버레이 용접으로는 레이저/ 아크하이브리드 공정 중에서도 낮은 희석률, 그리고 저 입열을 실현시킬 수 있는 레이저/ CMT 아크 하이브리드 공정이 바람직하다고 판단된다. Figure 7은 레이저/CMT 아크 하이브리드 용접의 개요도를 보인다.

Figure 7: 
Laser/arc hybrid welding [9]

디스크레이저/ CMT 아크 하이브리드 용접시, 양 열원 간의 거리, 용접전류, 용접속도 등의 각종 변수가 용입깊이, 희석룰, 용접 비드 형상에 미치는 영향에 관한 연구 결과가 보고되어 있다[9]. 동 연구에서 오버레이 용접 시는 어스팩트 비(aspect ratio : 용입깊이/ 비드폭)를 작게 유지하는 것이 필요하며 이를 위해서는 입열량을 작게 설정하는 것이 바람직하다는 것이 밝혀졌다.

용착속도를 향상시키기 위해 필러(filler) 병용의 레이저/아크 하이브리드 용접법(FLA : Filler-aided Laser-Arc Hybrid Welding)이 개발되었다. Figure 8은 이의 개요도를 보인 것으로 용접전류를 올리지 않고 용착속도를 일반의 하이브리드 용접법의 2～3배로 향상시킬 수 있음이 밝혀져 있다[10].

Figure 8: 
Schematic of Filler-aided Laser-Arc Hybrid Welding [10]

필러 병용의 레이저/아크하이브리드 용접법은 용접 입열량을 낮게 유지하면서 용착속도를 높일 수 있어 낮은 희석률이 요구되는 선박용 엔진 밸브와 같은 초내열합금의 고능률 보수용접으로 양호한 공정이라고 할 수 있다. 더욱 용착률을 향상 시키는 방법으로 필러와이어를 가열하여 공급하는 핫 와이어 필러 병용 레이저/아크하이브리드 용접도 생각할 수 있다.

아크 특성에 관한 인식 전환을 통해 재래의 원형 용접와이어에서 그 형상을 변화시켜 용착효율을 혁신적으로 개선시킨 Super TIG 용접법이 국내에서 최근 개발되었다[11]. Figure 9는 Super-TIG 용접법의 원리를 보인 것으로 외이어 단면이 원형에서 C형으로 변화되었음을 보이고 있다. Super-TIG 용접은 과거에 아크를 플라즈마 기둥(plasma column)으로 인식하고 원형 와이어를 공급하여 왔던 것에서 아크를 플라즈마 스트림(plasma stream)으로 인식하여 그 스트림에 부합하도록 와이어를 C형으로 변화시켜 공급함으로서 용착 효율을 대폭 개선시킨 용접공정이다.

Figure 9: 
Principle of Super-TIG welding [11]

Figure 10은 Super-TIG 용접 시 광폭 C형 용가재(C-srtip)가 아크 안으로 송급되는 모양을 보인 것이다. 용가재의 폭이 3～10mm인 C형 용가재를 공급함으로써 최대 30Kg/hr의 용착속도를 실현 시킬 수 있다. 원형 용가재를 사용하는 일반 TIG 용접에서는 0.5～1.0 Kg/hr용착속도를 낼 수 있는 것에 비해 30배의 용착속도를 Super-TIG 용접에서 실현시킬 수 있다. Super-TIG 용접공정은 용착효율이 높으면서도 전 지구적인 환경규제가 심화되어 가고 있어 기존의 고능률 용접방법인 SAW 용접법은 클린 고능률의 GTAW용접방법으로의 전환이 필요한 시점이다. 이러한 관점에서 새로이 개발된 Super-TIG용접법은 그 적용범위가 매우 확대되어갈 것으로 예견된다.

Figure 10: 
Shape of wide filler wire in Super TIG welding [11]

초내열합금제 선박 엔진 밸브의 재생이나 표면개질처리 방법으로 PTA 용사공정이 개발되어 있다[12]. PTA 용사공정의 개요도를 Figure 11에 보인다. 이 방법은 여타의 오버레이 공정에 비해 높은 용착효율과 낮은 희석률을 실현할 수 있는 공정으로 선박엔진 밸브와 같은 고내열부품의 보수 시 효율적인 공정이라 할 수 있다. PTA 용사공정에 의한 오버레이층은 금속적 결합력이 우수하고 낮은 용착금속량에 의한 잔류응력의 최소화로 오버레이층의 내구성이 탁월하다. 이 방법은 또한 공급분말의 다양화가 가능하 여 기능성 표면 개질층의 제작이 가능하며 퓸(fume)이나 아크의 섬광이 강하지 않아 친환경적인 공정이라고 할 수 있다.

Figure 11: 
Schmatic of PTA Process [12]

레이저를 이용한 3차원 적층 조형을 이용하여 엔진 부품의 손상부에 대한 보수 시공이 가능하다. Figure 12는 레이저를 이용한 3차원 적층 공정의 개요를 보인 것이다[13]. 이 방법은 레이저를 집광시킨 포인트에 실딩 가스와 함께 분말을 공급함으로써 분말을 용융결합 시켜 3차원 조형물을 형성한다. 이 방법은 LAM(Laser Additive Manufacturing)이라고 한다. LAM은 제1층 위에 제2층이 적층될 때에 금속분말이 레이저에 의해 용융쇳물이 되어 제1층 상면을 용융시켜 제1층과 접합된다. 따라서 금속분말을 용융하여 적층하는 방법은 용접의 일종으로 레이저 열전도형 용접에 상당한다. 제1층의 재료와 제2층의 재료가 같은 재료인 경우 동종재료 용융접합이며, 이것을 여러 층 적층해 가면 같은 재료로 구성되는 조형체가 조형된다.

Figure 12: 
Schmatic of LMD(Laser Metal Deposition) [13]

적층조형 시 제1층은 모재가 되고 제2층에는 모재와는 다른 특성을 지닌 재료, 예를 들면, 내식성, 내마모성의 재료를 형성하는 방법은 클래딩(Cladding)이라고 한다. 이 경우 이종재 용융접합이며, 최근 개최된 레이저가공의 국제회의에서는 클래딩은 LAM의 범주에 포함시켰다. 레이저를 이용한 3D 적층 공정으로 Incomel 718과 Waspaloy의 Ni기 초내열 합금 엔진부품의 보수사례가 발표되어 있다[14]. 응고균열과 열영향부의 액상균열 방지하여 건전한 보수 수리를 위해서는 레이저의 낮은 레이저 열원 밀도와 빠른 레이저 스캐닝속도와의 조합으로 가능하며 비교적 거친 입자의 분말을 사용하는 것이 바람직하다.