아크용접의 안전관리 (feat. 자동전격방지기)

오늘은 아크용접에 대해 정리해보고자 한다.
 
아크란 무엇인가? Arc는 전기가 방전될 때 나타나는 강한 빛과 열을 말한다. 일반적인 전선에서 흐르는 전기는 도체에 전자가 흐르면서 발생한다. 그런데 용접은 용접봉과 모재가 살짝 떨어져서 발생한다. 즉 도체가 연결되어 전자가 흐르는 게 아니라 살짝 떨어져 있는 공간으로 전자가 점프하듯이 공기를 통과하여 이동하게 된다. 그 과정에서 전자의 집중이 발생하고 그것이 강한 빛과 열로써 나타나는 것이다. 매끄럽게 연결되어 이동되는 것이 아니라 중간에 끊어져 있으니 저항이 크게 나타나고 일종의 병목현상이 발생하면서 전자가 몰려들어 이동되는 것으로 이해하면 쉽겠다.
 
그러므로 아크용접은 전기를 이용한 용접이라 볼 수 있고 전기로 인해 발생되는 강한 아크열로 모재와 용가재를 녹여 실시하는 용접이다.
아크용접의 종류는 정말 많은데, 사용되는 가스의 종류에 따라 전극의 종류에 따라 다양하게 분류할 수 있다. 그러나 여기서는 몇가지 중요한 것들만 알아보고 안전관리를 어떻게 해야 되는지 확인해보도록 하자.
 

1.     아크용접 기본원리

1)    비철금속, 특히 스테인리스스틸의 경우는 GTAW 용접을 활용한다. Gas Tungsten Arc Welding이다. 앞에 Gas가 붙으면 불활성가스를 이용한다는 뜻이다. 그리고 Tungsten은 전극의 재질이다. 전극과 용접봉은 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 일반적인 피복아크용접의 경우는 용접봉홀더에 용접봉을 연결하여 용접하는데, 이 때 용접봉 자체가 전극이 되고, GTAW의 경우는 전극과 용접봉이 분리되어 양손 용접을 하게 된다.

< 아크용접 기본원리 >

 

위 그림은 일반적인 피복용접봉을 활용한 아크용접이다. 이때 용접봉이 – 또는 + 전극이 될 수 있고 모재는 + 또는 –가 될 수 있다. 전류는 +에서 –로 흐르고 전자는 –에서 +로 흐르므로 용접봉이 –일 경우 용접봉에서 모재쪽으로 전자가 흐르게 된다. 이 때 전자가 방출되어 모재에 부딪히면서 +인 모재에 더 많은 열이 발생하게 되므로 모재는 이 열을 견딜 수 있을 정도의 두께나 재질이어야 한다. 이것을 정극성이라 한다.
역극성은 모재가 –이고 용접봉이 +인 경우이다. 그럼 모재에서 용접봉쪽으로 전자가 흐르게 되므로 용접봉에 더 많은 열이 발생한다. 따라서 박판 용접에 용이하다.

< GTAW 용접 원리 >

 

위 그림은 GTAW 용접법이다. GTAW와 같이 전극과 용접봉이 따로 되어 있는 경우에도 동일한 내용이 적용된다. 다만 용접봉과 전극은 따로 존재한다. Tungsten electrode(텅스텐 전극)과 용접봉(filler)를 헷갈리면 안된다.
 

여기서 잠깐!

왜 텅스텐을 사용할까? 텅스텐은 금속 중에서 용융점이 가장 높다. 약 3400도 가량되는데 그러므로 강한 아크열에도 손실이 적어 오래 사용할 수 있다.
 

2)    용접기는 일종의 변압기이다. 가정이나 산업에서 사용하는 교류 220V를 25~40V 가량으로 낮추고 대신 전류는 높인다. 즉, 저전압, 대전류인 상태로 강한 아크를 방출시키는 게 아크용접기이다.
아크용접기는 직류와 교류로 나눌 수 있는데, 일반적으로 교류아크용접기가 직류아크용접기보다 저렴하다. 그 이유는 우리가 사용하는 220V는 교류인데 이 교류를 그대로 활용할 수 있기 때문이다. 직류아크용접기는 내부에 Rectifier라는 교류를 직류로 변환시키는 장비가 별도로 필요해서 조금 더 비싸다.
단, 비싼 대신 직류는 위상의 변화가 없고 일정한 세기로 전기를 사용할 수 있어서 아크가 훨씬 안정적이다. 교류는 사인곡선을 그리며 위상이 변하고 방향이 변하므로 아크가 직류보다 불안정하다. 그 이유로 무부하 전압, 즉 용접을 하고 있지 않고 대기하고 있을 때 교류아크용접기의 전압이 더 높게 된다. 용접을 바로 실시하기 위해서는 순식간에 3000도 이상의 온도로 아크가 발생해야 하는데 무부하 전압이 낮으면 적당한 아크 방출에 시간이 소요되므로 용접작업의 편이를 위해 무부하전압을 높게 형성시키는 것이다.
반면에, 직류아크용접기는 상대적으로 낮은 무부하전압으로도 안정적인 아크발생이 가능하다.
이런 이유로 교류아크용접기를 사용할 때는 반드시 ‘자동전격방지기’가 있거나 ‘자동전격방지기능’이 있는 용접기를 사용해야 한다. 이 내용은 산업안전보건기준에 관한 규칙에도 명시되어 있다.

구분	교류아크용접	직류아크용접
정의	•        교류 220V 전류를 그대로 사용	•        교류 220V 전류를 직류로 변환하여 사용
사용 전압	•        25~40V	•        25~40V
무부하 전압	•        60~95V	•        60V 이하
감전 위험	•        무부하시 전격 위험이 높다	•        무부하시 전격 위험이 낮다
특징	•        아크 안정성 불안	•        아크 안정성 우수

 

2.     감전예방

< 교류아크용접기 ; 자동전격방지기능이 있다 >

 

1)    최근 생산되는 교류아크용접기에는 ‘자동전격방지기능’이 대부분 기본으로 장착되어 있다. 다만, 이 기능을 off상태로 사용하는 경우가 많다. 위에서 언급한대로 용접성을 위해서는 대기전압이 높아야 하는데 자동전격방지기능은 안전을 위해서는 필요하지만 용접성만을 놓고보면 불필요한 기능이기 때문에 대부분의 용접사들이 이 기능을 끈 채로 용접하는 경우가 많다.
따라서, 현장에서 안전관리를 할 때는 다소 불편하더라도 ‘자동전격방지기능’이 ON상태인지 확인해야 한다.
용접시간을 전체적으로 살펴보면 용접을 하는 시간과 용접을 하지 않는 시간이 거의 5:5로 나온다. 그 이유는 용접작업시간 못지 않게 준비와 용접 후 검사 및 정리시간이 많이 필요하기 때문이다. 그러므로 용접 중 감전 취약 지점이 바로 용접을 하고 있지 않을 때 이다.
 

2)    자동전격방지기

< 자동전격방지기 회로도 >

 
자동전격방지기는 왜 필요할까?
용접작업 시 사용되는 전압은 25~40V이다. 일반적으로 감전이 되어도 인체에 큰 피해가 없는 전압을 25V로 본다. 따라서 용접 시 사용되는 전압 자체는 최대 40V이므로 용접 중 감전이 되더라도 생명에는 지장이 없는 수준이라 할 수 있다.
그러나 무부하 전압의 경우 위 표에서 볼 수 있듯이 60~95V로 비교적 높게 형성되어 있다. 이 전압에 감전될 경우 짜릿한 느낌을 얻을 수 있다. 그런데 용접 작업에 매우 뜨거운 아크를 활용하기 때문에 용접사가 땀에 흠뻑 젖어있을 수 있다. 그 말인 즉슨, 저항이 낮은 도전성이 높은 상태라 볼 수 있으므로 더욱 강한 전격이 될 것이다. (또한, 무부하 상태이므로 쉬는 시간에 맨손으로 접촉할 우려가 높다.)
그러므로 이 전압을 낮출 필요가 있다. 위 회로에서 변류기가 용접봉이 모재에서 떨어지는 것을 감지하여 제어장치에 신호를 보내고 제어장치는 보조변압기쪽을 폐회로로 만듦과 동시에 주변압기쪽 스위치는 떨어져 개회로를 형성한다. 이렇게 되면 보조변압기가 만든 전압이 용접봉과 모재쪽으로 흐르게 될 것이다.
자동전격방지기는 용접봉이 모재에서 떨어지는 그 순간 무부하 전압을 25V 이하로 낮추는 기능을 갖고 있다. (접점식은 25V, 무접점식은 15V 이하)
지동시간은 1초 이내, 시동시간은 0.04초이다.
(지동시간은 용접봉 홀더에 용접기 출력측의 무부하전압이 발생한 후 주접점이 개방될때까지의 시간이고 시동시간은 용접봉을 피용접물에 접촉시켜 전격방지기의 주접점이 폐로될때까지의 시간이다. 즉, 지동시간은 자동전격방지기가 작동하는 데까지 걸리는 시간이고 시동시간은 자동전격방지기가 작동하지 않는 데까지 걸리는 시간이다.)
법령상 다음의 장소에서 사용하는 교류아크용접의 경우 반드시 자동전격방지기능이 있어야 한다.
-      선박의 이중 선체 내부, 밸러스트 탱크(ballast tank, 평형수 탱크), 보일러 내부 등 도전체에 둘러싸인 장소
-      추락할 위험이 있는 높이 2미터 이상의 장소로 철골 등 도전성이 높은 물체에 근로자가 접촉할 우려가 있는 장소
-      근로자가 물ㆍ땀 등으로 인하여 도전성이 높은 습윤 상태에서 작업하는 장소탱크, 발라스트 탱크 등 도전체에 둘러싸인 장소

※ 위 내용에 따른 아크용접에서의 안전관리 방법
1)    교류아크용접기에는 자동전격방지기능이 있는지 확인한다.
2)    자동전격방지기능이 없다면 추가로 자동전격방지기를 장착했는지 확인한다.
3)    자동전격방지기능이 ON인지 확인한다.
4)    검전기 등으로 전극(용접봉홀더)과 어스선(모재 클램프)의 무부하전압이 25V 이하로 떨어지는지 확인한다.

 

3.     기타 아크용접의 위험성

 

1)    강한 열과 빛에 의한 화상 및 시력 손상

→  용접복장 준수(장갑, 두건, 앞치마, 각반 등) 및 용접용보안면 상태 확인
 

2)    흄가스에 의한 호흡기 장애

→  용접에 적합한 보호구(1급 방진마스크 또는 특급) 착용
 

3)    용접불티에 의한 화재

→  가연성물질 확인 및 화재감시자 배치
→  불티비산방지포 등으로 적절한 화재예방 조치
→  소화장비 비치 및 고정식 소화설비 확인
→  용접 이면부 및 전도 및 복사열에 의해 화재 우려 여부 확인
 

4)    밀폐공간에서 작업에 따른 질식

→  밀폐공간 진입 전 산소/가스농도 확인
→  30분 이상 환기 실시
→  특히, 불활성가스를 이용한 용접 시 공간 내 체류하지 않도록 조치
 
여기가지 아크용접의 안전관리에 대해 알아보았다. 용접은 매우 흔히 사용하는 기술이라 오히려 간과하기 쉬우므로 위 내용에 대해 잘 알아두어 사업장에 안전을 실천하도록 했으면 한다.

 

[핵심 내용정리]

1.     교류아크용접기에는 자동전격방지기가 있어야 하고 반드시 ON상태인지, 작동이 제대로 되는지 확인한다.
2.     자동전격방지기는 무부하 전압을 1초 이내에 25V 이하로 떨어뜨리는 안전장치이다.
3.     자동전격방지기의 주요 내용은 ‘방호장치 자율안전기준 고시’를 참고한다.