용접 극성 DCEN DCEP 용입 깊이 비교

TIG 교재는 정극성(DCEN)에서 아크 열의 70%가 모재로 간다고 가르칩니다. 연강 GTAW를 열량계로 잰 논문에서는 역극성(DCEP)도 모재에 52±4%를 실었습니다. 피복아크용접봉으로 바꾸면 용입이 깊은 쪽은 오히려 역극성입니다.

이 글은 전극이 −인 연결을 정극성, +인 연결을 역극성으로 부릅니다. 현장에서는 DCSP·DCRP라는 옛 표기도 쓰입니다.

70:30은 텅스텐 전극을 전제로 한 숫자입니다

용접 극성 교재의 70:30은 녹지 않는 텅스텐 전극에서 나온 설명입니다. 정극성에서는 전자가 텅스텐에서 나와 양극인 모재에 부딪힙니다. 그래서 모재 쪽이 뜨거워지고 용융지는 좁고 깊어집니다.

역극성으로 바꾸면 열의 70%가 텅스텐으로 간다는 것이 교재의 설명입니다. 녹으면 안 되는 전극에는 불리한 배치입니다. 대신 모재를 때리는 양이온이 산화막을 깨는 청정작용이 생깁니다.

이 비율에는 전류, 아크 길이, 보호가스 같은 시험 조건이 붙어 있지 않습니다. 저는 70:30을 양극이 더 뜨겁다는 방향 표시로만 읽어야 한다고 봅니다.

출처: Introduction to Welding 11.2 GTAW Equipment and Setup (Open Washington)

열량계로 재면 역극성도 모재에 절반 넘게 실립니다

Nasiri 등은 수냉식 양극 열량계로 연강 GTAW의 아크 열효율을 쟀습니다. 아크 길이 5mm에서 정극성은 67±4%, 역극성은 52±4%였습니다. 정극성 값은 용접 전류와 관계없이 일정했습니다.

아크 길이를 늘려도 효율은 떨어졌습니다. 17.5mm에서는 51%로 역극성 5mm 값과 비슷합니다. 아크를 길게 끄는 습관이 극성을 뒤집는 것만큼 모재 열을 깎는다는 뜻입니다.

표 1. 연강 GTAW 극성·아크 길이별 모재 열비율(단위: %)

조건	비율	자료
정극성 · 교재 통설	70	교재
역극성 · 교재 통설	30	교재
정극성 · 아크 5mm	67±4	실측
아크 11mm*	58	실측
아크 17.5mm*	51	실측
역극성 · 아크 5mm	52±4	실측

* 교재 통설은 두 극 사이 배분, 실측은 아크 전력 중 모재 몫임. 정의가 달라 직접 비교에 한계

* 아크 길이 값은 초록에 극성 미기재. 시작값 67%가 정극성 5mm 값과 같아 정극성으로 추정

자료: Open Washington 「Introduction to Welding」 11.2 / Nasiri 외, Journal of Mechanical Science and Technology 28(8) (2014), 수냉식 양극 열량계, 연강

이 차이를 입열량으로 옮겨 봅니다. 아크 에너지 식은 E = 60 × U × I / v 입니다.

U 12V, I 150A, v 100mm/min을 가정합니다. E = 60 × 12 × 150 / 100 = 1,080J/mm = 1.08kJ/mm 입니다.

교재 비율을 곱하면 정극성 0.756kJ/mm, 역극성 0.324kJ/mm입니다. 둘의 차이는 2.33배입니다.

실측 효율을 곱하면 정극성 0.7236kJ/mm, 역극성 0.5616kJ/mm입니다. 차이는 1.29배로 줄어듭니다. 두 결과 모두 가정 조건에서 모재에 닿은 열을 추정한 계산값입니다.

교재 비율은 두 극 사이의 배분이고, 실측값은 아크 전력 중 모재가 받은 몫입니다. 정의는 다르지만 전극이 70%를 가져가면 모재 몫은 30%를 넘을 수 없습니다. 52±4%는 그 설명과 맞지 않습니다.

Yarmuch와 Patchett는 차가운 음극이 텅스텐 음극보다 더 녹는 경향을 보고했습니다. 역극성 GTAW에서는 모재가 바로 그 차가운 음극입니다. 저는 역극성의 모재 몫이 교재보다 큰 이유를 여기서 찾습니다.

출처: Nasiri 외, Journal of Mechanical Science and Technology 28(8) 2014 / Yarmuch·Patchett, Welding Journal 86(7) 2007

소모 전극에서는 역극성 용입이 더 깊습니다

링컨일렉트릭은 몇몇 예외를 빼면 역극성이 더 깊은 용입을 낸다고 설명합니다. 정극성은 전극이 빨리 녹아 용착 속도가 빨라진다고 덧붙입니다. 피복제 성분에 따라 이 관계가 바뀔 수 있다는 단서도 달았습니다.

GMAW를 다룬 미국 특허 US 6,723,954도 같은 방향입니다. 정극성에서는 와이어가 더 빨리 녹고 모재 가열은 줄어든다고 적었습니다. 아크가 불안정해 거의 쓰이지 않는다는 설명도 있습니다.

저는 이것을 앞 절의 차가운 음극과 같은 현상으로 봅니다. 정극성 피복아크용접에서는 강재 용접봉이 음극이 되어 빨리 녹습니다. 녹은 방울이 먼저 쌓이면서 아크가 모재를 파고드는 깊이는 얕아집니다.

제조사 권장 극성과 규격은 이 차이를 형번 단위로 고정합니다. ASME SFA-5.1(2004) Table 1에서 E6010은 DCEP 전용입니다. E6012는 AC 또는 DCEN이고, E6013은 셋을 모두 허용합니다.

E7016은 AC 또는 DCEP입니다. 링컨 7016 DR과 EWM SE 7016 BR 제품 자료도 AC와 DC+만 적었습니다. 저수소계 용접봉에서 정극성은 규격이 열어두지 않은 선택지입니다.

출처: Lincoln Electric AC/DC: Understanding Polarity / ASME SFA-5.1(2004) Table 1

극성보다 먼저 볼 것은 전극이 녹느냐입니다

두 자료를 비교하기 전에 전극이 녹는 공정인지부터 확인해야 합니다. 같은 정극성이라도 텅스텐이면 용입이 깊고, 용접봉이면 얕아집니다.

• 텅스텐 전극: 정극성 용입이 깊고, 역극성 모재 몫은 실측 52±4%입니다.
• 용접봉과 와이어: 역극성 용입이 깊고, 정극성은 용착 속도가 빠릅니다.
• 형번의 허용 극성: 포장 표기와 AWS A5.1 극성란을 대조합니다.

ISO/TR 17671-1의 열효율 계수는 TIG 0.6, 피복아크와 MAG 0.8입니다. 극성은 구분하지 않습니다.

입열량 계산값이 같아도 극성이 다르면 용입 형상은 달라집니다. 그래서 입열량 숫자만으로 극성 변경의 영향을 판단할 수 없습니다.

피복아크용접을 극성별로 열량계로 잰 공개 자료는 이번에 찾지 못했습니다. 소모 전극에 대한 판단은 제조사 해설과 규격 표기에 기댄 것입니다. 용입이 구조 건전성에 걸린 이음이라면 시공 기준과 절차 시험으로 확인해야 합니다.

출처: TWI 기술 FAQ, Kemppi 기술자료 (ISO/TR 17671-1 열효율 계수)

참고 자료

Introduction to Welding, 11.2 GTAW Equipment and Setup / Open Washington Pressbooks / 발행연도 [확인필요] / https://openwa.pressbooks.pub/welding1/chapter/wa11-2/

Investigation on the influence of various welding parameters on the arc thermal efficiency of the GTAW process by calorimetric method / Journal of Mechanical Science and Technology 28(8) / 2014, 초록 열람 / https://link.springer.com/article/10.1007/s12206-014-0736-8

Variable AC Polarity GTAW Fusion Behavior in 5083 Aluminum / Welding Journal 86(7) 196s~200s / 2007, 초록 열람 / https://www.researchgate.net/publication/287928545_Variable_AC_polarity_GTAW_fusion_behavior_in_5083_aluminum

AC/DC: Understanding Polarity / Lincoln Electric / 발행연도 미표기 / https://www.lincolnelectric.com/en/Welding-and-Cutting-Resource-Center/Process-and-Theory/AC-DC-Understanding-Polarity

Lincoln 7016 DR 제품 자료 / Lincoln Electric / 2025 / https://ch-delivery.lincolnelectric.com/api/public/content/042969b547be465abb7c4713b23a2faf

SE 7016 BR 제품 사양 / EWM / 발행연도 미표기 / https://ewm-sales.com/en/Welding_filler_metals/MMA/unalloyed/SE_7016_BR_O2_5x350_mm–097-005504-25350.html

SFA-5.1 Table 1 Electrode Classification / ASME Section II Part C (AWS A5.1 수록) / 2004, 2차 사본 열람, 원문 미확인

US 6,723,954 Straight polarity metal cored wire / 미국 특허청 / 등록연도 [확인필요] / https://image-ppubs.uspto.gov/dirsearch-public/print/downloadPdf/6723954

What is the difference between heat input and arc energy? / TWI / 발행연도 미표기 / https://twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-difference-between-heat-input-and-arc-energy

Calculation of heat input in MIG/MAG welding / Kemppi / 2020 / https://kemppi.com/nb/blogs/calculation-of-heat-input-in-mig-mag-welding