용접 품질상의 검토 사항

&sec1. 용접 야금

A. Hot crack (고온 균열)

Hot crack은 재결정 과정에서 일어나는 편석(segregaition)에 의한다. 즉 용융점이 낮은 황(sulphur)등이 응고 과정에서 액상 상태로 존재하다가 나중에 응고 하면서 체적의 차이(액체와 고체)에 의한 공간을 형성한다. 이것은 micro crack으로 현미경상으로 확인가능하며,이것을 피하기 위하여는 모재의 선정에 신중을 기하여야 한다. 일반적으로 용접 구조용강은 황의 함유량이 0.02%이하 이며, 일반 구조용 강도 0.04%를 초과해서는 안된다.

B. Lamellar tearing
이것도 또한 황화합물의 존재에 기인한다. 제강 압연중에 편석된 황화합물은 film상태로 존재 하며, 이것이 응력을 받을 경우 층상의 형상이 갈라져 crack을 유발 시키는 것이다. 이것은 모재의 황 함유량도 중요하지만 황이 골고루 분포되지 않고 집중 되었을 때 문제가 된다. 그러므로 모재의 황 함유량보다 얼마나 집중되어 분포되어 있는가 하는 것이 더 중요하다. 압연 과정에서의 문제를 발견하기 위하여 압연후 UT(초음파 탐상)를 시행하면 lamenation을 발견할 수 있다. 그러나 이때는 수요자가 제강 회사에 별도의 계약을 맺어야 하며, special charge를 지불 해야 한다.

C. Cold crack (냉간 균열)
냉간 균열은 응고 과정이 아니라 응고된 이후에 나타나는 crack이다.주로 확산성 수소에 의해 나타나며, 취성 파괴의 위험이 매우 크기 때문에 설계자는 모재의 선정을 고장력강,합금강으로 할 때 시공 방법 및 예후열 문제를 깊이 인식 하지 않으면 안된다. 우선 탄소 당량 (Ceq)이 0.4 이상일 경우 및 고장력강은 냉간 균열의 위험이 있다고 생각 하라. 이 경우 예후열은 꼭 필요하며, 용접 방법도 중요하다.예를 들면 피복 아크 용접에서는 꼭 저수소계 용접봉을 사용해야 하며, 그것도 잘 관리된 용접봉(250도-300도에서 2시간 이상 건조 시킨 용접봉, 포장을 개봉 한지 오래 되지 않은 용접봉 등) 즉 수분에 의한 수소 발생 여지가 없는 용접봉을 사용해야 한다. 또한 예 후열에서 예열은 강의 재결정 온도(500-550도) 이상은 금지 되어 있다.이것은 예열로 인해 용접부 주위 조직이 변화(열처리 효과)될 수 있기 때문이며, 후열의 경우도 조직의 변태(ac3 온도 이상)를 일으키지 않도록 해야 한다. 일반적으로 주의 해야 하는 것은 강이 열을 받아 색깔이 변하면 이미 재결정 온도 이상이라는 것이다. 이것은 예후열의 관리가 매우 힘들다는 것을 의미하며, 실험적인 방법으로 예열 온도 산정은 용접 H.A.Z 의 경도가 로크웰 C scale 32이하가 될 때이며, 피로 하중을 받을 때는 28 이하가 될 수 있는 예열 온도 및 시공 방법을 정하는 것이다. 용접 후 응력 제거 열처리는 이런 내용과는 관계 없다는 것을 명심해야 한다. Stress relieving anneling은 문자 그대로 잔류 응력 제거에만 영향을 미친다.

D. 용접량의 과소에 의한 문제

철은 공기보다 열전달 속도가 빠르다. 두꺼운 철판이 얇은 철판 보다,3차원적인 형상이 2차원 보다 열전달이 잘된다. 그러므로 두꺼운 철판에 지나치게 적은 각장의 용접을 하면, 열전달 속도가 빠르므로 용접부도 빠르게 냉각되어 연실율의 저하에 의한 잔류 응력 발생과 toe부의 균열을 만든다. 이것에 대한 독일 기준은 다음과 같다. 최소 목두께 a = 두께 1/2 - 0.5 mm * 기준 보다 적은 각장의 용접은 예열로 해결! (냉각 속도 증가)

E. Corrosion의 문제

Corrosion의 문제는 austenitic steel에서는 상당한 문제가 되나, 일반 강에서는 크게 문제되지 않는다. 그러나, 이 경우에도 염분이 많은 곳에서 사용될 경우 설계상에서 고려 해야 한다. Corrosion의 문제는 할로겐 원소의 전리 반응에서 생기며, 대표적인 할로겐 원소인 Cl(염소)에 의한다. 각 금속은 할로겐 원소에 대한 potential energy 전위를 가지고 있고, 이 에너지의 상태에 따른 이온 전리에 의해 부식이 발생한다. 여기서 간과 해서는 안되는 것은 stress corrosion 이다. Stress가 존재하는 부위에도 상승작용으로 corrosion의 문제가 발생한다.예를 들면, 바닷가에서는 용접부의 h.A.Z 부위가 쉽게 부식이 일어나는 것이다. 이것의 해결 방안으로는 용접부의 잔류 응력 경감, 부식 방지를 위한 용접부의 보호 (passive금속의 coating)를 행하여야 되며, corner부 및 구석진 곳의 용접은 피하여야 한다. 또 하나의 해결책은 가까이 potential energy의 minus 전위가 높은금속은 주위에 부착하여, corrosion attack을 유도 하는 것이다.이것은 선박의 프로펠라 샤프트 등의 용접에 많이 적용된다.

F. Cold deformation

금속은 저온에서도 가공 과정을 거치면, 재결정이 일어나 성질이 변한다.즉 grain size가 조대 해지며, 횡방향, 종방향의 특성이 틀려지는 이방성을 띄게 된다.이의 특징으로 가공 경화(coldwork hardening)및 부식 저항력의 약화가 일어나므로 냉간 가공을 거치는 부위에 대한 직접적인 용접은 피하여야 한다.

&sec 2. 용접부 형상 (외부)

A. 형상 notch

형상 notch는 특히 피로 하중을 받는 부분에서는 굉장히 중요하다. 응력의 선도는 물이 흐르는 것과 같이 생각하여 응력 선도가 집중되지 않도록 이음을 설계하고, 외관 형상을 고려해야 한다. 특히 fillet 용접부는 butt용접부 보다 notch형성이 쉽기 때문에 피로에 취약하다는 점을 잊어버려서는 안된다. Bead 단면의 notch 형성은 Tig dressing으로 외관을 부드럽게 하며,응력 제거에 효과가 있다. Fillet 용접부의 외관 형상에 따라 강도 특성이 틀린다. 가장 자리 용접에서 비대칭 (각장의 비 2:1)일 경우 notch 효과를 감소 시킨다.

B. 완전 용입의 검토

피로를 받는 부분은 완전 용입을 원칙으로 하나, 완전 용입을 위한 용접 시공은 상당히 까다롭다. 완전 용입에 대한 검토는 재료의 두께, groove의 형상이 설계 부분에 속한다 할 것이다.그러나. 여기에는 용접 방법이 중요한 변수이다. 피복 아크 용접과 co2 용접은 heat input가 틀리고 용입 가능량도 상이하다. 또한 용접 자세에서도 큰 차이가 난다. 참고로 co2 용접으로 아랫보기 자세일 경우 일반 mild steel에서는 4-5mm 까지의 용입이 가능하나, 수평 fillet용접일 경우 3mm도 아주 숙달된 용접사가 아니면 불가능 하다. 또한 용입성이 좋은 경우에는 용락의 위험도 동반 되기 때문에지경에 처할 때가 많다. 이것을 일률적으로 기준하기는 힘드나, 몇가지 일반론을 이야기 하고자 한다.

첫째 용락 가능성을 염두에 두자

Root gap은 Co2 용접에서 용락과 직결된다. 일반적 기준으로 Co2용접 와이어 직경 이상의 root gap은 용락을 유발 시킨다. 그러나 이것도 root face의 양과도 관계가 있다. 실제의 경우 Co2 용접와이어의 직경보다 root gap을 크게 해야 될 필요성이 있고, 현장의 제관 작업 상태를 보면 이론이 얼마나 헛된 것인가를 알게 된다.

이 경우 용접사가 어떻게 용락 위험을 피하면서 용접하고 있는지를 주의 깊게 관찰해야 한다.

저자의 경험으로는 용접사들이 용락 방지를 위해 취하는 행동은 한가지가 용접시 arc length(stick out)를 길게 하는 것이다.이 경우는 용접 전압 조건의 상승으로 용입 부족및 융합 부족의 위험이 있다. 또 한가지는 낮은 전류 전압 조건으로 root gap 부위를 메꾸는 것이다.이것은 융합 불량의 위험이 있으나, 전자 보다는 바람직스럽다. 결론적으로 용락 위험이 있는 root gap 부위는 실제상 용접 품질의 큰 신뢰성을 요구할 수 없다는 것이다.

back plate는 용락의 위험성을 방지하고 완전 용입을 가능하게 하는 절대적인 방법이다. 그러나, 이런 이음은 경제적인 면에서 바람직 못하고 차선책으로 back gouging 방법을 사용하거나, back run(sealing run)을 요구 하는 경우가 있으며, 각각 장단점이 있다. back run과 back plate의 경우 용접의 이면부가 용접시 대기중에 노출되어 산화되는 위험성을 주의해야 한다.

둘째 어떤 용접 방법을 요구 할것인가?

앞서 언급 한대로 용접 공정의 종류에 따라 용입 가능량은 틀린다.

셋째 groove의 형상은 완전용입 문제뿐만 아닐라 경제성 문제 및 용접 변형, groove 형성을 위한 공정등을 염두에 두어야 하며, 비드폭과 깊이의 비가 2:1 이상이 되어야 한다.

넷째 용접 시작점과 끝나는 점은 완전 용입을 기대하기 힘들며, 야금학적인 notch가 존재 한다.그러므로 구조물의 취약부에 용접 시작 또는 끝나는 점의 형성은 곤란하다.그러므로, 이 문제에 의해 수염 용접 또는 용접부의 단축, 전둘레 용접 등의 기교를 사용하는 것이다

다섯째 불완전 용입이 불가피할 경우 용입 부족 부분은 내부의 notch이다.이때는 notch의 형성 방향이 응력과 같은 방향이 되도록 하며, 내부 notch의 형상이 sharp하지 않다면, 강도에 큰 지장이 없다.(브로우 홀과 스래그 혼입 차이- 스래그 혼입이 더 위험)

C. 형상에 따른 적절한 용접 이음 (예)

- free cut 활용 (용접으로 메꾸지 말것)
- skewed t welding
  각장 l > 3/2 t
- 용접선의 교차는 위험
- 용접선 중복을 피할 것

&sec3. 시공 방법

현재 주로 적용되는 용접 방법은 MMA, MACG, MAMG, TIG등이 있으며, MAMG, MACG에서는 와이어 종류에 따라 SOLID WIRE 용접, FLUX COARED WIRE 용접등이 있다.

이것에 대한 특징은 다음과 같다.