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■ 용접부
● 용접부의 시험 검사법
용접은 간편하고 생산성이 크기 때문에 근대 공업의 중요한 공작 기술로 등장되고 있으며 이것은 세계적으로 공인된 사실이다. 용접 기술의 향상과 신뢰도를 높이기 위하여 용접부의 시험과 검사는 대단히 중요한 일이다. 한편 기계 또는 구조물에서 용접부의 기계적 및 화학적 성질 등이 용접부에 필요한 각종 조건을 만족시키고 있는가를 확인하기 위한 것이며 또한 사용자에게 안도감을 줄 수 있는 효과가 있기 때문이다.
용접은 짧은 시간에 고온으로 올라가는 금속적 접합이므로 용접된 재료는 모든 조건이 균일하게 될 수 없다. 즉 용접열에 따른 모재의 변질, 변형, 잔류응력 등의 변화와 화학적 성분 및 조직 등의 변화는 어느 정도까지는 피할 수 없다.
그러나 현재는 용접 기술의 발전과 개선으로 이들 모든 점들에 대하여 대책이 연구되고 각종 불안도 해소되고 있다. 일반적으로 용접부의 안정도 및 신뢰성을 시험하기 위한 여러가지 방법을 대별하면 작업 검사와 용접 완성 검사로 분류된다. 작업 검사는 우수한 용접을 하기 위한 검사로서 용접공의 기능, 용접 재료, 용접 설비, 용접 순서, 용접 시공 상태, 용접 후의 열처리 등의 적부를 검사하는 것을 말한다. 그리고 용접 완성 검사는 용접이 완료된 후에 제품이 요구 조건에 만족하고 있는가를 검사한다.
◆ 용접부 시험법의 분류
용접에는 아크 용접, 가스 용접, 전기 저항 용접 등 여러가지 방법이 있으며 각각 특징을 갖고 있다. 그러므로 접합부로서의 외관 및 발생하기 쉬운 결함들도 각각 다르다. 또한 용접된 제품의 용도와 용접에 요구되는 성질들도 각각 다르다. 또한 용접된 제품의 용도와 용접에 요구되는 성질들도 각각 다르다.
용접부의 시험 방법은 용접부의 건전성을 확인하기 위한 것이고 그 제품에 필요로 하는 성질에 대하여 확안하는 방법을 여러 가지로 결합할 필요가 있다.
용접부의 검사는 시험 측정으로 얻은 값을 정해져 있는 표준치와 비교 검토하여 그 제품의 양부를 판정하고 합격, 불합격을 결정하는 일이다. 따라서 시험 방법, 측정하는 위치, 검사표준치는 그 제품의 가치를 충분히 입증할 수 있는 것이라야 한다.
검사는 제품의 가치 보증을 목적으로 하는 것이므로 그 목적을 달성하기 위하여 제품 전체에 대하여 정해진 모든 시험, 측정을 하는 전체 개수 검사와 전 제품의 대표로서 뽑기 검사를 하는 샘플 검사가 있다. 전체 개수 검사는 처음으로 제작할 경우 및 특히 중요한 물건에 대하여 적용하고 샘플 검사는 개수가 대단히 많은 경우 또는 안정한 작업으로 제품이 생산될 경우에 적용하는 것이 일반적인 실례이다. 검사 기준치는 이론, 실험 및 제품의 사용실적 등을 고려하여 결정해야 한다. 또는 일률적인 기준치를 만들려고 할 때에는 표준화된 시험 방법이 필요하다. 현재 우리 나라에는 아직 표준화된 용접부의 시험 방법은 없다. 용접 기술은 비교적 새로운 기술이고 최근 급속히 발전되는 도상에 있으며 기계, 조선, 교량, 건축, 전기 등 각 방면의 제조 기술을 도입하고 있으므로 기준치는 각각 그 분야에 적절한 값을 결정해야 한다.
● 용접부의 결함과 그 발생 원인
◆ 외부 결함
(1) 스트레인에 의한 변형
금속은 일반적으로 가열하면 열팽창이 생기고 냉각하면 수축하는 성질을 갖고 있으나 특히 용융 상태에서 응고하여 고체가 될 때에 생기는 수축이 크다. 그러므로 용접부는 용착 금속의 응고, 수축, 용접열에 의한 모재의 팽창 및 수축으로 인하여 복잡한 변형이 생긴다.
(2)치수 불량 및 형상 불량
특히 코너부의 용접에서 필릿의 각장의 불균일, 덧살붙이의 과다, 부족, 두께의 치수 불량 등이 생겨 결함을 형성하는 일이 많다. 게이지를 사용하든가 외관을 검사하여 치수 불량을 조사할 수 있다. 형상 불량으로 가장 많은 것은 언더컷과 오버랩이다.
이들의 결함은 용접공의 기술 향상, 용접봉의 종류, 용접 조건, 비이딩 방법의 개선, 용접 자세의 조정 등의 개선에 주력하면 된다. 형상 불량은 용접 제품의 가치를 떨어뜨리고 응력 집중이 생기게 되어 파괴의 원인이 되므로 결함을 검사할 때에는 적당한 표준을 세우고 조심스럽게 외관 검사, 침투 검사 등을 해야 한다.
(3) 피트(pit)
비이드 표면에 분화구 모양으로 된 구멍을 피트라고 한다. 이것은 용착 금속이 응고할 때에 용융지 모양을 한 부분인 크레이터부에 생긴 기포가 크게 되어 표면에 뚫린 구멍을 말한다. 이것의 발생 원인은 불로우 홀과 마찬가지로 조악한 모재, 또는 페인트, 혹은 스케일의 불순물, 용접봉의 습기, 용접 조건의 부적당 등에서 오는 것으로 볼 수 있다.
(4) 균열
이 결함은 용접부에 생기는 결함 중에서 가장 좋지 못한 것이고 또한 위험한 결함이다. 용접기술의 개선 중에서 대부분은 이 균열을 방지하기 위한 것으로 볼 수 있다. 이 균열의 발생 원인 및 방지 대책에 대하여 많은 연구들이 진행되어 왔으나 아직 해결되지 않은 분야들이 있다. 용접 균열의 발생은 많은 인자의 영향이 있으나 그 형성 원인을 크게 분류하면 금속학적 요인과 역학적 요인으로 구분할 수 있다.
금속학적 요인이라는 것은
(1) 열영향에 따라서 모재의 연성이 저하되는 것
(2) 용융시에 침입하였다가 또는 확산하느 수소의 영향에 의하여 취화되는 경우라든가
(3) 인, 황, 주석, 구리, 아연 등의 유해한 불순물의 포함 등을 들 수 있다.
역학적 요인 이라는 것은
(1) 용접시의 가열, 냉각으로 생긴 열응력
(2) 강의 변태에 따른 체적 변화
(3) 구조상 도는 판재의 두께에 기인되는 용접부의 내부 및 외부에 작용하는 힘의 영향 등을 들 수 있다.
◆ 내부결함
(1) 다공성
용착 금속 중에 남아 있는 가스의 구멍으로서 불로우 홀, 또는 길고 가느다란 공기 구멍이 내부에 남아 있는 파이핑 등을 말한다. 이것들은 주로 습기, 공기, 용접면의 상태에 따라 수소, 산소, 질소 등의 침입이 원인이 되는 경우가 많다. 이것들을 제거하기 위해서는 용접 기술의 향상과 용접 조건을 좋게 함으로써 해결할 수 있다.
(2) 접합 불량
용접 속도가 너무 빠르다든가 용접 전류가 너무 낮은 때에는 용접 부분이 적합한 온도에 도달하지 않은 상태에서는 용착 금속의 접합이 불연속으로 되는 결함이 생긴다. 주로 모재와의 용착 불완전 또는 융합 불량으로 인한 균열이 우발되는 경우가 많다. 또한 용접봉의 크기가 부적당하든가 용접 전류가 너무 낮으면 접합부의 밑 부분까지 용착 금속이 도달하지 못하는 경우가 생긴다. 이것은 용착 금속 부족으로 용접부에 균열을 일으키는 원인이 된다.
(3) 슬랙 혼입
용착 금속 또는 모재와의 접합부 중에 슬랙 또는 불순물이 함유되는 경우가 잇는데 일반적으로 용접봉의 피복 물질로 생기는 슬랙이 많다. 이 결함을 방지하기 위해서는 용접봉의 비이딩 방법, 접합부의 청정, 용접 전류 등에 주의할 필요가 있다.
(4) 성질상 결함
용접부는 국부적인 가열로 융합되어 접합부를 형성하므로 모재의 성질과 완전히 균일한 성질을 갖게 할 수는 없다. 용접 구조물은 어느 것이나 사용 목적에 따라서 그 용접부의 성질 즉 기계적 성질, 물리적 성질, 화학적 성질에 대하여 각각 규정된 요구 또는 조건이 있다. 따라서 이것을 만족할 수 없는 것은 넓은 의미의 결함이라고 생각할 수 있다. 기계적 성질로서는 항복점, 인장 강도, 연율, 경도, 충격치, 피로 강도, 고온 크리프 등의 특성을 들 수 있다. 화학적 성질로서는 화학 성분, 내식성 등 그리고 또한 물리적 성질로서 열전도도, 전기 전도도 및 자기적 성질, 열팽창 등의 성질이 대상으로 된다.
◆ 용접부의 파괴 시험 방법
용접부의 형상 및 용접부의 치수 결함을 조사하기 위한 방법은 육안으로 할 수 있으나 내부 결함은 방사선 및 초음파를 사용하여 외부에서 시험하든가 도는 그 부분을 절단하여 시험하지 않으면 안 된다.
용접 부분의 기계적 성질, 화학적 성질을 조사할 경우에도 용접부를 잘라서 시편을 만든다. 그러므로 용접부의 시험 방법은 외관 시험, 기계적 시험, 화학적 시험, 비파괴 시험 등으로 구분할 수 있다.
파괴 시험은 용접이음의 시험, 용착 금속의 판정, 용접 제품, 용접 재료의 적부적 및 용접공의 기량 등을 시험하는데 쓰이고 있다. 용접부를 파괴하여 각종 성질을 측정하고 결함의 유무를 조사한다. 실제로 할 때에는 수많은 제품 중에서 샘플을 뽑아서 하든가 또는 제품과 같은 조건으로 용접하여 만든 시험품에 대하여 시험 검사를 실시한다.
◆ 기계적 시험 방법
용접 제품에 하중 또는 수압을 작용시켜 그 강도를 시험 하든가 용접한 것을 재료 시험기를 사용하여 인장강도, 압축강도, 연율, 경도, 충격, 피로, 굽힘 등의 시험을 함으로써 기계적 성질 및 결함을 시험한다. 기계적 시험 방법을 일부 특수한 것을 제외하면 일반 금속 재료 시험법과 같은 방법이 쓰인다. 그러나 시험편 제조 방법 및 용접부의 시험 위치 등에 대해서는 규정되어 있는 규격으로 하여야 한다.
◆ 인장강도
인장 시험 방법은 금속 재료 전반에 걸쳐 공통된 것이 쓰인다. 용접부에 대해서는 특히 용착 금속의 인장 강도 시험 및 용접 이음의 인장 강도 시험 등이 있다. 용착 금속 인장 시험은 용착 금속의 각종 성질을 조사하여 용접봉을 선택 결정할 경우에 실시하는 시험 중에서 가장 중요한 것으로서 인장강도와 연율을 알기 위하여 시험하는 것이다.
용접 이음부의 인장 강도 시험은 실제 재료를 용접하였을 경우에 모재를 포함한 용접부의 강도가 어느 정도인가를 알기 위한 시험이다. 이 시험에는 밎대기 용접 시험과 필릿 용접 시험이 있다. 또임 재료의 시험에는 표점 거리를 길게 한 것이 쓰이고 있다. 일반적으로 용접 이음의 효율은 다음 식으로 구한다.
◆ 용접이음 효율(%)
η = (시편의 인장 강도)/(모재의 인장강도) *100
또한 필릿 용접이음의 시험은 인장강도 시험 및 전단 강도의 시험이 있다. 인장 강도(S)와 전단 강도(τ)의 계산은 다음 식을 쓴다.
S = 0.7 * P / (FM * l), τ = 0.35 * P / (FM * l')
S : 전면 필릿 용접 이음의 인장 강도(㎏/㎟)
τ : 측면 필릿 용접의 이음 전단 강도(㎏/㎟)
P : 최대 인장 하중(㎏)
FM : 덧붙이판의 양 끝 단면에서의 8개의 필릿 각장의 평균 길이(㎜)
l : 전면 필릿 용접의 4개의 평균 길이(㎜)
l' : 측면 필릿 용접의 8개의 평균 길이(㎜)
◆ 굽힘 시험
용접부의 연성을 조사하기 위하여 사용하는 방법으로 자유 굽힘, 형틀 굽힘 등 2종이 있다. 형틀 굽힘 시험은 용접공의 기능 검정에도 채용된다. 굽힘에는 용접부의 표면 굽힘, 뒷면 굽힘, 축면 굽힘 등의 3종이 있다. 연강의 경우에는 굽힘 각도의 크기로서 용접성을 검사한다. 최대 180°까지 굽힘하여 시험 결과의 합격 판정 기준은 다음과 같다.
(1) 3.0㎜를 넘는 균열이 용접 방향에 관계 없이 없을 것 언더컷내의 균열이 기공과 연속되고 있을 때 이 전체를 균열의 길이로 한다. 단 열영향부의 균열은 불문으로 한다.
(2) 3.0㎜이하일 때는 합계의 길이가 7.0㎜를 넘지 않을 것 또한 기공과 균열의 수가 10개를 넘지 않을 것
(3) 언더컷, 슬랙 잠입, 파임 깊이의 결함이 없을 것
◆ 경도시험
(1) 브리넬 경도 시험기
지름 10㎜또는 5㎜의 강구를 500-3000㎏의 하중으로 누른다. 일반 구조용 재료로서 강철, 주철, 구리 합금 등에 쓰인다.
(2) 로크웰 경도 시험기
지름 1/16㎜의 강구를 100㎏의 하중으로 누르는 방법과 120°의 다이아 몬드 원추압자를 150㎏의 하중으로 누르는 방법이 있다. 전자는 일반적으로 연한 금속 등에 후자는 고 경도의 강철, 특수강, 고속도강 등 금속 재료에 사용한다. |
