용접결함

왜 배우는가: 용접결함은 건설기계 구조물의 안전과 수명을 좌우하므로 원인과 대책을 묻는 기술사 시험의 기본 주제이다. 실무 점검에서도 결함의 종류를 정확히 구분해야 보수 방법을 정할 수 있다.

출제 이력: 제131회 4교시 4번, 제126회 3교시 5번, 제101회 3교시 6번, 제89회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접결함은 용접 과정에서 용접부의 형상, 건전성, 기계적 성질이 설계 기준에서 벗어난 상태를 말한다. 용접부는 모재와 용착금속이 완전히 융합되어야 하중을 전달할 수 있으므로, 이 조건을 해치는 내부 불연속과 외부 형상 불량이 모두 용접결함에 해당한다. 답안의 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 이어서 결함의 종류와 원인을 차례로 적는다. 결함은 발생 위치에 따라 용접부 내부에 생기는 것과 표면 형상으로 드러나는 것으로 나뉘므로, 두 가지를 구분해 쓰는 것이 필요하다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 슬래그 혼입: 용융 슬래그가 부상하지 못하고 용착금속 속에 섞여 남는 결함이다.
• 기공: 용접부 안이나 표면에 작은 구멍이 산재하는 결함이다.
• 언더컷: 모재가 파여 용착금속으로 채워지지 않은 홈이 연속으로 남는 결함이다.
• 오버랩: 용융금속이 모재 표면으로 흘러내려 겹쳐지는 결함이다.
• 용입불량: 개선면과 비드, 또는 비드끼리 완전히 용융되어 접합되지 않은 결함이다.
• 균열: 용접부가 갈라져 하중을 전달하지 못하는 결함이다.
• 크레이터: 아크를 급히 끊어 용융 풀이 움푹 패인 결함이다.

2. 개념 풀이

용접결함의 원리는 용접 입열과 용융 풀의 거동에 있다. 용접부는 아크열로 모재와 용접봉이 함께 녹아 응고되는 과정을 거치는데, 입열이 과대하면 모재 가장자리가 과도하게 녹아 홈이 생기고, 입열이 부족하면 용융 금속이 모재와 섞이지 못한다. 이처럼 전류, 전압, 용접속도, 전극 각도, 개선 형상 같은 조건이 적정 범위를 벗어나면 결함이 나타난다. 따라서 결함의 원인은 조건 설정의 문제, 작업자 기량의 문제, 모재와 용접재료 상태의 문제로 나누어 본다.

용접결함은 구조상 결함과 형상 결함으로 나눌 수 있다. 구조상 결함은 기공, 슬래그 혼입, 균열, 용입불량처럼 용접부 내부의 건전성을 해치는 결함이다. 형상 결함은 언더컷, 오버랩, 비드 불균일처럼 외관과 치수가 기준에서 벗어난 결함이다. 두 분류는 검사 방법을 고르는 기준이 되므로 함께 익혀 두어야 한다.

기공은 용융 금속이 응고하기 전에 가스가 빠져나가지 못해 생기며, 가스 보호가 부족하거나 모재와 와이어에 수분, 기름, 녹이 있을 때 많이 발생한다. 균열은 용접부에 인장 잔류응력이 작용하고 수소가 집적된 부분에서 주로 시작한다. 두 결함 모두 용접 조건과 재료 관리를 함께 바로잡아야 재발을 줄일 수 있다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 응력 집중: 결함 주변에서 응력이 국부적으로 커지는 현상이다. 결함의 끝이 균열의 시작점이 되므로 구조 부재에서는 특히 위험하다.
• 노치 효과: 결함의 날카로운 형상이 응력을 높여 강도와 인성을 떨어뜨리는 효과이다. 언더컷이 기둥 플랜지재 단부에 생기면 노치 역할을 하여 모재 강도에 큰 문제가 된다.
• 유효 단면적: 하중을 실제로 받는 모재의 단면적이다. 언더컷은 모재의 두께를 줄여 유효 단면적을 감소시킨다.

언더컷은 모재의 유효 단면적을 줄여 구조내력을 떨어뜨리는 결함이다. 언더컷은 전류가 너무 강할 때 발생하는 결함이다. 보수 기준으로는 언더컷의 길이가 1mm를 넘으면 반드시 보수용접을 하며, 보수 비드가 짧게 끊어지지 않도록 주의한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 강재를 접합하는 기본 공정으로, 건설기계의 붐, 프레임, 버킷 같은 구조 부재 제작과 보수에 널리 쓰인다. 건설기계는 중하중과 반복 진동을 받으므로 용접부에 남은 작은 결함도 피로 균열과 구조 파손의 시작점이 될 수 있다. 그래서 결함을 시공 단계의 조건 관리로 막고, 남은 결함을 검사로 찾아내는 체계가 필요해졌다.

결함의 원인은 대부분 시공 조건으로 귀결된다. 모재 표면의 녹, 기름, 습기는 기공과 수소 균열의 원인이 되고, 차폐 가스의 흐름을 방해하는 스패터도 기공을 늘린다. 옥외 작업에서는 풍속이 관련 기준이 정한 값 이상이면 차폐 효과가 떨어지므로 방풍벽을 설치한 뒤 용접한다. 이 기준은 기공 방지를 위한 현장 관리 항목이다.

지연 균열은 용접 직후가 아니라 냉각 뒤 일정 시간이 지나 나타나는 균열이며, 저온 균열 또는 수소 균열이라고도 부른다. 이 균열은 용접 중에 유입된 수소가 재료 내부에 집적되고 용접으로 생긴 인장 잔류응력이 작용할 때 발생한다. 그래서 저수소계 용접봉을 사용하고 예열을 하는 것이 중요한 대책이 된다. 예열은 수소의 확산을 촉진하고 경화 조직의 형성을 억제한다는 점에서 효과가 있다.