용접결함 및 검사

왜 배우는가: 용접은 강구조물 접합의 대부분을 담당하므로 용접 결함은 구조 내력과 피로 수명을 직접 떨어뜨린다. 결함은 내부에 숨어 있는 경우가 많아 종류와 검사 방법을 알아야 판정할 수 있다. 그래서 용접 결함과 검사 방법은 여러 교시에서 함께 묻는 반복 출제 주제다.

출제 이력: 제130회 2교시 6번, 제99회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 결함은 용접부의 형상·내부 건전성이 설계 요구를 벗어난 불연속부이고, 용접검사는 이를 찾아 판정하는 절차다.

키워드

• 용접 결함: 용접부가 설계 요구 품질을 만족하지 못하는 상태 전반
• 형상·치수 결함: 언더컷, 오버랩, 각장·목두께 부족처럼 겉모양과 치수에서 나타나는 결함
• 구조상 결함: 용입불량, 융합불량, 기공, 슬래그 혼입, 균열처럼 용접 내부에 있는 결함
• 용입불량: 용접금속이 홈의 루트까지 도달하지 못한 결함
• 융합불량: 용접금속이 모재나 인접 패스와 융합되지 않은 결함
• 작업 검사: 용접 전·중·후에 용접공, 재료, 설비, 시공 상황을 확인하는 검사
• 완성 검사: 용접 후 제품이 요구대로 완성됐는지 확인하는 검사
• 비파괴검사: 재료를 파괴하지 않고 내부 결함을 찾는 시험

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 용접은 두 강재를 녹여 하나로 잇는 작업이다. 이음부에 틈, 구멍, 금, 덜 붙은 자리가 생기면 그것이 용접 결함이다. 정식으로는 용접 결함을 용접부의 불연속 또는 설계 요구에 미달하는 상태로 정의한다. 결함이 있다고 바로 구조가 무너지는 것은 아니지만, 결함의 종류와 크기, 위치에 따라 구조 내력과 피로 강도가 떨어진다.

결함은 크게 두 가지로 나눈다. 첫째는 형상·치수 결함이다. 언더컷, 오버랩, 덧살 과다와 부족, 각장 부족, 목두께 부족이 여기에 든다. 육안과 계측으로 정도를 판단할 수 있다. 형상이 나쁘면 노치 효과가 생기므로 절삭 정리 후 보수용접을 한다. 둘째는 구조상 결함이다. 기공(피트), 슬래그 혼입, 텅스텐 혼입, 용입불량, 융합불량, 균열이 대표적이다. 이 결함은 육안으로 확인할 수 없어서 방사선 투과검사나 초음파 탐상검사로 찾아야 한다.

ISO 5817 등급 B·C·D는 용접 결함 허용 한계를 등급별로 나눈 기준이다. 기계 산업에서는 보통 등급 C를 쓰고, 더 엄격한 생산에서는 등급 B를 요구하는 경우가 많다. 결함 크기는 이 표준의 실측값으로 판정한다.

균열은 결함 가운데 가장 위험하다. 고온균열은 응고 중 생기고, 저온균열은 용접 후 상온 근처에서 수소와 잔류응력이 함께 작용할 때 생긴다. 균열은 취성파괴의 시작점이 될 수 있어 다른 결함보다 엄격하게 다룬다. 기공과 슬래그 혼입은 응력집중 지점이 되어 피로 강도를 떨어뜨린다. 용입불량과 융합불량은 유효 단면적을 줄여 이음의 내력을 직접 떨어뜨린다.

구조상 결함은 육안으로 판정할 수 없으므로 방사선 또는 초음파 검사가 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조물은 대형화되고 고강도 강재가 많이 쓰인다. 현장 용접 이음이 늘어나면서 용접 품질이 구조 안전성을 좌우하게 됐다. 용접은 열을 가하고 식히는 과정을 거치므로 용접부와 주변 열영향부의 조직이 바뀐다. 이때 잔류응력과 수소가 함께 남으면 균열이 생기기 쉽다. 결함은 설계 단계의 응력 계산에 들어가지 않은 응력집중을 만들므로, 시공 중 관리와 검사로 막아야 한다.

용접 결함을 검사해야 하는 이유는 세 가지다. 첫째, 결함은 사용 중 발견되면 보수 비용이 크게 늘고 구조물 가동이 멈춘다. 둘째, 강구조물은 붕괴 시 인명 피해가 크므로 제품 단계에서 결함을 걸러야 한다. 셋째, 파괴시험으로는 전수 확인이 불가능하므로 제품을 손상하지 않는 비파괴검사가 필요하다. 이 세 가지 이유 때문에 검사는 공정 전체에 걸쳐 이뤄진다.

검사는 시점에 따라 두 가지로 나뉜다. 작업 검사는 용접 전에 재료와 개선 가공을 확인하고, 용접 중에 전류·전압과 예열 상태를 확인하며, 용접 후에 열처리 상황을 확인하는 검사다. 완성 검사는 용접이 끝난 뒤 제품이 요구된 형상과 품질로 완성됐는지 판정하는 검사다. 작업 검사는 결함을 발생 전에 막는 예방 역할이고, 완성 검사는 결함을 최종 판정하는 역할이다.

용접 결함은 대부분 용접 조건과 작업 방식에서 생긴다. 조인트 면의 불순물, 과도한 아크 길이와 전압, 낮은 입열, 잘못된 토치 각도가 그 원인이다. 따라서 결함 발생 원인을 알면 검사에서 무엇을 찾을지 정할 수 있다. 결함 원인과 검사 방법을 연결해서 아는 것이 이 주제의 핵심이다.

용접 결함이 생기면 보수 용접으로 바로잡아야 한다. 보수 과정은 생산을 지연시키고 공사비를 늘린다. 그래서 결함 예방을 위한 용접자 교육과 용접 절차의 준수가 특히 중요하다. 검사는 결함을 발견하는 수단이고, 예방은 결함을 줄이는 수단이다. 두 가지가 함께 작동해야 용접 품질이 확보된다.

강구조물의 안전성 확인은 용접 이음의 건전성 확인과 같은 말이다. 결함 크기가 허용 한계를 넘는지, 구조 내력에 영향을 주는지, 보수가 필요한지를 검토해야 한다. 결함의 종류와 위치에 따라 보수 여부를 정하고, 발주처와 협의해 결정하는 것이 바람직하다.

4. 구성요소·원리·절차

용접 결함은 형상치수 결함과 구조상(내부) 결함으로 나뉜다. 형상치수 결함은 육안과 계측으로 판단한다. 내부 결함은 방사선투과검사(RT)나 초음파탐상검사(UT) 없이는 유무를 확인하기 어렵다. 결함의 위치와 종류에 따라 검사 방법을 고르는 것이 기본 원리다.

표의 구분은 결함이 드러나는 위치 기준이다. 같은 균열도 표면이면 PT, 내부이면 UT로 찾는다. 결함은 설계 요구 등급을 벗어나면 불합격이 되므로 검사 등급을 먼저 정한다.

입열량은 용접 조건이 결함을 얼마나 바꾸는지 보여 준다. 식은 다음과 같다.

$H = \frac{60 \cdot I \cdot V}{S}$

H는 입열량(J/mm), I는 전류(A), V는 전압(V), S는 용접속도(mm/min)다. 예를 들어 I=250A, V=30V, S=300mm/min이면 H=60×250×30/300=1,500J/mm, 즉 1.5kJ/mm다. 입열이 낮으면 융합 불량과 용입 불량이 생기고, 과대하면 조직이 거칠어져 인성이 떨어진다.

검사 절차는 다음과 같다.

• 설계도서와 시방서에서 검사 대상 용접부와 허용 등급을 정한다.
• 용접 전에 용접사 자격, 재료, 개선 형상, 청소 상태를 확인한다(작업검사).
• 용접 중에 전류·전압·용접속도와 예열 상태를 기록한다.
• 용접 후 육안검사(VT)로 형상치수 결함을 먼저 본다.
• 표면 결함을 PT 또는 MT로 확인한다.
• 내부 결함을 RT 또는 UT로 확인한다.
• 결함의 종류·위치·크기를 기준과 비교해 합격 여부를 판정하고, 불합격 부위는 보수 후 재검사한다(완성검사).

5. 관련 법령·기준·표준

강구조 용접의 설계와 시공 기준은 건설 기준 코드 체계(KDS)와 발주처 시방서가 정한다. 용접 결함의 허용 한계는 국제 표준 ISO 5817에서 용접 등급(B, C, D)별로 정한다. 기계 산업에서는 등급 C를 일반적으로 쓰고, 엄격한 용접에서는 등급 B를 요구하는 경우가 많다. 검사 방법은 방사선, 초음파, 침투, 자분 검사 각각의 KS 규격과 발주처 시방서를 따른다.

표의 값은 용접 조건과 검사 등급에 따라 달라진다. 위 값은 판정의 출발점이며, 실제 합격 기준은 해당 공사의 설계도서와 시방서가 우선한다. 기준값을 외우기보다 결함 종류별 원인과 검사 방법의 짝을 함께 기억하는 것이 답안에 유리하다.