용접결함

왜 배우는가: 용접결함은 구조물의 강도와 안전성을 직접 좌우하므로 시공 현장과 검사에서 반복적으로 다뤄진다. 기술사 시험에서도 결함의 원인과 조치, 검사·시험 방법을 묻는 문항이 자주 출제되므로 결함별 원인과 대책을 체계적으로 정리해야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 6번, 제95회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접결함은 용접부에 설계·시방에서 요구하는 형상, 치수, 강도, 건전성을 저해하는 불연속 또는 불량이 생긴 상태를 말한다. 용접결함은 용접부의 강도·건전성을 해치는 불연속 또는 형상·치수 불량을 말한다.

키워드

• 비드불량
• 핀홀(기공)
• 슬래그 혼입
• 크랙(균열)
• 비틀림(변형)
• 용입불량
• 언더컷

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 용접 부위에 생긴 흠과 뒤틀림이다. 흠은 눈으로 보이는 것과 내부에 숨어 있는 것으로 나뉜다. 정식으로는 용접 후 발생하는 기공, 슬래그 혼입, 균열 등 내부 결함과 비드 형상 불량, 변형 같은 외관·치수 결함을 통칭한다.

비드(Bead) 는 모재와 용가재가 용융·응고하여 형성된 용접 금속의 볼록한 부분이다. 비드 폭, 높이, 파형이 고르지 않으면 비드불량으로 본다. 비드불량은 전류·전압·용접속도 같은 용접조건과 운봉 기술의 영향을 크게 받는다.

핀홀(Pinhole) 은 용접 금속 안에 생긴 작은 구멍으로, 용융 금속이 응고할 때 가스가 빠져나가지 못해 생긴다. 기공(Porosity)과 같은 계열이며 비드 표면으로 빠져나가면 피트(Pit)라 한다. 구멍이 둥근 형태라 초음파 탐상으로는 검출이 어려운 경우가 많다.

슬래그 혼입(Slag Inclusion) 은 용접 중 생긴 슬래그가 부상하지 못하고 용착 금속 내부에 남은 결함이다. 취약부를 만들고 균열의 기점이 되므로 층간 슬래그 제거가 중요하다.

크랙(Crack, 균열) 은 용접부에 발생한 선형의 틈이다. 용접금속, 열영향부, 모재에 생길 수 있으며, 응고 과정에서 생기는 고온균열과 냉각 후 생기는 저온균열로 나뉜다. 구조적으로 가장 위험한 결함이다.

비틀림(Distortion, 변형) 은 용접 열에 의한 수축 응력으로 부재가 뒤틀리거나 휘어지는 현상이다. 치수 정밀도와 조립 정도를 떨어뜨린다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 볼트·리벳 대신 부재를 일체화하는 접합 방법이므로 접합부의 품질이 곧 구조 성능이다. 건축기계설비에서는 배관, 덕트, 압력용기, 철골 지지대 등에 용접이 널리 쓰인다. 결함이 남은 채 가동하면 누설, 파열, 피로 파괴 같은 사고로 이어질 수 있다.

용접결함을 체계적으로 다루게 된 배경은 다음과 같다. 첫째, 용접은 열 입력이 집중되어 급랭과 수축이 함께 일어나므로 결함이 필연적으로 생긴다. 둘째, 결함은 육안으로 보이지 않는 경우가 많아 검사가 필요하다. 셋째, 결함 보수는 재용접을 수반해 공기와 비용을 크게 늘린다. 따라서 발생 원인을 알고 예방하는 것이 가장 경제적이다.

용접 결함의 원인은 하나로 정해지지 않고 여러 요인이 겹친다. 한 자료에 따르면 공정 조건 불량이 가장 큰 비중을 차지하고, 작업자 실수가 그 다음이다. 따라서 결함 대책은 용접 조건 관리, 작업자 기량, 재료·소모품 관리를 함께 다뤄야 한다.

용접 전 모재 예열·건조 관리

4. 구성요소·원리·절차

용접결함은 용접 금속과 열영향부, 모재에서 생기는 불연속부다. 결함을 줄이려면 결함이 생기는 과정을 단계별로 끊어야 한다. 아래 구성 표는 결함의 종류를 발생 단계와 주된 인자로 나눈 것이다.

표의 인자는 서로 겹친다. 한 결함이 여러 인자에서 함께 생긴다는 점을 답안에 명시한다.

용접 결함은 가스 방출, 용융 금속의 흐름, 응고·냉각 중 응력의 세 과정에서 생긴다

기공은 응고 중 용접 금속에 남은 가스가 빠져나가지 못해 생긴다. 표면까지 빠져나간 구멍을 피트라고 한다. 핀홀은 기공이 표면 근처에 작게 모인 형태다. 용제에 습기가 많거나, 탈산제가 부족하거나, 차폐가 부족하면 기공이 된다. 수소는 응고 과정에서 용해도 차이로 빠져나가지 못해 기공과 균열을 함께 만든다.

슬래그 혼입은 용융 슬래그가 부상하지 못하고 용착 금속 안에 남은 결함이다. 소전류·저속으로 용착량이 많아지면 슬래그가 떠오를 시간이 없다. 다층 용접에서 층간 슬래그를 제거하지 않으면 그대로 남는다.

균열은 용접부의 인장 잔류응력과 수소, 취성 조직이 함께 작용할 때 생긴다. 고온균열은 응고 직후 액막이 남은 상태에서, 저온균열은 상온 가까이 냉각되며 수소 취화가 일어날 때 생긴다.

비틀림은 입열이 한쪽으로 치우치고 수축이 구속될 때 생긴다. 대칭 용접과 용접 순서 조정으로 줄인다.

용접 절차

• 개선 가공과 가접을 정확히 하고 모재의 기름·녹·습기를 제거한다.
• 용접봉과 용제를 건조 상태로 보관하고 사용 전에 건조시킨다.
• 용접 조건(전류·전압·속도·운봉각)을 용접봉 규격에 맞춰 설정한다.
• 층마다 슬래그를 브러시와 그라인더로 완전히 제거한다.
• 용접 순서를 대칭으로 정해 입열과 수축을 균형 있게 한다.
• 용접 후 검사(육안, 침투, 방사선, 초음파)로 결함을 확인하고 보수한다.

흐름의 원리는 다음과 같다. 입열은 용접 금속과 열영향부의 수축을 만들고, 수축이 구속되면 잔류응력이 생긴다. 잔류응력과 수소가 합쳐지면 균열이 된다.

5. 관련 법령·기준·표준

용접 결함의 판정과 보수는 시방서와 용접 절차서(WPS)에 따른다. 건축 구조물의 용접 검사는 「건설기술 진흥법」과 관련 설계기준, 도로교 표준시방서의 비파괴검사 기준을 따른다. 국제 기준으로는 ISO 5817(용접 이음 결함 품질 수준), ASME 용접 규격이 널리 쓰인다. 조문 번호와 세부 기준값은 이 절에서 확정하지 않는다.

기준값 표는 아래와 같이 정리한다.

표의 값은 작업 조건의 대표 기준이다. 판정 허용 한계는 용접 시방서와 설계기준이 정한다. 풍속 기준은 가스 실드 용접의 방풍 조치 기준으로 쓰인다. 진행각과 작업각은 피복아크 용접의 기본 자세다.

풍속이 관련 기준 이상인 경우 방풍벽을 설치한 뒤 용접한다.

6. 유형과 비교

용접결함은 발생 위치와 성질에 따라 나눈다. 크게 치수(외관)결함, 용입·융합 결함, 내부(용착금속) 결함, 균열 계열로 구분하면 조치 방향을 정하기 쉽다.

외관 결함은 육안으로 가장 먼저 확인된다. 기공과 슬래그 혼입은 내부 결함이므로 방사선 투과검사나 초음파 탐상으로 확인한다. 균열은 발생 시점에 따라 고온균열과 저온균열로 나뉜다.