용접 재료 파괴시험

왜 배우는가: 용접부는 구조물·압력용기·배관의 건전성을 좌우하므로, 실제 시공 품질을 확인하는 수단으로 파괴시험이 필요하다. 기술사 시험에서는 인장·굽힘·충격·경도·파면 시험의 목적과 판정 방식을 구분해 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제138회 2교시 5번, 제90회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 재료 파괴시험은 용접부 시험편을 하중으로 파단시켜 강도·연성·인성·건전성을 판정하는 시험이다.

• 용접부 파괴시험
• 인장시험
• 굽힘시험(이면굽힘·측면굽힘)
• 충격시험(샤르피)
• 경도시험
• 파면 검사(Fracture Surface Examination)
• 니크브레이크시험(Nick-break Test)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 용접한 부분을 실제로 잡아당기거나 구부리거나 쳐서 부러뜨려 보고, 얼마의 힘과 에너지에서 깨지는지 확인하는 시험이다. 비파괴검사가 결함의 유무를 찾는다면, 파괴시험은 용접부가 요구 성능을 실제로 만족하는지를 수치로 증명한다.

정식으로 말하면, 파괴시험은 시험편에 인장·굽힘·충격 등 하중을 가하여 파단에 이르게 하고, 그때의 하중·변형·흡수에너지·파면 상태로 용접 금속과 열영향부의 기계적 성질과 내부 결함을 평가하는 시험이다. 용접부 시험은 용접 금속, 용접 열영향부, 모재가 각각 요구 성능을 갖는지 나누어 본다.

인장시험은 시험편을 축 방향으로 당겨 파단될 때까지의 최대하중으로 인장강도를 구한다. 인장강도는 파단하중을 시험편의 초기 단면적으로 나눈 값이다.

굽힘시험은 용접부를 구부려 연성과 용접부 결함을 확인한다. 이면굽힘은 뿌리 쪽을, 측면굽힘은 시험편 옆면을 바깥쪽으로 구부려 균열 발생 여부를 본다. 표면이나 이면에 정해진 길이 이상의 균열이 없어야 합격이다.

충격시험은 노치를 낸 시험편을 진자 해머로 쳐서 흡수에너지를 측정한다. 저온에서 흡수에너지가 급격히 떨어지는 온도를 천이온도로 본다. 용접부의 저온 인성 확보에 쓰인다.

경도시험은 압입 자국의 크기로 저항성을 환산한다. 용접부 경도 분포를 보면 열영향부의 경화 정도와 취성 위험을 알 수 있다.

니크브레이크시험은 맞대기 용접부 중앙에 톱 절단 홈(노치)을 낸 뒤 망치로 쳐서 파단시키고 파면을 본다. 슬래그 혼입, 기공, 융합불량을 드러내는 간이 파괴시험이다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 국부적으로 가열·냉각되므로 잔류응력, 경화조직, 기공 같은 결함이 생기기 쉽다. 이런 결함은 비파괴검사만으로 성능을 증명하기 어렵다. 그래서 실제 시험편을 만들어 파단시키는 방법이 함께 쓰인다.

압력용기나 고압 배관처럼 파손 시 피해가 큰 설비는 용접부 인장·굽힘·충격 시험이 검사 항목으로 정해져 있다. 파괴시험은 용접 절차서(WPS)와 용접사 자격을 검증하는 시험에도 쓰인다. 즉 본 시험은 설계 강도를 실제 시공품이 만족하는지 확인하는 마지막 수단이다.

기계안전 측면에서는 용접 재료의 인성 부족이나 용접부 결함이 피로·취성파괴의 시작점이 되므로, 재료 선정과 용접 품질을 파괴시험으로 확인하는 것이 안전 설계의 전제가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

용접 재료 파괴시험은 용접부 시험편을 끝까지 파단시켜 강도·연성·인성·용접부 건전성을 직접 확인하는 시험이다. 시험편에 가하는 하중 형태에 따라 인장, 굽힘, 충격, 전단, 경도 등으로 나뉜다. 시험 결과는 용접부가 모재와 같은 수준의 성능을 가지는지 판정하는 근거가 된다.

인장시험, 굽힘시험, 충격시험, 전단시험, 경도시험은 용접 파괴시험의 대표 종류이다. 각 시험은 파단 형태와 측정량이 다르므로 시험 목적에 맞게 조합한다.

표의 각 구성요소는 시험편 채취 위치가 중요하다. 용접금속, 용접열영향부, 모재를 구분하여 채취해야 결과를 비교할 수 있다.

인장시험의 원리는 시험편에 축방향 하중을 일정 속도로 가하여 파단 시점의 최대 하중을 구하는 것이다. 인장강도는 최대 하중을 초기 단면적으로 나눈 값이다.

$\sigma_u = \frac{P_{max}}{A_0}$

\sigma_u는 인장강도(MPa), P_{max}는 최대 하중(N), A_0는 시험편의 초기 단면적(mm²)이다. 용접부 인장강도는 모재 인장강도의 90% 이상을 요구하는 기준이 일반적이다.

굽힘시험의 원리는 시험편을 지정 반지름의 굽힘 치구로 180도 가까이 굽혀 표면 균열 유무를 보는 것이다. 용접부 표면과 이면을 각각 시험하여 용입 부족과 융합 불량을 찾는다.

충격시험의 원리는 진자 해머로 노치가 있는 시편을 단번에 파단시켜 흡수에너지를 구하는 것이다. 온도를 낮추면서 흡수에너지가 급감하는 천이온도를 함께 구한다. 충격 흡수에너지는 해머의 위치에너지 차이로 계산한다.

$E_a = m g (h_1 - h_2)$

E_a는 흡수에너지(J), m은 해머 질량(kg), g는 중력가속도(m/s²), h_1은 해머의 초기 높이(m), h_2는 파단 후 최고 높이(m)이다.

전단시험의 원리는 겹치기 이음 시험편을 인장으로 당겨 접합면에 순수 전단이 걸리게 하는 것이다. 최대 하중을 용접 유효 면적으로 나누어 전단강도를 구한다.

경도시험의 원리는 압입자를 일정 하중으로 시편에 눌러 압흔 크기로 경도를 구하는 것이다. 열영향부의 최고 경도가 과도하면 취성 파괴와 저온 균열의 위험이 커진다.

절차는 다음과 같다.

• 용접 시험판을 제작하고 규격에 맞는 시험편을 절단하여 채취한다.
• 시험편 치수(폭, 두께, 표점거리 또는 노치 깊이)를 측정하여 기록한다.
• 시험기에 장착하고 규정 속도 또는 온도 조건으로 하중을 가한다.
• 파단 하중, 굽힘 상태, 흡수에너지, 압흔 치수 등 결과를 기록한다.
• 기준값과 비교하여 합격 여부를 판정하고 파단면을 관찰한다.

파단면 관찰에서는 연성 파괴의 컵-콘 형태와 취성 파괴의 결정 입계 파단면을 구분한다. 용접 결함(기공, 슬래그 혼입, 융합 불량)이 있으면 파단 기점이 되므로 파단면에서 결함 위치를 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

용접 재료 파괴시험은 국내 KS 규격과 국제 규격(ISO, ASTM, AWS)을 기준으로 시행한다. 설비 기준으로는 압력용기 검사 기준이 이면굽힘시험 적용 범위를 정한다.

압력용기 검사에서 이면굽힘시험은 두께 12mm 이하의 한면용접 용접부에 실시하며, 두께가 12mm 이상이거나 양면용접이면 생략할 수 있다. 이 규정은 고압가스 관련 고시와 KS B 6733 압력용기 기반규격에 근거한다.

표의 기준 번호는 개정이 잦으므로 현행 판을 기준으로 적용한다. 충격시험은 국내 KS 규격과 국제 ISO 규격이 같은 원리의 시험을 규정한다. 인장시험 기준은 KS와 ASTM 모두 같은 시험 원리를 따르되 시편 규격이 다르다.

전단시험의 관련 규격은 겹치기 이음 시험편에 대해 규정한다. 시험기의 하중 범위는 최대 용량의 15~85%에서 파단이 나오도록 선정한다.

국내 압력용기 관련 기준에서는 용접부 시험편의 모양과 치수를 부록 시험편으로 규정하고 있으며, 이를 근거로 시험편을 채취한다. 용접 결함 판정은 KS 용접부 검사 기준과 함께 적용한다.

개정 연혁으로는 국내 압력용기 기반규격이 용접 이음 분류를 정비하면서 조글 조인트 용접을 이면굽힘 생략 대상으로 명확히 한 사례가 있다. 세부 시행 시점은 해당 고시 원문을 기준으로 한다.

6. 유형과 비교

용접 재료 파괴시험은 시험편을 끝까지 파단시켜 강도·연성·인성·내부 건전성을 직접 확인하는 방법이다. 시험 목적에 따라 인장시험, 굽힘시험(이면·표면), 충격시험, 경도시험, 파면·단면 시험(노치 취성파괴시험, 파단 시험 등)으로 나뉜다. 각 시험이 확인하는 성질이 다르므로 답안에서는 성질과 시험을 짝지어 쓴다.