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1 제 11 장 용접불연속과검사 11.1 불연속과결함 11.2 용접불연속 11.3 육안검사 11.4 비파괴검사

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3 제 11 장용접불연속과검사 277 제 11 장용접불연속과검사 11.1 불연속과결함 배경 용접은용접작업자의기능즉, 숙련도와장비의성능그리고용접법에의해품질이결정되는일종의특수공정임을기술한바있다. 따라서높은숙련도를보유한용접작업자와고성능장비, 그리고고급용접법에의해보다고품질의용접을구현할수는있으나이는비경제적으로시간및비용이증가한다. 이론적으로무결함 ( 일반적인용어, defect와 discontinuity를구분하지않은표현으로 soundness를의미함 ) 이란존재하지않으므로용접부는제각기규모의차이가있을뿐반드시용접결함 ( 불연속의일반적인표현, discontinuity) 이존재하기마련이다. 따라서, 모든규격들은허용가능한불연속에대해합격기준을최소한으로규정하고있다. 이규격들은발주자, 설계자, 시공자및규제기관등관계전문가와이해당사자집단의참여에의해개발후공시를거쳐확정되며, 상황변화와기술개발에부응하고오류를수정하기위해주기적으로개정되고있다. 그러므로특별한경우를제외하고규격을적용하는것이가장합리적이다. 특별한용도나조건등의경우계약서및시방서에의해합격기준을강화할수도있으나기술적인근거에기초하여충분히검토하고, 합리적이어야할것이다. 본장에서는합격기준을제외한기술적인사항들을용접검사의측면에서 AWS B1.10 및 AWS B1.11을중심으로다루기로한다 불연속과결함 불연속 (discontinuity) 은 기계적, 야금적, 물리적특성들의균질성결핍등재료의 전형적인구조를저해하는것 으로, 흠 (flaw) 은 바람직하지않은불연속 으로, 결함

4 278 제 11 장용접불연속과검사 (defect) 은 부품또는제품이관련최소한의합격기준또는시방을만족시키지못하게하는특성또는축적된결과에의한불연속 으로 AWS A3.0에정의되어있으며, 결함이란관련시방서에불합격으로규정된종류나크기를초과하는불연속 으로 AWS B1.10에기술되어있다. 즉, 결함은불합격의의미를포함하는용어로계약적, 법적의무를수반하며, 불연속은흠이나결점 (fault) 등원래의상태와다른모든것을지칭하는총체적인용어로해석된다. 결함은합격기준에의해판정하여불합격된것으로관련기술기준, 규격, 표준또는시방서요건에의해보수되어야한다. 따라서, 합격기준등에의해불합격판정이전의모든흠과결점은불연속이된다. 대부분규격들은이를명확하게구분하여적용해왔으나 ASME BPVC Sect. IX은 2000년추록에서이를반영하여관련조항을개정하였다. 1 불연속 = 결함 + 합격기준을초과하지않는것 2 결함 = 합격기준을초과하는것 검사와검사자 검사는비파괴검사외발주자와그의대리인이수행하는발주자검사 (owner inspection) 와공인검사자가수행하는검사 (authorized inspection) 가있으며, 규격의 Inspection 및 Inspector는공인검사및공인검사자를의미한다. 단, ASME B31.1의배관은보일러외부배관 (BEP, boiler external piping) 은 ASME BPVC Sect. I에의한공인검사를, 나머지는발주자검사를의미한다. 국내원자력분야는전력산업기술기준에의한공인검사제도를채택하고있으나, ASME BPVC Sect. I의보일러및 Sect. VIII의압력용기는코드심벌스탬핑 (Code Symbol Stamping) 이계약서등에의해특별히요구될경우에한해관련 ASME 규격에의한공인검사제도를적용하고있다. 제작자및시공자가수행하는검사는 ASME BPVC Sect. I A-300, ASME B31.1 App. J에기술되어있으며비파괴검사이다. 따라서, 육안검사는기술기준, 규격및표준에규정된경우에한해비파괴검사의한방법 (method) 이다. 용접부의육안검사는보일러는 ASME BPVC Sect I에서용접작업자자격인정시험과가접, 용접보수, 마찰용접등극히제한적인범위에적용하고있으며, 배관은 ASME B31.1 table 등에규정되어있다. 육안검사자 (visual examiner) 즉, 용접검사자의인정 (qualified) 은배관의경우 ASME B 를따르거나 ASNT SNT-TC-1A, CP-189 또는 AWS QC1을적용한다.

5 제 11 장용접불연속과검사 279 단, ASME B31.1 비보일러외부배관 (NBEP, non-boiler external piping) 의발주자 검사자 (owner inspector) 의자격인정요건은 ASME B 에규정되어있다 용접불연속 용접불연속 용접부에보이는외관상및성능상불만족으로보이는각종불연속을말한다. 현재대부분의용접법이용가재의유무와무관하게접합부를국부적으로가열또는가압에의해변형시키는방법을채택하고있다. 따라서용접이음부는조성이나조직상용접금속부, 열영향부및모재로구성되며, 재질적으로불균일하다. 이음이성능을열화시키는요인을용접불연속이라할때재질적불연속도그중하나로포함되나이현상은용융용접방법을채택하는한불가피하므로용접불연속에서제외한다. 개략적인용접불연속의발생요인은다음과같다. 1 용접설계의부적절 2 부적절한용접법의선택 3 부적절한용접재료및용접조건의선정 4 용접전후처리및용접분위기부적절 용접불연속의분류 용접불연속은관점에따라외관상및성능상의불연속으로분류하거나, 치수상의불연속 ( 변형, 치수불량, 형상불량 ), 구조상의불연속 ( 기공, 슬래그섞임, 용입불량, 언더컷, 용접터짐, 표면결함 ), 성질상의불연속 ( 기계적성질, 화학적성질 ) 으로분류하기도한다. 치수상의불연속은용접외적인요인을제외하면용접잔류응력에의해발생하며, 야금적측면의균열과함께본고제 5장에기술한바있다. 성질상의불연속은용접재료의오사용등을포함하며, 야금학적문제로대부분절차인정시험 (PQT) 에의해검증된다. 본장에서는기술기준, 규격및표준에규정된자주발생하는불연속들을 AWS B1.10과 AWS B1.11에의해분류하였으며, 그종류와발생위치는표 과같다. 주요아크용접법에주로발생하는불연속은표 와같다.

6 280 제 11 장용접불연속과검사 표 용접불연속의종류와발생위치 No. 불연속의종류발생위치비고 1 2 기공 a. ( 균일한 ) 분산 b. 군집 c. 파이핑 d. 선상 e. 가늘고긴것혼입 a. 슬래그 b. 텅스텐 WM 기공은주물일경우모재에서도자주발견됨. WM - 3 융합불량 WM, BM/WM 층간포함 4 용입불량 BM 루트부 5 언더컷 BM/WM 토우또는모재의루트인접부 6 언더필 WM 용접부또는루트부표면 7 오버랩 BM/WM 토우또는루트부표면 8 라미네이션 BM 주로모재두께중심부근 9 디라미네이션 BM 주로모재두께중심부근 10 심, 겹침 (lap) - 주로모재표면의압연방향 11 라멜라테어 BM HAZ 에가까운모재 12 균열 ( 냉간, 열간 ) a. 가로방향 b. 세로방향 c. 크레이터 d. 목 e. 토우 f. 루트 g. 비드하, HAZ WM, HAZ WM, HAZ, BM WM WM BM/WM WM BM/WM 용접금속경계인근용접부또는모재용접금속 (HAZ 또는모재로전파가능 ) 아크가종료점의용접금속용접축에평행, 필렛용접목의관통 - 루트표면또는용접루트 - 13 오목도 WM 용접부표면또는필렛용접 14 볼록도 WM 용접부표면또는필렛용접 15 덧살 WM 홈용접부표면 16 아크스트라이크 WM, HAZ, BM 17 스패터 WM, HAZ, BM 홈용접부표면 18 용락 WM 19 용접크기불량 WM 20 표면산화 WM, HAZ 주로홈용접부표면또는이면

7 제 11 장용접불연속과검사 281 표 아크용접법별발생불연속의종류 불연속의검토 (1) 기공 (porosity) 응고중갇힌가스에의해형성되는공동형불연속으로주로원형이나가늘고긴 (elongated) 것도있다. 공통적인발생원인은용접중의오염이다. 일반적으로기공은균열이나융합불량등다른불연속만큼유해하다고간주하지않는다. 이는원형의기공은균열이나융합불량같은날카로운불연속만큼응력을집중시키지않기때문이다. 기공은용접변수, 용가재및취부에대한완전하지못한관리나모재의오염, 용가재성분이부적절하였음을시사한다. 기공은심각한불연속이아닌외견상의용접부품질을나타내는것으로, 각흠 (pore) 들의형상과위치또는인접흠들과기하학적인배열이원인규명에필요한중요한정보가된다. 예를들면, 가늘고긴 (elongated) 기공과파이핑 (piping) 기공은공통적으로길이가폭보다길지만용접축에대한위치가다르므로구분되어야하며, 발생원인도상이하다. 이와같이기술기준, 규격및표준보다상세하게구분하는것은시정조치에필요하기때문이다. 원인별처방이중요하다. 그예로분산기공은과도한아크길이나흡습한용접재료및이음의청결불량이, 군집기공은바람막이와용접시단부의사상부적절이, 파이핑및선상기공은이음부청결특히아연말등도료의제거부적절등이주원인이다. 따라서이들원인을제거하거나적절한대책을수립하면저감이가능하다. 주로 SMAW에서발생하며, 일반적인저감대책은피복아크용접봉의건조및보관을철저히하고, 흡습된용접봉의사용을피하고, 휴대용보관통 (dry canister) 의전원공급과뚜껑을잘닫고, 이음부표면을청결하게하는것등이다.

8 282 제 11 장용접불연속과검사 위빙폭을적절하게하고, 아크길이를짧게하고, 규정범위또는제조자권고범위내의전류를사용하고, 용접속도를늦추어입열량을증가시키고, 용융지를크게하여대류를촉진시키고, 바람막이를철저히하고, 용접시단부의사상을철저히하는것등이다. 용접중석필등을휴대하고의심이갈경우표시후즉시사상을하는것이좋다. 적절한예열이나예열온도의증가도다소도움이되기도한다. GTAW에서도가끔발생하며, 대부분차폐가스로인한문제로판명된다. 이는용기 (bombe) 에충전된아르곤가스의순도부족, 너무긴가스공급관의길이또는퍼지가스와차폐가스의헤더미분리로인한용접토치선단의토출압력강하및유량감소, 동시다발적인용접, 액화가스용기, 공급관이음부의오염및누설에의한순도저하, 습기침투등이원인이다. 용접시텅스텐전극봉의고온산화로흔히꽃이핀다고표현하는데이는가스순도가저하된것이다. 액화가스를사용하고, 가스공급거리가너무길지않아야하며, 공급관이음부가오염및누설이되지않아야하고, 습기가침투하지않도록지붕을설치하는것등이바람직하다. 철망이삽입된가스컵의사용은차폐를균일하게하므로도움이된다. 1) 분산 (scattered) 기공용접금속전반에균일하게분포한기공으로일반적인원인은부적절한용접기법또는용접재료이며, 부적절한용접개선또는모재에기인하기도한다. 용접부를천천히응고시키면대부분의가스가표면으로부상하여용접부에는흠이남지않는다. 그림 은표면기공의사진이다. 그림 분산기공 2) 군집 (cruster) 기공 임의의기하학적으로분포된기공이국부적으로배열된것으로주로용접패스의시 작과끝부분의문제로인해발생한다. 3) 파이핑 (piping) 기공

9 제 11 장용접불연속과검사 283 길이가폭보다긴기공으로대부분용접표면에수직이며웜홀 (wormhole) 로도불린다. 대부분은표면까지도달하지않으나필렛용접에서는루트에서부터표면까지이어지기도한다. 뿌리가드러나도록완전히제거해야한다. 그림 는표면기공의사진이다. 그림 파이핑 (piping) 기공 4) 선상 (aligned) 기공원형또는길이가폭보다긴기공으로동일선상에국부적으로배열된다. 주로용접부간의접촉면, 용접비드사이또는루트에발생하며, 동부위에가스발생을야기하는오염에기인한다. 선형 (linear) 기공으로도불리며. 그림 은가로균열을포함한표면기공의사진이다. 그림 선상기공 5) 가늘고긴 (elongated) 기공길이가폭보다긴기공으로대체로용접축에평행한다. 그림 는표면기공의사진으로슬래그와용접금속의표면사이에형성되어있다. 용접금속내부에형성되기도한다.

10 284 제 11 장용접불연속과검사 그림 가늘고긴기공 (2) 혼입 (inclusions) 슬래그, 용제, 텅스텐, 산화물등고형의이물질이게재된것이다. 슬래그혼입은주로 SMAW시발생하며, 충분한개선각도와루트간격, 용접패스간의청소철저등으로해소가가능하다. 위빙폭이적을경우이를적정수준으로늘리고, 용접속도를늦추어입열량을증가시키고, 규정범위또는제조자의권고범위내의전류를사용하고, 아크길이를짧게하고, 용접시단부의사상을철저히하고, 용융지를크게하여대류를촉진하는것은기공의경우와동일하다. 대부분용접중관찰이가능하므로용접작업자가사전에인지할수있으나크기가합격기준이내또는다음용접시슬래그를부상시킨다는잘못된인식에서비롯되기도한다. 기공과같이용접중석필등을휴대하고의심이갈경우표시후즉시사상을하는것도좋은방법이다. 텅스텐혼입은적절한텅스텐선단각도를약간무디게하는등너무날카롭지않게해야하며, 용융지와접촉을절대피해야한다. 고주파아크발생법을사용하되, 일부접촉식아크발생기법의사용이불가피할경우에는아직용접되지않는개선면이나모재, 기용착부등에아크를발생시켜용접부로이동하여용접을실시하고차후아크발생부를사상함으로서방지가가능하다. 1) 슬래그혼입용접부에혼입된비금속물질에의한불연속으로, 용제와비금속불순물들이서로용해된것이다. 슬래그혼입은용제를차폐원으로사용하는모든아크용접부에발견되며, 일반적으로부적절한용접기법, 불충분한이음의접근성, 용접패스간의청소불량으로발생한다. 상대적으로저밀도, 저융점인용융슬래그는대부분용접층의표면으로부상하지만용접부간또는패스간의날카로운노치는주로용융된용접금속하부에슬래그가혼입되는원인이된다. 높은입열량등용융금속의점성을낮게하거나응고를지연시키는경향이있는요소들은용융금속으로부터슬래그를부상시킨다.

11 제 11 장용접불연속과검사 285 그림 는표면에슬래그가혼입된것이다. 그림 슬래그혼입 2) 텅스텐혼입용접금속내부에텅스텐조각이혼입된것으로주로 GTAW 용접법에서발생하나, PAW에서발생하기도한다. 이들용접법은비소모성인텅스텐전극봉으로전극봉과모재또는용접금속사이에아크를발생및유지시키나이전극봉이용융금속속에들어가오염및취화되거나, 고전류로텅스텐용적이용착되어발생한다. 텅스텐혼입은강이나알루미늄보다밀도가높아방사선투과검사시다량의방사선을흡수하므로필름상에하얀점으로나타난다. (3) 융합불량 (incomplete fusion) 용접금속과용융면또는인접용접비드간의융합이되지않은것으로부적절한용접기법이나부적절한모재의준비또는부적절한이음설계의결과이다. 원인은용접열부족이나모든용융면에대한접근성부족에의한불완전한용융이다. 완전하게청소된경우를제외하고, 견고하게부착된산화물은용접부에대한적절한접근성과적절한용접열의사용에도불구하고완전한융합을방해한다. 그림 은이면융합불량사진이다. 그림 융합불량 (4) 용입부족 (incomplete joint penetration)

12 286 제 11 장용접불연속과검사 용접금속이이음의두께까지채우지못한현상의미관통및미용융된구역으로불충분한용접열과부적절한이음의설계 ( 예 : 아크가관통할수없는두께등 ) 또는측면에대한부적절한운봉 (arc control) 의결과이다. 어떤용접법은다른용접법보다용입이깊으며, 양면용접시이면가우징은용입부족이없어야한다고시방서등에규정되기도한다. 특히, 배관용접은대부분이면접근이곤란하여용입부족이발생하기쉬우므로, 설계자가이면링 (backing ring) 이나소모성인서트 (consumable insert) 를채택하기도한다. 완전용입이요구되는용접부는육안검사등비파괴검사가요구되기도한다. 일반적으로루트간격은다소크게, 루트면은작게하고, 소구경용접봉의사용, 적절한운봉으로해소가가능하며, 전류가낮으면전류를적정수준으로높이고, 용접속도가빠를경우이를적정속도로줄이고, 후퇴법등용접각도를조정하여아크선단에용융지가작게되도록만드는등의방법등이있다. 양면용접은가우징및사상후액체침투탐상검사를수행하여불완전용입부가충분히제거되었는지확인하는것도좋은방법이다. 그림 은이면에보이는용입부족이다. 그림 용입부족 (5) 언더컷 (undercut) 홈이용접토우 (tow) 또는루트에인접한모재에녹아들어간것으로용접금속이채워지지않아기계적인노치를형성하고응력을집중시킨다. 언더컷은시방서의허용한도이내의언더컷은용접결함으로간주하지않는다. 일반적으로부적절한용접기법이나과도한용접전류에의해발생한다. 그림 은필렛용접토우의언더컷이다. 용접작업자의기량에관련된불연속으로주로고전류에서발생하므로전류를적정수준으로낮추고, 용접속도를늦게하고, 아크길이를짧게하고, 적절한운봉폭의유지와운봉시좌, 우머무는시간의조정및용접봉의용접각도를조정하여해소가가능하다.

13 제 11 장용접불연속과검사 287 그림 언더컷 (6) 언더필 (underfill) 홈용접의용접표면또는루트표면이모재의인접표면보다낮은것으로용접작업자 가용접이음을완전히채우지않아발생한다. 그림 언더필 (7) 오버랩 (overlap) 용접토우나용접루트를넘어융합되지않은용접금속이돌출된것으로기계적인노치를형성하므로항상불합격으로간주되며, 반드시사상으로제거해야한다. 두가지공통적인원인은부적절한용접속도와불완전한모재의준비이다. 규정범위또는제조자의권고범위내의전류를사용하고, 적절한용접각도를유지해야한다. 용접작업자의기량에관련된불연속으로주로고전류에서발생하므로전류를적정수준으로낮추고, 용접속도를빠르게한다. 언더컷과동일하게적절한운봉폭의유지와운봉시좌, 우머무는시간의조정및용접봉의용접각도를조정하여해소가가능하다.

14 288 제 11 장용접불연속과검사 그림 오버랩 (8) 라미네이션 (lamination), 디라미네이션 (delamination) 일반적으로압연제품의표면에평행하게분리또는약화된모재불연속으로완전히내부에위치한것은통상초음파탐상검사로발견한다. 선단이나끝단까지연장된표면은육안검사나액체침투탐상검사또는자분탐상검사로검출이가능하며, 내부의라미네이션은절단이나기계가공시발견되기도한다. 라미네이션은강괴 (ingot), 슬래브 (slab), 빌렛 (billet) 의가스공, 수축공또는비금속게재물이압연될경우형성되며, 일반적으로압연형강이나강판에서발견된다. 라미네이션이있는금속들은두께방향의인장응력지지력을신뢰할수없다. 라미네이션이응력에의해분리된것이디라미네이션이다. 그림 라미네이션 (9) 심또는랩 (seams, laps) 압연, 인발또는단조제품에서발견되는모재의불연속으로라미네이션과는달리표면에나타난다. 심각성은위치, 치수및용접부의용도에의해결정되며, 일반적으로주응력에평행한것은심각한결함이아니지만적용응력또는잔류응력에수직인것은주로균열로발전한다. 표면불연속이지만계속적으로표면을변형시키는제작공정으로인해감추어질수있으며, 굽힘또는샌드블라스팅등의가공후발견될수도있다. 심또는랩에용접을하면균열또는기공의야기될수있다. (10) 라멜라테어 (lamellar tear) 모재의표면하부에주로표면에평행한계단또는답판모양의균열이다. 원인은금

15 제 11 장용접불연속과검사 289 속표면에평행한작고산개된작은층상의비금속게재물의존재로인해약화된모재에두께방향으로작용하는인장응력이다. 길게확대되며, 일반적으로높은주파수의현과같은형상을가진평행한평면의게재물이나높은잔류응력이있는모재영역에서시작된다. (11) 균열 (crack) 그림 균열의종류

16 290 제 11 장용접불연속과검사 균열은날카로운선단과폭-길이비율이높은개구부로변위된갈라진형상의불연속으로정의된다. 용접금속, 열영향부및모재에국부적인응력이재료의극한강도를초과할때발생하며, 주로다른불연속에의한응력집중지점이나용접부설계상의기계적인노치부근에서시작된다. 균열을발생시키는응력은잔류응력또는작용응력이며, 잔류응력은용접이음에의한구속과용접부응고후열수축에의해발생한다. 용접관련균열은일반적으로균열경계에거의소성변형이없는취성을띠고있다. 균열위에용접을하면균열은거의제거되지않는다. 용접초층에발생한균열을다음층의용착전에완전히제거하지않으면상부의각후속층으로전파되는경향이있으며, 최종적으로표면에도달한다. 용접완료후냉각시균열이표면에도달하기도한다. 균열역시원인이다양하며, 복합적인경우가많으며원인별조치가필요하다. 일반적으로냉각속도에예민하므로적절한예열로냉각속도를줄여야한다. 피복아크용접봉의건조및보관을철저히하고, 흡습된용접봉의사용을피하고, 아크를짧게하여용접아크를통한확산성수소의유입을감소시키고, 이음부표면을청결하게하고, 취부용접부에발생한균열을제거하고, 규정범위또는제조자의권고범위내의전류를사용하는것도바람직하다. 용접부의구속도가심할경우영향을미치기도하므로주철등균열도가아주높은재질의경우와같이피닝 (peening) 을실시하기도한다. 1) 균열의종류일반적으로고온균열 (hot crack, 열간균열 ) 과저온균열 (cold crack, 냉간균열 ) 중의하나로분류된다. 고온균열은응고시발생하며고온에서연성이불충분한결과이다. 고온균열은용접금속또는용접경계의입계를따라전파된다. 저온균열은부적절한용접습관또는운전조건에기인하며, 응고후발생한다. 탄소강및저합금강의용접금속이나열영향부또는모재에발생하며, 일반적으로용존수소에기인한다. 용접완료수시간또는수일후발생할수도있으며, 입계또는입내로전파된다. 2) 균열의위치위치에따라세로균열또는가로균열로나눈다. 세로균열은용접금속중심축선상이나열영향부의토우와무관하게용접축에평행한균열이며, 가로균열은용접축에직각인균열이다. 균열의크기와용접금속내부또는용접금속에서인접한열영향부나모재까지전파여부에의해구분하기도한다.

17 제 11 장용접불연속과검사 291 3) 세로균열 (longitudinal, 종균열 ) 주로두꺼운단면을약하게용접할경우급랭과높은구속도의결과로발생한다. SAW시주로빠른용접속도나용접부표면에나타나지않는기공에기인하여발생하기도한다. 열영향부의균열은주로용존수소가원인이다. 그림 은선상기공을포함한세로균열이다. 그림 세로균열 4) 가로균열 (transverse, 횡균열 ) 작은것이용접금속속에완전히매몰되어있거나용접금속에서인근열영향부와나나가모재로전파될수있다. 일부용접부에는용접부가아닌열영향부에형성되기도한다. 일반적으로연성이작은용접금속에세로방향 ( 길이방향 ) 의수축응력으로발생하며, 용접금속의수소균열 (hydrogen crack) 은가로방향이다. 그림 가로균열 5) 크레이터 (crater) 균열부적절하게종료된용접의크레이터에발생하며, 형상과무관하게별 (star) 균열이라고도한다. 일반적으로방사상의별모양을한고온균열로 Au계스테인레스강또는알루미늄과같이열팽창계수가큰재료에서자주발견된다. 그러나아크를종료하기전에크레이터를약간볼록한형상으로채우거나모재측으로아크를이동시겨종료하고사상하는방법등으로최소화또는방지할수있다. 세

18 292 제 11 장용접불연속과검사 로균열의시발점이되기도한다. 그림 크레이터균열 6) 목 (throat) 균열 필렛용접부의목을따라발생하는세로균열로서열간균열이대부분이나냉간균열도 있다. 그림 은목균열이다 그림 목균열 7) 토우 (toe) 균열일반적으로냉간균열로서수축응력이집중될경우용접토우에서발생및전파된다. 일반적으로모재표면에수직으로발생한다. 일반적으로용접열영향부에열수축응력이작용한결과이다. 어떤토우균열은모재의가로방향인장강도가용접에의한수축응력을지지하지못해발생한다. 그림 토우균열

19 제 11 장용접불연속과검사 293 8) 루트 (root) 균열 가로균열로용접의루트나루트표면에발생하며, 고온균열또는저온균열이다. 9) 비드하 (underbead) 및열영향부 (HAZ) 균열비드하균열과열영향부균열은동일하게취급되며, 일반적으로모재의열영향부에형성되는냉간균열로길이가짧으나몇개가연속적으로연결되기도한다. 비드하균열은다음의 3가지요소가동시에존재할경우발생한다. 1 수소 2 상대적으로연성이작은미소조직 3 높은잔류응력가로또는세로방향으로발생하며, 잔류응력이높을경우용접하부및열영향부의윤곽선상에규칙적인간격으로형성된다. 열영향부균열은육안검사로발견되지않으며, 비드하균열은주로필렛용접부에서발견되나홈용접부에서발견되기도한다. 그림 비드하균열 (12) 오목도 (concavity) 와볼록도 (convexity) 오목도는필렛용접의오목한표면과두토우연결선간의최대간격으로불충분한목 (insufficient throat) 으로부르기도한다. 치수미달을제외하고불합격의사유가되지않는다. 오목한필렛용접은다리길이의측정으로정확한필렛용접치수 (fillet weld size) 를측정할수없으므로반드시목두께를측정할수있는필렛용접게이지로검사를해야한다. 볼록도는필렛용접의볼록한표면과두토우연결선간의최대간격이다. 볼록도는용접표면과모재에과도한덧살과마찬가지로기계적인노치를만들며, 바람직하지않은응력집중을일으킨다. 응력집중은볼록도가크면클수록심해진다. 본고제 3장에기술하였다. (13) 과도한덧살 (excessive reinforcement)

20 294 제 11 장용접불연속과검사 홈용접의이음을채우고남은용접금속으로루트와표면의토우에발생하며, 표면덧살과루트덧살로구분한다. 볼록도와같이응력집중이발생하는노치를형성시키는경향이있어바람직하지않은높은응력집중을일으킨다. 불완전한용접기술이나부적합한용접전류에의한과도한용접으로발생한다. 본고제 3장에기술하였다. (14) 아크스트라이크 (arc strike) 용접부또는모재에아크를발생시켜국부적으로금속을재용융시키거나, 열영향을주거나, 표면형상을변화시키는불연속이다. 고의또는실수로용접이음이아닌모재표면에발생시킨아크가원인으로, 발생시모재표면의국부적인부분이용융된후주변모재의큰열흡수원 (heat sink) 으로인해급랭된다. 균열을포함할수있으므로바람직하지않으며허용되지않는다. (15) 스패터 (spatter) 용접중용접금속이주위로비산하는극히일부의용융물질의미립자로아크력에의해용접봉의끝에서비산하는것, 단락시핀치 (pinch) 효과에의한것등이있으나주로용접아크의안정성과관계된다. 스패터의일부는모재및선행용접부에고착하여외관을나쁘게하며도장, 비파괴검사등후속공정에영향을미치거나사용성능을저하시키는경우에는통상제거하나, 일반적으로심각한흠으로간주하지않는다. 용접공정이안정되지않았음을나타낸다. 그림 스패터 (16) 용락 (melt-through) 단면이음용접시육안으로식별되는루트의덧살로과도한덧살이나루트층을관통한구멍을제외하고일반적으로허용된다. burn through는비표준용어로주로루트층을관통한구멍을의미한다. 그림 용락

21 제 11 장용접불연속과검사 295 (17) 용접크기 (weld size) 불량측정된용접부의중요한치수또는조합된중요한치수들로필요시상세도면상에표기된다. 용접치수로표현하기도하기도하며통상허용치를벗어나거나규정된치수를초과하는용접크기는허용하지않는다. (18) 표면산화 (surface oxidation) 토치를통해공급되는차폐가스와트레일링가스의공급부족으로용접부, 이면비드표면, 열영향부및인접모재에발생한다. 용접부및모재가충분히냉각될때까지용접부및용접토치후방을대기로부터차폐해야한다. 이면산화도퍼지가스를사용하지않거나유량이불충분하여발생한다. 스테인레스강및니켈합금강이 540 이상에서대기에노출될경우발생하며, 티타늄과지르코늄은고온에서대기에노출될경우황갈색에서청색을거쳐흑색으로변색된다. 연한황색보다어두운모든변색은모재의심한오염을나타낸다. 이러한상태는금속을 430 이상의온도에서불활성가스로보호하면방지할수있다. 배관의경우는퍼지라고하며, 가스의종류즉, 밀도에따라퍼지방향이달라진다. 가스차폐아크용접 (GTAW, GMAW) 의경우차폐가스의부족이나부적절에기인하며과도한표면산화는슈거링 (sugaring) 이라한다. 그림 표면산화 (19) 기타 은점, 수지상정, 선상조직, 콜드셔트, 파형의부정, 설퍼밴드등이있다.

22 296 제 11 장용접불연속과검사 11.3 육안검사 일반사항 대부분용접부의무결성은주로육안검사로확인한다. 다른 NDE 방법에의한완전한검사가규정된이음의용접부라할지라도육안검사는실질적인품질관리의중요한한부분이된다. 따라서, 육안검사가가장중요하다. 모든 NDE 방법중가장광범위하게적용되는육안검사는적용이용이하고, 신속하며, 대개좋은시야와상대적으로단순하고경제적인게이지외특별한장비가요구되지않는다. 육안검사는많은이점에도불구하고가장불리한점은검사자가용접육안검사에관련된많은타분야의상당한경험과지식이요구되는점이다. 검사자는재료, 도면, 규격, 시방서, WPS, 용접절차인정, 용접작업자자격인정및기량표준 (workmanship standards) 과제작방법 (shop practice) 의모든사항에숙달되어야한다. 상황에따라육안검사는특정공구가필요하며, 용접부의치수측정에필요한여러가지측정기와게이지가사용된다. 필렛용접크기를측정하는필렛용접게이지는세계적으로수많은종류가있다. 다른게이지들은루트간격, 덧살, 개선각도, 등의측정에사용된다. 계측기는루트간격, 재료의치수허용차, 이당재및작업물의맞춤과정렬에사용된다. 온도계는예열과패스간온도를측정하고, 보어스코프와비디오스코프, 손전등및거울등은접근이제한된부분에사용된다. 가요성이있는화이버스코프검사체계의발달은다른장비로접근이곤란한부분의육암검사를가능하게한다. 다른비파괴검사와같이육안검사도다음과같은준비가필요하다. (1) 시력적절한시력을보유해야한다. 나안또는교정안으로 Jeager 2번또는 Other Rater 8번등의근거리시력과, 원거리시력및 Ishihara 등의색신검사와같은요건들이기술기준, 규격및표준에규정되기도한다. (2) 검사장비특수공구와장비가필요할수있으며, 요구되는정밀도를갖추고해당시검교정이되어야한다. 일반적으로검사장비가갖추어야할사항은프로젝트요건을만족해야하며, 요구되는정밀도를보유하고, 검사목적에부합해야한다. (3) 경험과훈련 검사를성공적으로수행하기위해교육과훈련등을통해충분한지식과기능을갖 추어야하며, 이음의맞춤, 예열, 패스간온도, 용접변형, 용접재료, 모재및기량요건

23 제 11 장용접불연속과검사 297 (workmanship standard) 등을충분히숙지해야한다. (4) 절차기술기준, 규격및표준에의해검사방법과합격기준을포함한검사책임 (who), 검사시점 (when), 검사방법 (how), 검사장소 (where) 와기량요건, 검검표, 및검사장비요건등을포함한절차가준비되어야한다 검사수행 (1) 일반사항육안검사는표면의흠 (flaw) 과의미있는지시 (valuable indication) 를검출하는것으로간단하고, 접근이용이하며, 비용이저렴한방법이나훈련된검사자를필요로한다. 또한추후제작상의문제를피하고기량을평가하기위한공정관리기법이필요하다. 육안검사는다만표면불연속만검출하므로실질적인품질관리프로그램에전제작단계에대한검사순서가포함되어야한다. 검사계획 (inspection plan) 등으로후속작업전에육안검사를실시하는중지점 (hold point) 을수립할수도있다. 용접전및용접중의육안검사프로그램은제작공정중조기에표면결함 (defect) 을검출함으로서비용을절감할수있다. (2) 용접전검사다음항목들에대한제작전검사로많은문제들을예방할수있으며, 검사자는해당작업에대한요건을결정하기위해관련서류들을검토하는것이중요하다. 정확하고완전한기록을생성할수있는시스템의수립이필요하다. 1) 도면및시방서의검토검사자는도면및시방서의사본을보유하거나접근할수있어야하며, 정기적으로검토해야한다. 수집해야할정보들은용접상세, 재료요건, 검사요건, 치수및인정요건등이다. 2) WPS 및용접작업자자격인정점검 WPS 와용접작업자자격인정기록이작업시방서요건을만족하는지확인해한다. 3) 중지점수립 ( 필요시 ) 후속작업이수행되기전에검사해야할중지점 (hold point) 또는점검점 (check point) 선정을고려해야하며, 중지점은후속작업에의해접근이불가능한작업에대해설정한다.

24 298 제 11 장용접불연속과검사 4) 문서화계획수립 검사결과에대한기록이필요할수있으며, 이기록은최종검사에필요한자료 (data) 가된다. 5) 재료서류검토 올바른자재의발주, 인수및제작투입을확인해야한다. 6) 모재검사 용접전모재에라미네이션, 심, 랩, 균열, 스케일, 스크랩등수용할수없는불연속 의여부를확인해야한다. 7) 맞춤 (fit-up) 및정렬검사맞춤및정렬은건전한 (sound) 용접부를만드는데대단히중요하다. 용접전확인해야할사항은개선각도, 루트간격, 이음의정렬, 이당재, 소모성인서트, 청결, 가접, 예열 ( 필요시 ) 등으로용접품질을결정하는직접적인요인들이다. 정확한이음의정렬은용접의유효성 (effectiveness) 결정에크게기여한다. 가끔용접전검사시발견되는규격한도이내의비정상적인것 (irregularity) 들은지속적인관심과후속작업시상당한주의를요구하기도한다. 예를들면 T-이음의루트간격이아주넓은경우에는필렛치수를실제루트간격만큼크게해야하는것등이다. 용접검사자는이러한사항들을잘인식하고점검에임해야하며, 따라서, 최종검사시정확한용접치수의확인이가능하도록도면또는용접이음에표시해야한다. 8) 용접재료저장검토 공급자의권고사항이나관련규격및계약문서에의해저장되어야한다. (2) 용접중검사 1) 예열및패스간온도점검 관련규격, 계약서또는 WPS 의요구시예열및패스간온도를확인해야한다. 2) WPS 준수점검 용접변수들이 WPS 를준수하는지의여부와용접법, 용접재료, 용제와보호가스, 와 이어송급속도, 이음설계, 전기적특성, 기법등을확인해야한다. 3) 초층 (root pass) 검사 상당히많은결함들이발견되므로초층용접후정확한검사로시정해야할문제들을

25 제 11 장용접불연속과검사 299 노출시킬수있다. 4) 용접층검사 용접및작업의진행과정을평가하기위해각층에대한육안검사가필요하다. 층간 청결의적절성을판단할수있으며, 최종용접부의슬래그혼입을경감시킬수있다. 5) 이면용접전검사양면이음의이면루트부에는문제들이존재할수있으며, 이부분은슬래그와기타비정상적인것들을치핑, 가우징, 사상등으로제거한후검사해야한다. 이는모든불연속들의제거여부와절삭된형태가후속용접에적합함을확인하는것이다. 6) 기타 그밖에현장여건의적절성과변형방지를위한용접순서, 검사시간또는순서등 의설정이있다. (3) 용접후검사 1) 용접표면검사용접표면에대해육안검사를하고, 볼록도및오목도가합격기준을만족함을확인해야한다. 기량표준은표면거칠기, 스패터, 아크스트라이크등을명시할수있다. 대부분규격및표준들은합격이가능한불연속의형태와치수를규정하고있으며, 이불연속들은완성된용접부에대한육안검사로발견할수있다. 기공, 융합불량, 용입부족, 언더컷, 언더필, 오버랩, 균열특히크레이터균열, 금속및비금속게재물, 과도한덧살, 스패터, 표시깊이, 긁힘, 아크스트라이크등이용접부표면에서발견되는불연속들이다. 가우징흔적이나, 부주의한취급에의한물리적손상등을포함한다. 2) 용접치수확인치수, 길이및위치에대한도면요건만족여부를확인해야한다. 필렛용접치수는적절한측정기가있어야하며, 홈용접부는전단면을채우고규정된덧살크기를초과하지않아야한다. 어떤조건은치수측정을위해특수한측정기가요구되기도한다. 3) 치수정밀도확인 제작된용접물에대한최종검사는도면의치수를확인해야한다. 4) 후속공정의검토 PWHT, 비파괴검사, 입증 (proof) 시험등후속절차의유무를확인하기위해시방서 를검토해야한다. 용접검사자는최종승인시이러한후속공정이수행되었음을확인

26 300 제 11 장용접불연속과검사 해야한다 검사장비 여러종류의장비가용접검사에사용되나주로사용되는공구와계측기는길이측정 기, 온도지시재료, 표면온도계, 용접게이지, 파이버스코프와보어스코프, 페라이트게 이지, 광원및전압계등이다. (1) 교정및취급특정분야의경우교정된계측기를사용해야한다. 교정은계측기를허용차가작고정밀도가알려진표준기와비교하는것으로일반적으로정밀도가국가표준으로추적이가능한표준기를사용한다. 일반적으로교정은영구기록으로문서화되며, 재교정일자가포함된교정필증을부착시키기도한다. 유효한교정체계는사전에수립된주기로모든정밀측정기의리콜 (recall) 및교정을보증해야한다. 검사자는관리된계측기를사용하기전에교정의유효성을확인해야한다. 교정유효일자가만료된계측기는사용전에재교정되어야한다. 검사장비는정밀도유지를위해조심해서취급해야한다. 접촉표면, 다이얼면, 눈금에긁힌자국이나흠집이생기지않도록주의해야한다. 측정기는먼지, 습기, 손자국이없어야하며, 잘닦아서보관해야한다. 장비는제조자의권고에따라취급및저장되어야한다. (2) 길이측정기 용접부의치수를측정하는줄자, 마이크로미터, 캘리퍼스및자등이있다. (3) 온도측정기온도지시재료는대략적인온도지시용으로자주사용되며, 금속의점검부위를가로지르는선을그으면최소온도에도달한부위가용융된다. 흔히텀퍼스틱 (temper stick) 또는상품명인템필 (tempil) 로부른다. 표면온도계는작업물의표면온도를적접지시하며, 내장된자석이표면온도계를자성체의모재에신속하게부착시킨다. 접촉식고온계는전기식으로온도를직접지시하는장비로주로수은온도계등의측정범위를초과할경우사용된다. 탐측자를물체위에위치시켜눈금이지시하는온도를측정하며, 측정치를고정 (hold) 시키는기능버턴을포함하기도한다. 다른표면온도계나온도지시재료보다정밀하다. GTAW 등고주파아크발생시에는반드시온도계를제거하여고주파에의한손상을예방해야한다.

27 제 11 장용접불연속과검사 301 (3) 용접게이지 1) 필렛용접게이지치수가 3.2~25mm인필렛용접의두다리길이를가장신속하게측정한다. 오목필렛용접과볼록필렛용접모두측정한다. 볼록필렛용접은단일곡선으로된특정필렛용접치수의날 (blade) 을사용하며, 날의하부를한부재에위치시키고선단을다른부재쪽으로이동시켜측정한다. 오목필렛용접은두곡선으로된특정필렛용접치수의날 (blade) 을사용하며, 날의하부를한부재에, 선단을다른쪽의부재에위치시키고두곡선에의해형성된돌출부를용접부의중심표면에접촉시켜측정한다. 이것은목두께로규정된용접크기를측정하는것이므로두곡선사이의돌출부가용접부에접촉하지않으면목두께가부적절한것이다. 그림 필렛용접게이지 2) 다목적게이지많은종류가있으며, 볼록필렛용접, 오목필렛용접, 용접덧살, 루트간격, 개선각도, 정렬, 언더컷등여러가지측정에적합하다. 종류별로특징과기능에다소차이가있으므로사용설명서를참조하는것이바람직하다. 그림 에일부종류를나타낸다. 그림 다목적게이지 3) 테이퍼게이지 이음의개구부에삽입하여루트간격을측정한다.

28 302 제 11 장용접불연속과검사 그림 테이퍼게이지 4) 하이로게이지 (hi-lo gauge) 일명미스매치 (mismatch) 게이지로도불린다. 강관이음의내부정렬측정이주목적이다. 게이지를그림 와같이강관의내부에삽입, 회전및조작후엄지나사를고정시키고꺼내어정렬차 (misalignment) 를측정한다. 그밖에소켓용접의간극, 필렛용접크기, 홈용접의덧살, 강관의두께, 맞춤간격, 개선각도등의측정기능이있다. 그림 하이로게이지 (4) 화이버스코프와보어스코프접근이곤란한용접부의검사에이상적인광학장비로일종의내시경이다. 화이버스코프는가요성을가지나보어스코프는고정되어있다. 이들장비는검사자에게작은구멍의내부나모서리를관찰할수있게한다. 통상렌즈와카메라가장치되어영상을투사하거나기록할수있다. (5) 페라이트게이지 Au계스테인리스강용접금속은적정량의자성을띠는 δ-fe를함유하지않을경우미소균열이발생한다. δ-fe 함량은용접금속의화학성분으로예측이가능하며, 이방법은 AWS A5.4에기술되어있다. 또한, 시공용접부의 Fe 함량은페라이트게이지등자기비교기기로측정이가능하다. 측정된 Fe 함량은 FN으로표기되며게이지는 AWS A4.2에의해교정이가능하다. Fe 함량은특정요건이계약서등에규정되기도하나일반적으로최소 3FN면미소균열의배제가가능하다.

29 제 11 장용접불연속과검사 303 (6) 광원검사자는육안검사를수행하는동안적절한자연또는인공조도 (illumination) 를확보해야한다. 일부규격은 18% 중간회색카드상의폭약 0.8mm의선을뚜렷하게볼수있는최소조명요건을또다른규격은일반적인검사는 16lux 이상, 작은불연속의검출에는 54lux 이상과같이최소촉광의조도를규정하기도한다. 주변의조명이적절하지않을경우플래시등보조조명을사용해야한다. (7) 전압계전기적인연결없이전류를측정할수있는휴대용집게 (tong, clamp) 형전압계가 WPS에규정된용접전류의범위를확인하는가장효율적인방법이다. 측정하고자하는전류의종류즉, 교류와직류를선택하고, 집게의턱안에통전도체를직류의경우지시된전류의방향으로통과시켜전류치를읽는다. GTAW 등고주파아크발생시에는반드시전압계를제거하여고주파에의한손상을예방해야한다. 탕테스터, 후크미터, 클램프미터등으로불린다. (8) 기타 언더컷게이지, 경사필렛게이지, 확대경, 거울등이있다 기록 모든다른검사와같이검사완료시모든결함부위의위치와완전하게보수되었음을보증할수있도록식별되어야한다. 여러방법들의적용이가능하며, 가장효과적인표시방법으로특정상태를나타낼수있는많은방법들이있다. 일반적으로사용되는방법은결함의종류와치수및위치를발견하고식별및보수할수있도록기록하는것이며, 가장효과적인방법은부품에직접표시하여결함부위를식별하는것이다. 경우에따라두가지방법모두가필요할수도있다. 검사자는적절한기록을유지할수있어야하며, 추후검토자가과거결정을이해할수있도록명확하고간략하게보고서를작성해야한다. 기록작성에있어서가장기본적인사항은쉽게알고이해할수있어야하는것으로이는후일명확하게기억하지못할경우도있기때문이다. 따라서좋은기록은작성한검사자의보호는물론방침수립에도움이된다. 검사나시험을요구하는시방서또는규격에의해수행되는모든작업은기록또한요구하지만검사자는이에무관하게적절한기록을유지해야한다. 검사자의또다른의무는규정된요건에의해기록의완전성과정확성을검토하고, 필요시제시할수있어야한다. 검사자의서명이요구되는기록은반드시검사자가작

30 304 제 11 장용접불연속과검사 성해야한다. 기록은필요한수준으로상세해야한다. 검사자는일반적인기량과발생한문제점및불합격에대한조치를명시해야한다. 모든보수작업은기록되어야한다. 기록의사본은배부처에배부하고자신의파일에도보관해야한다 비파괴검사 일반사항 (1) 비파괴검사 (NDE) 의용어와종류 NDE는용접부와관련재료를파괴하지않고평가할수있는검사방법으로 KS, ISO, KSNT, ASNT 등대부분 NDT(nondestructive test) 로표기하며, NDI(nondestructive inspection) 라하기도한다. ASME와 AWS는파괴시험과구분하기위해 NDE (nondestructive examination, NDT examination) 로표기하고, NDE 방법 (method) 도 leak test를제외한나머지는 examination으로표기하되약어만 PT, MT, RT, UT, ET, LT 등그대로채택하고있다. KS는 검사 와 시험 을혼용한다. 본장은 검사 로통일하고, 다른용어는혼란방지를위해통상적인표현을사용하되필요시 KS 및 ISO의정의를적용한다. 전력산업분야에주로적용되는 NDE 방법은육안검사 (VT), 침투탐상검사 (PT), 자분탐상검사 (MT), 방사선투과검사 (RT), 초음파탐상검사 (UT), 전자유도검사 (ET) 와누설검사 (LT) 등이있다. (2) 비파괴검사방법의선정고려해야할중요한요소는각 NDE 방법별이점과제한사항, 예상되는불연속의종류와크기, 협격기준및비용이며, 선정지침은 AWS B1.10 Annex A에기술되어있다. 특정크기, 형상및위치의불연속을검출하는최선의검사방법은 NDE 방법별이점과제한사항에의해결정된다. 예를들면 RT는방사선과평행한주평면상의불연속즉, 강판의표면에수직으로위치한균열을검출할수있으나, 반대로 UT는음파를기본적으로균열의주평면에수직으로위치시키면모든방향의균열을검출할수있다. 불연속의종류및이음의종류별로주로적용되는검사방법은표 과표 와같다. 표 불연속의종류별검사방법 불연속 RT UT PT MT VT ET LT

31 제 11 장용접불연속과검사 305 기공 A O A O A O A 슬래그혼입 A O A O A O O 융합불량 O A U O O O U 용입불량 A A U O O O U 언더컷 A O A O A O U 오버랩 U O A A O O U 균열 O A A A A A A 라미네이션 U A A A A U U 주 ) A : 적용가능, O : 제한적인적용, U : 비적용 표 이음의종류별검사방법 이음 RT UT PT MT VT ET LT 맞대기 A A A A A A A 모서리 O A A A A O A T O A A A A O A 겹침 O O A A A O A 가장자리 O O A A A O A 주 ) A : 적용가능, O : 제한적인적용 (2) 합격기준예를들어 용접부는 RT를해야한다 라고기술하는것은합격기준을규정하지않았으므로부적절한표현이다. 합격기준은불연속의특성과허용되는특정종류의불연속을규정한다. 슬래그나기공등치수와분포가규정된범위이내인불연속들은합격이되며, 이러한사항들이합격기준에포함된다. 즉, 적용되는규격과시방서를따라야하는것이다. (3) 비용각종검사방법의비용은특정상황과관계되며, NDE 방법선정시고려되어야할두가지요소는장비와검사의수행이다. 대체로육안검사가가장경제적이나표면불연속의검출에한정된다. 일반적으로 RT, UT, ET의비용이 VT, MT, PT 보다높다. (4) 절차모든 NDE 방법은승인된절차서에위해수행되어야하며, 검사수행자가이용할수있어야한다. 문서화된절차서를따르는것만이 NDE 검사자가시험대상의제작에적용되는규격및시방서를이행하였음을보장할수있다.

32 306 제 11 장용접불연속과검사 이절차서는결과의신뢰성과재현성을보증하기위해시험의준비, 실시및평가의 모든세부사항을제공해야한다. (5) 비파괴검사기호 용접기호와동일하게도면상에비파괴검사요구사항을표시하며, AWS A2.4 의비파 괴검사기호는다음과같다. 그림 비파괴검사기호 침투탐상검사 (PT) PT(liquid penetrant examination) 는명확한개구불연속의위치를검출하는민감한방법이다. 완전하게청소된시험표면에액상의염료를도포하여불연속의내부에침투되도록한다. 일정시간경과후여분의침투제를표면에서제거및건조시킨다. 침투제가불연속의외부로스며나와얼룩을만들게하는현상제를도포한다. 개구표면으로나온침투제는불연속의존재와그위치를지시하게된다. 검사의 4단계는그림 와같다.

33 제 11 장용접불연속과검사 307 그림 침투탐상검사 원리가서로유사한두가지종류가있으며, 육안으로식별이가능한가시염료를사용하는것과자외선빛에노출시킬경우에만육안으로보이는형광염료를사용한다. 가시침투제는배경인백색의현상제와대조적인적색을주로사용하며, 불연속의관찰은통상적인백색광으로충분하다. 형광침투제는어두운배경과블랙라이트 ( 자외선 ) 광원에의해연두색이감도는황색의지시를나타내며, 형광지시가눈으로쉽게식별되므로보다민감한특징이있다. 침투제는가시염료법과형광염료법공히시험표면에서염료를제거하는방법에따라용제제거형, 수세형, 및후유화형의 3종류로구분한다. 용제제거형은용제를사용하여손으로닦아내는기법에의해침투제가제거되도록조제하며, 휴대성이좋아현장검사용으로주로사용된다. 수세형은수용성으로세척수와, 헹굼설비및부재를건조시키는설비가필요하다. 후유화형은비수용성으로별도의휴유화제에의해침투제를수용화하여제거하며, 수세형과동일한설비가필요하다. 후유화형침투제는아주작은불연속의검출이요구될경우사용한다. 자성체 (magnetic) 및비자성체에광범위하게적용되나, 알루미늄, 마그네슘및 Au계스테인레스강등 MT가불가능한비자성체에특히유용하다. 또한, 용기나강관의누설원인이되는균열또는다른불연속들의위치검출에유용하다. 특이한사례는용기의내부에염료를충진하거나붓으로도포하고외부에서누설을점검하는관통불연속검출기법이다. 상대적으로비용이저렴하고방법이단순하여검사자가완전히적용하기까지어려움없이배울수있다. 성공적인검사는다른대부분의 NDE 방법과마찬가지로검사자의시력에의존한다. 침투제의성분중의일부는용접부나모재에유해하여용접부또는제품의사용수명에영향을미칠수있다. 용제는불연속으로부터완전히제거하기가곤란하며, 재료를부식시키거나달리제품의용도에부적합하지않아야한다. 지시를평가하기위해통상두가지방법으로기록한다. 검사에의해노출된불연속을촬영하는방법과투명한플라스틱테이프를지시위에붙이는방법이있다. 테이프

34 308 제 11 장용접불연속과검사 를시험표면에서떼어낼때지시가테이프에부착되므로후일참고하기위해보고서 에첨부할수있다. 이기법은 MT 에도적용할수있다 자분탐상검사 (MT) MT(magnetic particle examination) 는강자성체 (ferromagnetic) 의표면또는표면에가까이위치한불연속의검출에사용하며, 그림 과같이재료의불연속에의해자력선의힘이왜곡되는원리즉, 불연속이자장 ( 자기장, 자계, magnetic field) 또는자속의누설을형성시키는것에근거한다. 그림 자분탐상검사 용접물을용접부를관통하는전류에의해자화 ( 직접자화법 ) 시키거나용접물을자장속에위치시켜자화 ( 간접자화법 ) 시킬수있다. 직접자화법은일반적으로직류, 반파직류 (HWDC) 또는전파직류 (FWDC) 를사용한다. 이들종류의전류는일반적으로얕은표면하불연속을검출하는관통능력을가지고있다. 교류를사용할수는있으나표면불연속의검출에한정되므로운전피로관련불연속부위에적용할수있다. 얕은표면하불연속의검출은자화방법, 전류의종류, 자속의방향과밀도및용접부의재료특성등몇가지변수에의존한다. 표면불연속만평가할경우에는교류에의한간접자화법이바람직하다. 교류는연속적으로자장이변하는교번자장으로자분의유동성을크게증가시켜표면불연속의검출능력은향상되지만이교번자장의금속표면집중으로인해관입능력이얕아진다. 시험체내에자장이형성되면자기매체인자분을시험대상표면에도포한다. 자분은건조한것또는액체속에부유하는것이있으며, 형광자분을블랙라이트로관찰하면불연속을증폭시킬수있다. 여분의자분을제거하면나머지는불연속에의한누설자장에갇혀검출이가능한불연속의위치, 형상및크기를나타낸다. 이지시는일반적으로날카롭거나, 선명한선의형상을한매체로용접부또는열영향부의배경과구분할

35 제 11 장용접불연속과검사 309 수있다. 공정중평가기법으로아주유용하며, 용접이완료되기전에건전한용접부를보증하여최종제품의고비용보수를예방할수있다. 공정중검사는신형경량장비에의해보다보편적인방법이되고있으며, 제작기간단축의이점도있다. RT나 UT에비해장비비가저렴하고, 숙달된검사수행과불연속평가에필요한요원의훈련시간도일반적으로짧다. 검사자가불연속의위치와크기를즉시육안으로관찰하고합부를판정할수있으며, PT로검출할수없는비개구불연속을감지할수있는이점이있으며, 일반적으로신속하고표면처리의수준이낮으므로장비비를무시하면 PT보다경제적이다. 강자성체에한정되며, 모재들의자기특성이서로다른이음의경우건전한용접부임에도불구하고부적절한자분지시를나타낼수있다. 지시를평가하기위해통상 2가지방법으로기록한다. 건식자분법이나습식형광법공히불연속을촬영하는방법과투명한플라스틱테이프를지시위에붙이는방법이있다. 테이프를시험표면에서떼어낼때지시가테이프에부착되므로후일참고하기위해보고서에첨부할수있다 방사선투과검사 (RT) RT(radiographic examination) 는방사선을용접부에투과시켜내부상태에대한정보를나타내는 NDE 방법이다. 용접부가방사선투과에노출되면일부방사선은흡수되고일부는산란하며, 일부는용접부를통과하여그림 과같이기록매체에도달한다. 그림 방사선투과검사

36 310 제 11 장용접불연속과검사 다른기록방법들도사용되지만오늘날가장일반적인 RT 기법은노출에의해사진필름에영구적인상 (image) 을기록하는것이다. 부록 5에불연속의종류별방사선투과사진의사례를첨부한다. 두단계로된 RT의기본과정은방사선투과사진 (radiographic) 을만드는것과그사진을평가하는것으로이를위해다음과같은필수적인요소들이필요하다. 1 방사선원 2 대상용접부 3 식별표시, 위치표시 (station marker), 상질계 (IQI, image quality indicator) 4 가볍고견고한카세트 ( 일명 holder) 에봉입된 X선필름 5 노출된필름을만들수있는숙련된요원 6 노출된필름의현상방법 7 방사선투과사진의상을판독및평가할수있는숙련된요원 용접부검사에주로사용되는두가지방사선원은 X선장비와방사선동위원소이다. X선은대체로얇은대상에사용되는저에너지휴대용장비로부터두께가 500mm에달하는강용접부의방사선투과가가능한초대형선형가속기와베타트론 (betatron) 이있다. 감마선은방사선동위원소에서방출되며, 코발트 60( 60 Co) 과이리듐 192( 192 Ir) 가가장일반적이다. 192Ir는강재두께약 75mm까지가효과적인반면 60Co은강재두께약 125mm까지효과적으로투과한다. 방사선투과사진은용접부위별로흡수되는방사선량의차이에의해만들어진다. 흡수비의차이를결정하는두가지주요요소는금속의질량과방사선원의투과력 ( 에너지에의해결정됨 ) 으로질량은금속의두께, 밀도및화학성분에의해, 투과력은 X선장비의조정이나감마방사선투과사진용인특정동위원소의강도와에너지준위의특성에의해결정된다. 방사선투과사진의어둡거나밝은구역은노출중흡수량의차이에기인한다. 필름은방사선투과사진의또하나의필수적인요소로얇은플라스틱기저에브롬화은미립자 ( 감광유제 ) 를도포한것이다. 이감광유제미립자의크기는필름의속도와감도를결정하며, 사진필름이빛에민감한것과같이방사선에대해민감하다. 필름의현상은감광유제가방사선에노출되어형성된상을육안으로볼수있도록영구적인상으로변환시키는것이다. 방사선투과사진의판독은필름상의여러종류의어둡거나밝은구역으로형성된상을식별하는것이다. 방사선이어두운구역은얇은단면또는대부분의불연속으로인해보다쉽게, 밝은구역은두꺼운단면으로어렵게용접부를투과하였음을나타낸다. 일반적으로주위가어두운방에상대적으로밝은광원의전면에방사선투과사진을위치시키고판독한다. 어두운주위는방사선투과사진의상에대한판독자의시야를방해할수있는필름표면의빛의반사를감소시킨다.

37 제 11 장용접불연속과검사 311 방사선투과사진의심각한단점은불연속을제대로검출하기위해서는그림 와같이불연속이방사선의주사방향에적합하게배치되어야한다는점이다. 일반적으로기공이나슬래그와같이불연속들은단면이대개원형으로모든주사방향에대해적합하므로문제가되지않는다. 그러나, 균열, 융합불량및라미네에션등평면형불연속은이와달리불연속의실질적인부분이방사선의주사방향에적합하게배치되어야판독자가제대로검출할수있다. 그외방사선투과사진의단점은다음과같다. 1 요원및주변사람들의방사선피폭 2 고가인방사선투과사진장비, 시설, 안전프로그램및면허비용 3 노출에서결과판독까지 VT, MT, PT 및 ET에비해상대적으로긴시간소요 4 장치부착을위해작업물에대한양면접근필요 다른 NDE 방법에비해다음과같은장점이있다. 1 일반적으로재료의종류에무관 2 표면과내부불연속모두검출 3 방사선투과사진의상에의해불연속의특성즉, 종류식별 4 추후검토가가능한영구기록제공 5 결함의제거에필요한정확한결함의방향확인용지도또는단층도에적용가능 그림 방향이다른평면형불연속의방사선투과사진 초음파탐상검사 (UT) UT(ultrasonic examination) 는가장광범위하게적용되며, 주용도는내부불연속의 발견과특성을확인하는것이다. 표면불연속의검출과접합부의특성확인및두께측정에도적용된다. 용접부에는

38 312 제 11 장용접불연속과검사 펄스반사법 (pulse-echo) 과 A- 주사표시 (scan presentation) 가가장보편적이며, 음극 관 (CRT) 또는디지털화면으로검사정보를표시한다. 그림 초음파탐상검사 ( 사각탐상법 ) 표면과내부의불연속을검출하기위해높은주파수의음파를재료의내부에입사시키면음파가내부를통과하는동안에너지감쇄 (attenuation) 가발생하고계면 (interface) 에서반사된다. 반사된초음파빔은불연속의존재와위치를규정하기위해검출및분석된다. 여러관점에서초음파빔은빛과유사하며, 모두파 (wave) 의일종으로파동방정식 (wave equation) 을따른다. 균일한매체를진행할때고유한진행속도를가지며, 이속도는매체의물성과파의진동에의해결정된다. 빛과같이초음파빔은표면에서는반사되고, 음속특성이다른두물질의경계를통과할때는굴절되며, 방해물의주위나모서리에서는회절된다. 거친표면이나분말또는거친조직에의한산란은빛의강도를감소시키는것과같이초음파빔의에너지를감소시킨다. 그림 굴절과회절 주로종파 (longitudinal, compressional, straight beam, 압축파 ) 또는횡파 (transverse, shear, angle beam, 전단파 ) 중하나를사용하며, 일반적으로 1~5MHz의주파수와재료표면에수직인선을기준으로측정한 0, 45, 60, 70 의초음파빔의각도즉, 탐촉자의공칭각 (nominal angle of probe) 을사용한다. 종파는주로강판류의검사에사용되며, 수직탐상법 (longitudinal beam technique,

39 제 11 장용접불연속과검사 313 normal beam, straight beam, longitudinal mode, 수직빔검사법 ) 은직진빔탐상장비 에의해초음파진동의형태를가진음파를그림 과같이부품의표면에직각 으로입사시킨다. 그림 수직탐상법 입사표면과저면이평행하면저면반사 (back reflection) 가표시창에나타나며, 중간에존재하는불연속도나타난다. 크기를알고있는실제또는인공불연속즉, 대비결함 (reference flaw, reference reflector) 에대한표시창의반사높이를측정하여대비레벨 (reference level, 기준레벨 ) 을설정함으로서크기를모르는불연속의에코 (echo, reflection, 반사 ) 를평가할수있게한다. 용접부의검사에는주로그림 의사각탐상법 (angle beam technique) 이사용되며, 가장이상적으로불연속을표시창에나타낸다. 그러나때때로시험대상부품의외형상의경계로인해불연속과같은방법으로초음파를반사되기도한다. 따라서, 이당재 (backing bar) 가있는용접부등복잡한외형의이음에대한초음파탐상검사는지시가단순히이음의형상에기인하지않고, 불연속의존재에의한결과임을확인하기위해유의해야한다. 그림 는이당재의실제불연속인슬래그혼입이이당재의의사지시 (false indication, 거짓지시 ) 즉, 측면에코로가려진경우이나, 용접부의반대쪽에대한검사에의해이불연속을평가할수있다. 그림 사각탐상시이당재융합불량에가려진슬래그혼입

40 314 제 11 장용접불연속과검사 일반적으로최대량의음파가변환기 (transducer) 로반사되기위해서는초음파빔이불연속의면에거의 90 로차단되는것이바람직하다. 그러나균열이초음파빔에수직이지않더라도균열의표면이완만하지않고, 열개면 (facet) 이빔에대체로수직에가까우면초음파를반사하므로검출이가능하다. 주사를위한시험표면의선정은접근성에근거해야하며, 구조물과용접부의형상을고려해야한다. 주사방법은투사된초음파가가능한불연속을검출할수있도록용접부및열영향부전체를관통하기에충분해야한다. 이는광범위하고다양한사각탐상장비가가능하기때문이다. 특수한경우특정비표준각의탐상장비가제작된다. 음파가약 90 로불연속에의해차단되는것이중요하므로, 주로특정용접부의검사에두종류이상의각도를가진사각탐상장비들을사용한다. 예를들면 AWS D1.1 은특정두께와이음형상별로사용되는각도들을규정하고있다. 금속시험체일경우다른 NDE 방법에비해다음과같은장점이있다. 1 시험체의불연속깊이검출가능 2 아주작은불연속의검출이가능한높은민감도 3 내부불연속의위치, 크기추정, 방향과형상및특성에대한높은정확도 4 한쪽면만접근필요 5 불연속을거의순간적으로지시하므로, 즉시판독, 자동화, 신속한주사, 생산공정감시및공정관리에적합 6 용접부의표면에서이면에이르는금속의체적을검사 단점은다음과같다. 1 수동조작시숙련된검사자의주의집중필요 2 검사절차개발및지시판독에광범위한기술적지식필요 3 검사체가거칠고, 불규칙적인형상이거나, 아주작거나얇고, 균질이아닐경우검사곤란 4 불연속이검사표면직하의얇은층으로존재할경우검출불가능 5 접촉매질 (couplants) 6 장비검교정시정확한검사조건을재현하는대비시험편 (reference block, reference standard) 필요 전자유도검사 (ET) ET(electromagnetic test) 는전자기를이용하여시험체에소전류를유도하고그흐 름의변화를인접한코일로검출하여전자적인후속처리로나타내는 NDE 방법이다.

41 제 11 장용접불연속과검사 315 용접부의표면또는표면하의불연속을검출하는것은 ET의다양한적용범위중의한가지에불과하다. 특히, 와류탐상 ( 와전류탐상, eddy current, ECT) 기법은전도도, 조직입자의크기, 경도및두께를측정하고, 화학성분의차이, 미소조직, 투자율 (magnetic permeability) 및열처리상태에의해재료를식별하며, 다양한재질의도막및도금두께의측정에성공적으로적용되고있다. 와류탐상검사 (ECT, eddy current examination) 는코일을용접부에근접시킨후교류를인가하면용접부에교번자장 (alternate magnetic field) 이형성되며, 이교번자장은재료에전류즉, 와류 ( 와전류 ) 를발생시킨다. 이와류는자장에따라달라지며, 최초자장에영향을미치는고유한자장을생성한다. 시험코일 (test coil) 또는별도의검출코일 (pickup coil) 은이자장의상호작용에의한변화를전기적으로검출한다. 용접부의불연속은와류를증폭시키거나, 방향이달라지게하여검사신호를통해검출된다. 신호는특정장비나용도에따라아날로그계기, 디지털계기, 음극관, X-Y 플로터또는차트기록계에표시된다. 그림 용접강관의와류탐상검사용코일과각종표면탐촉자 그림 의좌측은길이방향맞대기이음의용접부에사용되는관통코일 (encircling coil) 형태의공통코일 (common coil) 로서와류의흐름이원주방향이므로길이방향의불연속은와류의흐름에상당한변화를일으킨다. 따라서, 이기법은길이방향으로위치한불연속의검출에가장민감하며, 일반적으로강관이롤러에의해코일을통과하므로자동화에적합하다. 코일의크기와권선수및코어 (core, 필요시 ) 는시험체의종류와검출대상불연속의위치및최소크기에따라잘라진다. 그림 의우측은일반적으로사용되는각종표면탐촉자 (probe) 이며, 전자세를

42 316 제 11 장용접불연속과검사 수동으로조종한다. 용접부에대한 ECT의장점은다음과같다. 1 표면탐촉자를포함한장비가경량인휴대형 2 다른 NDE 방법으로는무관지시 (irrelevant indication, nonrelevant) 지시로나타나는과도한거칠기및경미한언더컷까지 ECT로검사할수있으므로, 후속공정을위해이들불규칙들의적절성을확인할불필요 3 탐촉자와용접금속의긴밀한접촉이불필요하므로도장또는도금용접부에대한검사와, 고온인표면에대한검사가가능하므로공정중검사또는주기적인유지관리검사분야에상당한절감구현 4 용접강관등의검사시공정의부분또는전자동화지원으로고속, 저비용검사 용접부에대한와류탐상검사의일반적인단점은다음과같다. 1 용접부등시험체가반드시도체 2 일반적인검사깊이가비강자성체는 6mm, 강자성체는 0.25mm로제한되나, 강자성체의시험부위에대한자기포화 (magnetic saturation) 등특수기법으로검사깊이의상당한증가가가능 3 투자율 (permeability), 전도도 (conductivity), 탐침의위치및용접부형상등많은변수들이와류신호에영향을미칠수있으므로불필요한변수들의억제또는분리에유의해야하며, 이를보다용이하게하기위해차폐형탐촉자사용이바람직하다 누설검사 (LT) LT(leak examination, 누출시험 ) 는가압력이나대기압또는수두등에의한압력하에서제품을담을수있는구성품 (component) 의능력을결정하는방법으로, 가압되거나진공인금속또는비금속구성품에적용된다. 가압또는진공이되는모든재료에대한중요한시험이다. 구성품은각부분들의이음이용접되므로완성된용접부의건전성확인을위한 LT는일반적인관행이다. LT는일반적인용어로많은기법들이있으나기본적인원리는동일하며, 그기본적인요소들을다음과같다. 1 주로가스나유체인시험매체를시험대상구성품의내부또는외부에도입 2 구성품의벽을통과하는시험매체의유동성강화를위해가압필요 3 구성품의벽의반대쪽에벽을통과한시험매체의누설흔적관찰 4 가스사용시가스존재의지시를위해비눗물또는특수검출장비적용 가장단순한방법은시험체의내부에시험용액체를충진하고, 구성품의외부에서

43 제 11 장용접불연속과검사 317 벽을관통한액체의존재를검사하는것으로충수된저장용기를외부에서검사하는것등이다. 이검사방법의한종류는구성품의벽을관통하는액체의유동성증가를위해가압하는것이다. 물을시험매체로한압력용기의수압시험 (hydrostatic test) 이이에해당되며, 펌프로액체를고압으로가압하거나시험매체인액체에고압가스를주입하여가압한다. 시험매체는완전히공기압축기를이용한기압시험 (pneumatic test) 과같이기체만을사용하기도한다. 시험매체로공기또는가스를사용할경우구성품의저압부에서관찰이곤란할수가있다. 보완된기법은구성품을수조에침지시키거나외부표면에비눗물을분사하여, 구성품의벽을통과한가스가집적되어수조내에또는비눗물의막에기포를형성하여육안으로쉽게검출될수있도록하는것이다. 진공상자시험 (vacuum box test) 은검사자가구성품의한쪽면만접근이가능한경우에적용된다. 시험대상표면에비눗물을도포하고, 고무가스킷과투명한관찰창이부착된밀폐용기를장착한다. 우회밸브 (bypass valve) 와공기압축기또는진공펌프로밀폐용기를공기를배출하여부압 (negative pressure) 을만들면누설이존재할경우비눗물막에기포가형성된다. 이기법은주로저장탱크의바닥면에적용된다. 헬륨시험과같이분자량이아주작은가스를이용하기도한다. 헬륨이가장많이사용되며, 시험체의내부에가압충진하고반대쪽인외부에서질량분석기 (mass spectrometer) 와같은특수한장비로누설을검출하기도한다. 이종류의시험은감도가아주높으며, 아주작은누설도검출할수있다.

44 318 제 11 장용접불연속과검사