용접의기초 1. SMAW SMAW (Shielded metal arc welding, 피복아크용접 ) 은현재여러가지용접법중에서가장많이사용되는용접법이다. 원리는피복제를바른용접봉과모재사이에발생하는아크의열을이용하여모재의일부와용접봉을녹여서용접하는방법이다. 현장에서일반적으로아크용접이라고하는데이는옳지않은표현이다. 앞으로설명할 GTAW, GMAW, FCAW,SAW 모두아크용접에해당되기때문이다. 사진 : SMAW 용접봉홀더 사진 : 휴대용용접봉건조기 용접봉을살펴보면모재의동일또는유사한성질의심선 (core wire) 의외부에피복제가씌워져있다. 현장또는공장에서검사를수행하다보면용접작업자들이피복제가벗겨진용접봉을사용하는모습을볼수가있는데이는용접품질차원에서는엄격히규제되어야한다. 그럼피복제는무슨역할을하는지알아보도록하자. 피복제의역할 1) 아크안정 2) 가스발생 : 중성또는환원성가스를발생하여아크를대기로부터차단하여보호라는작용을한다. 3) 슬래크생성 : 용융점이낮은슬래그를만들어용융부의금속표면을덮어서산화나질화를방지하고냉각을천천히하여탈산작용을돕는다. 4) 탈산작용 : 용융금속중의산소와결합하여산소의유해한영향을줄인다. 5) 합금첨가 : 용착금속의성질을개선하기위해 Mn, Si, Ni, Mo, Cr 등을첨가하기도한다.
용접시주의사항 1) 용접봉의건조 : 심선을감싸고있는피복제는수분을흡수하기쉬운데, 수분은용접부에기공이나균열의원인이된다. 따라서사용전에는 2~3 시간정도의건조가필요하다. 2) 균열에대한감수성이큰고장력강, 고탄소강, 쾌삭강의용접에는저수소계용접봉을사용한다. 저수소계용접봉은다른용접봉에비해수소의양이 1/10 정도로낮아서용착금속의인성과기계적성질에좋다. 3) 적정용접전류의선택 : 지나치게높은용접전류는입력량이높아져서모재의변형을초래하고, 비드면이거칠며, 언더컷, 기공이발생하기쉬우며, 낮은전류는슬래그, 용입불량등이생기기쉽다. 4) 환기 : 용접장소는항상환기및통풍이잘되도록하고, 방진마스크를착용하는것이안전하다. 국내에서는조선소에서작업하던용접사들이장기간유해가스흡입으로직업병이발생하였다는신문기사도있다. 2. GTAW (Gas tungsten arc welding, TIG) 은용접토치에텅스텐전극을끼우고, 용가재를용해시키면서용접하는방법으로전류의종류에따라용접부에큰영향을끼친다. 텅스텐전극봉은순텅스텐봉과 1~2% 의토륨이포함된것토륨-텅스텐전극봉이있다. GTAW 는용접봉에피복제가없으므로외부에서별도의차폐가스를공급하면서용접을하는데 Ar-gas 를주로사용한다. 사진 : GTAW 용접 GTAW 의특징 1) 용접입열량이작아서박판의용접에적당하다. 2) 용입성이좋아서 back-gouging 이불가능한소구경배관용접에서는초층의용접에많이사용된다.
3) 용접시텅스텐전극봉의파편이모재에들어가는경우텅스텐혼입의결함이발생되며 RT 필름상에는모재보다밝은흰색으로나타난다. 3. FCAW (Flux Cored arc welding) 은 SMAW 와는달리피복재가심선의중앙에있는것이다. 즉피복재가심선을감싸는 SMAW 와는달리심선이피복재를감싸고있다고생각하면쉽게이해가될것이다. FCAW 는용접봉이자동으로공급되며, 외부에서 Co2 가스를공급하여용접부를보호한다.
FCCAW 의특징 1) 용접속도가 SMAW 보다최소 4 배이상빠르다. 따라서비용절감차원에서 SMAW 보다선호되고있다. 2) 용접전류에따라용접봉이모재로진행되는형태가변한다. short arc,spray arc, grobral arc 가있다. ( 자세한설명은다음으로미루기로한다.). ASME Sec. IX 에서는 PQR 에반드시용접이행형태를명시하게되어있으나, 실제제작업체의 WPS/PQR 을검토하다보면이것에대한이해가많이부족하여, 엉뚱한내용을써놓은경우도많다. 3)FCAW 는 co2 가스를사용하므로 AWS 나해외의 engineering 사의용접 spec. 을보면용접자세를규제하는경우가있다. 또한입열량이크므로압력용기에서는압력부에서는사용을규제하기도한다. 4) 용접부를보면슬래그가얇은껍질처럼쌓여있고잘벗겨져서, SMAW 보다 slag 제거작업이용이한이점도있다 * filler metal( 용가재 ) 과 electrod( 용접봉 ) 의차이텅스텐전극은 - electrod, 우리가흔히 TIG 용접봉이라고부르는것은여기서는용가재가된다. 용접관련서적을보면 GTAW 를비소모식용접법이라고하는이유가바로이것이다. 4. GMAW (Gas metal arc welding, MIG) 은피복재가없는심선을용접봉으로사용하고외부에서 Ar, He, Co2 과같은불활성가스를공급하여용접한다. FCAW 와유사점이매우많으나용접봉자체에 flux 가없다는큰차이점이있고, 이때문에용접비드가다소거칠고, spatter 가많이발생하는단점이있다. GMAW 의특징 1) 용접속도가 SMAW 보다최소 4 배이상빠르다. FCAW 와는비슷하다. 2)FCAW 처럼용접전류에따라용접봉이모재로진행되는형태가변한다. short arc,spray arc, grobral arc 가있다. ( 자세한설명은다음으로미루기로한다.). 3)GMAW 는 spatter 감소및용접아크의안정화를위하여여러가지의가스를혼합하여사용하기도한다.( 자세한설명은다음으로미루기로한다.). 4)FCAW 처럼가스의종류와혼합비율공급속도등이 Sec. IX 에서는필수변수로지정되어있다. 그만큼이러한변화에민감하다고해석하면된다.
4. SAW (Submerged arc welding, 잠호용접 ) 은 flux 를외부에서공급하며용접불꽃이 flux 에덮여있어 Spatter 는없고, 용접속도가빠르고일정한품질의유지가가능하여자동용접으로사용된다.flux 알갱이는물론건조가중요하며, flux 의조성에따라용접부의미세한성질이변화하기때문에용접봉과 flux 의조합이 PQ-test 때반드시 check 되어야한다. 사진 : SAW 용접 사진 : SAW 용접기 SAW 의특징 1)Flux 로용접비드를덮어야하기때문에다양한자세의용접은불가능하고아래보기용접에사용된다. 2) 프로그램만 setting 하면자동으로용접이되고때문에대량생산에적합하다. 3) 용접속도도수동보다수십배빠르고, 능률이좋으며, 용입이대단히깊다. 4) 용접홈의크기가작아도되며, 용접재료의소비가적어서경제적이다. 5) 설비비가비싸고, 용접부가구부러져있거나, 용접길이가짧은경우에는비능률적이다. 6) 용접시공을잘못하면대량으로불량이날위험이있다. 5. ESW (Electro Slag Welding): 이용접법은전문철골업체에서 box 형 column 제작에많이사용하고있는방법입니다. 철골검사때공장구경하면서본적이있는데, 길이는길고사람이직접용접할수없는사각형의 box 를제작하는데효과적이더군요. box 의틀을만들때 backing metal 을내부에부착하여용접을하는데수직자세에서모재에직각으로구멍을뚫고용접을하는데대용량의전류를가하여용접을하는데주물을붓는느낌이들더군요. 이용접법의단점은후판 ( 두꺼운판 ) 에만쓸수있고, 용접방향은아래보기로제한되어있고, 용접작업전드릴가공이직각으로
가공이안되면결함이한면전체에발생할수있으며, 비파괴검사방법으로는초음파수직탐상만이가능합니다. 원리 : 용접열이아닌와이어와용융슬래그사이에동전된전류의저항열을이용하는용접법으로연속주소식용접법이라고한다. 전극은고정식과진동식이있으며후판 (150mm) 이상에는진동식이사용된다. 와이어 1 개로 120mm 두께까지용접이가능하여 2 개로는 100~250mm 까지, 3 개는 250mm 이상의용접이가능하다. 특징 1) 매우두꺼운판의용접에적당하다. 2) 특별한홈가공없이 I 형홈이면된다. 3) 수동용접에비해 4~6 배의용접이빠르다. 4) 한 pass 로용접할수있어모재의변형이적다. 5) 구리로만든수냉판을모재에밀착시켜서비드외관이아름답다. 6. EBW (Electron Beam Welding): 원리 : 진공상태에서고속의전자빔을형성시켜그전자류가가지고있는운동에너지를용접열원으로한용접법이며, 전자운동에너지를열에너지로변화시켜용접하는것이다. 용접물이놓이는용접실은진공정도에의해서고진공형, 저진공형및대기압형으로분류되며전자빔의가속및수송이가능하므로높은에너지밀도용접이가능하다. 용접비드폭이좁고용입이깊은용접부가얻어진다.
특징 장점 1) 용접입열이적고용접부가좁으며용입이깊으므로, 용접변형이적고정밀용접이가능하다. 2) 고용융점 ( 텅스텐, 몰리브덴등 ) 재료또는용융점이나열전도율이다른이종금속사이의용접도가능하다. 3) 진공중에서용접하므로불순가스에의한오염이적고, 높은순도의용접이되며, 활성금속의용접도가능하다. 4) 예열이필요한재료를예열없이국부적으로용접할수있으며잔류응력이적다. 단점 1) 시설비가많이든다. 2) 진공작업실이필요한고진공형에서는용접물의크기가제한된다. 3) 진공중에서용접하기때문에기공의발생및합금성분의감소등이발생한다. 4) 진공용접에서증발하기쉬운아연, 카드뮴재료등은부적당하다. 5) 대기압형의용접기를사용할때에는 X 선방호가필요하다. 6. IIW 의 metal transfer mode 분류 용적이행에영향을주는인자들에는차폐가스의종류와조성, 용접의전류와전압, 용접봉의조성과직경등이있다.
Transfer mode 의종류 관찰가능한용접형태 Free transfer mode (1) Globular - Drop - Repelled (2) Spray - Projected - Streaming - Rotating 저전류 GMAW Co2 차폐 GMAW Intermediate-current GMAW Medium-current GMAW 고전류 GMAW Bridging transfer (1) Short-circuiting (2) Bridging without interruption short-arc GMAW, SMAW Welding with filler wire addition Slag-protected transfer (1) Flux-Wall guided (2) Other modes SAW SMAW, FCAW, ESW Globular transfer ( 입상용적이행 ) : 용적의직경이사용된와이어의직경보다큰상태로이행하는형태를말하는것으로, 낮은용접전류와중간정도의전류범위에서일어나는 drop transfer 과비교적높은전류로 CO2 용접을실시할때발생하는 repelled transfer 로세분하기도한다.
Short circuiting transfer ( 단락용적이행 ) : Copyright at 이그림은저작자의허락을득한것임. 와이어의끝에서만들어진용적이용융지에직접접촉함으로써용적이이행하는, 낮은용접전류와전압으로 Co2 용접을실시하거나불활성가스의조성을높인용접조건즉, MAG 또는 MIG 용접에서도볼수있다. Rotating transfer : Copyright at 이그림은저작자의허락을득한것임. GMAW 의대전류영역에서일어나는현상인데전류가높으면용착효율이향상되기때문에능률측면에서는전류가높을수록좋다. 그러나용융지의 control 이어려워용접불량이발생하기쉽다. 현재는용접능률향상에대한연구가 rotating mode 의 control 측면에서이루어지고있다.
Spray transfer ( 단락용적이행 ) : Pulse mode Copyright at 이그림은저작자의허락을득한것임. 이것은용접와이어의크기보다작은용적이이행하는형태로, 비교적고전류영역에서 Ar 을주성분으로하는보호가스용접에서관찰된다. 스프레이이행중에서용적의하나하나가규칙적으로이행하는것은특히 projected transfer 라고하고, 뾰족하게녹아내린와이어의선단에서작은입자를형성하면서용적이흐르는형태의이행은 streaming transfer 이라고부른다. 또용융된와이어의선단부가길게늘어지면서고속으로회전하는상태로이행하는것은 rotating transfer 이라고한다. Flux-wall guided transfer ( 계면용적이행 ) : SAW 에서발생하는이행형태의하나로,SAW 에서의용적이행은 project transfer 이지배적이지만, 계면이행은아트를덮고있는용융플럭스내의공간에서용융금속이옆으로비산하는모양을나타내는것이다.
Ⅱ. 금속이행별특성비교 금속이행의종류 특성 Bead 외관용입적용 Short-circuit 이행 SMAW,GMAW 공정의저전류대역에서발생 SPATTER 가거의없음. 외관양호 용입얕음. 박판및 Root bridge 용접, 수직용접가능. Globular 이행 탄산가스사용 GMAW 공정에서나타남. SPATTER 가많으며, 외관형태가미려하지못함. 용입깊음. 일반 Co2 용접 Spray 이행 아르곤, 탄산가스혼합 GMAW 공정및티탄계용접봉사용 FCAW, SMAW 공정 SPATTER 가거의없음. 외관미려 GMAW 는용입양호, FCAW 및 SMAW 는용입얕음 외관이중요한용접. Pulse 용접기에혼합가스사용시 Pulse Spray Mode
7.AWS D1.1 ( 98 Edition) Structural Welding Code - Steel Significant Changes from AWS D1.1-96 to AWS D1.1-98 Please note: This is not a complete list of changes. These are considered to significant technical changes. There are many other minor technical changes and editorial changes. 1.1 Scope Following "fabricating", added "and erecting".changed "When conformance to the code is stipulated in contract documents, all provisions of this code shall be complied with, except..." to "When this code is stipulated in contract documents, conformance with all provisions of the code shall be required, except..." 2.2.4.2 Prequalified Joint Dimensions This section has been replaced in its entirety with the following: The joint details specified in 3.12 (PJP) and 3.13 (CJP) have repeatedly demonstrated their adequacy in providing the conditions and clearances necessary for depositing and fusing sound weld metal to base metal. However, the use of these details in prequalified WPSs shall not be interpreted as implying consideration of the effects of welding process on material beyond the fusion boundary nor suitability for a given application.2.4.7 Fillet Weld TerminationsThis section has been extensively revised, with new provisions and reorganization and clarification of existing provisions. Replace this section in its entirety with the following:2.4.7.1 Drawings. - The length and disposition of welds, including end returns or boxing, shall be indicated on the design and detail drawings. Fillet weld terminations may extend to the ends or sides of parts or may be stopped short or may be boxed except as limited by 2.4.7.2 through 2.4.7.5.2.4.7.2 Lap Joints. - In lap joints between parts subject to calculated tensile stress in which one part extends beyond the edge or side of the part to which it is connected, fillet welds shall terminate not less than the size of the weld from the start of the extension. (See Commentary.)2.4.7.3 Maximum End Return Length. - Flexible connections rely on the flexibility of the outstanding legs. If the outstanding legs are attached with end returned welds, the length of the end return shall not exceed four times the nominal weld size. Examples of flexible connections include framing angles, top angles of seated beam connections and simple end plate connections.2.4.7.4 Stiffener Welds. - Except where the ends of stiffeners are welded to the flange, fillet welds joining transverse stiffeners to girder webs shall start or terminate not less than four times, nor more than six times, the thickness of the web from the web toe of the
web-to-flange welds.2.4.7.5 Opposite Sides of Common Plane. - Fillet welds which occur on opposite sides of a common plane shall be interrupted at the corner common to both welds. (See Figure 2.12)2.4.8 Lap JointsThe second sentence of section 2.4.8.2 has been moved to become a general statement under 2.4.8.2.26 Connections or Splices - Tension and Compression MembersThis section has been retitled, replacing "Complete Joint Penetration Groove Weld Splices".2.26.1 RT and UT RequirementsAdd "When required by Table 2.4," to the beginning of the sentence.2.28 Fillet Weld Terminations This section has been replaced in its entirety with the following: "For details and structural elements such as brackets, beam seats, framing angles, and simple end plates, the outstanding legs of which are subject to cyclic (fatigue) stresses that would tend to cause progressive failure initiating from a point of maximum stress at the weld termination, fillet welds shall be returned around the side or end for a distance not less than two times the weld size or the width of the part, whichever is less."table 3.1 Prequalified Base Metal - Filler Metal Combinations for Matching Strength"Added API 2W, API 2Y, and ASTM A913 steels to the Table. API Grades 42, 50 and 50T are Group II steels, as is A913 Grade 50. API Grade 60 and ASTM A913 Grades 60 and 65 are Group III steels. Note 9 was added stating "The heat input limitations of 5.7 shall not apply to ASTM A913 Grade 60 or 65."Table 3.2 Prequalified Minimum Preheat and Interpass TemperaturesThe following steels have been added as Group B:ASTM A710, Grade A, Class 2 (> 2 in.)astm A913, Grade 50API 2W, Grades 42, 50, 50TAPI 2Y, Grades 42, 50, 50TThe following steels have been added as Group C:ASTM A710, Grade A, Class 2 (<= 2 in.)astm A710, Grade A, Class 3 (> 2 in.)astm A913, Grades 60 and 65API 2W, Grade 60API 2Y, Grade 60The following steels have been added to Group D:ASTM A913, Grades 50, 60, 65The "Welding Process" column for Group D has been limited as follows:"smaw, SAW, GMAW, and FCAW with electrodes or electrode-flux combinations capable of depositing weld metal with a maximum diffusible hydrogen content of 8 ml/100g (H8), when tested according to ANSI/AWS A4.3."Related to this change in Group D, Note 3 has been deleted from the 96 table. Note 4 stating "The heat input limitations of 5.7 shall not apply to ASTM A913 Grade 60 or 65" has been added. 5.3.2.1 Low Hydrogen Electrode Storage Conditions Add the underlined text to the first sentence: "All electrodes... sealed containers or shall be rebaked baked by the user in accordance with 5.3.2.4 prior to use."5.3.2.4 Baking ElectrodesAdd the following paragraph to the end of this section:"all electrodes shall be placed in a suitable oven at a temperature not exceeding one half the final baking temperature for a minimum of one half hour prior to increasing the oven temperature to the final baking temperature. Final baking time shall start after the o ven reaches final baking temperature." 6.3.1 WPSThis section has been replaced in its entirety with the following:"the inspector shall verify that all WPSs have been approved by the Engineer in conformance with 4.1.1."Two things must be noted. First, 4.1.1 applies only to
qualified procedures, not prequalified procedures. Second, it has been determined by the Committee that this change was inappropriate, and a return to the 96 language is anticipated for D1.1-2000.Table 4.10 Welding Personnel Performance Essential Variable Changes RequalificationThe first item of the 96 provision "(1) To a steel not listed in Tale 3.1 or Annex M" has been deleted. Item 9 (now item 8 in the 98 code) has been corrected to read "(8) To multiple electrodes (if a single electrode was used in the WPQR test) but not vice versa." 8. 압력용기용접부의분류 압력용기의용접 joint 별구분을이해하기쉽게 KS 기준으로작성하였다. ASME Sec.VIII. 와는조금의차이가있지만초보자들의이해를돕기위하여 KS 를기준으로하였다. 이것을이해하여야압력용기에대한비파괴검사를제대로선정할수있다. 분류 A : 압력을받는부분의모든길이이름, 각종의경판안에있는모든이음또는각형용기의측면평판안에있는모든이음및전반구형경판을동체등에부착하는둘레이음을말한다. 분류 B : 압력을받는모든둘레이음을말한다. 분류 C : 플랜지, 관판, 또는평경판을동체, 노즐등에부착하는용접이음및각형용기의측명평판을다른측면평판에부착하는용접이름을말한다.
분류 D : 돔, 섬프, 맨홀, 노즐등을동체또는경판등에부착하는용접이음및노즐등을돔, 섬프등이부착하는용접이음을말한다. 용접이음의효율 용접이음의종류 Full RT 이음의효율 (%) Spot RT 맞대기양쪽용접또는이와동등이상이라할수있는맞대기한쪽용접이음 100 98 받침쇠를사용한맞대기한쪽용접이음으로받침쇠를남기는경우 90 85 9. 주철용접 주철의종류 1) 회주철 (GRAY CAST IRON) : 흑연이다량으로석출되어있어파면이회색으로되어있여붙여진이름으로퍼얼라이트와페라이트가주요조직으로페라이트는흑연의주위에석출되어있다. 2) 구상흑연주철 : NODULAR CAST IRON : 3) 백주철 : WHITE CAST IRON : 흑연의석출이없고탄화철의형식으로함유되어있는것으로파면이은백색을띄고있다. 백주철의일종의로 chill 주철이있다. 이것은주철주물의표면에금형을대서급냉시켜, 그조직을백선화하여경도를높여서내마모성과내경화성을준것이다. 4) 가단주철 : MALLEABLE IRON : 주물성이좋은주철을이용하여백선주철을만들고, 그다음 900~950 로가열하여시멘타이르로만들거나또는표면을탈탄하여강과비슷한성질을준주물을가단주철이라한다. 가단주철내의흑연은대략구상화하고있으므로연신율이 5~8% 이상의연성이있는주철이된다. 5) 연성주철 : DUCTILE CAST IRON : 흑연이판상이면, 주철이
취약해짐으로주철에 Mg 또는 Ce 을소량가하여구상흑연을생성시켜서연성을준것이다. 주철의용접성주철은야금학적특성에의해오늘날가장어려운용접중의하나로생각되고있다. 1) 주철은용융상태에서급냉되면 HAZ 부위에급격한경화로인한 STRAIN 에의해냉각수축현상에의한균열 CRACK 발생의위험이크다. 2) 용접시모재의불순물로인한 BLOW HOLE 을발생한다. 3) 용접에의해장시간열을받는부위의 GRAPHITE 는탄소입자들을형성하여 BRITTLE 하게된다. 백선주철을제외한주철은용접이용이하며회주철 (Cr, Ni 포함 ) 은가장널리사용되는주철이다. 마모성을고려한제품에는구상흑연주철을사용하고제품의성질상유연성에대한내성을요구하는곳에는인장성주철을사용하고특히주철관에널리사용된다. 백선주철은소위칠드라는속칭이있듯이경도가대부분 HRC 60 이상이되어용접이거의불가능하다. 용접방법주철용접에는냉간용접과열간용접으로구분되며냉간용접은예열없이아주낮은온도로용접하는방법이고열간용접은용접하는동안 600 700 를계속유지하여용접하는방법이다. 용접의기본원칙 1) 용접접합점 ( 모재와용착금속의경계부분 ) 의입열을가능한최소로한다. 2) CRACK 의경우 CRACK 의양쪽끝에구멍을뚫거나, CRACK 방향과직각으로 3 4Cm 의다리용접을해준다. 3) 중앙 CRACK 의경우는 CRACK 의끝쪽에서부터 CRACK 의중앙쪽으로용접을해나가고한쪽끝만 CRACK 이있는경우는안쪽에서바깥쪽으로용접하여나간다. 4) 용접후반드시가벼운망치질을하여수축응력을제거하여야한다. 5) CROOVE 가공은 V 형은피하고항상 U 형으로가공한다. 6) 얇거나, 중간정도의 GROOVE 가공은부드러운 U 를형성토록하고가능한사이각은넓게함과동시에높이는두께의 50% 이상필요없다. 7) 두꺼운용접은 ROOT FACE 를 5mm 이상크게해서는안된다. 그리고각부위를부드럽게가공한다.
(1) 냉간용접시일반적인사항 1) 용접물체표면을깨끗이한다. 2) 가능한낮은전류로 WEAVING 없이용접한다. 3) 수축응력을제거하기위하여용접은짧은비드로한다. 4) 첫 PASS 가용접된후남아있는응력 (STRESS) 을제거하기위하여 PEENING 을하여이를계속반복한다. 5) 일반적으로약 100 200 정도의예열을한다. (2) 고온예열용접 1) 용접하는주물의본체를약 540~560 로전체또는일부를예열하여아크용접또는가스용접법으로용접하는방법이다. 용접중에도, 용접직후에도고온을유지함과동시에후열또는서냉을수반한다. 600 로 10 시간어닐링을하면잔류응력이제거된다. 백선화를방지하기위하여는흑연활를촉진할필요가있으며, 이때문에 Si, Al 를함유한용접봉을사용한다. 또한강도를증가시키기위해서는 Ni 을 2_3% 첨가한용접봉을쓰기도한다. 10. 용접품질상의검토사항 1. 용접야금 A. Hot crack ( 고온균열 ) Hot crack 은재결정과정에서일어나는편석 (segregaition) 에의한다. 즉용융점이낮은황 (sulphur) 등이응고과정에서액상상태로존재하다가나중에응고하면서체적의차이 ( 액체와고체 ) 에의한공간을형성한다. 이것은 micro crack 으로현미경상으로확인가능하며, 이것을피하기위하여는모재의선정에신중을기하여야한다. 일반적으로용접구조용강은황의함유량이 0.02% 이하이며, 일반구조용강도 0.04% 를초과해서는안된다. B. Lamellar tearing 이것도또한황화합물의존재에기인한다. 제강압연중에편석된황화합물은 film 상태로존재하며, 이것이응력을받을경우층상의형상이갈라져 crack 을유발시키는것이다. 이것은모재의황함유량도중요하지만황이골고루분포되지않고집중되었을때문제가된다. 그러므로모재의황
함유량보다얼마나집중되어분포되어있는가하는것이더중요하다. 압연과정에서의문제를발견하기위하여압연후 UT( 초음파탐상 ) 를시행하면 lamenation 을발견할수있다. 그러나이때는수요자가제강회사에별도의계약을맺어야하며, special charge 를지불해야한다. C. Cold crack ( 냉간균열 ) 냉간균열은응고과정이아니라응고된이후에나타나는 crack 이다. 주로확산성수소에의해나타나며, 취성파괴의위험이매우크기때문에설계자는모재의선정을고장력강, 합금강으로할때시공방법및예후열문제를깊이인식하지않으면안된다. 우선탄소당량 (Ceq) 이 0.4 이상일경우및고장력강은냉간균열의위험이있다고생각하라. 이경우예후열은꼭필요하며, 용접방법도중요하다. 예를들면피복아크용접에서는꼭저수소계용접봉을사용해야하며, 그것도잘관리된용접봉 (250 도-300 도에서 2 시간이상건조시킨용접봉, 포장을개봉한지오래되지않은용접봉등 ) 즉수분에의한수소발생여지가없는용접봉을사용해야한다. 또한예후열에서예열은강의재결정온도 (500-550 도 ) 이상은금지되어있다. 이것은예열로인해용접부주위조직이변화 ( 열처리효과 ) 될수있기때문이며, 후열의경우도조직의변태 (ac3 온도이상 ) 를일으키지않도록해야한다. 일반적으로주의해야하는것은강이열을받아색깔이변하면이미재결정온도이상이라는것이다. 이것은예후열의관리가매우힘들다는것을의미하며, 실험적인방법으로예열온도산정은용접 H.A.Z 의경도가로크웰 C scale 32 이하가될때이며, 피로하중을받을때는 28 이하가될수있는예열온도및시공방법을정하는것이다. 용접후응력제거열처리는이런내용과는관계없다는것을명심해야한다. Stress relieving anneling 은문자그대로잔류응력제거에만영향을미친다. D. 용접량의과소에의한문제철은공기보다열전달속도가빠르다. 두꺼운철판이얇은철판보다,3 차원적인형상이 2 차원보다열전달이잘된다. 그러므로두꺼운철판에지나치게적은각장의용접을하면, 열전달속도가빠르므로용접부도빠르게냉각되어연실율의저하에의한잔류응력발생과 toe 부의균열을만든다. 이것에대한독일기준은다음과같다. 최소목두께 a = 두께 1/2-0.5 mm * 기준보다적은각장의용접은예열로해결! ( 냉각속도증가 )
E. Corrosion 의문제 Corrosion 의문제는 austenitic steel 에서는상당한문제가되나, 일반강에서는크게문제되지않는다. 그러나, 이경우에도염분이많은곳에서사용될경우설계상에서고려해야한다. Corrosion 의문제는할로겐원소의전리반응에서생기며, 대표적인할로겐원소인 Cl( 염소 ) 에의한다. 각금속은할로겐원소에대한 potential energy 전위를가지고있고, 이에너지의상태에따른이온전리에의해부식이발생한다. 여기서간과해서는안되는것은 stress corrosion 이다. Stress 가존재하는부위에도상승작용으로 corrosion 의문제가발생한다. 예를들면, 바닷가에서는용접부의 h.a.z 부위가쉽게부식이일어나는것이다. 이것의해결방안으로는용접부의잔류응력경감, 부식방지를위한용접부의보호 (passive 금속의 coating) 를행하여야되며, corner 부및구석진곳의용접은피하여야한다. 또하나의해결책은가까이 potential energy 의 minus 전위가높은금속은주위에부착하여, corrosion attack 을유도하는것이다. 이것은선박의프로펠라샤프트등의용접에많이적용된다. F. Cold deformation 금속은저온에서도가공과정을거치면, 재결정이일어나성질이변한다. 즉 grain size 가조대해지며, 횡방향, 종방향의특성이틀려지는이방성을띄게된다. 이의특징으로가공경화 (coldwork hardening) 및부식저항력의약화가일어나므로냉간가공을거치는부위에대한직접적인용접은피하여야한다. 2. 용접부형상 ( 외부 ) A. 형상 notch 형상 notch 는특히피로하중을받는부분에서는굉장히중요하다. 응력의선도는물이흐르는것과같이생각하여응력선도가집중되지않도록이음을설계하고, 외관형상을고려해야한다. 특히 fillet 용접부는 butt 용접부보다 notch 형성이쉽기때문에피로에취약하다는점을잊어버려서는안된다. Bead 단면의 notch 형성은 Tig dressing 으로외관을부드럽게하며, 응력제거에효과가있다. Fillet 용접부의외관형상에따라강도특성이틀린다. 가장자리용접에서비대칭 ( 각장의비 2:1) 일경우 notch 효과를감소시킨다. B. 완전용입의검토
피로를받는부분은완전용입을원칙으로하나, 완전용입을위한용접시공은상당히까다롭다. 완전용입에대한검토는재료의두께, groove 의형상이설계부분에속한다할것이다. 그러나. 여기에는용접방법이중요한변수이다. 피복아크용접과 co2 용접은 heat input 가틀리고용입가능량도상이하다. 또한용접자세에서도큰차이가난다. 참고로 co2 용접으로아랫보기자세일경우일반 mild steel 에서는 4-5mm 까지의용입이가능하나, 수평 fillet 용접일경우 3mm 도아주숙달된용접사가아니면불가능하다. 또한용입성이좋은경우에는용락의위험도동반되기때문에지경에처할때가많다. 이것을일률적으로기준하기는힘드나, 몇가지일반론을이야기하고자한다. 첫째용락가능성을염두에두자 Root gap 은 Co2 용접에서용락과직결된다. 일반적기준으로 Co2 용접와이어직경이상의 root gap 은용락을유발시킨다. 그러나이것도 root face 의양과도관계가있다. 실제의경우 Co2 용접와이어의직경보다 root gap 을크게해야될필요성이있고, 현장의제관작업상태를보면이론이얼마나헛된것인가를알게된다. 이경우용접사가어떻게용락위험을피하면서용접하고있는지를주의깊게관찰해야한다. 저자의경험으로는용접사들이용락방지를위해취하는행동은한가지가용접시 arc length(stick out) 를길게하는것이다. 이경우는용접전압조건의상승으로용입부족및융합부족의위험이있다. 또한가지는낮은전류전압조건으로 root gap 부위를메꾸는것이다. 이것은융합불량의위험이있으나, 전자보다는바람직스럽다. 결론적으로용락위험이있는 root gap 부위는실제상용접품질의큰신뢰성을요구할수없다는것이다. back plate 는용락의위험성을방지하고완전용입을가능하게하는절대적인방법이다. 그러나, 이런이음은경제적인면에서바람직못하고차선책으로 back gouging 방법을사용하거나, back run(sealing run) 을요구하는경우가있으며, 각각장단점이있다. back run 과 back plate 의경우용접의이면부가용접시대기중에노출되어산화되는위험성을주의해야한다. 둘째어떤용접방법을요구할것인가? 앞서언급한대로용접공정의종류에따라용입가능량은틀린다.
셋째 groove 의형상은완전용입문제뿐만아닐라경제성문제및용접변형, groove 형성을위한공정등을염두에두어야하며, 비드폭과깊이의비가 2:1 이상이되어야한다. 넷째용접시작점과끝나는점은완전용입을기대하기힘들며, 야금학적인 notch 가존재한다. 그러므로구조물의취약부에용접시작또는끝나는점의형성은곤란하다. 그러므로, 이문제에의해수염용접또는용접부의단축, 전둘레용접등의기교를사용하는것이다다섯째불완전용입이불가피할경우용입부족부분은내부의 notch 이다. 이때는 notch 의형성방향이응력과같은방향이되도록하며, 내부 notch 의형상이 sharp 하지않다면, 강도에큰지장이없다.( 브로우홀과스래그혼입차이- 스래그혼입이더위험 ) C. 형상에따른적절한용접이음 ( 예 ) - free cut 활용 ( 용접으로메꾸지말것 ) - skewed t welding 각장 l > 3/2 t - 용접선의교차는위험 - 용접선중복을피할것 3. 시공방법현재주로적용되는용접방법은 MMA, MACG, MAMG, TIG 등이있으며, MAMG, MACG 에서는와이어종류에따라 SOLID WIRE 용접, FLUX COARED WIRE 용접등이있다. 이것에대한특징은다음과같다. 용접방법 특징 MMA 피복아아크용접 - 용접기의설치가쉽고장소의제한이적다. - 손쉽게용접할수있고, 현장보수용접에사용경향이많다. - 용락의위험성이적어 root gap 이큰곳에 주로첫번째 pass 에 사용한다. - 용접봉의종류가많고각각특성이 틀리므로용접봉선정에 상당한주의를요한다.
- 고장력강의용접이손쉽다 ( 용접봉의종류다양 ) - 열영향부가적다. - Back bead 형성이쉽다. - vertical, over head 용접이가능하다. - 용입이얇다. MAG Co2 용접 (MACG) - 용접효율이높다. - 용접와이어는국내에인장강도 50kg 만생산된다 - 양산품용접에일반적으로널리사용하고있다. - 용접와이어의종류가단순하나경우에따라 spec 지정필요용입이깊다 혼합가스 (MAMG) - Spatter 가적다. - 용접외관이아름답다.(concave 가능 ) - 저온취성이높다 ( 와이어선택주의 ) 용접와이어는국내에인장강도 50kg 만생산된다. - Gas 의혼합비가중요하다. - 용입은 sharp 한모양으로되기때문에겨냥위치가중요하다 FCAW FLUX COARED - 일반적으로 spatter 및 bead 형상이좋다. - 용접와이어가다양하고고장력강용접와이어도생산된다. - 용입정도는낮다. - Flux 의종류에따라다양한특성을가질수있다. Gas 사용과 non gas type 두종류가있다. 용접와이어의지정이중요하다.
11. 용접결함 불연속지시와용접결함 불연속지시 : 균일한형상에서불균일한형상을총칭 용접결함 : 용접구조물의안전성및사용목적을손상시킬수있는특정한형태의불연속지시를지칭한다. 현실적으로특정한불연속지시가용접결함인지, 아닌지를결정하기위해서는, 해당불연속지시의합격기준을결정하는어떤기준이필요하다. 1. 균열균열은가장치명적인불연속지시이다. 선형의날까로운끝단부의균열에응력이작용하면균열이성장하는경향이있다. 하중또는응력이해당재질의인장강도를초과하여작용하면균열이시작되는것이다. 용접균열은몇가지방법으로분류되는데균열이발생하는금속의온도를기준으로분류하면고온균열과저온균열로분류할수있다. 고온균열은금속이응고되면서발생한다. 결정립계에서발생하기때문에고온균열은결정립사이로진행한다. 저온균열은금속이응고된후발생한다. 현장사용중에발생되는균열은저온균열로분류한다. 수소취성에의한지연또는언더비드균열은저온균열로분류된다. 저온균열은결정립사이또는결정립을관통하는형태로전파성장된다. 균열은용접축방향을기준해서분류하기도한다. 용접부의축과평행한방향으로발생하는균열을종균열 (longitudinal crack) 이라과부르고, 용접부의축과수직으로발생된균열은횡균열 ( Transverse crack) 이라고부른다. 균열의발생부위에따라분류하기도하는데 throat, root, toe, crater, under bead, HAZ crack 등이있다. throat crack 은 fillet 용접부의중앙부에서잘발생하기때문에붙여진이름이다. 용접축의횡방향으로강한응력이작용하는경우얇은루트패스와오목한필랫용접과같은것들은 throat 균열이잘발생된다. root crack 은 root 간격이너무넒은경우, 루트용접부에응력이집중되는경우발생된다. toe 균열은용접부의 toe 에서발생되는모재의균열이다. 용접덧살또는지나치게볼록한용접부의형상에서기인한응력의집중으로발생된다.
crater 균열은용접패스가끝나는지점에서발생된다. 용접마무리지점에서용접부가완전히채워지지않은경우그부위에얇은용착부위가형성되어용접수축응력에서균열이발생되는것이다. 마지막으로 under bead 균열이다. 이것은용착금속이아닌열영향부에서발생한다. 언더비드균열은용접이완료된후많은시간이지나도록진행되지않을수도있기때문에특별히위험한균열이다. 때때로지연균열 (delayed crack) 로불리기도한다. 지연균열에민감한강재의용접에대한최종육안검사나비파괴검사는용접완료후 48~72 시간후에수행되어야한다. 고강도의강재는특히이러한균열에매우민감하다. under bead crack 은용접부위에수소가있을때잘발생된다. 용접봉, 오염된모재, 대기등으로부터흡수된수소는용착금속에포함되어있다가냉각후열영향부로이동하게된다. 열영향부에서모인수소는분자형태로모이려고하고그만큼많은체적이필요하게된다. 이때에주위의금속이충분한연성을갖지않는다면갇힌수소분자에서형성된내부응력이언더비드균열을유발하게되는것이다. 2. 융합부족 (Incomplete fusion) 용융부족은용착금속과주위의용접비드또는융합면사이에용합이되지않은형태의불연속부이다. 선형의모양으로날까로운끝단부를형성하기때문에균열과비슷하게다루어진다. 용접부의수많은위치에서발생한다. 제일큰원인은용접사의운봉기술이부적절하기때문이다. 일부는부적절한용접법을선택하여용접할부위의모재를충분히녹이지못하여용융부족을발생시키기도한다. 불충분한개선각, 오염된용접부, 부적절한용접봉크기등이원이으로지적될수도있다. 3. 융입부족 (Incomplete joint penetration) 용융부족과는달리홈용접에서만볼수있는불연속지시이다. 이것의위치는언제나용접루트이다. 발생원인은융합부족과같은조건에서발생될수있다. 4. 개재물 (inclusion) 개재물이란슬래그, 플럭스, 텅스텐등과같이용접부내에들어있는이물질을말한다. 슬래그개재물이란용해된금속을보호하기위해사용되는플럭스가용착금속의내부또는용접표면에박혀있는것을말한다. 텅스텐개재물은 GTAW, PAW 처럼텅스텐전극봉을사용하는경우발생된다. 원인별로는텅스텐전극봉과용접봉의접촉, 스패터에의한텅스텐전극봉의
오염, 전극봉의과열, 과도한전류사용, 너무작은구경의전극봉, 부적절한차폐가스의사용등이있다. 5. 기공 (porosity) AWS A3.0 에서는기공을용착금곡의응고과정에서가스의포짐에의해생성되는공동형상의불연속지리라고정의하고있다. 이것은특성상구형이므로가장미미한불연속으로간주되기도하지만압력용기의경우아주위험할수도있다. 기공의형상에따라분산된기공, 크러스터기공, 선형기공, 피이핑기공과같은명칭들로불리기도한다. 기공은용접부위의오염물또는습기가용접열에의해분리되어가스를형성함으로서발생된다. 6. 언터컷 (under cut) 용접부주위의모재에서발생되는표면결함이다. 용접과정중모재가함몰되어생기는것으로상대적으로날까로운형상을가지고있어응력집중에의한균열로발생할수있다. 특히피로하중을받는강교의경우는엄격하게관리되어야한다. 언더컷은일반적으로용접사의기량부족에서발생한다. 용접시공시용접속도가지나치게빠르면용접부주위의모재가녹아서발생되기도한다. 또한용접입열량이너무많아모재가과도하게녹을때도발생된다. 7. Under fill 홈용접에서용접부를용착금속이충분히채우지못한경우발생된다. 파이프용접부의루트패스의언더필을때때로 such back 이라고부르는데, 이것의원인은두번째패스를용접할때지나친입열량을사용하여루트패스가완전히녹아서발생된다. 8. 오버램 (over lap) 용접토우또는용접루트위로용착금속이돌출된형상으로용접부의표면에날까로운노치를형성하기때문에, 매우위험한용접결함으로분류된다. 또한응력집중으로발생된균열이오버램내부에숨어있을수도있기때문에엄격히관리되어야한다. 발생원인을살펴보면용접속도가너무느려서용착금속이과도하여흘러넘치는것이다. 12. 용접기호
용접기호를그리기가쉽지않군요. 스캐닝을하여도그림이선명하지않아서일요일오전을투자하여직접그려보았습니다. 1. 용접기호 2. 용접부호가 reference line 의위에표기된경우와아래에표기된경우가있다. 이경우용접의방향에주의하세요. 3. 현장에서 GTAW 으로개선각은 45, root opening 은 2mm, bevel 깊이는 3mm, 용입깊이는 3.4mm 로둘레를용접하라는기호이다. 4. 용접기호에따라실제용접된형상
5. Fillet 용접부용접기호와용접형상
12. FILLER METAL SELECTION WELD OVERLAY AND CLAD RESTORATION CLADDING MATERIAL WELD OVERLAY MATERIAL (NOTE 1) FIRST LAYER TOP LAYER(S) 405 /410S ENICRFE-2 OR ENICR-3 (NOTE 2 & 3) 304 SS E/ER309 E/ER308 304L SS E/ER309L E/ER308L 316 SS E/ER309Mo E/ER316 316L SS E/ER309MoL E/ER309L 321/ 347SS E/ER309Cb E/ER347 MONEL ENiCu-7 E/ERNiCu-7 ALLOY 600, 800, 800H, 800HT (NOTE 4) ENiCuFe-2 or ENiCr-3 ALLOY 600, 800, 800H, 800HT (NOTE 5) Filler Metal ERNiCrCoMo-1 or electrodes ENiCrCoMo-1 NOTE: 1. 1. Para. NF7 and NF of appendix NF in part UNF of ASME section VIII, division 1 are mandatory for nonferrous cladding. 2. 2. For design temperature above 100 F (538), specific requirement shall be requested from the purchaser. 3. 3. E/ER309 may be used for all layers when design temperature is less than 700 (371) and thermal cycling condition are not anticipated. 4. 4. Design temperature application thru 1500 (816) 5. 5. Design temperature application thru 1500 (816) 13. 용접의피로파괴원인및방지대책 1. 서론기계제품의피로파괴방지를위한무척오랜연구결과에도불구하고현재기계제품의피로파괴는계속보고되고있다. 특히현대에와서최적설계개념이도입되고경량화추세가진행됨에따라상대적으로기계제품의안전율이낮아지게되어설계시에예측하지못했던결함이제품내에잠재하고있는경우, 그결함이변동하중에의해성장할수있기때문에피로파괴에매우취약하게된다. 그러나복잡한제조공정을거치는
과정에서모든공정을통해결함이발생하지않도록관리하는것이실제적으로매우어렵기때문에관리자는결함이도입되기쉬운공정을사전에파악하여그에대한대비를하는것이피로파괴방지의최선책이다. 현재피로파괴현상은미시적으로파괴인성의개념을도입하여균열의전파거동이이론적으로잘정리되어있으며, 특정부위의재료물성을정확히알면그의피로수명까지도예측할수있는단계까지발전되어있다. 그러나실제제품들에있어서는실험실에서실험하는재료와같이균일하지않을뿐만아니라, 응력상태도일축 (uni-axial) 상태가아닌다축상태가많고더우기잔류응력이중첩되어있는경우도있으며형상인자도수학적으로단순히 modelling 할수없는복잡한경우가대부분이기때문에, 이론적인해석이전반적인추세를짐작하는데는도움을줄수있으나정확한정량해석을하는데는역시부족하다. 피로파괴가발생한파면은 beach mark 혹은 shell mark 와같은특징적인부위가관찰됨으로해서식별하기가쉬우나, 저주기 (low cycle) 피로파면은취성파괴와비슷하여식별하기매우곤란하다. 참고로그림 1 에대표적인 beach mark 를보였다. 그리고피로파괴현상에접했을때는재료자체의문제뿐만아니라형상및하중조건등을종합적으로검토해야만비로서그의원인과방지대책을규명할수있음에유의해야한다. 그동안국내에서도학교나전문기관을통해재료의피로현상에대한교육이수행된결과대부분의기술자들이재료의피로현상에대한인식을갖고있으나주로단순한이론적인내용에한정되어있는형편이다. 본고에있어서는실제제품에서발생하였던피로파괴사례를중심으로하여고찰함으로써피로파괴가일어나기쉬운부위나공정을소개하고그의방지대책수립에도움을주고자함을목적으로하고있다. 2. 피로파괴사례고찰 2.1. Bolt 의피로파괴기계부품의체결용으로가장광범위하게널리사용되고있는요소부품인 bolt 류의피로파괴사례는현장에서흔히접할수있다. 특히 10.9T Grade 이상의고장력 bolt 가널리사용되면서 bolt 에인가되는하중수준도따라서상승하여 bolt 에결함이있는경우쉽게피로파괴를일으키게된다. 파손된 bolt 를조사한결과표면에미세균열들이다수발견되었다. 이러한미세균열의발생원인은표면처리결과로판명되었는데, 조사된 bolt 는통상적으로고장력 bolt 에서는
금지되어있는아연도금공정으로표면처리를실시하였다. 아연도금공정중에전기분해에의해발생된수소원자가 bolt 의내부로확산침투한후응력이인가되면결함부주위로수소원자들이모이게되어그부위가취약해지면서균열이발생되는데, 이것을수소유도균열현상 (Hydrogen inducedcracking) 이라한다. 한편 bolt 의나사부위를조사한결과파손된 bolt 의불완전나사부가매우예리하게가공되어있었는데, 조사결과 bolt 의제조공정이일반적인전조공정이아닌선반가공으로제조되었음을알수있었다. 그결과예리한불완전나사부에큰응력집중이발생되었고, 동시에수소원자의침투에의한조직의취성증가가균열발생을조장시켰으며, 그뒤반복하중에의해균열성장이성장하여파단으로진행되었다. 이 bolt 는그뒤전조공정으로변경하여제조하고불완전나사부도 0.4R 이상이되게관리할뿐아니라, 표면처리도수소취성파괴를일으키지않는흑피처리나인산염처리로공정을변경시켜서파손을방지하였다. 참고로고장력 bolt 의표면에여려가지제약상반드시아연도금을실시해야할경우는아연도금처리후즉시 100 200 에서탈수소처리를반드시해야한다. 2.2. 용접물의피로파괴용접물에서는자주피로파괴현상이발생하는데그이유로는용접 bead 의 toe 가 notch 효과를야기시킬뿐만아니라, undercut 와같은표면결함이발생하기쉽고기타혼입된비금속개재물이응력집중을일으켜피로균열발생점들로작용하게되기때문이다. 한편용접부는보통인장잔류응력이중첩되어있고조직또한취화되어있어균열의진전속도가빨라쉽게파단이일어나게된다. 용접물의피로파괴를방지하기위해서는우선응력집중부가나타나지않도록표면상태를잘관리해야하는데, 높은피로강도가필요한경우에는용접후 grinding 을실시하여용접 bead 를평평하게가공해주어야한다. 한편탄소함량이높은재료를용접할때는용접도중재료가열처리되어용접열영향부에취성이큰조직이발생되고경우에따라서는균열이발생하기도한다. S45C 재질의부품과 SS41 강판이용접되는구조물에서 S45C 부품쪽의열영향부에서관찰된균열을나타내었다. 이구조물은균열이성장되어피로파괴로발전되어파손되었다. 용접열영향부의경도를측정한결과부분적으로 Hv700 이상이관찰되었으며조직은취성이큰마르텐사이트조직이었다. 일반적으로용접부에서는용접열영향부의경도가 Hv350 이하가되도록관리하고있는데그와같은경도를얻기위해서탄소함량이높은강재나
합금강등은용접전에모재를예열한다. 예열을실시하면용접후냉각속도가느려지게되어비교적연성을갖는조직으로상변태되므로취성이방지되며따라서균열이발생되지않는다. 한편피복용접봉을사용하여용접할경우염기성피복용접봉의사용은특별한주의가필요하다. 염기성피복재는그의특징상흡습성이있는데습기를함유한용접봉을사용하여용접하면수소원자가용접도중에용접부에흡수되어앞서 bolt 의피로파괴에서설명한수소유도균열이발생한다. 그러므로염기성피폭용접봉은사용전충분히건조시켜습기를방출시키고, 저장할때도습기가침투하지않게포장하거나 oven 에넣어서보관하여야한다. 3. 결언앞서여러가지요소부품의다양한피로파괴사례에대하여고찰해보았는데현재생산현장에서자주발생하는문제이기때문에주의를기울일필요가있다. 피로파괴의발생원인을살펴보면다음과같이 4 가지로구별된다. 1) 설계불량 2) 가공불량 3) 소재불량 4) 부적절한사용그러나현재기계설계시일반적으로형상계수및충격계수를포함한안전율을여유있게고려하기때문에피로강도가간접적으로설계시반영되어피로파괴는주로가공이나원소재불량및사용상의부주의에의한경우가대부분이다. 즉, 기계가공도중에 notch 가유입되어응력집중을발생시키거나, 규정된표면처리혹은열처리가이루어지지못해서재료의피로강도가저하한경우가많으며, 소재역시비금속개재물이다량함유되어있거나열처리특성이조악한소재가사용되어요구되는강도를확보하지못한경우도많다. 그반면사용자측에서도설계강도를무시한과부하를인가하거나, 부식환경혹은고온에서사용하여피로파괴를촉진시키는경우도있으므로사용자도설계조건을인식하여그한계를넘지않도록해야한다. 피로파괴는단순한원인에의한경우가적고복잡한여러현상이중첩되는경우가많기때문에해석하기어려운경우가많다. 결국피로파괴의방지는피로강도를저하시킬수있는요인들을종합하여설계단계에서부터최종사용단계까지지속적인관리에의해서만달성될수있다.
용접기의원리와구성 1.SMAW ( Shielded Metal Arc Welding ) ; 교류아크용접기 원리 현장에서흔히얘기하는전기용접, 피복아크용접이바로 SMAW 이며, 금속선주위에피복제를도포한전극봉을이용한용접방법이다. 즉용접하려는모재표면과피복아크용접봉의선단사이에발생유지되는아크열에의해모재의일부를용융시킴과동시에용접봉에서이행되는용융금속에의해결합을얻는용접법이다. 이때용접봉의피복은대기중의산소, 질소등의침입을막고용융금속을보호하며아크안정성을가져오고나아가서는용접금속중에합금원소를첨가하는목적으로도포된다. 따라서뒤에언급될 GMAW, GTAW 등에비해별도의보호가스공급장치가필요없다. 또한토치부에있어서도용접봉을잡아주고전류를통전시키는기능의용접봉홀더만있으면된다. 그림 1): SMAW 의원리그림 그림 2): 피복아크용접장치의구성
장치 SMAW 의용접장치는교류또는직류아크용접전원, 용접봉홀더, 용접케이블로구성되어있다. 용접전원의경우직류를사용하는것이아크의안정성문제에있어서는유리하나 ( 특히저전류의경우 ), 연강등의강자성체에직류를사용하는경우아크쏠림이발생하므로용접이어려워진다. 또한장비의구성도교류에비해복잡해진다. 따라서주로교류아크용접기가이용되고있다. 이때작업안전을위하여전격방지기가설치되어야한다. 2. GTAW ( Gas Tungsten Arc Welding ); TIG 용접기 원리 아크발생시거의비소모성인텅스텐전극을이용하여불활성가스속에서아크용접을하는것으로, 통상적으로모든금속에사용될수있으며, 특히박판의모재에가장적합하다. 장치 아크용접전원 ( 정전류용접기 ), 가스공급장치, 용접토치또는용접헤드, 아크스타트를위한고주파발생장치, 텅스텐전극의수냉장치, 제어장치등으로구성된다.
그림.1 GTAW 의원리그림장치구성 그림 2. GTAW
3. GMAW ( Gas Metal Arc Welding )/FCAW( Flux Cored Arc Welding) ; 탄산가스아크 (MAG), MIG 용접기 원리 연속적으로공급되어지는와이어전극봉과모재사이에발생하는아크열에의해서용접이되는데. 대기오염으로부터용접부를보호하기위하여연속적으로공급되어지는보호가스분위기속에서아크용접이이루어진다. 이때, MAG. MIG 는 SOLID WIRE 를이용하고, FCAW 는 WIRE 내부에 FLUX 가충진된 FLUX CORED WIRE 를이용한다. 그림.1 GMAW 장치구성그림 그림.2 GMAW 의원리 장치기본적인구성요소는아크용접전원, 와이어송급장치, 쉴드가스공급장치, 제어장치, 용접토치이다. 아크용접전원은일반적으로직류용접기가사용되나박판의경우에는교류용접기가이용되기도한다. 전류제어방식에따라 SCR, INVERTER ( Transister 이용, IGBT 이용,...) 방식으로분류되며, 최근에 INVERTER 방식의수요가증가하고있고, 펄스제어방식의용접기도시판중에있다. 제어장치는용접전류, 전압의조정및와이어송급속도의조정을담당하는데, 사용자편의및용접품질향상을위한각종기능 ( 크레이터처리, 일원화조건.. ) 을보유하고있다. 또한 ROBOT 등을이용한자동용접의경우로보트와의 INTERFACE 를위한기능이
요구된다. 토치의경우정격출력이 350 A 이하인경우에는공냉식을이용하나, 그이상에서는수냉식토치를사용하여야하며, 따라서별도의냉각장치가필요하다 4. SAW ( Submerged Arc Welding ); Submerged 용접기 원리 1935 년미국의 Union Carbide 社가고안하여 1936 년에실용화된용접방법으로그림. 1 에나타낸바와같이모재의용접부에미세한가루모양의입상용제 (granular flux) 를쌓아놓고, 그속에전극와이어를공급하여와이어의선단과모재와의사이에아크를발생시켜, 그아크열에의하여모재와용제를용해하는자동아크용접이다. 또한아크는물론발생되는가스도외부에서볼수없으므로 submerged arc welding 또는잠호용접이라고도한다. SAW 는종래의아크용접에비하여고능률적이면서양호한용접을얻을수있기때문에, 조선공업뿐만아니라모든기계공업의발달과더불어많은각광을받고있다. SAW 는주로조선, 압력용기, 강관, 차량, 교량, 기타구조부재의접합및덧붙이용접등비교적용접선이길고연속용접이가능한후판에서위력을발휘하고있다.
그림 2. SAW 용접장치의구성 장치 SAW 의중요장비는용접전원, 와이어공급장치및조정장치, FLUX 공급장치, 토치, 주행대차등으로구성되어있다. 다른용접장비 ( SMAW, GMAW, GTAW ) 에비하여특이할만한점은 1 용접전류값이크다 2 대차가필요하다. 3 복수의전극와이어를쓰는경우도있다. 용접기의전원으로는직류, 교류양쪽모두사용되나, 현장에서는용접전류선이길어서이것에따라서아크의전압강화등의불안정등이문제가될수잇다, 이용접기의형태는권총형공구로써, 아크발생시간은모재의두께및스터드의직경에알맞게미리제어장치로써조종해두면, 소정시간아크가발생된후에소멸과동시에전자석에전류가차단됨으로써, 전자석에의해위로올라가있던스터드가스프링의힘에의해용융지에눌려지므로용접이된다.
5. PAW ( Plasma Arc Welding ) ; Plasma 용접기 원리 PLASMA 란아크의단면적을수축하여부분적으로이온화된가스로구성되는고밀도의에너지를전달하는특성을가진에너지원으로서, 이때아크의수축은아크가토치에서모재로이동할때감압노즐 ( reducing nozzle ) 을통과하게함으로써발생된다.PAW 는 GTAW 와밀접한관련이있다. 이두방법은모두아크를발생시키는데텅스텐및텅스텐합금의전극과용접부의보호를위한차폐가스를이용한다. PAW 와 GTAW 의중요한차이점은 PAW 가아크수축의장점을갖고있다는것이다. 따라서플라즈마아크는기둥모양이고, GTAW 아크는원뿔모양이된다. 기둥내에플라즈마아크의수축은아크방향의안정성을증가시키며, 수축된아크는좁은구역에서높은전류량을가지고더큰고열에너지수축을가지게되어서좁고깊은용입을주는용접부를만든다.
그림 1 PAW 의원리 그림 2 PAW 와 GTAW 의비교 PAW 의장점 ---* 작동이용이하다.* 뒤틀림이적다. * 전극의오염이적다.* 좁은열영향부를준다. 장치 PAW 용접장치는대략적으로아래와같이 6 가지구성요소로이루어져있다. 용접기구성 1) 용접전원 ( POWER SOURCE ) 2) 용접토치 3) 제어판 4) 유량가스와보호가스의공급장치 5) 토치냉각장치 6) 원격조정장치 ( 전류 )
그림.3 PAW 용접기의기기구성 그림 4 PAW 용접토치의구조