산업안전사고예방 - 용접결함의 종류와 방지대책

1. 용접균열(weld crack)은 용접부에 생기는 치명적인 결함으로서 어떠한 작은 균열도 부하가 걸리면 응력이 집중되어 미세한 균열이 점점 성장하면서 커지면서 마침내는 파괴를 가져오는 무서운 것으로 균열을 발견하면 반드시 그 부분을 파내고 보수용접을 하여야 한다. 용접결함은 홈의 형상이나, 용접봉선택이 부적당할 때 발생될 수도 있지만 주로 용접전류, 아크 길이, 운봉법 등 용접사의 기능에 좌우되는 수가 많으므로 용접시는 용접에 관한 전문기술과 지식을 습득하고 난 다음 작업을 해야 한다. 이러한 용접균열 및 용접결함의 발생에 대한 지식을 갖춤으로서 설비 정비 시 용접균열의 발생을 최소화하는데 목적이 있다.

2. 용접균열의 발생 원인

1) 수소에 의한 균열
강 용접부의 균열은 수소(H)에 의한 경우가 많다고 볼 수 있다. 특히 저온균열과 유화물 응력 부식 균열은 수소와 밀접한 관계가 있다. 이것은 용접할 때 다량의 수소가 용착금속 중에 용해되는 것으로 용착 금속이 응고되면 수소가 강중에 그대로 남을 수 없게 되어 외부로 방출되려고 하나 용착 금속부가 빨리 응고되므로 전부 나가지 못하고 서로 인장되어 강 내부에 큰 압력을 이루게 되므로 균열이 일어난다.

2) 외적인 힘에 의한 균열
용접부에 가해진 외적인 힘과 내적인 힘의 균형이 용접부의 파괴강도 이상으로 되면 균열이 일어난다. 외적인 힘에 의한 균열에는 사용 중 외부에서 가해지는 힘에 의한 것과 용접 후에 그대로 방치하여 놓아도 균열을 일으킬 때가 있는데, 이때에도 외적인 힘이 항속력으로 된다.

3) 내적인 힘에 의한 균열
내적인 힘 중에서 가장 중요한 것은 열응력(thermal stress)인데, 이것은 용접할 때 국부적으로 연속하여 가열, 냉각되기 때문에 팽창 및 수축이 불균일하게 되므로 균열이 일어나는 것이다.

4) 변태에 의한 균열
이것은 용접부가 고온도로 가열된 부분과 용접금속이 냉각 도중에 강 내부의 결정 배열이 변함에 따라 체적도 변해야 하지만, 이미 굳은 강은 쉽게 움직이지 못하므로 결국 변태를 수반하는 체적 변화에 상당한 응력이 내부에 남게 되는 응력을 변태응력이라고 한다.

5) 용착금속의 화학성분에 의한 균열
용접금속의 성분 중에서 균열의 원인에 영향을 미치는 가장 유해한 것은 황(S)과 인(P)으로, 이들 중에서 특히 황에 의한 균열이 가장 큰데, 황은 부분적으로 층상편석이 되는 성질이 있으며, 모재의 편석은 균열발생의 원인이 된다.

6) 노치에 의한 균열
예리한 각도를 가진 노치가 있으면, 내부에 있는 응력이 노치 끝 부분에 응력이 집중되므로 균열발생의 원인이 된다. 그러므로 표면 덧붙이와 같은 것을 필요 이상 높게 할 필요가 없다.

3. 용접 결함의 종류 및 방지대책

1)용입불량
용입불량(lack of penetration)은 용접기술 관리상 중요한 문제가 되는 것으로 용접홈 안의 용접 또는 필릿 용접이음을 할 때 용접전류가 너무 낮아 아크 열이 홈의 밑 부분까지 충분하게 용융시키지 못했을 때 생기는 현상으로 용접속도가 부적당할 때(용접속도가 빠르면 용입부족이 되고, 늦으면 용입이 과대하게 되어 용락이 된다.) 발생한다. 용접이 좁을 때(홈각도 또는 루트간격이 좁으면 루트부의 용읍보다 용접봉 용용이 먼저 되므로 용입 불량이 일어난다.) 또한 용접봉의 선택이 잘못되었을 때 용접봉의 특성을 고려하지 않거나 홈 각도에 적합하지 않은 용접봉 지름을 선택했을 때 용입불량이 있다.

1-1) 결합발생의 원인
- 홈각도가 좁다.
- 용접속도가 너무 빠르다 .
- 용접전류가 낮을 때
1-2) 결함의 방지대책
- 흠각도를 크게 하거나 루우트 간격을 넓힌다.
- 용접속도를 늦춘다.
- 용접전류를 약간 높인다.

2) 언더컷
언더컷(under at)이란 용접 비드 끝단(toe)에 생기는 작은 홈을 말하는 것으로 용접전류가 과대할 때, 아크 길이가 길 때, 운봉속도가 너무 빠를 때 생기기 쉽다. 따라서 전류를 적절히 조정하고 아크 길이를 짧게 유지하며, 너무 빨리 운봉하지 않도록 하면 된다. 특히 수직자세의 용접을 할 경우는 일정한 속도로 운봉하지 말고, 비드 양 끝에서 약간 멈추는 듯 하게 한다. 특히 크레이터에 용융금속을 채워 놓은 뒤에 운봉에 들어가도록 한다. 필릿 용접이음에서는 특히 용접봉의 각도와 운봉 속도에 주의하고, 모재 두께와 홈 상태에 따라 용접봉 지름을 선택하여야 한다. 언더컷은 홈이 생긴 만큼 기계적 강도가 부족하게 되고, 노치를 이루어 구조물 사용 중에 균열이 발생하기 쉬우므로 주의해야 한다.

2-1) 결합발생의 원인
- 전류가 너무 높을 때
- 아크 길이가 너무 길 때
- 용접속도가 너무 빠를 때
- 부적당한 용접봉 사용 시

2-2) 결합의 방지대책
- 전류를 낮춘다.
- 짧은 아크 길이로 유지
- 용접속도를 늦추고 운봉주의
- 목적에 맞는 용접봉 선정

3) 오버랩
오버랩(overlap)은 용융된 금속이 모재와 잘못 녹아 어울리지 못하고 그림에서와 같이 모재면에 덮쳐진 상태를 말한다. 이것의 원인은 언더컷이 생기는 경우와 반대로 용접전류가 너무 약할 때 또는 용접속도가 너무 느릴 때 생기기 쉬우므로 적당한 용접조건과 운봉법에 주의하면 방지할 수 있다. 언더컷이나 오버랩은 외관검사를 통해 발견하면 결합부분을 제거하고 본 용접봉보다 약간 가는 용접봉으로 보수용접 해야 한다.

3-1) 결합발생의 원인
- 전류가 너무 낮을 때
- 용접속도가 너무 느릴 때
- 운봉방법(용접봉취급) 불량
3-2) 결함의 방지대책
- 전류를 적정수준으로 맞춘다.
- 용접속도를 약간 높인다.
- 안정된 운봉방법을 택한다.

4) 기공과 피트
기공(blowhole)과 피트(pit)는 다 같이 용접금속에 생기는 기포를 말하는 것으로 용접금속 내부에 존재하는 것을 기공이라 하고, 비드 표면에 입을 벌리고 있는 것을 피트라고 한다. 기포의 발생은 용접금속 내의 수소 및 산소가 원인이 되므로 따라서 기포를 방지하고자 할 경우는 용접금속 내의 수소, 산소를 줄이면 된다. 일반적으로 직접적인 원인으로 생각되는 것에는 공기 중의 산소 용접봉 플럭스 속의 유기물 및 습기, 홈 표면의 녹, 기름, 먼지 등이 원인이 되고 냉각속도도 기공발생에 영향을 미친다. 용접전류가 부적당할 때에도 기공이 생기기 쉬우므로, 용접봉의 선택 및 건조 이음의 청소와 예열 등의 작업준비에 만전을 기하고 적당한 용접조건으로 용접하면 방지할 수 있다.

4-1) 결합발생의 원인
- 용접봉에 습기가 많을 때
- 용접부가 급랭될 때
- 이음부에 기름, 페인트가 혼입되었을 때 라. 아크 분위기 속에 수소, 산소, 일산화탄소가 너무 많을 때
4-2) 결함의 방지대책
- 잘 건조된 용접봉을 사용
- 후열로 냉각속도를 늦춘다.
- 이음부 청소를 잘한다.
- 저수소계 용접봉을 사용