용접 설계기술 1

강구조물

용 접 설 계 기 술

용접설계기술 목차

 

1. 용접 개요

  1.1. 용접이란?

  1.2. 용접과 조선산업

  1.3. 용접공학과 용접기술

 

2. 각 용접법의 분류 및 특징

  2.1. 가스 용접 및 가스 절단

  2.2. 서브머어지드아크용접(SAW)

2.3. 프럭스코어드아크용접(FCAW)

2.4. 실드메탈아크용접(SMAW)

 

3. 용접설계를 위한 기호 체계 

  3.1. 용접부의 기본 형상 및 명칭

  3.2. 기본기호

  3.3. 보조기호 

  3.4. 용접부의 기호 표시방법 

  3.5. 용접자세 

  3.6, 용접 이음부 형상

 

4. 용접구조물의 강도설계 

  4.1. 허용응력

  4.2. 용접이음 효율

  4.3. 용접이음의 강도 계산 

 

5. 용접설계의 실재

  5.1. 최적의 용접재료의 선택과 공법 결정

  5.2. 개선용접과 Scallop

  5.3. 구조물의 용접변형 제어

  5.4.  Lamination 대책

  5.5. 용접수축여유치(Shirinkage Margin))

  5.6. 용접자세의 중요성

  5.7.  Backing Materials

  5.8. 공장용접과 현장용접

  5.9. 그 외 최적설계를 위한 용접선의 배치

 

6. 용접부의 시험 및 검사

  6.1. 사전시험

  6.2. 사후검사

  6.3. 용접부의 파괴 시험 방법

  6.4. 용접부의 비파괴 검사

 

1. 용접 개요

 

1.1. 용접이란?

 

  용접이란 두 개 이상의 물체(주로 금속)을 붙이는 방법으로 주로 열에너지를 이용하여 두 물질을 붙이는 것을 말한다.

  금속을 붙이는 방법은 크게 금속학적인 방법과 기계적 방법, 접착제를 이용한 방법 등으로 분류할 수 있다. 금속학적 접합(또는 야금학적 접합, 또는 금속학적 용접·접합)이란 붙이고자 하는 면에 열 같은 에너지를 가하여 접합하고자 하는 곳을 녹이던지 또는 금속원자의 열확산을 촉진시켜 여러 가지 금속학적인 현상(재료 상호간에 용해 및 응고, 확산, 소성변성 등)을 이용하여 붙이는 방법으로 용접이 이에 해당한다.

용접에 필요한 구성요소는 용접의 종류에 다소 차이는 있으나 ① 용접대상이 되는 재료(모재) ② 열원(가열열원으로 가스열이나 전기에너지가 주로 사용되고 화학반응열, 기계에너지, 전자파에너지 사용) ③ 용가재(溶加材; 융합에 필요한 용접봉, 용접와이어나 납 등) ④ 용접기와 용접기구(용접용 케이블, 호울더, 토우치, 기타 공구 등) 등이 필요하게 된다.

용접을 분류하는 방법은 매우 복잡한데 학문적으로는 다음과 같이 분류한다. 용접시의 금속이 고체상이냐, 액상이냐, 또는 가압여부에 따라서 융접(融接; fusion welding), 압접(壓接) 및 납땜(soldering, brazing)으로 분류하는 방법이 있다.

접착이란 말그대로 접착제를 이용하는 방법이며, 참고로 기계적 이음은 용접은 아니지만 재료를 잇는다는 목적성이 같고 용접과 병행하는 경우도 많이 있는데 종류는 다음과 같은 것들이 있다.

  (1) 볼트 접합 : 드루우 볼트와 스터드 볼트 밑 탭 볼트에 의한 접합으로서 분해 또는 결합할 부분에 사용하므로 리베팅 또는 용접과는 성질이 다르다. 주로 건축이나 강교 등의 접합부에 많이 활용되고 있다.

  (2) 리벳접합 : 주로 영구적 목적에 사용되며 견고하고 안정하므로 철근구조물 및 보일러 탱크 선박 등에 널리 사용된다.

  (3) 시이밍 : 주로 판금작업에서 겹치기 이음 할 때 사용된다.

  (4) 익스팬딩 플랜지 : 파이프 패킹 등의 이음 또는 결합에 사용한다

 

1.2. 용접과 조선산업

 

   근대식 용접이 중요한 역할을 하는 대규모 건축이나 토목은 물론 조선해양 분야에 이용하게 된 직접적인 이유는 1차 세계대전 당시 재료와 노동력의 절감이 절실한 시대적 요구를 효과적으로 해결한 신흥기술었다는 점이다. 특히 전기 용접은 20세기의 공업계에 신기원을 만들었다고 할 수 있다. 즉 전기 용접은 그 작업이 신속하고 간단하며 제품의 강도 재료 및 경상비의 절약등 각 방면에 있어서 대단히 우수한 성적을 내고 있으므로 조선 , 항공기 , 건축 , 기계 , 철도 , 수도 및 소규모의 공업으로부터 귀금속 공업 등에 이르기까지 광범위하게 이용되는 중요한 것으로 용접은 그 자체가 공업의 일부분으로 되어 있다. 이와 같이 보편성과 중요성이 있는 것이므로 앞으로 각 방면에 더욱 널리 쓰이고 더 발전될 것으로 예측하고 있다.

 

   흔히들 조선산업의 생산공정에서 용접이 차지하는 비중이 50 %가 넘는다고 이야기할 정도로 매우 중요하게 인식되고 있다. 강재를 주로 사용하여 선체를 구성하는 조선 생산공정은 기계장치류를 제외하면 구조와 배관, 철의장 분야가 남고 이들은 대부분 용접에 의하여 도면상에 표현된 시스템이나 형상을 현실 속에 구현하게 된다. 물론 도장이나 도크배치, 진수, 시운전 등의 공정들도 있지만 이들또한 용접공정의 진척도에 따라 많은 영향을 받고 있다.

 

형상이 크고 용접량이 많다고는 하지만 옥외 작업이 대부분이고 용접부의 형상이 불규칙한 곳이 많은 조선산업의 특성상 자동화율이 향상되었다고는 하지만 아직까지도 기계가 아닌 사람의 손에 의해 직접 용접작업을 수행하는 되는 곳이 많이 남아 있다. 용접자동화는 단순히 인건비 절감의 측면도 있지만 품질규격화와 재료비 절감 그리고 작업시간의 절감에 따른 선박건조기간의 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 특히 석유시추구조물과 같이 짧은 경기변동에 영향을 크게 받는 경우는 건조기간의 단축은 주문주나 제작자 모두에게 엄청난 부가가치를 가져다 주게 된다.

따라서 해운시장의 변동을 제외해 놓고 볼 때 조선산업의 성패는 용접자동화율을 얼마만큼 향상시킬 수 있느냐 하는 것이 좌우한다 해도 그리 지나친 말은 아닐 것이다.

현재 우리 회사의 용접자동화율은 선박분야 약 90 %정도, 해양플랜트분야의 경우 약 80 %에 이르고 있다.

 

1.3. 용접공학과 용접기술

 

   용접기술이라고 하는 것은 용접공학을 기초로 하고 용접 구조물의 제작에 관한 기술을 포함한 것이다. 용접공학은 용접기술의 기초가 되는 부분으로서 용접재료, 용접공법 및 용접 역학 등으로 분류할 수 있다.

   용접 재료를 이해하기 위해서는 재료의 금속 공학적인 면에서 용접과 관계가 큰 물리야금과 화학야금학의 지식을 활용하여 용접하는 모재의 성질 , 열영향부의 변화 , 용착금속의 용해에서부터 응고과정 등에 대한 지식을 갖추어야 한다.

용접이 구조물의 형상을 구현하고 위치를 고정하는 것이라는 점에서 구조물 자체의 안정과 외부 환경에 대한 적응성을 고려하는 것도 필수임으로 용접역학적인 지식을 통한 계산과 해석, 적절한 재료의 선택이 필수가 된다. 또한 설계단계에서는 생산효율을 높일 수 있도록 구조적인 안정을 도모하는 것에 덧붙여 용접부재가 모재에 용접되는 순서 및 방향, 용접개선의 삽입 등을 통해 작업성 및 변형의 제어를 위한 적절한 배려가 이루어져야 한다.

또한 재료와 역학적 이해를 바탕으로 만들어진 데이터나 정보를 실재 생산 현장에 효과적으로 적용하기 위해서는 용접장비의 개발 또는 선택, 치공구의 활용 등에 생산기술 또는 용접공법 측면에서의 지원도 중요한 의미를 가진다.

 

이와 같은 용접재료, 용접역학, 용접설계, 용접공법 등의 제반 지식들이 효과적으로 모아지고 뒷받침될 때 생산효율의 극대화가 가능하게 될 것이고 경쟁력이 확보될 것이다.

그러나 현실로 볼 때 용접공학에 대한 전문적인 지식을 가진 사람들이 드물고 대부분이 경험을 바탕으로한 기능 위주의 지식 습득이 이루어지고 있기 때문에 전문적인 영역에 대한 업무는 소수의 인원 또는 집단에  의해 진행되고 있어 용접의 중요도에 대한 공감대의 형성이 이루어지지 않고 있다는 문제점을 가지고 있다.

 

미국이나 영국, 일본 등 과거부터 기계 및 장치 등 용접이 수반되는 강구조물 분야에서 우를 보여 왔던 나라들에서는 최근 험한 일을 기피하는 추세가 장기화됨에 따라 용접분야의 고급 인력수급에 차질을 빚고 있으며, 상대적으로 용접기술자의 대우는 파격적으로 향상되고 있다.

 

2.1. 가스 용접 및 가스 절단

 

산소와 아세틸렌 가스를 혼합하여 연소시키면 3000℃이상의 열이 발생한다. 이 열로서 금속의 일부를 녹여 접합하는 방법으로 필요에 따라 용접봉과 용제를 사용한다. 가스 용접법의 중요한 이점은 각종 금속에 대한 응용 범위가 넓고 가열 조절이 비교적 자유스러우며 작업이 쉽고 운반이 편리하며 설비비가 싸다는 점이다. 실제로 이 용접법의 열에 대한 민감성 ?문에 균열 발생의 염려가 있는 금속 , 엷은 판 , 판재 , 비철 합금 , 특히 용융점 증발점이 낮은 금속의 용접에도 사용된다. 단점으로는 직접 용접에 사용되는 열효율이 낮은 점 폭발의 위험 소모비 등이 많다는 점이다. 또한 재질의 탄화 및 산화의 우려가 있고 금속 아크에 비교하여 가열 범위와 가열 시간이 많기 때문에 금속에 따라서는 기계적 강도가 떨어진다. 그러나 이와 같은 결점은 장치 조작 방법 등에 의하여 개선되어 가고 있다. 한편 아크 용접에서는 자외선 적외선 등의 유해 광선이 발산되나 가스 용접에서는 거의 가시 광선이다.

 가스 용접에 쓰이는 가스는 산소와 아세틸렌 , 산소와 수소 , 산소와 석탄가스 등이고 얻을 수 있는 최고 온도는 각각 3500℃ , 2500℃ , 1500℃ 정도이다 이 밖에 프로판가스 , 수성가스 등이 있으나 산소와 아세틸렌의 혼합가스가 가장 많이 쓰인다. 가스 용접은 저탄소강  합금강 주강 등을 용제를 쓰지 않고 쉽게 용접할 수 있으며 스테인레스강 , 주철 등은 용제를 사용하여 표준 화염으로 용접할 수 있다.

2.2. 서브머어지드아크용접(SAW)

 

   서브머어지드아크용접(Submersed Arc Welding, SAW)은 일종의 자동 아크용접법이다. 용접 이음의 표면에 입상의 용제를 공급관을 통하여 공급시켜놓고 그 속에 연속된 와이어로 된 전기 용접봉을 넣어 용접봉 끝과 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접한다. 이 때 선재의 이송 속도를 조정함으로써 일정한 아크 길이를 유지하면서 연속적으로 용접을 한다. 이 장치는 아크 전압의 변화에 따라 전극 선재를 내보내는 부분과 이음에 좇아서 용접 헤드부분을 진행시키는 기구로 되어 있다. 여기서 아크나 발생 가스가 다 같이 용제 속에서 생기고 밖에서는 보이지 않는다.

  이 방법은 용제에 의하여 용접부를 완전히 외부 공기층과 차단하고 용융된 용제로 강력한 정련 작용을 하도록 하고 슬랙으로 용착 금속의 표면을 덮어 용접부의 기계적 성질을 좋게 한다.

  장점에는 다음과 같은 것이 있다.

  (1) 용접 조건을 일정하게 하고 자동 용접을 하므로 용접공 기숙의 차에 의한 용접 격차가 없고 강도가 우수하여 용접 이음의 신뢰도가 높다.

  (2) 적당한 와이어와 용제를 써서 용착 금속의 모든 성질을 개선할 수 있다.

  (3) 열에너지의 손실도 적고 용접 속도가 수동 용접의 10-20 배에 달하므로 능률이 높다.

  (4) 용접 흠의 크기는 작아도 용접 재료의 소비가 적어져서 경제적이며 용접 변형도 적다.

  결점으로는

  (1) 자동 용접이므로 설비비가 많아 든다.

  (2) 용접 길이가 짧고 용접선이 구부러져 있을 때에는 용접 장치의 조작이 어려워지며 비 능률적이다. 주로 아래보기 용접에만 적용된다.

  (3) 용접 흠의 가공은 수동 용접에 비하여 그 정밀도가 좋아야 하므로 특히 루트 간격이 크면 떨어질 위험이 있다.

 

<그림 1> 서브머어지드아크용접 개념도

   서브머어지드 아크 용접 장치에서 유니온 멜트식의 대차식 자동 용접 장치는 모재와 용접봉 사이의 아크를 일정하게 유지할 수 있는 자동 조절 장치가 있다. 이 용접법의 특징은 전류를 많이 사용하여 용접하며 같은 용접봉 지름에 대하여 아크 용접의 6배 이상의 강한 전류를 사용한다. 따라서 용접 속도가 빠르며 두꺼운 판도 단층으로 용접할 수 있다. 이 용접법은 연강은 물론 특수강 일부 비철 금속을 용접하는 데도 널리 사용한다. 이 기계는 조선, 차량 제작 등에 사용되고 5mm의 용접봉에는 700-1200A 로서 작업한다. 보통 용접에서는 여러 번 왕복하면서 반복 용접하여야 되는 것을 단지 한 번의 공정으로 작업할 수 있으므로 용접 시간이 1/10 ~ 1/20 로 단축된다.

 

2.3.  플럭스코어드아크용접(FCAW)

 

  플럭스코어드아크용접(Flux Cored Arc Welding)은 아르곤 헬륨 같은 불활성 가스 대신 값싼 탄산가스를 이용하기 때문에 탄산가스용접법이라고도 하며 대표적인 반자동용접법에 해당한다. 탄산가스는 아르곤 헬륨등과 같은 불활성 가스가 아니므로 고온 상태의 아크 중에서는 산화성이 크다. 그러므로 보통 피복되지 않은 용접봉을 사용할 경우 용접부에는 블로우 홀 및 그 밖의 결함이 생기기 쉬우므로 이와 같은 결점을 제거하기 위하여 망간 , 실리콘 등을 탈산제로 하는 망간-규소 계 와이어를 사용하든가 또는 값싼 탄산가스 산소 등의 혼합 가스를 쓰는 탄산가스 산소 아크 용접법을 사용하고 있다.

 

<그림 2> 플럭스코어드아크용접 개념도

 

  (1) 탄산가스 아크 용접 장치 : 용접 장치에는 와이어 송급 장치 , 와이어 릴 , 그 밖의 사용목적에 따라 여러 가지 부속품 등이 있다. 그리고 이산화탄소 , 산소 , 아르곤 등의 유량 계가 붙은 조정기 등이 필요하다. 유니온 탄산가스 아크법에서는 자성을 갖고 있는 플럭스가 탄산가스와 더불어 공급되고 용접봉 와이어에 흐르는 직류 전기 때문에 생긴 자장으로 인하여 플러스가 용접봉 와이어에 부착되어 피복 아크 용접봉과 유사한 상태로 용접된다.

  (2) 탄산가스 용접용 와이어와 플럭스 : 탄산가스 아크 용접용 와이어에는 와이어 뿐인 것 용제가 미리 심선 속에 들어 있는 와이어 자성에 의하여 용제를 빨아들이는 방법 등이 있다. 각각 그 장치에 적합한 용접 재료를 선택하여야 한다.

  (3) 탄산가스아크용접 시공 : 심선의 용융 속도는 심선경에 영향없이 아크 전류에 정비례하여 증가한다. 심선의 선단이 너무나 길면 좌우로 흔들리며 비이드가 아름답지 못하여 불안전해진다.

 

2.4. 실드메탈아크용접(SMAW)

 

실드메탈아크용접(Shielded Metal Arc Welding)은 대표적인 수동용접 공법이다. 탄소아크에 의하여 용접 열을 공급하고 용착 금속은 별도로 용가재를 사용하여 이것을 녹여 공급하는 것을 탄소아크용접방법이라 하고 이 방식의 용접을 비용극식 용접법이라고 하며 오늘날의 불활성가스텅스텐 아크용접법은 이 방법이 발전된 것이다.

아크 용접법의 초기에는 직류 전원을 사용하였다. 그러나 피복용접봉의 발명으로 그 후 교류 전원에 의한 용접법도가능 가능하게 되었다. 교류아아크 용접기는 효율이 좋고 가격도 싸며 보수와 취급등이 쉬우므로 널리 사용되고 있다.

금속 용접봉에는 심봉의 주위에 특수 용재의 피복을 한 피복 용접봉이 사용되고 용접할 때 피목제가 고온에서 가스를 발생시키든가 또는 슬랙이 되어 공기중의 산소와의 화학 작용을 방지하여 용융 금속을 보호함으로써 좋은 용접이 되도록 한다. 보통 공기 저항을 깨트리고 아크를 발생할 수 있는 개로 전압은 직류에서는 50-80V 교류에서는 70-135V 이다. 아크 발생 후에는 전압이 감소되므로 아크를 계속하는데 필요한 아크 전압은 20-30V 이다. 그러나 피복 용접봉을 사용하면 다소 차가 있으며 발생된 아크는 안정한 상태를 유지하도록 작업 조건을 조절해야 한다. 직류를 사용한 아크는 전체 발열량의 60-75% 가 양극 측에 발생한다. 교류를 사용하면 교번 전류로 인하여 양극의 발열량이 동일하게 된다.

<그림 3> 실드메탈아크용접 개념도

3 용접설계를 위한 기호 체계

 

3.1. 용접부의 기본 형상 및 명칭

   L = 용접선               t1, t2 모재두께          r : root gap

   F : root face               H = 여성고             Taper : t1, t2의 차에 따라 적용

 

<그림 4> 개선용접부의 형상과 명칭 일예

 

  용접 금속 및 그 근처를 포함한 부분의 총칭하는 용접부(weld zone)는 용접금속(weld metal, 용접부의 일부이며, 용접하는 동안 용융되었다가 응고된 금속)과 용착금속(deposited metal, 용접 작업에 의하여 용가재로부터 모재에 용착한 금속)이 녹았다가 다시 응고된 부위로 구성된다. 용착비드(weld bead)란 용접작업에서 용접장비가1회의 패스(지나감)

 

용접기술-3

3.2 기본기호

  ** 생략(도면작성 기준 교재 참조바람)

 

3.3. 보조기호 

   ** 생략(도면작성 기준 교재 참조바람)

 

3.4. 용접부의 기호 표시방법 

 ** 생략(도면작성 기준 교재 참조바람)

 

3.5. 용접자세 

 

  (1) Fillet 용접에서의 용접자세

 

<그림 5> Fillet 용접에서의 자세 구분>

 

  (2) 개선 용접에서의 용접자세

     1G아래보기             2G수평자세            3G수직자세         4G 오버헤드

     1G Rotated              2G수평자세      5G수평고정관(현장)      6G경사고정관

 

<그림 6> 용접자세 구분

 

(3) 그 외 용접자세 구분

  ① Fillet Welds In Plate - Test Positions : 1F, 2F, 3F, 4F

  ② Fillet Welds In Pipe - Test Positions : 1F, 2F, 3F, 4F, 5F

  ③ Stud Welds - Test Positions : 1s, 2s, 4s

3.6, 용접 이음부 형상

 

  (1) 필렛용접(Fillet Joint)

필렛용접이란 가장 일반적인 맛대기이음과 더불어 가장 일반적인 용접에 의한 부재 이음의 방법이다.

필렛용접은 부재의 용접면에 홈(Groove)을 시공하지 않고 양쪽 또는 한쪽면에 용접비드를 쌓아 올려 부재를 고정시키게 되며 용접선을 잇는 것이 일반적이지만 그러지 않고 중간 중간 띄워서 용접을 하는 단속용접(intermittent welding)의 경우도 있다. 단속용접은 부재이음부에 완전한 용접을 하기 전에 위치를 맞추기 위해 하는 가용접(tag welding)과는 달리 최종용접으로 사용되는 방법이다.

 

<그림 7> 필렛 이음부 형상

 

(2) 맛대기이음(Butt Joint)

맛대기이음이란 필렛용접과 더불어 부재와 부재를 연결하는 가장 일반적인 방법 중의 하나로 부재면에 필렛시공을 위한 여유부가 없거나 응력 집중이 큰 부위에 적용하게 된다.

맞대기 이음에서 Groove Type의 적용은 부재의 두께 및 형상에 따라 구분하여 적용된다.

<그림 8> 맛대기 이음부 형상

     I-Groove : Square         V- Groove : V           X-Groove : Double V

         Y-Groove : Y           1/2V-Groove : Bevel       K-Groove : Double Doble Bevel

         * 기타 : Flange Type, Flare Type, Plug or Slot Type 등

        

<그림 9> 맛대기 이음에서 개선단면 형상

 

  모재에 개선시공을 통한 이음용접은 완전용입과 불완전용입을 구분하여 강도의 계산 및 검사방법 등에서 차이를 두고 있다. 이 두 가지 경우를 구분하고 표현하는 방법은 규정에 따라 다음과 같다.

  ① 완전용입 : 용입의 깊이가 모재두께와 동일한 경우의 용입(AWS, 대한용접학회)

       -  AWS code : CJP(Complete Joint Penetration)

       - 선급 RULE : FP(Full Penetration)

       - 우리 회사 (기술본부) : FP       (해양플랜트본부) : CJP & FP

   ② 불완전 용입 : 불완전 이음매 용입(AWS, 대한용접학회)

       -  AWS code :  PJP(Partial Joint Penetration)

       - 선급 RULE :  ABS PP(Partial Penetration)

                      DNV, LR DP(Deep Penetration)

       - 우리 회사(기술본부) : PP & DP   (해양플랜트본부) : PJP & PP

  우리 회사 기술본부에서 적용하는 DP는 불완전 용입을 뜻하며 Back Gouging을 할 필요가 없으며 내부 결함을 검사하기 위한 RT 또는 UT 검사가 필요하지 않다는 개념이며 해양플랜트본부에서는 해양구조물 및 강교공사에서 이와 같은 용접을 PJP(또는 PP)에 포함시키고 있다.

 (3) T 이음부 (T- joint)

 

 

 

 

 

 

<그림 10> T 이음부 형상

 (4) 가장자리 이음부 (Edge joint)

<그림 11> 가장자리 이음부 형상

 

 

   (5) 모서리 이음부 (Corner joint)

<그림 12> 모서리 이음부 형상

 

 (6) 겹치기 이음부 (Lap joint)

 

<그림 13> 겹치기 이음부 형상>

 

  (7) 기타 이음용접

     - 플러그 용접(Plug Welding)

       - 슬롯 용접(Slot Welding)) 등

4. 용접구조물의 강도설계 

 

4.1. 허용응력

 

  허용응력은 구조물의 강도 부재를 설계할 때 외부로부터 하중을 받아서 내부에서 발생하는 응력이 설계상 안전하다고 인정되어 허용되는 최대의 값을 말하는데 인장과 압축, 전단에 대하여 각각 적용되는 허용응력의 결정을 위해 사용되는 안전율은 시방서의 규정에 의해 구체적으로 명시된 값을 적용하게 된다.

 

4.2. 용접이음 효율

 

  용접이음의 허용응력을 정하는 경우에, 모재의 허용응력을 기준으로 하여 용접이음의 어떤 요인에 의해 저감된 허용응력과의 비를 이음효율이라 한다.

이음효율 결정에있어 변수가 되는 요인은 검사방법, 용접작업 수행 장소 등이 적용될 수 있으나 구체적인 사항은 해당 규정에서 명시하고 있다.

 

  용접이음 효율 =  (용접이음의 허용응력 / 모재의 허용응력) ×100 (%)