4.3. 용접이음의 강도 계산
(1) 용접부의 명칭과 정의
① 필렛용접
필렛용접에서 강도계산을 하기 위해서는 먼저 각장(목길이)과 각목(목두께)에 대해서 이해해야 한다. 도면에 따라 각장과 각목을 쓰는 경우가 있으므로 도면 상에서 수치로 표현된 값을 사용할 때 가장 먼저 어떤 기준을 따랐는지를 확인하는 것이 필수이다.
그리고 실재 작업에서 형성되는 용접부와 강도계산을 위해 사용되는 목두께도 약간의 차이가 있다는 것을 기억할 필요가 있다.
용접에 관한 응력산정에는 목단면적이 중요하게 이용되고 목단면적의 계산에는 각목이 활용되기 때문에 각장으로 표현된 값이라하여도 이를 각목으로 환산하여 사용하게 되는 것이 일반적이다.
각장(S)을 각목(a)으로 환산하는데는 사인법칙과 피타고라스 정리를 이용하여 구할 수 있는데 다음과 같은 식으로 표현된다.
목두께(각목) : a = S cos(θ/2)
- 일반적인 Fillet 용접부 ; θ=90° , a = S / = 0.7 S
- 직각이 아닌 Fillet 용접부 ; 60° ≤ ≤ 120° , a = S cos (θ /2)
5.2. 개선용접과 Scallop
강구조물 설계에서 개선과 scallop은 다양하게 여러 부위에서 활용되고 있다.
Scallop은 Fillet용접부에서는 용접선이 끊어지지 않고 이어지도록 하고 응력집중부에서는 이를 분산할 목적으로 적용되며, Slot Hole은 부재가 교차하는 지점에서는 이를 연속적으로 이어지도록 하기 위해서도 사용된다.
이와 같은 그러나 기본설계도면(상세설계도면)에 명확히 표시된 경우는 문제가 없겠지만 가끔 적용기준이 애매하거나 형평성을 가지지 못한 경우도 있고 현장작업성의 개선을 위해 임의 시공하기도 하는 등 문제의 소지가 있다.
부위가 많지 않을 경우 아래 기준을 참고로하여 기본도를 검토하고 만약 다른 포인트가 발견될 경우 바꾸어 주는 것이 좋다. 다수의 포인트가 발견될 경우 사전에 주문주와 협의하여 설계변경(change order)을 도모하고 그렇지 않을 경우는 설계자의 판단으로 바꾸어 주는 것이 효과적일 것으로 생각되어 추천한다. 이것은 기본도에 대한 책임소재나 비용의 문제를 떠나 이미 용접완료한 부재를 수정하는 것은 생산공정을 지연시키고 제품의 품질을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있기 때문이다.
(1) 개선시공 필수부위(추천사항)
① 규정치(공사 별로 조금씩 차이가 있음) 이상의 두께를 가지는 부재의 맛대기 용접
② 힘의 집중이 현저하게 이루어 지는 부재의 연결부위
* 단, Wall이나 Bulkhead는 예외
③ 크레인이나 장비의 Stopper
④ Column과 Girder의 연결부위
⑤ Hanging Type의 Support
⑥ 인장응력을 받는 부재에 연결될 경우
⑦ 부재의 중요도나 응력집중도에 따라 Tow Griding 필요 유무 점검
(2) Scallop 적용 회피 부위(추천사항)
① 인장력 또는 인장과 압축이 교차하여 작용(교번응력)하는 부재
② 통상의 압축력을 현저히 초과하여 집중되는 부재
예) 교량의 지점 상부에 설치되는 지점보강재와 그 주위 보강부재
③ 진동이 심하게 발생할 가능성이 있는 지역의 부재
④ 무게가 큰 장비 또는 LUG가 있는 주변의 부재
⑤ 크레인이나 장비의 Stopper
⑥ Hanging Type의 Support
⑦ Column과 Girder의 연결부위
⑧ Gas Tight 또는 Fume Tight가 요구되는 Wall
* 단, Diaphragm의 경우 모서리부의 응력 집중을 피할 필요가 있을 경우는 예외
⑨ 개선용접되는 부재와 연결되는 부재일 경우 Scallop설치 필요성 재확인 필요
<그림 19> Scallop 형상
5.3. 구조물의 용접변형 제어
구조물 제작에서는 용접열에 의한 근본적인 변형 외에도 수없이 많은 요인들에 의하여 복합적으로 변형이 발생되고 있다. 용접에 의한 변형으로는 용착금속과 모재사이의 급열과 급냉의 과정에서 국부적인 불균일한 팽창 및 수축으로 변형과 잔류응력이 발생된다. 일반적으로 구조물의 용접시에 용착금속이 자유롭게 팽창, 수축할 수 있도록 구조물의 구속상태가 적으면 잔류응력은 적지만 용접수축 및 변형은 크게 나타나며, 용착금속이 자유롭게 수축할 수 없도록 구속도가 강하다면 용접변형은 적지만 잔류응력은 크게 나타난다. 이의 잔류응력은 다른 복합적인 요인에 의해 구조물의 제작과정에서 취약한 구조인 Deck Plate에 변형을 계속적으로 유발시킨다.
용접변형 및 잔류응력은 구조물의 강도 저하 및 와관상의 품질 저하를 유발하며 다음공정에서는 치수편차 등의 문제가 발생되어 이를 교정하는데 많은 생산시수 소요 및 작업 공기를 지연시키며, 또한 생산공정의 자동화를 방해하는 요인이 되기도 한다.
용접구조물에서는 용접변형은 피할 수 없는 현실이므로 용접변형이 발생되는 원인 및 이에 대한 제어법을 정확히 이해하여 설계 및 생산단계에서 이를 반영하여 변형이 최소화되도록 사전관리하는 것이 무엇보다도 중요하다고 볼 수 있다.
일반적으로 용접변형을 줄일 수 있는 방법으로는 다음과 같은 것들이 검토될 수 있다.
① 용접열원의 크기를 적게 한다
- Groove의 크기를 작게 한다
- 적은 열원의 용접기법을 적용한다
- 정규 용접각목를 준수한다
- 용접순서를 준수한다
② 구조물의 강성도를 증가시킨다
- 판 두께의 증가 및 보강재를 부착한다
- 내구재의 간격을 좁게 한다.
- 구속한다
③ 변형량을 고려한 역변형을 적용한다
④ 곡직은 적은 열원으로 정확한 위치에 작업한다
설계단계에서 용접변형을 줄이기 위한 조치로는 다음과 같은 것들이 있다.
① 가급적 용접부를 줄이거나 없애거나 줄인다. (Bending, Section재)
① 용접부의 위치를 조정 (구조물의 중심에)
②
품질에 문제가 없는 범위내에서 용착량을 최소화 (Groove의 크기를 작게)
③
대칭용접법을 적용 (양면용접)
생산단계에서는 용접변형이 우려되는 부위의 작업에서는 다음 사항에 유의하여 작업하는 것이 좋다.
① 역변형 적용 및 구속 (탄성적, 소성적)
② 용접각목을 최소화 (정규각목 준수)
③ 용접층수를 최소화 (최소적층법)
④ 용접순서를 준수 (후퇴법, 비석법)
5.4. Lamination 대책
압력강판의 특성상 두께 방향의 인장 특성은 길이나 폭 방향보다 취약하며 두께방향에 인장력이 작용할 경우 두께방향으로 쪼개어지는 현상이 일어나기 쉽다.
또한 압제강재에서 내부손상, 비금속 개제물, 기포 또는 불순물 등이 압연방향을 따라 평행하게 늘어나 층상조직이 됨으로써 판두께 방향으로의 늘어남이 저하하는 현상을 Lamination이라 하며 응력이 집중되는 곳은 사전에 UT 등의 비파괴검사를 실시하여 재료의 건전성을 확보하게 된다.
또한 Lamination은 강재 제조시 또는 사용전 단계에서 초음파 탐상시험(UT) 등으로 건전하다고 판단된 강재에도 발생할 수 있어 용접작업후에도 테스트를 하는 경우도 있다.
Lamination이 발생하기 쉬운 이음형태는 관통판 이음부, Corner Joint, T-Joint 등으로 외적 구속조건이 엄격한 이음부에 발생하기 쉬운 것으로 알려지고 있으며 판두께가 두꺼울수록 판표면을 가열하는 것만으로도 발생하는 경우도 있다.
용접부에서는 판두께 방향의 수축응력에 의해 발생하며 균열은 일반적으로 HAZ 또는 그의 가까운 부분에서 존재한다.
이와 같은 Lamellar Tear의 원인을 종합해 보면 다음과 같이 정리될 수 있다.
① 길게 연신된 비금속 개재물
② 용접에 의한 과다한 Z 방향 구속응력
③ 용접부 확산성수소
④ 용접 경화조직
<그림 20> Lamination 방지를 위한 적절한 용접 이음부 형상 및 시공조건 선택
Lamination의 발생 요인은 용접소재 및 용접시공, 설계상의 인자들로 구성되어 있어 그 대책 설정을 위해서는 자재적 문제로 지적되는 S함량의 저하, 진동 탈 gas, Z-Grade 자재 사용 등과 같은 적절한 자재선정 및 종합적인 용접관리가 이루어져야 한다.
Lamella Tear를 방지하기 위한 여러 가지 설계기법 중에 기본적인 대책으로는 다음과 같은 것들이 고려될 수 있다.
먼저, Lamination이 일어나기 쉬운 곳은 순간적인 하중을 받는 곳이라는 점에서 전체적인 구조물의 구조적인 안정과 관련이 있는 응력집중부와 부정기적으로 하중이 큰 물건을 들어올리는 곳(예를 들면 Derrick이나 Crane의 Column 및 그 주변부 등)에 대해서도 주의해서 검토할 필요가 있다. 석유시추구조물에서는 Derrick Column부, Drill Pipe를 운용하는 Rotary Table 주변 구조물, Deck상부에 설치된 각종 Crane의 Support부 등이 해당이 되며 대체적으로 두께가 두꺼운 후판이 사용되는 부위가 해당된다.
둘째, Lamination이 일어날 가능성이 큰 부재에 대해 해당 부재의 용접부 주위(대체로 접합면에 양쪽으로 각각
셋째, . Z방향 응력에 대한 적응성이 좋은 Z-Quality 재질의 강판과 저강도 저수소의 용접봉을 사용한다.
넷째, 생산설계 단계에서 상세설계도면에 Lamella Tear가 우려되는 부위에 상세설계자의 의도가 표현되어 있지 않다면 먼저 상세설계자 또는 주문주(또는 선급)와 협의를 가지고 위 두가지 대책의 적용여부를 결정하는 것이 바람직하다.
다섯째, 이음부위의 개선단면을 Lamination에 대한 적응성이 큰 아래 그림과 같은 방법으로 변경한다.
생산단계에서는 예열 및 후열 등을 주어진 조건에 따라 시공하는 것이 무엇보다 중요하다
각장과 각목의 정의 등각장
부등각장 직각이 아닌 경우
<그림 14> 필렛용접부의 각장과 각목
② 개선용접
<그림 15> 개선용접부의 목두께
① 맞대기 용접부의 유효길이 ℓ
- 부재축에 직각으로 측정한 판폭의 길이
<그림 16> 맞대기 용접부 유효길이
② 필렛용접부의 유효길이 ℓ
전체 용접길이 ℓ0 - 2S (아크개시부와 종단부에는 결함 존재할 가능성이 커서 제외)
<그림 17> 필렛용접부의 유효길이
③ 돌림용접부의 Fillet 용접부 유효길이 ℓ(건축구조물 등)
- Size S의 10배이상
-
-
<그림 18> 돌림용접부의 유효길이
( 3) 용접부의 응력 계산상의 가정
용접이음을 설계할 때는 이음부에 작용하는 응력을 계산하는 것이 기본이다. 용접부는 실제로 응력이 매우 복잡하게 작용하고 있지만 일반적으로 계산상의 편의를 위해 다음과 같은 가정을 적용한다.
① 응력은 목단면에 균일하게 작용한다.
실제로는 루트부와 토우부에서 응력집중이 생기지만 이러한 국부적인 응력집중의 영항을 모두 고려하면 설계시에 응력계산을 하기 곤란하므로 무시한다. 볼록비드에서 덧살부분의 살두께는 계산에 넣지 않는다.
② 강도계산은 목단면에서 작용하는 응력만을 써서 행한다.
파괴는 실제로는 목단면에서 일어나지 않고 토우부와 같은 곳에서 일어나는 경우가 있어도 응력계산은 목단면에서 행하고, 그 목단면에서의 응력값이 허용응력이하가 되도록 설계함을 원칙으로 한다.
③ 잔류응력의 영향은 무시한다.
실제의 용접부에는 용접선 방향으로 큰 인장 잔류응력이 존재하는 것이 일반적이지만, 목단면에서의 응력계산에 의한 강도계산시에는 그 영향을 무시한다.
(4) 용접부 목단면적 계산
용접구조물의 용접설계시에는 용접부의 응력 계산을 반드시 해야 하고, 그 응력계산의 기준 단면은 목단면이다. 따라서 외부의 하중을 목단면적으로 나누어서 얻어지는 응력이 허용응력과 같게 되도록 또는 그 이하가 되도록 목두께(또는 사이즈 또는 각장)와 용접 유효길이를 결정한면 된다.
용접부의 목단면적 = (목두께, mm) × (용접유효길이, mm), (mm2)
(5) 긴 측면 Fillet용접부 목단면에서의 전단응력의 분포
측면 Fillet 용접부의 유효길이 ℓ이 30S를 넘을 때는 양단에서 작용하는 국부적인 전단응력(=P / aℓ)보다 커지는 현상 즉, 응력집중현상이 발생한다. 따라서 이러한 긴 용접부에서는 양단부에서 가장 먼저 소성변형과 파괴가 일어나므로 양단의 응력이 허용응력이하가 되도록 설계하나다.
즉, 공칭응력((=P / aℓ)에 양단에서의 응력집중계수(Kt ≥ 1)를 곱하여 얻은 응력을 목단면 응력으로 하고, 이 값이 허용응력 이하가 되도록 설계한다.
목단면의 응력 = 공칭응력(=P / aℓ) × 응력집중계수(Kt ≥ 1) ≤ 허용응력
여기서, P : 외부하중 a : 목단면 ℓ : 용접부 유효길이
Kt : 측면필릿용접 끝부분에서의 응력집중계수
5. 용접설계의 실재
용접구조물의 신뢰성은 용접부의 품질에 크게 좌우된다. 강구조물의 생산 공정 중에서 아직까지도 가장 낮은 신뢰성과 품질수준을 유지하는 것이 용접공정이라고 인식되어 있다.
일반적으로 용접부위는 균열, 기공, 융합불량, 슬래그 혼입, 언더컷 등과 같은 결함이 생기기 쉽고 모재에 비해 경화되거나 연화되거나 또는 취화되는 등 기계적 성질이 나빠지기 쉽다. 또한 국부적인 급열, 급냉에 의해 용접잔류응력이 생기며, 용접변형의 발생과 용접조건 또는 관리상태에 따라 품질이 매우 심하게 변한다는 특성을 가진다.
이에 대한 근본적인 개선을 위해서는 용접설계 단계에서부터 용접공정을 충분히 이해하여 생산성과 품질수준을 고려한 설계가 되도록 해야 할 것이며 시공 관리 단계에서도 설계 개념 또는 설계자의 의도가 제대로 반영된 용접이 이루어질 수 있도록 해야할 것이다.
이 외에도 용접구조물의 용접설계를 할 때에는 기능성, 안전성, 내구성은 기본적으로 고려해야 하지만, 생산성과 품질도 반드시 고려하여야 한다. 이를 위해 설계자는 기술적인 문제의 개선 뿐만이 아니라 생산여건 및 용접사의 수준 등을 종합적으로 파악하여 설계에 반영하는 것도 중요하므로 생산현장 및 검사자와 사전에 충분한 교감을 갖도록 해야 할 것이다.
5.1. 최적의 용접재료의 선택과 공법 결정
용접수율(용접작업시 발생되는 불필요한 작업과 용접작업을 위한 준비/마무리 단계에 소요되는 용접재료의 양을 제외한 퍼센트) 또는 용착효율(용접작업시 용접재료가 용융되어 구조물의 용접량으로 남아있지 않고 소모되거나, 없어지는 용접재료의 양을 제외한 퍼센트.) 에 영향을 미치는 요인으로는 일차적으로 생산현장의 여건과 작업자의 기량 등이 될 것이다. 그러나 그 이전에 용접재료는 그 성질에 따라 작업자의 작업능률에 영향을 주는 것은 물론 품질확보 차원에서도 매우 중요하다.
또한 작업자가 최적의 상태에서 요구되는 품질을 확보할 수 있도록 용접부의 형상이나 작업순서, 방법 등을 고려하여 설계단계에서 반영하는 것도 필요하다.
따라서 생산현장 여건이나 작업자의 기량도 중요하지만 ① 적절한 용접재료의 선택, ② 사용량의 정확한 예측과 적기 공급, ③ 품질과 생산성, 작업성을 동시에 고려한 용접부 설계 등은 생산성 향상과 품질확보에 결정적인 관건이 된다는 것을 설계자의 입장에서 반드시 기억해야 할 것이다
5.5. 용접수축여유치(Shirinkage Margin))
강구조물은 용접시 발생하는 열로 인해 발생하는 변형과 더불어 횡방향 및 종방향의 수축이 일어나기 때문에 부재의 치수가 감소하게 된다. 이를 제어하기 위해 사전 설계단계에서 수축예상량만큼 여유치 즉 수축마진을 더하여 부재를 절단하게 된다.
대부분 용접수축은 부재의 두께 및 개선형태, 용접방법, 그리고 조립단계에 따라 다르게 나타나므로 부재의 종류 및 조립단계별로 별로 세분하여 적용하게 되며 이론식보다는 경험치를 사용하여 결정하게 된다.
이론적으로는 용접선에 대하여 직각방향인 횡수축이 크며 종수축은 횡수축에 비해 1/000정도로 매우 작은 것으로 알려져 있다. 또한 일차적으로 보강재 또는 구조물에 의해 구속된 상태에서의 수축은 상대적으로 작아지게 된다.
주판 Flange Brackert(Taper수축)
<그림 21> 용접에 의한 수축 발생 예
5.6. 용접자세의 중요성
제작공정에서 용접자가 어떤 방향으로 용접자세를 유지하느냐하는 것은 자동화 적용 여부, 품질, 비파괴검사, 용접사의 안전 등 여러 가지 요소와 관련이 있기 때문에 설계단계에서 이를 고려한 작업순서에 따라 용접되는 부재에 대한 용접공법, 개선형상 및 방향 등에 관한 상세를 결정하여야 한다.
작업효율이 가장 높고 품질이 우수한 용접자세는 아래보기이므로 가급적 아래보기가 가능한 용접단면을 구성하도록 하고 접근불가 개소나 밀폐공간 등을 사전에 파악하여 작업에 지장이 없도록 대책을 수립해야 한다.
블록단위로 제작되는 대형구조물에서는 대부분 이와 같은 점을 고려하여 블록을 뒤집은 상태에서 상판(Upper Deck Plate)에 소조립이 끝난 보(Beam or Girder)와 측판(Bulkhead or Wall), 소부재 등의 용접 완료한 다음 원래의 상태로 돌리는 Turn-over 공법을 적용하고 있다. Turn-over가 끝난 블록과 블록이 연결되는 부위는 아래보기를 고려한 설계가 적용되기 때문에 블록내부의 이음과 반대방향의 설계개념을 적용하게 된다.
아래 그림은 강상형교량에 적용되는 Turn-over 공법의 예를 보여 주고 있는데 데크형식의 해양구조물에서도 동일한 개념으로 적용되고 있다.
<그림 22> 아래보기를 고려한 Turn-over 공법(강교)
또한 소부재단위(Component)의 용접에서 용접자세에 따라 개선각도의 방향이나 종류를 달리하는 것이 작업여건을 향상시키는데 도움을 준다.
<그림 23> 소부재 단위에서 용접자세를 고려한 개선 형상변화
5.7. Backing Materials
접근불가 개소나 편면용접 등을 수행하기 위해서 용접하는 면의 반대 쪽에 받침을 사용해서 막은 후에 용접하는 방법이다.
주로 Ceramic 또는 모재와 같은 재질의 Plate를 사용하게 되며 불완전용입용접으로 간주된다. Ceramic Backing Material의 형상은 원형막대 또는 사각형태로 되어있고 사각형의 경우 평평한 것과 가운데 용접선과 만나는 부분에 홈이나 돌기가 나와 있는 것이 있다. Ceramic Baking Material을 사용하는 방법은 우리 나라와 일본 등에서 주로 사용하는 방법이다.
접근불가 개소에 Backing Plate를 사용하는 방법은 여 용접할 경우에는 반드시 시방서나 승인기관으로부터 적용가능 여부를 확인한 후에 사용하여야 한다.
<그림 24> Backing Material을 사용한 편면용접의 예
5.8. 공장용접과 현장용접
국내에서는 일반적으로 현장용접은 공장용접에 비해 허용응력을 약 90 % 정도밖에 인정을 받지 못한다(도로교 표준시방서 제 2편 강교편
물론 용접부 품질에 대한 보증은 용접부개선 및 용접테스트유무, 적용시험방법, 시험성적 등에 의해 판단되는 것이 합리적이나 국내규정은 반드시 그렇지만은 않다.
일반적으로 공장하면 떠오르는 이미지는 건물이다. 따라서 용접장소가 옥내 또는 옥외가 공장용접과 현장용접을 구분하는 중요한 기준이 될 것으로 생각되지만 사실은 그렇지 않다.
구조물이 설치되는 장소에 임시 천막을 가설하고 하는 용접은 현장용접이지 공장용접으로 인정받을 수 없다. 따라서 비록 건물안이 아닌 옥외라 할지라도 용접에 필요한 고정설비를 갖추고 반복적인 용접작업을 수행하는 경우라면 공장용접으로 보아야 할 것이다. 다만 이 경우 우천이나 안개 등에 의해 작업조건이 맞지 않거나 강풍이 불 경우는 작업이 불가한 상황이 되므로 옥내에 비해 설비가동율이 낮아진다는 단점이 있을 따름이다.
대한용접학회에서는 다음과 같이 공장용접과 현장용접을 구분하고 있다.
① 공장용접 Shop Welding
용접작업장으로서 각종의 설비를 갖춘 장소에서의 용접을 말한다. 용접작업장으로서 필요한 설비로는 정반, 운반설비, 용접지그, 전원, 배선, 용접기, 기타의 용접구조물 제작에 필요한 설비가 구비된 장소에서의 용접을 실시하는 것을 말한다. 공장용접에서는 대개 유사한 제품의 용접이 많고 특수한 용접지그가 이용된다.
② 현장용접 Site Welding
용접구조물이 설치되는 장소에서 실시하는 용접을 말한다. 용접물의 위치를 바꿀 수 없는 경우가 많기 때문에 여러 가지 자세로 용접할 수 밖에 없으며, 또 노천인 경우가 많고 구속도도 크기 때문에 용접시공에 특히 주의할 필요가 있다.
5.9. 그 외 최적설계를 위한 용접선의 배치
(1) 가급적 용접선(용접이음)의 길이 및 수를 적게 하라.
(2) 품질과 작업성에 문제가 없다면 용착량이 최소가 되도록 각장 및 개선각을 결정한다.
아직까지도 용접비드가 높을수록 좋다고 믿는 검사관들이 있지만 용착량이 많을 수록 용접열에 의해 구조적 변형이 크고 용접부 주위의 재료적 성질에 나쁜 영향을 준다는 것이 정설이다.
(3) 용접부의 단면구성은 부재의 축에 대하여 상하좌우 대칭으로 하는 것이 이상적이다.
그러나 용접하려는 부재의 충분히 얇다면 대칭보다는 한쪽 방향으로 단순화하는 것이 작업량을 절감하는데 도움이 되므로 부재 두께별로 적용가능한 최대 또는 최소 개선형상을 결정하는 것이 좋다.
(4) 구조적 응력집중부에는 가급적 용접선을 배치시키지 않는다.
(5) 좁은 범위에 과도하게 용접이음이 집중되지 않도록 배려한다. 또한 용접선은 가급적 교차하지 않도록 배치한다.
<그림 25> 용접선의 집중을 방지한 용접선 배치 예
(6) 자동용접 또는 로봇 용접이 가능한 이음설계를 하도록 배려한다.
(7) 피로수명을 고려해야 하는 이음에 대해서는 응력집중부가 생기지 않도록 특히 주의해야 하고, 필요에 따라서는 비드나 토우부를 부드럽게 가공하도록 규정한다.
6. 용접부의 시험 및 검사
용접은 간편하고 생산성이 크기 때문에 근대 공업의 중요한 공작 기술로 등장되고 있으며 이것은 세계적으로 공인된 사실이다. 용접 기술의 향상과 신뢰도를 높이기 위하여 용접부의 시험과 검사는 대단히 중요한 일이다. 한편 기계 또는 구조물에서 용접부의 기계적 및 화학적 성질 등이 용접부에 필요한 각종 조건을 만족시키고 있는가를 확인하기 위한 것이며 또한 사용자에게 안도감을 줄 수 있는 효과가 있기 때문이다.
용접은 짧은 시간에 고온으로 올라가는 금속적 접합이므로 용접된 재료는 모든 조건이 균일하게 될 수 없다. 즉 용접열에 따른 모재의 변질, 변형, 잔류응력 등의 변화와 화학적 성분 및 조직 등의 변화는 어느 정도까지는 피할 수 없다.
그러나 현재는 용접 기술의 발전과 개선으로 이들 모든 점들에 대하여 대책이 연구되고 각종 불안도 해소되고 있다. 일반적으로 용접부의 안정도 및 신뢰성을 시험하기 위한 여러가지 방법을 대별하면 작업 검사와 용접 완성 검사로 분류된다. 작업 검사는 우수한 용접을 하기 위한 검사로서 용접공의 기능, 용접 재료, 용접 설비, 용접 순서, 용접 시공 상태, 용접 후의 열처리 등의 적부를 검사하는 것을 말한다. 그리고 용접 완성 검사는 용접이 완료된 후에 제품이 요구 조건에 만족하고 있는가를 검사한다.
6.1. 사전시험
용접공정에서 수행되는 사전시험에는 WPS(Welding Procedure Specification)의 인증을 위한 WPQT가 있다.
WPS(Welding Procedure Specification)는 용접절차서를 말하며 강구조물의 용접을 위한 재료, 용접형태, 방 법 등을 상세하게 규정한 지침서로 시공 전에 주문주 또는 검사기관의 승인을 받아 사용하 고 있다. 실재 설계 및 현장작업에 적용되는 기준은 승인된 WPS에 따라 이루어진다. WPQT(Welding Procedure Qualification Test)는 WPS를 인증받기 위해 사전에 수행하는 시험절차를 말한다.
실재 공사에서는 WPQT의 수행이 늦어지게 될 경우 필요한 강재 및 용접재료의 조달에 문제가 발생하게 되고, 승인된 WPS가 없이는 용접작업의 착수가 불가능하기 때문에 이에 대한 일정관리를 엄격하게 하는 것이 설계 및 생산일정을 맞추는데 중요한 관건이 된다는 것을 기억할 필요가 있다.
6.1. 사후검사
용접에는 아크 용접, 가스 용접, 전기 저항 용접 등 여러가지 방법이 있으며 각각 특징을 갖고 있다. 그러므로 접합부로서의 외관 및 발생하기 쉬운 결함들도 각각 다르다. 또한 용접된 제품의 용도와 용접에 요구되는 성질들도 각각 다르다. 또한 용접된 제품의 용도와 용접에 요구되는 성질들도 각각 다르다.
용접부의 검사 방법은 용접부의 건전성을 확인하기 위한 것이고 그 제품에 필요로 하는 성질에 대하여 확안하는 방법을 여러 가지로 결합할 필요가 있다.
용접부의 검사는 사전시험 측정된 기준인 WPS와 시방서에 규정된 기준치와 비교 검토하여 그 제품의 양부를 판정하고 합격, 불합격을 결정하는 일이다. 따라서 시험 방법, 측정하는 위치, 검사표준치는 그 제품의 가치를 충분히 입증할 수 있는 것이라야 한다.
검사는 제품의 가치 보증을 목적으로 하는 것이므로 그 목적을 달성하기 위하여 제품 전체에 대하여 정해진 모든 시험, 측정을 하는 전체 개수 검사와 전 제품의 대표로서 뽑기 검사를 하는 샘플 검사가 있다. 전체 개수 검사는 처음으로 제작할 경우 및 특히 중요한 물건에 대하여 적용하고 샘플 검사는 개수가 대단히 많은 경우 또는 안정한 작업으로 제품이 생산될 경우에 적용하는 것이 일반적인 실례이다. 검사 기준치는 이론, 실험 및 제품의 사용실적 등을 고려하여 결정해야 한다. 또는 일률적인 기준치를 만들려고 할 때에는 표준화된 시험 방법이 필요하다.
6.3. 용접부의 파괴 시험 방법
용접부의 형상 및 용접부의 치수 결함을 조사하기 위한 방법은 육안으로 할 수 있으나 내부 결함은 방사선 및 초음파를 사용하여 외부에서 시험하든가 그 부분을 절단하여 시험하지 않으면 안 된다.
용접 부분의 기계적 성질, 화학적 성질을 조사할 경우에도 용접부를 잘라서 시편을 만든다. 그러므로 용접부의 시험 방법은 외관 시험, 기계적 시험, 화학적 시험, 비파괴 시험 등으로 구분할 수 있다.
기계적 시험 방법은 용접 제품에 하중 또는 수압을 작용시켜 그 강도를 시험 하든가 용접한 것을 재료 시험기를 사용하여 인장강도, 압축강도, 연율, 경도, 충격, 피로, 굽힘 등의 시험을 함으로써 기계적 성질 및 결함을 시험한다. 기계적 시험 방법을 일부 특수한 것을 제외하면 일반 금속 재료 시험법과 같은 방법이 쓰인다. 그러나 시험편 제조 방법 및 용접부의 시험 위치 등에 대해서는 규정되어 있는 규격으로 하여야 한다.
파괴 시험은 용접이음의 시험, 용착 금속의 판정, 용접 제품, 용접 재료의 적부적 및 용접공의 기량 등을 시험하는데 쓰이고 있다. 용접부를 파괴하여 각종 성질을 측정하고 결함의 유무를 조사한다. 사후검사에서는 수많은 제품 중에서 샘플을 뽑아서 하든가 또는 제품과 같은 조건으로 용접하여 만든 시험품에 대한 검사로 대체한다.
6.4. 용접부의 비파괴 검사
(1) 외관검사(Visual Testing)
용접작업이 완료되면 용접부의 결함 유무를 육안으로 조사한다. 이 때 점검되는 결함 점검 종류는 다음과 같은 것들이 있다.
<그림 28> 외관검사 포함 결함 종류
(2) 비파괴검사
용접부에 대한 비파괴 검사 방법으로는 방법에 따라 방사선 비파괴 시험(RT ; Radiographic Testing), 초음파 탐상시험(UT ; Ultra-sonic Testing) , 자기비파괴검사(MT ; Magnetic Particle Testing), 침투탐상시험(Liquid Penetrant Testing), 배관용접부의 누설비파괴검사방법(Leak Testing) 등으로 구분되며 찾고자 하는 결함의 위치에 따라
내부 결함검사와 표면 결함검사로 구분하기도 한다. 사용방법 및 적용 여부, 검사빈도에 대해서는 해당 시방서 규정에 따른다.
내부결함검사에는 주로 방사선 비파괴검사, 초음파 비파괴검사가 사용된다.
방사선비파괴검사는 병원의 렌트겐 사진과 같은 원리로 육안으로 내부결함을 확인 할 수 있는 장점이 있으며 현재 가장 많이 사용하는 방법으로 미세한 결함의 실상을 그대로 한눈에 볼수 있으나 방사선의 안전관리에 주의.할 필요가 있다. 검사의 정도가 높고 기록으로 유지보존이 편리하여 구조물의 주요부위의 검사에 이용된다.
초음파 비파괴검사는 초음파를 비행기의 레이더, 어선의 어군탐지기와 같은 원리로 초음파의 음향적인 성질의 변화를 이용하여 산업기기물을 대상으로 내·외부의 결함을 검출하는 최첨단의 검사방법으로써 가장 각광을 받고 있는 비파괴검사방법이다.
깊숙한 내부결함의 위치와 크기를 알 수 있다는 장점이 있어 .화학플랜트의 정기검사 현장, 건축물, 교량 등 구조물의 정기적인 안전성 확인, 항공, 선박 등에 적용 많이 적용된다.
표면결함검사에는 자기 비파괴검사, 침투 비파괴검사, 와전류 비파괴검사 등이 있다.
자기 비파괴검사는 강한 자력을 이용하여 제품내·외부에 존재하는 결함부에 발생하는 누설자력에 의한 자분의 부착을 이용하여 검출해 내는 비파괴시험 검사방법의 하나이다 표면 및 표면에 가까운 내부의 직선형 결함을 쉽게 찾아낼 수 있다는 장점이 있으나 자성체의 검사에만 사용할 수 있다.
침투 비파괴검사는 모세관 현상을 이용한 침투비파괴검사는 제품표면에서 생성되는 미세균열을 눈으로 보기 쉽도록 하기 위하여, 형광물질 또는 가시염료가 포함된 침투액을 침투시킨 후 확대된 결함의 지시모양으로 관찰하는 방법이다. 다공성 시험체가 아닌 금속 및 비금속의 어떠한 재료에도 적용 가능하며 시험품 표면의 검사결과는 닦아내지 않는 한 보존.된다.
이외에도 와전류비파괴검사(Eddy Current Testing), 음향방사탐상검사(Acoustic Emission Testing) 등 여러 가지 방법들이 있다.
참고로 실재 공사에 적용된 검사규정 예를 첨부하였다.
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