용접균열

발생위치별로 용접금속 균열,열영향부 및 모재균열이 있으며 비드방향에 따라 종균 열과 횡균열로 구분된다.발생온도에 따라 고온균열,저온균열,LamellarTearing,재열 균열이 있으며,크기로서 Macrocrack과 Microcrack으로 나눈다.조직 측면에서는 입 내균열,입계균열이 있다.

(1)고온균열

용접과정 중 발생하는 결함으로서 주로 용접 금속에서 발생하며,열영향부(Heat Affected Zone:HAZ)또는 부분 용융영역에서 발생하기도 한다.Fig.2-13의 고온균열 에서는 용접 중 또는 용접 직후의 고온에서 용접부에 자기 수축 및 외부 구속 등에 의 한 스트레인(Strain)과 균열에 민감한 조직이 존재하면 발생한다.용접부의 고온 균열에 영향을 미치는 또 다른 중요한 인자는 용접 비드의 형상이다.용접 비드의 형상은 응 고 종료 시 용접부에 작용하는 구속도에 영향을 미친다.

대입열의 큰 비드보다는 소 입열의 작은 비드가 균열 방지에 효과적이다.이것은 입 열량이 증가할수록 용착 금속의 결정립을 조대화 시켜서 결정 입자의 편석을 일으키기 쉽기 때문이다.이와 함께 용융지의 형상도 균열에 영향을 미친다.통상 용접속도가 빠 른 경우에 형성되는 테어드롭 (Teardrop)형상의 풀(pool)에서는 용접 중심선을 따라 편석이 일어나기 쉽고,형상적으로 이 중심선을 따라 응력이 집중되기 때문에 균열 발 생 가능성이 높다.응력이 중심선을 따라 집중되는 이유는 이 중심선이 응고,수축과 외부적인 구속에 의하여 발생하는 용접부의 응력에 수직하기 때문이다.

Fig. 2-13 Hot crack(비드균열)

(2)저온(냉간)지연균열

Fig.2-14에 나타난 저온균열은 강의 용접부가 실온 부근 (200∼300℃ 이하)에 냉각 한 후에 발생하여 시간의 경과와 함께 전파하며,수소유기 균열로도 표현된다.용접부 의 수소,구속응력 및 조직의 경화 등이 복합적으로 작용하여 HAZ 및 용접금속에서 발생된다.균열발생 위치는 HAZ부위 및 용접 금속부이며 Crack파면의 조직적 특성에 차이가 있다.

균열이 HAZ에 발생한 경우는 상립의 입계파면과 입내 수소의 벽개파면을 나타내며, 균열이 용접금속에서 발생한 경우는 주상정의 입계파면과 입내 수소의 벽개파면이 혼 재하는 형태이다.최종 파단부는 Dimple파면 형태를 보인다.

저온 지연균열은 용접시 용접금속에 용해된 수소량에 민감하며 실온부근의 온도에 냉각한 후에 발생 진전된다.구속된 용접부에 있어서 루트부 등의 응력 집중부에서 발 생하기 쉽다.균열 발생부는 용접 열영향에 의한 경화부이며 용접금속에서도 발생된다.

응력과 확산성 수소에 기인하여 발생하는 강의 지연 파괴의 일종이며 균열 발생부의 응력,수소,금속 조직이 관여한다.

Fig. 2-14 Cold crack(비드균열)

2 . 5 . 2내부결함

가스성분에 의한 Blowhole,Wormhole및 용접표면에 달한 Pit등의 기공,슬래그 등 비 금속 개재물의 혼입,파면에서 보이는 은점,선상조직 형태로 결함이 Fig.2-15와 같이 나 타난다.

Fig. 2-15 Internal defects

(1) 블로우 홀, 기공, 피트

금속의 용접중에 CO2, N2, H2 등의 가스가 용융금속중에서 기포로 되어 잔류한 것을 블로우 홀(Blow hole) 혹은 포로서티(Porosity)라고 한다.

발생원인은 피가공물 표면의 세정이 불충분하여 불순물이 부착해 있거나, 금속증기 가 고압인 경우 용융금속의 요동작용 등이 있다. 또한 동일한 이유로 발생한 기포가 비드표면의 근방에 나타난 것을 피트(pit)라 부르는 경우도 있다.

(2) 기공(Porosity)

기공은 일종의 공기 방울로서 정상적으로는 부력에 의해 용접금속에서 빠져나가게 된다. 하지만 부력에 의해 공기 방울이 용접금속에서 빠져나가는 시간보다 빠르게 용 접금속이 응고되면 공기 방울이 미처 빠져나가지 못하고 용접금속 내부에 남게 되어 기공이 된다.

기공의 성분은 표면 오염물질(기름, grease, 비누, 잉크, 윤활유, 마킹용 물질 등)이 기 화된 것이 보통이나 때때로 Ar, He과 같은 보호가스가 포함되기도 한다. 또한 모재의 성분 중 S, Zn, Cd, Bi 등과 같은 저융점 원소도 기공 형성에 기인한다.

탄소강의 경우 다양한 금속원소로 구성되어 있는데 탄소에 비하여 용융온도가 낮은 성분이 기화하면서 발생한 기포가 용융풀 표면으로 탈출되지 못하고 포획되어 기포가 발생하는 경우가 많다.이밖에 기공 형성의 주요 원인은 수소이며,부가적으로 제작 중 에 발생되는 먼지나 접착제,테이프,마킹 크레용 등도 원인이 된다.

(3) 슬래그 혼입 ( Slag Inclusions )

Fig. 2-16의 슬래그는 산화한 금속 가스나 비금속 물질로서 아크 용접 시 자주 발생 하며 주로 용접부를 따라 종 방향으로 용착금속이 침전하는 가장자리에 위치한다. 슬 래그의 혼입은 그 크기가 일정하지 않고 불규칙한 모양을 갖는 것이 보통이다. 경우에 따라서는 불규칙한 테두리를 갖는 점 모양으로 나타나기도 한다.

이러한 슬래그 혼입의 원인은 이전 층의 잔류 슬래그가 그대로 다음의 용착금속 속 에 남거나, 또는 용접 조작이 부적당할 때에 생긴다.

2 . 5 . 3비드형상불량

Overlap, Undercut, Humping bead, 용착금속의 과부족에 의한 융합불량 등이 비드형상 의 불량으로 Fig. 2-16와 같이 나타난다.

Fig. 2-16 Poor bead shape

(1) 오버랩(Overlap)

용접금속의 가장 자리가 모재와 융합되지 않고 겹친 상태이다. 맞대기 용접보다도 필렛 용접 시에 일어나기 쉬우며, 응력의 집중, 부식의 촉진 등의 원인이 된다. 오버랩 은 용접봉의 운봉법, 용접전류, 용접속도 등을 적절하게 선정하면 방지할 수 있다.

(2) 언더 커트(Under Cut)

용접선 가장자리의 모재가 패어서 홈과 같이 골이 생긴 상태이며, 그 원인은 나쁜 용접 기량 (용접봉을 쥐는 각도나 운봉 속도의 부적당) 이나 부적당한 변수(용접전류의 과다 등)의 사용으로 발생한다. 이러한 언더컷은 응력 상승, 균열 발생 등을 일으키며, 접합면의 단면적을 줄임으로서 강도를 감소시킨다.

(3) 언더 필(Under fill)

개선 갭이 큰 용접이음매를 용접하면, 용융금속이 공간을 꽉 채우지 못하고 비드표 면이 피가공물의 표면이나 뒷면보다 안쪽에 생기게 된다.

알루미늄이나 그 합금을 관통용접 하는 경우에도 용융금속이 내려가 표면측에 언더 필 이 생기기 쉽다.

(4) 험핑(Humping)

용융 금속의 흐름이 나쁜 재료를 아주 빠른 속도로 용접하게 되면, 용접비드의 표면 이 거칠어지는 험핑 현상이 발생한다. 양호한 용접비드의 표면과 비교할 때 옴폭 파인 것 같다.

(5) 스패터(Spatter)

용융시 용융금속으로부터 고속으로 비산하는 금속의 입자를 스패터라고 한다. 발생 원인으로는 첫 번째 지나치게 높은 에너지 밀도에 의해 금속증기의 반력의 발생 하며, 두 번째는 재료 내부에 개재하는 불순물 혹은 표면에 부착해 있는 유기제, 아연도금 등의 연소가스가 급팽창(폭발)하여 발생하는 경우 등이 있다.

이 금속입자가 커지면 모재표면에 용착 하거나 혹은 가공렌즈, 파라볼릭 미러에 부 착하여 문제를 야기 시킨다.