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용접 결함의 종류
우리가 일상적으로 많이 말하고 사용하고 현장에서 많이 발생하는 용접결함에 대하여 문제점과 대책방법을 열거하여 봄으로써 어렴풋이 알고 있었던 내용을 체계적으로 정리함으로써 업무에 도움을 주고자 한다.
여기서 논의되는 용접결함은 용접부 내부에서 발생하는 문제점들을 중점적으로 다루고 향후 현장에서 발생하는 문제점과 또는 비파괴 검사를 통하여 나타나는 문제점을 비교하여 봄으로써 많은 도움이 되리라 믿는다.
1. 균열(Crack) 2. 공동(Cavity)
3. 고형 개재물(Solid Inclusion) 4. 융합불량(Lack of Fusion)
5. 용입부족(Incomplete Penetration) 6. 기타결함
1. 균열(Crack)
가. 발생장소에 따른 분류
① 용접금속균열 ② 열영향 부위 균열 나. 발생온도에 따른 분류
① 고온균열(Hot Crack) ② 저온 균열(Cold Crack) 다. 크기에 따른 분류
① Microcrack ② Macrocrack 라. 균열의 방향에 따른 분류
①Longitudinal Crack ②Transverse Crack 마. 발생위치 세분하여 분류
① Centerline Crack ②Toe Crack, ③Root Crack ④ Throat Crack ⑤Create Crack 바. 발생원인에 따른 분류
① Solidification Crack ② Hydrogen Induced Crack ③ Lamellar Tearing ④ Reheating Crack
이상과 같이 용접결함 중 Crack을 분류 할 수 있으며, 아래는 발생원인에 따른 분류에 대하여 상세하게 논한 것이다.
1) 고화균열(Solidification Crack)
순수한 금속이나 공정점(Eutectic)에서는 고상과 액상이 동시에 존재하는 영역이 없으므로 고화균열은 발생하지 않는다. 대부분의 상업적으로 사용되는 합금은 고상과 액상이 동시에 존재하는 영역을 가지므로 편석을 만들게 되고 용접부가 고화되는 동안에 이미 고화된 입자 사이에 낮은 융점을 갖은 잔류액상의 영역을 갖게 된다. 이러한 현상이 열에 의해 유도된 인장변형(Tensile Strain)과 동시에 존재하며, 잔류액상이 아주 작은 인장강도를 갖는다면 깨져서 고화균열을 초래하게 된다.
고화균열의 발생은 재질의 조성이 주요한 인자가 될 수 있다. 예를 들면 넓은 고화영역을 갖은 청동(Cu-Sn)은
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고화균열의 발생 확률이 높다. 이러한 현상은 Al 합금에서도 마찬가지 경향을 나타낸다. Ferrite 강에서 Iron Sulfide 같은 낮은 융점의 비금속 개재물에 의한 S,P,C의 양에 의해 크게 영향을 받는다. 앞에서 설명한 바와 같이 고화 균열이 존재하는 주요인자는 용접금속의 조성이지만 열에 의한 열변형이 존재하지 않으면 고화 균열은 발생하지 않는다.
따라서 인장변형을 줄이기 위해서는 Welding Procedure Specification 및 Jig, Fixture의 선정, 사용시에 특별한 주의가 필요하다. 용접속도는 또 다른 중요한 인자이며 속도가 빠르면 균열의 가능성은 높아진다. 또한 Weld Bead 의 단면 형상도 중요하며 Bead가 좁고 깊거나, 너무 넓고 얇으면 중심부 균열이 발생할 수 있다. 종방향 중심부근 균열은 가장 심각한 용접금속 고화균열의 한 예이며, 변형의 주방향이 용접부의 종방향이면, 균열은 용접부내 횡방향으로 나타낸다. Create Crack은 고화 균열을 관찰할 수 있는 가장 일반적인 현상이다.
2) 수소균열(Hydrogen Induced Cracking)
이러한 형태의 균열은 경화성 Ferrite Steel을 용접 할 때 발생하는 현상이다. 이는 용접 중 발생하는 것이 아니고 용접 후 상당한 시간이 경과한 후 발생하며, 따라서 항상 150℃이하의 온도에서 발생한다. 실제로 균열이 용접 후 수 일이 경과 후 발생될 수 있기에 용접 후 즉시 이음부를 비파괴 검사하였고 이러한 균열을 발견하지 못할 수가 있으므로 주의하여야 한다.
수소의 존재, 잔류응력 및 미구조는 수소균열을 발생시키는 세 가지 인자가 된다. 수소는 용접봉에서부터 기인되며, 특히 Flux 내의 수분 및 모재 표면의 오염이 원인이 된다. 수소는 융용 상태의 용착 금속에서는 높은 용해도를 갖지만 상온에서는 거의 용해되지 않는다. 수소는 온도에 따라 용착 금속으로부터 주변의 열영향부로 분산하게 된다.
실제로 용착 금속 내에 존재하는 수소의 양은 실제용접 과정 및 그 과정에서의 입열에 따라 크게 좌우된다. 용접 금속의 냉각속도 및 Weld Pool의 크기도 물론 영향을 미치게 된다.
Weld Pool이 크면 클수록 용착 금속이 고화되기 전에 수소가 이탈할 가능성은 커진다. 그러므로 Electro Slag 용접의 열영향부에서 수소균열이 발생하기는 극히 어렵다.
두번째 인자는 풀림 작업이 되지 않는 용접부에서 파괴응력 정도의 잔류응력이 국부적으로 존재하는 것이다.
결정영역 또는 근처에서의 미세결함은 응력집중을 증가하게 되어 균열의 가능성이 높아진다. 때때로 용접 이음부의 형상이 응력 집중을 유발하게 된다.
세번째 인자로는 주로 조성에 따라 영향을 받는 민감한 미구조이다. 수소균열의 가능성은 열영향부의 경화도에 따라 증가되며, 경화도는 탄소함량이 증가할수록 증가하며 첨가된 함금의 양에 따라 어느 정도 감소시킬 수 있다.
수소가 원인이 되는 균열을 방지하기 위해서는 조성, 용접 Bead의 크기 및 판두께를 조정함으로 열영향부에서의 높은 경화도를 피해야 한다.
두번째로는 수소를 개재 시키지 않도록 유의 하여야 한다. 수소가 개재되지 않도록 하기 위해서는 저 수소계 용접봉과 같이 수소가 적은 용접법을 사용하거나 예열 등으로 수소를 제거해야 한다. 수소균열은 통상 조성이 낮은 경화도를 갖은 용접금속에서도 발생 될 수 있으나 가능성은 적다.
3) Lameller Tearing
Lameller Tearing은 Ductility가 나쁜 재질에서 발생하며, 높은 수축응력이 발생하는 두꺼운 재질 Tee 또는 모서리 이음에서 보통 발생한다. 이 균열의 특성은 그 모양이 Step-Like 형이며 판재표면의 압연방향과 평행으로 나타난다.
이 균열은 주로 개재물의 특정 분포로 인해 발생한다. Lameller Tearing을 주로 유발하는 개재물에는 Manganese Silicate, Manganese Sulphide, Alumina Stringer 등이다. 이 균열이 발생하기 위해서는 높은 수축변형이 판두께
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전체를 통해 작용해야 하므로 두꺼운 용접부를 갖는 높은 변형 집중 구조에서 대부분 발생한다. 이러한 균열을 피하기 위하여 재질변경, 용접절차의 수정, 용접부형상의 변경 등을 해야 한다. 재질에 영향을 주는 개재물이 없는 무개재물 강재를 가스가 없는 진공상태에서 용접한다고 하여도 황(S)의 분포가 영향을 줄 수 있으므로 완전한 성공을 거둘 수는 없다. Lameller Tearing 을 제거 하거나 감소하기 위한 용접절차의 변경에는 이음부 또는 이음부의 일부로써 고장력 강의 사용을 피하거나 전반적인 수축변형을 줄일 수 있는 용접절차를 고려할 수 있다. 이음부에 따라서는 판재의 Rolling면과 평행한 융용면을 갖지 않도록 변경하는 기법도 고려될 수 있다.
4) 후열처리 균열(Reheating Cracking)
용접부에 대한 후열처리 (Post Weld Heat Treatment)는 잔류응력의 제거여부와 관계없이 응력제거 (Stress
Relieving)와 관련된다. 이는 파괴인성(Fracture Toughness)을 증가시키기 위해 응력부식 균열을 방지하기 위해 또는 일련의 기계 가공시 발생하는 치수변화(Plastic Deformation)를 최소화 하기 위하여 실시한다. 잔류응력 제거는 온도의 증가에 따라 재질의 강도가 감소하는 소성변형 (Plastic Deformation)에 의해 가능하다. 응력 제거시 발생하는 소성변형은 일정한 하중에서 온도의 증가에 따라 재질의 변형이 점진적으로 발생하는 Creep 현상과 비슷하다.
금속학적 이유로써 결정변형(Grain Deformation)이나 결정입계 미끄러짐(Grain Boundary Sliding)이 일어나지 않으면 균열이 발생 하게 된다. 이러한 균열이 짧은 시간에 높은 온도에서 높은 응력에 의하여 발생하면 응력제거균열 (Stress Relief Cracking)이라 하고 장시간에 걸쳐 낮은 온도에서 낮은 응력에 의하여 발생하면 Creep Cracking이라 한다.
후열처리 균열 용접부 또는 열영향부위에서 발생 할 수 있으며 이는 기하학적 응력집중(Geometrical Stress Concentration) 및 작은 결함(Small Defect)과 관련하여 발생한다. 따라서 후열처리 균열은 부분 용접부의 Root 부분에서 발생하는 용접부 균열이나 Fillet 용접부의 Toe에서 모양의 변화에 따른 모재부 균열이나 액상상태의 동일 영역에서 작은 고온균열로 나타날 수 있다. 그러나 가장 심각한 경우는 두꺼운 부위를 갖는 강구조물과 Low Alloy 합금강에서 가장 많이 발생한다.
2. 공동(Cavity)
공동(Cavity)은 발생원인에 따라 가스에 의한 것과 수축(Shrinkage)에 의한 것으로 구별할 수 있다. 다만 수축 공동의 경우 형성될 때 또는 형성된 후 가스를 포함할 수 있어 Gas 공동과 명확히 구별될 수 없는 경우도 있다. Porosity은 용접부에서 일반적으로 나타나는 결함으로써, 용접 중 물리적 또는 화학적 반응으로부터 발생된 Gas가 융용금속이 냉각할 때 표면으로 석출되지 못하고 용융금속 내부에 응고하여 구형상 결함으로 나타난다. Porosity의 원인이 되는 Gas는 수소 및 탄산 Gas이다. 그러므로 기공의 분포는 전적으로 Gas의 분포에 영향을 받게 된다. 예를 들면 부적절한 탈산작용이나 모재 또는 용접용 용가재가 영속적으로 오염되는 경우에는 기공은 용접부 전길이를 통하여 연속적이며 일정하게 분포한다. 이에 반해 용접이 충분히 예열되지 않은 상태에서 시작되거나 용접조건 또는 청결상태가 일시적으로 불량일 때는 어느 특정부위만 분포하게 된다.
용접의 현장 작업과 관련하여 용가재의 건조불량, 탈산제가 부적절한 Filler Wire의 사용, 고상과 액상용접 금속 사이에서 Gas의 용해성(Solubility) 차등이 기공생성의 주원인이 된다. 알루미늄 용접부에서 기공의 생성은 액상과 고상에서의 용해차가 주원인이 될 수 있다. 즉 청결이 불충분한 개선가공 또는 Filler Wire의 수화산화막(Hydrated Oxide Film)으로부터 생성된 수소가 액상 용접 금속에서의 용해는 아주 좋으나 고상 용접금속에서는 상대적으로 용해도가 떨어지기 때문에 알루미늄 용접부의 고화시 기공을 형성하게 된다, 또 다른 원인으로는 보강판을 밀착한
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맞대기 용접부나 이중 Fillet 용접부에서와 같이 밀폐된 가스가 기공형성의 역할을 하게 된다. 이때 공동은 통상가스가 이탈되는 방향으로 길게 늘어지는 형상을 띠게 되는데, 이를 분리하여 “Wormhole”이라 칭한다. 때때로 “Herring- Bone”이라 불리는 공동이 나타나는데 이는 가스작용과 수축작용이 복합적으로 발생된 경우로 용접속도가 지나치게 빠른 것이 원인이 될 수 있다. 이러한 공동은 Pipe로 불려지기도 하나, 학자에 따라서는 이를 주물 또는 용접부 Create 부근에서 발생된 순수한 수축작용에 의한 것으로 정의하기도 한다. 그러나 순수한 수축기공은 용접부에서는 매우 드문 현상이다.
통상적으로 기공자체는 재질의 사용상 그다지 유해한 것으로 판단하지 않을 수 있으나 기공이 존재하는 용접부는 다른 유해한 결함도 발생될 수 있기 때문에 주의를 기울이지 않으면 안된다, 실제로 선형기공은 대부분 평면결함을
동반하는 경우가 많다.
3. 고형 개재물(Solid & Slag Inclusion)
용접부에 나타나는 주요한 고형 개재물은 비금속 개재물인 Slag, Flux 및 산화물과 금속 개재물인 Tungsten, Copper 등이 있다. Slag Inclusion는 수동금속 아크용접 중 Slag나 피복 용접 중 Slag가 재융용 될 때 이들이 용접부 표면에 용융 Slag의 피막을 형성하게 되고, 용접부가 냉각할 때 용접부내에서 잔류하여 응고하므로 발생한다.
이는 발생 방법에 따라 용접금속 내부에 잔류하는 경우와 다층 용접시 하층용접 금속표면에 부착된 Slag가 충분히 제거되지 않은 상태로 응고한 경우로 분류할 수 있다. 전자는 일반적으로 크기가 작고 비교적 일정한 모양으로 분포하는데 비해, 후자는 크기가 크며 불규칙한 형상을 가지며 연속적으로 나타나는 경우가 많다. 다층 용접 시 제1층 용접이 지나치게 볼록하거나 용접 Toe에 Undercut을 수반하는 경우는 용접표면으로부터 Slag을 제거하기 어렵다.
이러한 형태로 잔류된 Slag Inclusion는 용접부 축에 평행한 선형으로 나타나는 것이 보통이다. 또한 이러한 Slag Inclusion는 대부분 유사한 높이와 폭을 갖게 되며, 2㎜를 초과하는 것은 드물다. 용접 Bead의 모양은 Flux 및 용접봉의 특성에 일반적으로 영향을 받는다. 예를 들면 Class 3 Rutile 용접봉은 다층 용접시 Slag의 개재를 최소화할 수 있는 극히 Smooth한 오목한 Bead를 만드는데 비해, 셀루로우스 용접봉은 상대적으로 바람직하지 않은 Bead 형상을 만든다.
Flux Inclusion는 용융되지 않은 Flux 입자가 용접 금속 내에 포함된 현상을 말한다. 이러한 개재물은 극히 드문 현상 이지만 손상된 용접봉을 사용하거나 잠호 용접시 잘못된 기법에 의해 발생할 수 있다. Oxide Inclusion는 그 발생 여부가 특히 재질의 조성에 따라 좌우된다. 대부분의 금속은 산화물을 형성하게 되므로 용접봉이나 충진 Wire를 만들 때 비가시적이며 무해한 산화 입자를 형성하도록 강력한 탈산제를 첨가해야 한다. 산화 피막의 형성과 관련하여 알루미늄 및 그 합금, 마그네슘 및 그 합금등에 주의가 필요하다. Tungsten Inclusion의 발생은 다음의 두 원인에 의해 발생된다.
첫째, TIG 용접시 Tungsten 전극은 용융 Tip를 갖게 되는데 이때 용접자의 실수에 의해 용접 Pool과 접촉하게 되면 Tungsten이 용접 Pool에 들어가거나 Tungsten 전극 자체가 더 이상 효과적인 기능을 발휘하지 못하게 된다. 이러한 Tungsten의 개제는 용접 시작점이나 끝점에서 고립상태로 나타나거나 군집 형태로 나타난다.
둘째, 사용된 전극 직경에 비하여 지나치게 높은 전류가 흘렸을 때 발생한다. 이 경우에는 용접부위 상당한 길이를 가지고 Random하게 나타난다. 또한 Tungsten이 Spatter와 같이 용접부 표면에 나타나는 경우가 있으나 이는 상대적으로 드문 현상이다.
4.융합불량 (Lack of Fusion)
융합불량은 모재와 용착금속, 또는 용착 금속과 용착 금속간에 융합이 되지 않은 상태로 정의되며 발생 위치에 따라
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용착 금속과 개선면 모재의 융합불량, 다층 용접시 중간층 융합불량 및 완전 용입이 요구되는 경우에 용착 금속과 Root부 모재 금속의 융합불량으로 나눌 수 있다.
융합 불량의 발생원인으로부터 고려할 때 모재 또는 전층의 용접금속의 용융이 불충분한 경우와 용접 중 용접부의 표면에 부착된 Slag나 산화물이 충분히 제거되지 않은 경우가 많기 때문에 Slag Inclusion 결함과 정확히 구별되지 않는 경우가 많다. 또한 융점이 높은 산화물을 만드는 원소가 주성분인 재료 또는 그러한 원소가 모재에 포함되어 있는 재료에서는 산화피막을 형성하게 되므로 이것이 융합불량의 원인이 될 수 있다.
일반적으로 융합불량이 많은 산소용접이나 TIG 용접에서와 같이 열원과 충진재가 각각 분리되어있는 경우 발생하기 쉽다. 그러나 소모성 용접봉(Consumable Electrode)에 의한 용접의 경우에서도 용접전류, 전압, Wire 직경 등과 같은 인자의 선정 잘못으로 인해 입열이 불충분한 경우에도 또한 발생할 수 있다. 융합불량과 관련하여 중요하게
고려하여야 할 사항은 개선가공 (Edge Preparation)이다. 개선형태에는 Root 면 및 Root 간격을 갖는 경우와 갖지 않은 경우를 포함하여, 앞에서 설명한 I,V,U,X 등 여러가지 형태가 있다. 개선가공의 주요목적은 용접 Pool의 붕괴없이 중력효과(Gravitation Effect)에 따라 완전 용입이 가능하도록 하는 것이다. 그러므로 개선 가공과 더불어 이를 보완하기 위하여 때때로 용접 Bead에 대해 어떤 외부수단을 적용할 필요가 있다.
5. 용입불량 (Incomplete of Pentration)
용입 불량은 이종의 융합 불량으로써 모재와 모재사이 Root부에서 완전히 용입되지 않은 것으로 정의할 수 있다.
용착 금속이 Root 부에서 완전히 용입되지 않음으로써 발생하는 것이다. 이 결함은 대부분 용접기법의 잘못에서 발생한다. 또한 개선각도가 작거나 Root 간격이 적은 경우 발생하기 쉽다. 용입불량은 어느 정도 길이를 갖고 연속적으로 발생하는 경우가 많다. 특히, 이면 용접이 불가능한 Pipe 용접의 경우가 많이 발생하며 최악의 경우 전 용접부에 걸쳐 용입불량이 발생하는 경우도 있다.
6. 기타결함
용접부의 외부형태가 공동이나 고형 개재물과 같은 내부 결함보다 더 심각한 영향을 미칠 때가 있다. 이러한 결함의 범주에 속하는 것으로는 Undercut, Excessive Reinforcement, Excessive Convexity, Excessive Penetration, Burn Through, Misalignment, Overlap, Incomplete Filled Groove, Grinding Mark, Hammer Mark, Arc Strike, Spatter 등을 들 수 있다.
