용접 결함의 3가지 경우들
용접 결함은 용접사의 기량 부족과 용접 조건에 의해 발생할 수 있으며, 이는 용접 구조물의 강도와 성능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 용접 기술적 검토가 부족할 때 발생할 수 있는 대표적인 결함들을 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
1. 용접사 기량 및 용접 조건에 의해 발생하는 결함
- 슬래그 혼입 (Slag Inclusion): 용접 비드 내에 슬래그가 갇혀 생기는 결함으로, 용접사가 불량한 기량으로 슬래그를 완전히 제거하지 못하거나 용접 조건이 잘못되었을 때 발생합니다.
- 용입 불량 (Incomplete Fusion): 용접 금속과 모재가 완전히 융합되지 않은 상태로, 용접 속도가 너무 빠르거나 용접 전류가 부족할 때 발생합니다.
- 불충분한 관통 (Inadequate Joint Penetration): 용접부가 재료를 충분히 관통하지 않아 발생하는 결함으로, 용접 조건이 적절하지 않거나 용접 설정 값이 불량할 때 나타납니다.
- 언더컷 (Undercut): 용접 가장자리에서 금속이 과도하게 제거되어 홈이 생기는 현상으로, 용접 전류가 너무 높거나 용접 속도가 너무 빠를 때 발생합니다.
- 언더필 (Underfill): 용접부에 금속이 충분히 채워지지 않은 상태로, 용접 금속의 양이 부족하거나 용접 전류가 너무 낮을 때 발생합니다.
- 오버랩 (Overlap): 용접 금속이 모재 위로 흘러넘어 융합되지 않는 현상으로, 용접 전류가 너무 낮거나 용접 속도가 너무 느릴 때 발생합니다.
- 크레이터 크랙 (Crater Crack): 용접이 끝나는 지점에서 용융 금속이 제대로 응고되지 않아 균열이 생기는 현상으로, 용접 중 전류 조절이 잘못되거나 적절한 마무리 동작이 없을 때 발생합니다.
2. 용접 기술적 검토 부족에 의해 발생하는 결함
용접 기술적 검토가 부족하면 특히 균열과 같은 결함이 발생할 가능성이 큽니다. FCAW(Flux-Cored Arc Welding) 방식에서 특히 편면 초층 용접 시 조건에 따라 종균열(Longitudinal Crack)이 발생할 수 있습니다. 다음은 이러한 균열의 유형들입니다:
- 열 균열 (Hot Crack): 용접 금속이 고온에서 빠르게 응고하면서 생기는 균열로, 주로 용융 금속이 고르게 응고하지 못할 때 발생합니다.
- 냉 균열 (Cold Crack): 용접이 완료된 후 냉각 과정에서 발생하는 균열로, 잔류 응력이나 수소 함유량이 원인이 될 수 있습니다.
- 재열 균열 (Reheat Crack): 고온에서 열을 다시 가했을 때, 재료가 다시 균열을 일으키는 현상으로, 용접 후 열처리 과정에서 발생할 수 있습니다.
- 응력 부식 균열 (Stress Corrosion Crack): 응력이 존재하는 상태에서 부식이 발생할 때 형성되는 균열로, 고온이나 부식 환경에서 주로 나타납니다.
3. 기타 결함
- 층상 찢김 (Lamellar Tears): 모재가 층상 구조를 가질 때 발생하는 결함으로, 주로 인장 응력이 모재의 두께 방향으로 작용할 때 발생합니다.
- 기공 (Porosity): 용접 중에 가스가 용융 금속 내에 포획되어 발생하는 작은 기포 형태의 결함입니다. 이는 보호가스 시스템의 결함이나 용접 부위의 불충분한 청결 상태가 원인이 될 수 있습니다.
이러한 결함들은 모두 용접사의 기량, 용접 조건, 그리고 기술적 검토의 부족으로 인해 발생할 수 있으며, 품질 관리와 적절한 조건 설정이 매우 중요합니다.
균열의이란?
저온 균열, 고온 균열, 그리고 일반 균열은 각각 발생하는 온도와 원인에 따라 차이가 있습니다. 용접 과정에서 이들 균열은 용접부의 성능과 내구성에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 이를 방지하기 위해 각 균열의 특성을 이해하는 것이 중요합니다.
일반균열
- 발생 온도: 일반 균열은 용접 후 냉각과정에서 발생할 수 있으며, 특정 온도 구간에 국한되지 않습니다. 온도에 관계없이 용접부에 응력이 집중될 때 발생할 수 있습니다.
- 원인:
- 열 팽창과 수축에 의한 잔류 응력
- 모재와 용접 금속 간의 성질 차이
- 용접 과정에서 열적 사이클로 인해 발생하는 구조적 결함
- 특징: 일반 균열은 용접 작업의 전반적인 열적 스트레스와 응력 분포에 의해 발생하며, 온도보다는 용접부에 가해지는 기계적 응력과 용접 조건에 영향을 받습니다.
| 구분 | 저온 균열 | 고온 균열 | 일반 균열 |
|---|---|---|---|
| 발생 온도 | 냉각 후 저온 (100°C 이하) | 고온에서 응고 중 | 냉각 과정에서 또는 임의의 온도에서 |
| 주요 원인 | 수소 취성, 잔류 응력, 고경도 부위 | 응고 수축, 불순물 축적, 불균일 응고 | 열적 스트레스, 응력 집중 |
| 발생 시점 | 용접 후 시간이 지나 발생 | 용접 중 또는 용접 직후 고온 상태에서 발생 | 용접 후 냉각 과정에서 발생 |
이러한 균열을 방지하기 위해서는 적절한 용접 조건 설정과 재료 선택, 예열 및 후열 처리가 필요합니다.
저온 균열 (Cold Crack)
- 발생 온도: 용접이 완료된 후, 용접부가 냉각되는 과정에서 발생하는 균열입니다. 보통 용접부가 100°C 이하의 온도로 떨어진 후 발생합니다.
- 원인:
- 잔류 응력(용접 후 금속 내에 남는 응력)
- 모재에 존재하는 수소(Hydrogen Embrittlement, 수소 취성)
- 용접 금속과 모재의 불충분한 융합 및 고경도 부위 발생
- 특징: 용접 후 일정 시간이 지나면서 발생할 수 있으며, 특히 저온에서 연성이 떨어지는 고탄소강, 합금강에서 주로 발생합니다. 이 때문에 수소에 의한 연성 저하가 중요한 원인이 됩니다.
고온 균열 (Hot Crack)
- 발생 온도: 용접 중 또는 용접 후 고온 상태에서 발생하는 균열입니다. 일반적으로 금속이 고온에서 액체 상태에서 고체로 응고되는 동안 발생합니다.
- 원인:
- 용융 금속의 응고 과정에서 수축 응력이 발생
- 용접 금속의 불균일한 응고 (응고 과정에서의 불안정성)
- 재료의 구성 성분 (예: 황, 인 등 저융점 불순물)이 용접부에서 축적되면서 발생
- 특징: 용융 상태에서 불순물이나 응고 과정에서 발생하는 응력에 의해 균열이 형성됩니다. 주로 용접의 중심부나 고온 상태에서 급격히 식는 부위에서 나타납니다. 용접 중 바로 발생하는 경우가 많습니다.
기공이란?
Joint의 청결 문제
- 원인: 용접부의 표면에 존재하는 페인트, 녹, 기름, 습기 등이 열에 의해 분해되어 용접 금속 내로 침투하면서 기공을 형성합니다.
- 대책: 용접 전에는 용접부를 철저히 청소하여 이물질을 제거해야 합니다. 표면은 기계적으로 또는 화학적으로 청소하여 깨끗한 상태를 유지합니다.
용접 재료 및 보호가스 문제
- SMAW (Shielded Metal Arc Welding)
- 원인:
- 용접봉의 흡습: 용접봉이 수분을 흡수하면 용접 시 기공이 발생할 수 있습니다.
- 아크 길이의 문제: 아크 길이가 길어지면 외부 공기가 차단되지 않아 기공이 발생할 수 있습니다.
- 대책: 용접봉은 건조한 상태로 보관하며, 필요시 재건조하여 수분을 제거합니다. 또한 아크 길이를 적절히 유지하고, back step 기술을 사용하여 아크 시작 지점의 문제를 방지합니다.
- FCAW (Flux-Cored Arc Welding), GMAW (Gas Metal Arc Welding)
- 원인:
- 용접 재료의 흡습: 용접 wire의 흡습은 기공의 주요 원인 중 하나입니다.
- 보호가스의 문제: 보호가스의 양이 부족하거나 과도하게 사용되면 기공이 발생할 수 있습니다. 또한, 스패터로 인해 노즐이 막히면 기공이 발생할 수 있습니다.
- 용접 wire 내부의 flux 충전 부족: 드물지만, 용접 wire 내부에 flux가 충전되지 않아 기공이 발생할 수 있습니다.
- 대책: 용접 wire와 플럭스는 적절하게 건조 상태를 유지하고, 보호가스의 양과 유량을 적절히 조절합니다. 노즐을 정기적으로 청소하고, 겨냥각도 및 stick-out을 정확히 유지합니다.
기타 원인
- 풍속이 강한 환경: 바람막이 없이 작업하거나 바람이 강한 환경에서 작업할 경우 기공이 발생할 수 있습니다.
- 용접 대상물이 너무 뜨거운 경우: 대상물이 과열된 상태에서 용접을 수행하면 기공이 발생할 수 있습니다.
- 대책: 바람막이를 사용하여 바람의 영향을 차단하고, 용접 대상물의 온도를 적절히 조절하여 작업합니다.
웜홀이란?
웜홀의 특징
- 형상: 웜홀은 길고 좁은 기포가 용접부 내부에 형성되며, 이로 인해 용접 금속의 연속성이 깨집니다. 이 결함은 길이와 깊이가 다를 수 있으며, 내부에서 관찰할 때 주로 긴 기포 형태로 보입니다.
- 위치: 웜홀은 일반적으로 용접 비드의 내부, 특히 깊은 부분에서 발견됩니다.
웜홀의 원인
- 기체의 침입: 용접 시 용접 금속 내에 기체(주로 수소, 질소 등)가 침입하여 형성됩니다. 기체는 용융 금속 내에서 잘 배출되지 않거나 응고 과정에서 포획되면서 웜홀이 됩니다.
- 보호가스 문제: 보호가스의 부족이나 불균형한 흐름으로 인해 외부 공기가 용접부에 유입되어 기포가 형성될 수 있습니다.
- 용접부 청결 문제: 용접 전 용접부가 충분히 청결하지 않으면, 이물질이 용접 금속 내로 침투하여 기포를 형성할 수 있습니다.
- 용접재료 문제: 용접봉이나 용접 와이어의 품질이 낮거나, 흡습으로 인해 기체 발생이 많아질 경우 웜홀이 발생할 수 있습니다.
웜홀 방지 대책
- 용접 재료 및 장비의 품질 관리: 용접재료는 흡습을 방지하고 적절하게 건조하여 사용하며, 용접 장비와 보호가스의 흐름을 점검하여 안정적인 용접 환경을 유지합니다.
- 용접부 청소: 용접부를 철저히 청소하여 페인트, 녹, 기름 등을 제거하고, 청결한 상태에서 용접을 진행합니다.
- 보호가스 관리: 보호가스의 양과 흐름을 적절히 조절하여 기체 침입을 방지하고, 용접 과정 중 가스의 불균형을 최소화합니다.
- 용접 기술 및 조건 개선: 용접 기술을 개선하고 적절한 용접 조건을 설정하여 용융 금속 내 기체 발생을 최소화합니다.
슬래그 혼입이란?
- 형상: 슬래그 혼입은 보통 용접부 내에 비정형적이고 불규칙한 모양으로 존재하며, 보통 금속 내부에 형성된 검은색 또는 어두운 색상의 덩어리로 보입니다.
- 위치: 슬래그 혼입은 용접 비드 내부 또는 용접부 표면에 위치할 수 있으며, 용접부의 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다.
슬래그 혼입의 원인
- 용접부 청결 문제:
- 용접 전 용접부에 남아있는 녹, 기름, 페인트 등이 용접 시 열에 의해 분해되면서 슬래그와 혼합되어 용접 금속 내로 침투할 수 있습니다.
- 용접 기술 문제:
- 용접 중 아크가 불안정하거나 용접 속도가 너무 빠르거나 느리면 슬래그가 용접 금속 내로 완전히 제거되지 않을 수 있습니다.
- 용접 재료 문제:
- 용접봉이나 플럭스의 품질이 낮거나 플럭스가 불완전하게 녹으면 슬래그 혼입이 발생할 수 있습니다. 특히 플럭스가 너무 두껍거나 불균형하게 분포되면 슬래그가 제거되지 않고 남을 수 있습니다.
- 보호가스의 문제:
- 보호가스가 부족하거나 흐름이 불균형할 경우, 외부 공기가 용접부로 유입되어 슬래그가 용융 금속 내로 침입할 수 있습니다.
슬래그 혼입의 대책
- 용접부의 철저한 청소:
- 용접 전에는 용접부를 기계적, 화학적 방법으로 청소하여 녹, 기름, 페인트 등 이물질을 제거하고 깨끗한 상태를 유지합니다.
- 용접 재료의 품질 관리:
- 용접봉, 플럭스, 또는 용접 와이어의 품질을 확인하고, 적절한 저장 및 사용 방법을 통해 슬래그 발생을 최소화합니다.
- 적절한 용접 기술 사용:
- 용접 중 아크를 안정적으로 유지하고, 적절한 용접 속도와 전류를 유지하여 슬래그가 용접 금속 내로 혼입되지 않도록 합니다.
- 보호가스의 관리:
- 보호가스의 양과 흐름을 적절히 조절하여 외부 공기의 유입을 방지하고, 용접 중 기체가 안정적으로 공급되도록 합니다.
- 정기적인 장비 점검 및 유지보수:
- 용접 장비와 관련 장비의 정기적인 점검 및 유지보수를 통해 슬래그 혼입의 원인을 사전에 예방합니다.
