용접기능사 및 기사 시험 대비 핵심 이론 요약 요점 정리 5. 용접시공설계

용접시공설계

Ⅰ. 용접 시공
; 적당한 시방서에 의하여 필요한 구조물을 제 작하는 방법

1. 용접준비
(1) 일반준비 : 모재 재질 확인, 용접기 및 용접봉 선택, 지그 결정, 용접공 선임 등

(2) 용접이음 준비
① 홈가공
㉠ 용입이 허용하는 한 홈각도는 작은 것이 좋 다.(일반적으로 피복아크 용접에서 54∼70°)
㉡ 용접 균열에 관점에서는 루트 간격은 좁을 수록 좋으며 루트 반지름은 되도록 크게 한다.
② 조립
㉠ 수축이 큰 맞대기 이음을 먼저 용접하고 다음에 필렛 용접을 한다.
㉡ 큰 구조물에서는 구조물에 중앙에서 끝으로 향하여 용접을 실시한다.
㉢ 용접선에 대하여 수축력의 화가 영이 되도 록 한다.
㉣ 리벳과 같이 쓸 때는 용접을 먼저 한다.
③ 가접
㉠ 홈안에 가접은 피하고 불가피한 경우는 본 용 접 전에 갈아낸다.
㉡ 응력이 집중하는 곳은 피한다.
㉢ 전류는 본 용접보다 높게 하며, 용접봉의 지 름은 가는 것을 사용한다. 또한 너무 짧게 하지 않는다.
㉣ 시종 단에 엔드탭을 설치하기도 한다.
㉤ 가접사도 본 용접사에 비하여 기량이 떨어 지면 안된다.
④ 이음부의 청소 : 이음부의 녹, 수분, 스케일, 페인트, 유류, 먼지, 슬래그 등은 기공 및 균 열에 원인이 되므로 와이어 브러시, 그라인 더, 쇼트 블라스트, 화학약품 등으로 제거한 다.
⑤ 홈의 보수
㉠ 맞대기 용접 : 판 두께 6㎜ 이하 한쪽 또는 양쪽에 덧살 올림 용접을 하여 깎아 내고 규 정 간격으로 홈을 만들어 용접하며 6∼16㎜ 인 경우는 두께 6㎜정도의 뒤판을 대서 용접 하여 용락을 방지한다. 또한 16㎜이상에서는 판의 전부 혹은 일부(약300㎜)를 대체한다.
㉡ 필렛 용접 : 용접물의 간격이 1.5㎜ 이하에 서는 규정의 각장으로 용접하며, 1.5∼4.5㎜ 인 경우는 그대로 용접해도 좋으나 각장을 증가시킬 수 도 있다. 4.5㎜ 이상에서는 라 이너를 넣는다거나 또는 부족한 판을 300㎜ 이상 잘라내서 대체한다.

2. 용접 작업
(1) 용접 진행 방향에 따른 분류
① 전진법 : 용접 시작 부분보다 끝나는 부분이 수축 및 잔류응력이 커서 용접 이음이 짧고, 변형 및 잔류 응력이 그다지 문제가 되지 않을 때 사용
② 후진법 : 용접을 단계적으로 후퇴하면서 전체 길이를 용접하는 방법으로 수축과 잔류 응력을 줄이는 방법
③ 대칭법 : 용접 전 길이에 대하여 중심에서 좌우로 또는 용접물 형상에 따라 좌우 대칭으로 용접하여 변형과 수축 응력을 경감한다.
④ 비석법 : 스킵법이라고도 하며 짧은 용접 길이로 나누어 놓고 간격을 두면서 용접하는 방법으로 특히 잔류 응력을 적게 할 경우 사용

(2) 다층 용접에 따른 분류
① 덧살 올림법(빌드업법) : 열 영향이 크고 슬랙섞임의 우려가 있다. 한냉시, 구속이 클 때 후판에서 첫층에 균열 발생우려가 있다. 하지만 가장 일반적인 방법이다.
② 캐스케이드법 : 한 부분의 몇 층을 용접하다가 이것을 다음부분의 층으로 연속시켜 용접하는 방법으로 후진법과 같이 사용하며 , 용접결함 발생이 적으나 잘 사용되지 않는다.
③ 전진 블록법 : 한 개의 용접봉으로 살을 붙일만한 길이로 구분해서 홈을 한 부분에 여러 층으로 완전히 쌓아 올린 다음, 다음 부분으로 진행하는 방법으로 첫층에 균열 발생 우려가 있는 곳에 사용된다.

(3) 용접시 온도 분포
① 냉각 속도는 얇은 판보다는 두꺼운 판에서 크다.
② 냉각 속도는 맞대기 이음보다는 T형 이음이큼
③ 열전도율이 클수록 냉각속도는 크다.

(4) 예열
① 연강의 경우 두께 25㎜이상의 경우나 합금 성분을 포함한 합금강 등은 급랭 경화성이 크기 때문에 열 영향부가 경화하여 비드 균열이 생기기 쉽다. 그러므로 50∼350℃정도로 홈을 예열하여 준다.
② 기온이 0℃이하에서도 저온 균열이 생기기 쉬우므로 홈 양끝 100㎜ 나비를 40∼70℃로 예열한 후 용접한다.
③ 주철은 인성이 거의 없고 경도와 취성이 커서 500∼550℃로 예열하여 용접 터짐을 방지
④ 용접시 저수소계 용접봉을 사용하면 예열 온도를 낮출 수 있다.
⑤ 탄소 당량이 커지거나 판 두께가 두꺼울수록 예열 온도는 높일 필요가 있다.

3. 용접 후 처리
(1) 잔류 응력 제거법
① 노내 풀림법 : 유지 온도가 높을수록, 유지 시간이 길수록 효과가 크다. 노내 출입 허용 온도는 300℃를 넘어서는 안된다. 일반적인 유지 온도는 625±25℃ 이다.
② 국부 풀림법 : 큰 제품, 현장 구조물 등과 같이 노내 풀림이 곤란할 경우 사용하며 용 접선 좌우 양측을 각각 약 250㎜ 또는 판 두 께 12배 이상의 범위를 가열한 후 서냉한다. 하지만 국부 풀림은 온도를 불 균일하게 할 뿐 아니라 이를 실시하면 잔류 응력이 발생 될 염려가 있으므로 주의하여야 한다. 유도 가열 장치를 사용한다.
③ 기계적 응력 완화법 : 용접부에 하중을 주어 약간의 소성 변형을 주어 응력을 제거한다. 실제 큰 구조물에서는 한정된 조건하에서만 사용할 수 있다.
④ 저온 응력 완화법 : 용접선 좌우 양측을 정 속도로 이동하는 가스 불꽃으로 약 150㎜의 나비를 약 150∼200℃로 가열 후 수냉하는 방법으로 용접선 방향의 인장응력을 완화시 키는 방법
⑤ 피닝법 : 끝이 둥근 특수 해머로 용접부를 연속적으로 타격하며 용접 표면에 소성 변형 을 주어 인장 응력을 완화한다. 첫층 용접의 균열 방지 목적으로 700℃정도에서 열간 피 닝을 한다.

(2) 변형 방지법
① 억제법 : 모재를 가접 또는 구속 지그를 사 용하여 변형억제
② 역변형법 : 용접전에 변형의 크기 및 방향을 예측하여 미리 반대로 변형시키는 방법
③ 도열법 : 용접부 주위에 물을 적신 석면, 동 판을 대어 열을 흡수시키는 방법
④ 용착법 : 대칭법, 후퇴법, 스킵법 등을 사용 한다.

(3) 변형의 교정
① 박판에 대한 점 수축법
② 형재에 대한 직선 수축법
③ 가열 후 해머질 하는 방법
④ 후판에 대해 가열후 압력을 가하고 수냉하 는 방법
⑤ 로울러에 거는 법
⑥ 절단하여 정형후 재 용접하는 방법
⑦ 피닝법
(4) 결함의 보수
① 기공 또는 슬랙 섞임이 있을 때는 그 부분을 깎아 내고 재 용접한다.
②언더컷 :가는 용접봉을 사용하여 파인 부분의 용접
③ 오버랩 : 덮인 일부분을 깎아내고 재용접
④ 균열일 때는 균열 끝에 정지 구멍을 뚫고 균 열부를 깎아 홈을 만들어 재용접

(5) 보수 용접
① 기계 부품 등의 일부 마멸된 부분을 깎아 내 거나 그대로 다시 원래 상태가 되도록 덧붙 임 용접을 하는 방법
② 열처리 없이 경도가 높은 것을 만들 수 있는 데 ,망간강, 크롬-코발트-텅스텐 등을 기본 으로 하는 합금계 심선이 필요

(6) 용접 후의 가공
① 용접 후 기계가공을 하는 경우에 용접부에 잔류 응력이 풀려지는 경우에 변형우려가 있 으므로 잔류 응력 제거
② 굽힘 가공할 것은 균열 발생 우려가 있으므 로 노내 풀림 처리할 것
③ 철강 용접의 천이 온도의 최고가열 온도는 400∼600℃
☞ 천이온도란 재료가 연성 파괴에서 취성 파 괴로 변하는 온도범위
4. 용접부의 시험 및 검사
(1) 용접부의 검사
① 용접 전의 검사 : 용접 설비, 용접봉, 모재, 용접 준비, 시공 조건, 용접사의 기량등
② 용접 중의 검사 : 각 층의 융합 상태, 슬랙 섞임, 균열, 비드 겉모양, 크레이터 처리, 변 형 상태, 용접봉 건조, 용접 전류, 용접 순서, 운봉법, 용접 자세, 예열 온도, 층간 온도 점 검등
③ 용접 후의 검사 : 후열 처리 방법, 교정 작 업의 점검, 변형, 치수 등의 검사
(2) 기계적 시험
① 인장 시험
㉠ 항복점 : 하중이 일정한 상태에서 하중의 증 가 없이 연신율이 증가되는 점
㉡ 영률 : 탄성한도 이하에서 응력과 연신율은 비례(후크의 법칙)하는데 응력을 연신율로 나눈 상수
㉢ 인장강도 : 최대하중/원단면적
㉣ 연신율 : 시험후 늘어난 길이/표점거리× 100(%)
㉤ 내력 : 주철과 같이 항복점이 없는 재료에서 는 0.2%의 영구 변형이 일어날 때의 응력값 을 내력으로 표시
② 경도 시험
㉠ 브리넬 경도 : 압입자의 크기
㉡ 비커스 경도 : 내면 각이 136°인 다이아몬 드 사각뿔의 압입자에 대각선 길이로 측정
㉢ 로크웰 경도 : B스케일(하중이 100㎏), C스 케일(꼭지각이 120°하중은 150㎏)이 있다.
㉣ 쇼어 경도 : 추를 일정한 높이에서 낙하시켜 반발한 높이로 측정한다. 완성품의 경우 많 이 쓰인다.

③ 굽힘 시험
㉠ 모재 및 용접부의 연성, 결함의 유무를 시험
㉡ 종류로는 표면, 이면, 측면 굴곡시험이 있다.
④ 동적 시험
㉠ 충격 시험 : (샤르피식, 아이조드식) 재료의 인성과 취성을 알아봄
㉡ 피로 시험 : 반복되어 작용하는 하중 상태에 서의 성질(피로 한도, S-N 곡선)을 알아낸다.
⑤ 크리이프 시험 : 재료의 인장강도보다 적은 일정한 하중을 가했을 때 시간의 경과와 더 불어 변화하는 현상인 크리이프 현상을 이용 하여 변형을 검사하는 방법

(3) 금속학적 시험
① 파면시험 : 결정의 조밀, 균열, 슬랙섞임, 기 공, 은점 등을 육안으로 관찰
② 매크로 조직 시험 : 용접부 단면을 연삭기 또는 샌드페이퍼로 연마하여 적당한 매크로 에칭을 한 다음 육안이나 저 배율의 확대경 으로 관찰하여 용입의 양부 및 열영향부 등 을 검사. 철강의 에칭액으로는 염산 : 물, 염  산 : 황산 : 물, 초산 : 물등이 쓰임. 시험 순 서로 는 시편 채취→마운팅→연마→부식→검사
③ 현미경 조직 시험 : 시험편을 충분히 연마하 여 고배율로 미소결함을 관찰한다. 부식액으 로는 철강용은 피크로산 알콜 용액 ,초산 알 콜 용액을 쓰며, 스테인리스강은 왕수알콜 용액을 구리, 구리합금용은 염화철액, 염화 암모늄액, 과황산 암모늄 액이 쓰인다. 알루 미늄 및 그 합금은 플로오르화 수소액, 수산 화나트륨이 쓰인다.

(4) 비파괴 시험
① 외관 검사 : 비드의 외관, 나비, 높이 및 용 입불량, 언더컷, 오버랩 등의 외관 양부 검사
② 누설 검사 : 기밀, 수밀, 유밀 및 일정한 압 력을 요하는 제품에 이용되는 검사로 주로 수압, 공기압을 쓰나 때에 따라서는 할로겐, 헬륨가스 및 화학적 지시약을 쓰기도 한다.
③ 침투 검사 : 표면에 미세한 균열, 피트 등의 결함에 침투액을 표면 장력의 힘으로 침투시 켜 세척한 후 현상액을 발라 결함을 검출하 는 방법으로 형광 침투 검사와 염료 침투 검 사가 있는데 후자가 주로 현장에서 사용됨
④ 자기 검사 : 표면에 가까운 곳의 균열, 편석, 기공, 용입불량 등의 검출에 사용되나 비자 성체는 사용이 곤란하다.

⑤ 초음파 검사 : 0.5～15㎒의 초음파를 내부에 침투시켜 내부의 결함, 불균일 층의 유무를 알아냄. 종류로는 투과법, 공진법, 펄스 반사 법(가장 일반적)이 있다. 장점으로는 위험하 지 않으며 두께 및 길이가 큰 물체에도 사용 가능하나 결함위치의 길이는 알 수 없으며 표면의 요철이 심한 것 얇은 것은 검출이 곤 란하다.
⑥ 방사선 투과 검사 : 가장 확실하고 널리 사 용됨
㉠ X선 투과 검사 : 균열, 융합불량, 기공, 슬랙 섞임 등의 내부 결함 검출에 사용된다. X선 발생장치로는 관구식과 베타트론 식이 있다. 단점으로는 미소 균열이나 모재면에 평행한 라미네이션 등의 검출은 곤란하다.
㉡ γ선 투과 검사 : X선으로 투과하기 힘든 후판에 사용한다. γ선원으로는 라듐, 코발 트60, 세슘 134가 있다.
⑦ 와류 검사(맴돌이 검사): 금속 내에 유기된 와류 전류를 이용한 검사법으로 자기 탐상이 곤란한 비자성체 검사에 사용된다.
⑧ 기타
㉠ 용접 연성 시험 : 코메렐 시험, 킨젤 시험
㉡ 용접 균열 시험 : 리하이형 구속 균열 시험, CTS 균열 시험, 피스코 균열 시험, T형 필 렛 용접 균열 시험
Ⅱ. 용접 설계
(1) 용접 설계자가 갖추어야 할 지식
① 용접 재료에 대한 물리적 성질 ② 용접 구조 물의 변형
③ 열응력에 의한 잔류 응력 발생
④ 용접 구조물이 받는 하중의 종류
⑤ 정확한 용접 비용 산출 ⑥ 용접부의 검사법

(2) 용접 이음의 종류
① 맞대기 이음, ② 겹치기 이음,
③ 모서리 이음, ④ T형 이음
⑤ 한면 덮개판 이음, ⑥ 양면 덮개판 이음
⑦ 변두리 이음등

(3) 용접 홈 형상의 종류
① 한면 홈이음 : I형, V형, ✔형(베벨형), U형, J형
② 양면 홈이음 : 양면 I형, X형, K형, H형, 양 면 J형
③ 판 두께 6㎜까지는 I형, 6∼19㎜까지는V형, ✔형(베벨형), J형, 12㎜이상은 X형, K형, 양 면 J형이 쓰이고 16∼50㎜에는 U형 맞대기 이음이 쓰이며 50㎜이상에서는 H형 맞대기 이음에 쓰인다.

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