용접 기술의 기초
용접은 같은 또는 유사한 조성의 금속을 열의 작용으로, 동일하거나 유사한 금속을 첨가하거나 하지 않고 결합하는 것이다. 용접을 통해 부재들은 서로 분리할 수 없게 결합되어 하나의 통합체를 이룬다. 양호한 용접은 친밀한 결합을 전제로 하며, 이는 용접 부위에서 기본 재료도 함께 용융될 때만 가능하다(용입 영역).
전기아크 용접
강구조물의 경우 우선 전기 아크에 의해 필요한 열을 얻는 아크 용접이 고려된다. 아크는 모재와 이른바 전극 사이에서 생성되며, 전극은 이때 용융되어 추가 재료를 제공한다. 추가 재료(전극)의 올바른 선택은 용접부의 특성에 가장 큰 영향을 미친다. 전극은 용접할 모재의 특성 강도에 따라 선택된다. 전극의 선정과 용접 조건의 설정에는 전문 지식이 필요하므로, 이를 위해 특히 교육받은 “용접기술 전문 엔지니어” 제도가 마련되었고, 이들의 임무는 무엇보다도 용접 작업을 감독하고 용접공의 자격 인증을 정기적으로 갱신하는 것이다.
가스 용접 및 절단
가스 용접에서는 가스의 연소로 필요한 열을 생성하므로, 기본 재료와 보충 재료가 용융된다. 더 중요한 것은 _절단_이다. _절단 토치_는 용접 시와 같이 작동하는 열관 외에, 산소용 절단관이 하나 더 있다. 뜨거운 불꽃으로 가열된 강재는 관통되며 산소 흐름에 의해 불어내진다. 절단은 추가 가공 없이도 많은 강구조 용도에 충분한 매끄럽고 정밀한 표면을 제공한다.
용접성
용접 이음의 평가에서는 용접 공정 중 추가재와 모재의 조성이 상당히 변할 수 있음을 고려해야 한다. 구조의 변화도 매우 중요하다. 용융된 용접부와 변하지 않은 모재 사이에는 열 영향 정도에 따라 서로 다른 구조와 그에 따른 서로 다른 성질을 가진 구역이 존재한다. 용접선 옆에는 모재가 용융된 영역(용입 영역)이 있으며, 이곳에서 용접 구역과 모재가 결합된다. 주변 재료의 구역 역시 여전히 강하게 가열되지만, 여기서는 더 이상 용융점에 도달하지 않는다. 이 과열 구역에서는 구조 변화가 크게 일어나므로, 전체 용접 이음의 성질을 좌우하는 경우가 많다.
용접부 균열성은 용접부에 균열이 생기는 현상을 의미하며, 이는 용접 직후 아직 고온일 때 또는 청열 적열 영역(약 300oC)에서 냉각될 때 나타난다. 균열성은 상당 부분 전극의 특성으로, 거의 오직 피복 전극에서만 나타나며, 바로 강구조에 중요한 것이 이러한 전극이다. 균열 발생을 위해서는 두 가지 조건이 충족되어야 하는데, 즉 용접 과정이나 기타 외부 하중으로 인한 높은 응력과 재료의 강성 증가이다.
재료의 구성과 구조에서의 야금학적 변화 외에도, 용접 시 재료에 가해지고 그때 도달하는 높은 온도와 관련된 대량의 열에 수반되는 물리적 과정들도 중요하다. 가열은 균일하게 이루어지지 않고, 좁게 한정된 영역에서만 이루어진다. 가열과 관련된 열팽창은 가열되지 않은 재료가 가열 구역을 내부적으로 구속함으로써 방해된다. 여기에 더해 외부 구속도 작용하는데, 용접 시 부재를 단단히 고정해야 하므로 가열 중 소성 압축이 발생한다. 냉각 시에는 용접부와 그 주변이 가장 크게 수축한다(수축). 냉각 과정에서는 팽창이 방해되므로 강제응력(수축응력)이 발생해야 한다. 용접할 부재를 200 oC에서 300 oC로 예열하면 냉각을 상당히 지연시킬 수 있다. 담금질 효과가 줄어들어 조직 형성이 더 좋아지고, 경화는 덜하게 된다.
재료 및 용접 작업 시험
일반: 용접 작업의 품질은 여러 가지 조건에 좌우되고, 마지막으로는 숙련된 작업자의 기술과 신뢰성에도 좌우되므로, 모든 용접 작업을 정확하게 감독하고 시험할 필요가 있다. 시험으로는 재료와 전극의 용접성 판정, 특정 경우에 대한 용접 조건과 용접 절차의 비교, 시편 시험 등이 있다.
그림 1 - 용접 이음부 굽힘 시험
용접 비드의 굽힘 시험: 이는 직사각형 단면의 단순보(그림 1)를 굽히는 시험으로, 인장 측 섬유에 반원형으로 가공한 종방향 홈을 실온에서 한 층으로 다시 용접한 것이다. 용접부는 변형 능력을 크게 감소시키므로, 시험편은 종종 매우 취성적으로 갑작스럽게 파단된다. 얇은 판일수록 굽힘각이 크며, 판 두께가 증가할수록 감소한다.
노치 충격인성: 용접부의 굽힘 시험에서는 대개 먼저 용접부에서 균열이 생겨 취성 파괴가 일어난다. 모재는 용접부의 취성 파단 시 갑자기 발생하는 하중을 받아들일 수 있어야 한다. 용접부 영역의 균열이 모재를 통해 빠르게 퍼지지 않고, 균열이 오직 서서히 진행하도록 요구해야 한다. 모재는 이 갑작스러운 하중을 받아들일 만큼 충분히 인성이 있어야 하며, 이 능력은 저온에서도 충분히 유지되어야 한다. 노치 충격인성은 다른 기계적 성질들과 마찬가지로 시험 온도에 크게 좌우된다. 낮은 온도, 예를 들어 0 oC 이하에서는 20 oC에서의 값의 일부까지 떨어질 수 있다. 이러한 급격한 저하의 위치는 어떤 재료를 평가하는 데 중요하다. 오늘날 용접 강구조물에는 노화에 대한 우수한 저항성, 즉 냉간 인장 시험에서 높은 노치 강도가 요구된다.
그림 2 - 노치 응력 상태에서의 변형
경도: 용접부 영역에서 경도의 현상은 매우 중요하다. _경도 증가_를 아는 것이 중요한데, 경도가 증가할수록 파단 시 연신율은 급격히 감소하는 반면(도. 3), 인장강도 σB는 브리넬 경도 HB에 거의 비례하여 증가한다. 구조용 강재의 경우 대략 σB = 0,36*HB이다. I형 보의 주각 용접부 경도의 한 예는 도. 4에 제시되어 있다. 천이 영역에는 매우 짧은 거리에서도 경도 차이가 크게 나타난다. 경도의 분포는 형성된 조직에 따라 달라진다. σ-ε-l 곡선은 노치의 응력 상태처럼 경도에 따라 유사하게 변한다(도. 2).
그림 3 - 브리넬 경도와 연신율
그림 4 - 용접된 I형보 하나의 웨브 목부 용접부 영역의 경도
완성된 용접 접합부의 비파괴 시험
투시법 – 얇은 두께의 경우, 한 화면에서 X선 이미지를 보이게 할 수 있다. X선 대신 방사성 물질의 감마선을 사용할 수 있다. X선 이미지는 용접부의 품질을 판단하게 해 준다. 포함된 슬래그나 기공, 그리고 결합 불량과 균열도 이렇게 확인할 수 있으며, 경우에 따라 제거할 수 있다.
자기 탐상 – 시험 대상 강재 부분에 자기장을 발생시키면 뿌려진 철분이 자기장에 따라 배열된다. 자기장의 이상으로부터 균열을 찾아낼 수 있다. 이 방법은 특히 표면 균열을 찾는 데 효과적이지만, 슬래그 개재물과 기공, 그리고 두꺼운 판 내부의 균열에 대해서는 비교적 둔감하다.
초음파 시험 – 초단파 음파는 경계면뿐 아니라 균열이나 박리와 같은 내부의 분리면에서도 반사된다.