용접설계 기술지침
1. 안전율
용접이음의 안전율에 영향을 미치는 인자로는 다음사항이 고려되어야 한다.
◆ 모재 및 용착금속의 기계적성질 (항복점, 인장강도 및 연신, 압축 및 충격치)
◆ 재료의 용접성
◆ 시공조건 (용접공의 기능정도, 용접방법, 용접자세, 이음의 종류와 형상, 작업장소, 용접후 열처리관계, 비파괴 시험의 유무 등)
◆ 하중의 종류(정, 동, 진동하중)와 온도 및 분위기
2. 허용응력
강재의 허용응력으로는 보통 정하중에 대하여 인장강도의 1/4의 값(연강에서는 항복점의 약1/2)이 취해지고 있으며 최근 고항복점을 갖는 고장력강에 대하여는 인장강도의 1/3(항복점의 약40%)의 응력이 쓰인다. 이것은 구조물이 부하를 받았을 때에 재료가 항복하지 않는 것을 전제로 한 소위 탄성설계(elastic design)에 의한 것이다.
3. 용접설계시 유의점
(1) 용접에 적합한 설계를 해야한다.
(2) 가능한한 아래보기 용접이 되도록 한다.
(3) 용접길이는 될 수 있는대로 짧게, 또한 용착량도 강도상 필요한 최소한으로 한다. 용접선을 감소시키기 위하여는 광폭의 판을 이용, 또는 간단한 주단조부품을 병용하는 것이 좋은 경우가 있으며 또한 용접량이 과대하게 되면 변형이 증대하고 관대한 덧붙이는 오히려 피로강도를 저하시켜 유해하다.
(4) 용접이음형상에는 많은 종류가 있으므로 그 특성을 잘 알아서 선택한다.
(5) 용접하기 쉽도록 설계해야 한다. (용접간격고려)
(6) 용접이음이 한곳에 집중되지 않게한다. (용접선이 겹치지 않게한다.)
(7) 결함이 생기기 쉬운 용접은 피해야 하며 약한 필렛용접은 하지 않아야 한다. (스티프너 사용, 돌림용접)
4. 용접설계시 반영하여야 할 특정항목
(1) 용접열 영향을 회피하기 위한 필요 최소거리
(2) 용접이음의 열영향과 인장강도의 관계
(3) 용접이음의 열영향과 충격강도의 관계
(4) 모재두께가 다른 접합부의 용접
(5) 플랜지 용접접합 부분의 응력집중방지
(6) 용접후 표면다음질과 피로방지
(7) 용접부의 비파괴검사방법 지정
5. 용접열 영향을 회피하기 위한 필요 최소거리
(1) 필릿용접·맞대기용접·에지용접이음의 어느 경우에도 접합부에서 대략 판두께(t)의 2배 이상을 떼는 것이 원칙이다. 열영향이 미치지 않는 거리를 판두께(t)의 2배 이상으로 잡는 이유는 필릿용접의 경우, 접합부의 강도를 확보하기 위하여 용접요압부의 「목차수」를 최저 판두께분 이상으로 확보할 필요가 있기 때문이다.
◆ 필릿이음의 경우에는 용입량으로서의 「목차수」 대신에 판두께로 환산해도 된다.
◆ 맞대기 용접의 경우에는 직접 부재 판두께의 2배 이상을 떼어 놓는다. 다만, 용입량이 판두께를 상회하는 경우에는 용입치수로 설정한다.
◆ 에너지용접이음의 경우에는 접합부에서 굽힘 가공부까지의 거리를, 원칙적으로 직접 용입량으로서의 「목차수」로 설정한다. 목차수가 판두께보다 작을 경우에는 부재의 판두께(t)에 따라 설정한다.
(2) 부재에 굽힘가공이 수반되는 경우에는 굽힘가공부의 반경부분을 피하고 직선부를 기점으로하여 접합위치까지의 거리를 설정한다.
(3) 맞대기 용접이음에 걸리는 하중이 정적 인장하중인가, 반복 충격하중인가에 따라 용접법을 포함한 설계상의 대응을 바꾸어야 한다. 설계상의 대응을 적절히하지 않으면 용접부의 파손 등 트러블이 일어나는 설계를 할 가능성이 높다.
(4) 일반적으로 맞대기용접 이음의 설계에서는 용접후 풀림처리로 용접 주변부의 열영향을 변화시켜 파단 등의 트러블 발생을 사전에 예방하는 것이 바람직하다.
6. 용접이음의 열영향과 충격강도의 관계
(1) 맞대기용접 이음을 사용하는 경우에는 부재의 접합부가 되는 용접금속부를 중심으로하여 그 인접 주변부에서 용접열에 의하여 조립역, 세립역, 취화역이 형성되고 충격강도 등의 기계적 성질이 현저히 저하하는 부분이 발생하므로 대응설계를 하여야 한다.
(2) 맞대기용접 이음의 접합부는 용접금속을 용융하여 메우는 형대를 취한다. 따라서 용접금속 용입시의 온도는 1400℃ 부근까지 상승한다. 이 열영향은 부재의 접합부에서 어떤 치수범위까지 미친다는 것을 알고 설계할 필요가 있다.
(3) 반복 충격하중이 걸리는 제품·부품에서 밍대기용접 이음을 사용할 경우, 연강재에서는 용접 금속부에 인접하는 졸힙여과 취화역에서 충격강도가 현저히 저하된다. 따라서 용접한 그대로의 상태로 사용하는 것은 바람직하지 못하다. 용접한대로 사용할 경우에는 용접에 의한 열영향을 그대로 남기는 형대가 된다. 따라서 용접시의 열영향을 가능하면 제거하고 사용하도록 한다.
(4) 용접시의 열영향을 제거하는 통상적인 방법으로서는 용접후 풀림처리를하여 조립역과 취화역의 기계적 성질 저하부분을 개선한 다음 사용하는 것이 바람직하다.
7. 모재두께가 다른 접합부의 용접
(1) 모재의 치수가 다른 부분의 접합이 필요한 경우도 많다. 모재의 치수, 즉 판두께(t)에 큰 차이가 있는 부분을 접합할 경우에는 하중에 의한 응력이 접합부에 집중된다. 또, 접합부, 즉 용접금속 주변부에는 열영향에서 기계적 성질이 일부 열화되는 부분도 존재한다. 응력이 집중하고 그 장소에 강도상으로 열화하는 부분이 존재하면 당연히 접합부에서 응력을 지지하지 못하게 되어 균열이 생기고 최종적으로는 파손사고에 이른다. 이를 방지하기 위해서는 접합부에 응력이 집중하지 않도록 설계하여야 한다.
◆ 그 방법은 접합할 개소의 부재치수를 맡추되 두꺼운 쪽의 부재치수를 얇은 쪽의 부재치수에 맞추는 것이다.
◆ 접합부의 부재치수가 달라서 맞추지 않아도 되는 경우란, 두꺼운 쪽의 부재치수와 얇은 쪽의 부재 치수치가 10㎜ 이내이거나 판두께치가 2배 이내일 때이다. 이와같은 경우에는 용접금속 덧살부에 직접 경사를 붙여 접합해도 무방하다.
◆ 부재의 치수가 달라 두꺼운 쪽의 부재치수를 얇은 쪽의 부재치수로 맞출 때에 접합부를 향하여 부재에 직접 경사를 붙여도 되나 경사도는 되도록 작은 편이 바람직하다.
(2) 두꺼운 쪽의 부재에 붙이는 경사는 판두께분 이상의 병행부에서 끝으로 설치한다. 이 경우, 병행부에서 경사부로 이동하는 부분은 병행부와 경사부의 근원부에 응력이 집중하지 않도록 배려하는 것도 중요한 일이다.
8. 플랜지 용접접합 부분의 응력집중방지
(1) 플릿용접에 한하지 않고 맞대기용접·에너지용접에서도 용접부 주변에는 반드시 열영향부가 생기게 마련이다. 나중에 풀림에 의한 용접시의 잔류응력 제거와 용접에 의한 부재의 조직 변질부에 대한 개질을 제대로 하지 않으면 피로강도나 충격강도 등 기계적 성질이 저하하거나 취화역 부분에 응력이 집중하여 균열발생에 의한 파손사고 등의 트러블로 이어진다.
(2) 용접 구조물의 리브와 플랜지의 하중별로 대응하는 가장좋은 배치와 용접법은 리브와 프랜지를 가급적이면 1부분에 집중시키지 않도록한다. 1부분에의 집중을 피하는 것은 하중에 따른 응력의 집중을 피하는 것이 목적이다. 또, 동시에 리브용접에 수반하는 잔류응력의 집중을 피한다는 의미도 포함되어 있다. 한편, 리브의 집중개소에 있어서의 잔류 내부응력을 분산시키기 위해서는 용접후에 풀림처리를 할 필요가 있다.
9. 용접후 표면다듬질과 피로방지
설계에서 본 경험법칙 적용상의 주의점
(1) 용접 구조물의 설계에서는 구조체의 측면에 함부로 부속품을 용접 고정해서는 안된다. 구조체의 측면에 부속품을 용접 고장하면 부속품 부분에 직접 하중이 걸리지 않더라도 구조체의 피로강도가 극단적으로 저하되는 현상을 나타내기 때문이다.
(2) 한편, 부득이하여 부속품을 용접 고정하지 않을 수 없을 때는 용접후 전체를 다듬질 가공하면 어느정도 피로강도의 저하를 억제할 수 있다. 따라서 어쩔 수 없이 구조체 측면에 부속품 설치를 용접으로 할 경우에는 용접후 구조체 전체를 다듬질 가공하여 용접 비드부가 그대로 표면에 노출되지 않도록 할 필요가 있다. - 부속품을 용접 고정하더라도 용접후에 다듬질 가공을 확실하게 하면 피로강도의 저하를 60% 정도로 억제할 수 있다.
(3) 따라서, 구조체의 측면에 부속품을 용접 고정할 때에는 원칙적으로 용접후 다듬질가공을 하는 설계로 하는 것이 중요하다. 또한, 가능하다면 구조체의 측면에는 부속품을 용접 고정하지 않는 설계로 하는 것이 바람직하다.
10. 용접부의 비파괴검사방법 지정
(1) 용접구조물을 설계할 때에는 이음 등의 접합부에서 용접결함이 생길 가능성이 많다는 사실을 염두에 두고 설계하여야 한다.
(2) 용접부에 대한 결함유무의 검사와 시험법을 반드시 도면상에 함께 지정한다.
(3) 용접결함이 잠재할 경우에는 본래의 기계적 성질이 저하된다는 사실을 알고 접합부에서 결함도가 생긴 경우에도 기계적 성질로서의 강도를 확보할 수 있도록 설계허용값을 낮게 설정하는 것이 중요하다.
(4) 용접결함 상태의 판정에는 침투탐상시험, 자기탐상시험, 방사선탐상시험, 초음파탐상시험, 와류탐상시험, 서모그래피, 전기저항법, AE시험 등 결함의 내용에 따라서 구분 사용하고 있다. 또한, X선 투과시험은 방사선 탐사시험중의 한가지 방법이다.
11. 용접 균열의 방지대책
용접금속의 수축에 의한 인장응력 때문에 균열이 발생되는데 용접금속의 형상, 크기, 이음형식, 구속의 정도등이 영향을 미치게 된다.
A. 용접금속의 균열방지
(1) 적당한 용접봉과 모재의 선택
(2) 적당한 용접설계
(3) 적당한 예열과 후열
(4) 적당한 용접조건과 용접순서
(5) 응력이완법
B. 균열에 나쁜영향을 미치는 수소량 감소방법
(1) 용접봉의 건조와 모재의 수분을 제거
(2) 예열과 후열로 수소의 확산을 피함.
(3) 습기가 많은 곳에서는 용접을 피함.
12. 용접 변형의 방지대책
맞내기 용접 이음에서의 홈 용접 시공은 비대칭 X형 및 H형 홈으로하여 가능한 지름이 큰 용접봉을 사용하고 용착 단면적을 작게하는 것이 좋다.
A. 회전변형의 방지 대책
(1) 용접이 시작될 때 회전 변형이 일어나기 쉬우므로 주의를 요한다.
(2) 가접을 완전하게 하거나 미리 수축을 예측하고 그만큼 벌려 놓는다.
(3) 필용에 따라 용접 끝부분을 구속한다.
(4) 길이가 긴 경우는 두명이상의 용접사가 이음의 길이를 정하여 놓고 동시에 용접한다.
(5) 대칭법, 후퇴법, 비석법(skip method) 등의 용착법을 이용한다.
(6) 맞대기 이음이 많은 경우 길이가 길고 용접선이 직선일 때 또, 제작개수가 많은 부재는 큰 판으로 맞대기 용접한 후 기계적으로 절단가공하면 회전 변형을 감소시킬 수 있다.
B. 각 변형의 방지 대책
(1) 개선 각도는 작업에 지장이 없는 한도 내에서 작게 하는 것이 좋다.
(2) 판 두께가 얇을수록 첫 패스측의 개선깊이를 크게한다.
(3) 판 두께와 개선 형상이 일정할 때 용접봉 지름이 큰 것을 이용하여 패스 수를 줄인다.
(4) 용착 속도가 빠른 용접방법을 선택한다.
(5) 구속 지그를 활용한다.
(6) 역 변형 시공법을 이용한다.