| 용접 개요 및 설계
2.1 용접개요
1) 용접의 정의
- 용접이란 2개 혹은 그 이상의 물체나 재료를 용융 또는 반용융 상태로 하여 접합하든가, 상온상태의 부재를 접촉시키고 그 압력을 작용시켜 접촉면을 밀착시키면서 접합하는 금속적이음, 또는 두 물체사이에 용가재를 첨가하여 간접적으로 접합시키는 작업을 말한다.
2) 용접이음의 장단점
(1) 장점
① 용접구조물은 균질하고 강도가 높으며 절삭칩이 적으므로 재료의 중량을 절약할 수 있다.
② 이음의 형상을 자유롭게 선택할 수 있으며 구조를 간단하게 하고 재료의 두께에 제한이 없다.
③ 기밀과 수밀성이 우수하다.
④주물에 비하여 신뢰도가 높으며, 이음의 효율을 100%까지 높일수 있다.
⑤ 주물제작과정과 같이 주형이 필요하지 않으므로 적은수의 제품이라도 그 제작에 있어 능률적이다.
⑥ 용접준비와 용접작업이 비교적 간단하며 작업의 자동화가 용이하다.
(2) 단점
① 용접부가 단시간에 금속적 변화를 겪음으로서 취성 등의 영향을 발생하므로 적당한 열처리로 취성의 성질을 여리게 하여야 한다.
② 용접부는 열영향에 의해 변형 수축되므로 용접한 재료내부에 내부응력이 생겨 균열 등의 위험이 발생하게 된다. 그러므로 용접부의 변형수축은 풀림처리를 하여 잔류응력을 제거하도록 하여야 한다.
③ 용접구조에서 구조물은 한덩어리로 되어 있으므로 균열이 발생하였을때에는 균열이 퍼져나가 전체가 파손될 우려가 있다. 한 예로 용접선박이 해상에서 반으로 쪼개진 사례도 있다고 한다. 그러므로 균열전파의 방지를 위한 설계가 필요하다.
④ 용접공의 기술에 의하여 결합부의 강도가 좌우되므로 숙련된 기술이 필요하다.
⑤ 기공, 균열 등의 여러 가지 용접결함이 발생하기 쉬우므로 이들의 검사를 하여야 한다.
⑥ 용접부는 응력집중에 민감하고 구조용 강재는 저온에서 취성파괴의 위험성이 발생하기 쉬우므로 각별한 주의가 필요하다.
3) 용접이음의 종류
(1) 피복금속 아아크용접
-피복아아크용접봉을 사용하는 아아크용접을 피복금속아아크 용접이라 하며 가장 많이 실용화되어 있어 보통 아아크용접으로 통용되고 있다. 모재와 금속전극과의 사이에 아아크를 발생시키면 약 6,000℃ 정도의 아아크열이 발생되므로 모든 금속을 간단히 융해시킬 수 있다.
(2) 서브머지드 아아크용접
-서브머지드 아아크용접은 분말로 된 용제속에서 모재와 용접봉 사이에 아아크를 발생시켜 용접하는 방식이다. 용접과정중 아아크는 용재내에 발생하여 바깥에서는 불꽃을 볼 수 없으므로 잠호(Submergeged)용접이라고 한다. 서브머지드 아아크용접은 자동용접으로서 수동용접에 비하여 고능률이며, 발생가스의 양이 적고 비교적 조작이 간단하기 때문에 최근에 널리 사용되고 있다.
(3) 탄산가스 아아크용접
탄산가스아아크용접은 코일모양으로 감긴 와이어가 송급모터에서 용접토치로 자동으로 송급되며 토치조작은 작업자가 수동으로 조작하는 반자동용접법이다.
탄산가스 아아크용접은 용접자세, 이음의 종류, 판두께의 차이, 이음의 길이 등의 조건에 따라 자동용접( 특히 서브머지드용접) 보다도 범용성과 기동성이 풍부하며 그 사용법은 수동용접과 별 차이없이 사용이 편리하지만 용착속도가 대단히 빠른 특징이 있다.
그 때문에 최근에는 용접작업의 능률을 향상하기 위하여 수동용접을 대신하여 이 방법이 널리 사용된다. 탄산가스 아아크용접의 능률은 수동용접보다도 약 1.5∼3배이며, 용입도 깊기 때문에 안정된 품질을 얻을 수 있다.
그리고 슬래그의 발생이 적어 청소하는 횟수도 감소되며 박판에서도 용접변형이 적어 이용에 편리하다.
| 〈그림 1.3〉용제가 든 와이어의 절단면 형상 |
용접 전원은 와이어자체가 전극이 되고 모재와의 사이에서 아아크를 발생시켜 용융되며 대기중의 산소나 질소의 영향을 받지 않도록 노즐에서 CO2가스가 공급되어 실딩된다.
와이어에는 솔리드와이어와 플럭스코어 와이어의 두가지 종류가 있다.
탄산가스 아아크용접은 정전압특성의 전원이 이용되며 토치를 약간 상하로 움직여도 아크길이는 거의 일정하게 유지된다.
또한 용입이 깊고 안정된 품질을 얻을수 있는 특징이 있지만 품질을 향상시키는데 하나의 약점은 수분이나 바람 등의 영향 때문에 수동용접에 비하여 기공과 피트가 나타나기 쉽다는 것이다.
옥외에서 탄산가스 아아크용접을 할 경우 먼저 한쪽을 용접하고 즉시 반대쪽을 용접하면 수분의 영향은 크게 문제가 되지 않지만 공정관계등에 의하여 하루밤을 넘기면 습기나 이슬이 부착되기 쉽기 때문에 기공이나 피트가 발생하기 쉽다. 이와 같은 경우에는 가스불꽃등으로 개선부의 수분을 제거하면서 용접하는 것이 중요하다. 특히 장마철 등 습기가 많은 시기는 주의할 필요가 있다.
또한 탄산가스로 실드하여 용접하는 것이기 때문에 바람이 강하게 불 때 용접을 하면 실드가스가 날아가서 실드의 부족으로 기공이나 피트가 발생한다. 그러나 실드가스량이 너무 많으면 가스의 흐름이 층류로 되지 않아 오히려 공기를 끌어들이는 경향이 있어 좋지 않다. 최근에는 탄산가스를 많이 유출시켜 바람의 영향을 적게하는 내풍성 노즐이 시판되고 있다. 이것은 실드가스 유량을 증가시켜도 층류를 유지하게 만든 것이다.
일반적으로 안전을 도모하기 위하여 풍속이 2m/sec이상이면 아아크가 노출되어 금속산 화로 기공, 피트가 생기기 쉬우므로 방풍장치가 필요하다. 이밖에 CO2가 공기중에 3∼4%이거나 CO가스가 공기중에 0.01%이상이면 강제환기가 필요하다.
4) 용접접합 형식
(1) 맞대기 또는 홈용접 (Butt or Groove Welding)
동일평면에 있는 2개의 부재를 마주 붙여 용접하는 이음
(2) 필렛용접(Fillet Welding)
겹치기 용접이음(Lap Welding)과 T형이음의 필릿부분 용접이음
(3) 플러그용접(Plug Welding)
접합하는 부재 한쪽에 둥근 구멍을 뚫고 그 곳에 다른 쪽 부재와 접합하여 용접하는 이음
(4) 슬롯 용접 (Slot Weiding)
겹쳐진 부재의 한쪽에 구멍대신 긴 홈을 만들어 용접하는 이음
2.2 용접 설계
1) 용접부 형상
(1) 용접이음의 형태
-용접이음의 형태를 설계할 때에는 다음과 같은 사항을 고려한다
① 용착금속량이 적게드는 이음모양을 선택할 것
② 용착금속량을 줄이기 위한 적당한 루트간격과 홈각도를 선택할 것
〈그림2.1〉의 (a)
③ 용입이 깊은 용접법을 선택하여 가능한 이음의 베벨가공을 생략할 수 있도록 할 것.
〈그림2.1〉의 (b)
④ 후판용접의 경우 한면 V형 홈보다는 양면V형 홈(X형홈)을 이용하여 용착량을 줄일 것.
〈그림2.1〉의 (c)
⑤ 세조각으로 되어 있는 것을 하나로 용접할 필요가 있을 경우에는 가능하면 〈그림2.1〉의 (d)와 같이 용접부을 한곳에 오도록 설계하면 간단하게 용접할 수 있다.
⑥ 필릿용접의 경우는 가능한 45°의 평면 또는 약간 볼록한 용접면이 경제적이다.
〈그림2.1〉의 (e) 참조
⑦ 너무 깊은 홈은 피한다. (용접이 어려울뿐만 아니라 균열이 일어나기 쉽다)
⑧ 플레어형(굽힘홈형)과 같은 경우에는 루트부의 완전한 용융이 어려우며 판과 관이 얇은 경우에는 용락이 문제가 되기 쉽다. 이것은 높은 전류와 용접속도가 늦을 경우에도 일어나기 쉽다.
⑨ 용접봉이 쉽게 닿도록 하여 용접하기 쉬운 자세로 설계한다.
⑩ 지그 등을 사용하여 용접하기 쉬운 자세로 용접할 수 있도록 한다.
(2) 용접부 크기
-설계 또는 제작과정에서 과도한 용접은 피하여야 한다. 우선은 설계단계에서 용접량 을 줄이기 위한 기본요령은 다음과 같은 것이 있다.
① 적당한 용접부 크기로 할 것 (용접량이 너무 많거나 작게 하지 말 것)
② 설계는 안전율을 고려하여 안전한 강도를 유지하도록 한다
③ 필릿용접의 각장은 용접부의 단면적과 용착량을 좌우하므로 잘 검토하여 정한다. 〈그림2.2〉에서 각장을 8mm로 해야할 것을 9.5mm로 하면 이음강도는 단지 20％증가하지만 용접금속량은 43％ 증가할 뿐이다.
④ 단속필릿용접의 경우는 각장을 작게하고 용접길이를 길게하는 것이 비용이 절감 된다.〈그림2.2〉의 (d)참조
⑤ 용접이음에 걸리는 하중이 작거나 없을 때에는 연속 필릿용접보다 단속필릿용접이 비용이 절감된다.〈그림2.2〉의 (e)참조
⑥ 자동용접을 할 수 있도록 직선이 되도록 용접선을 설계한다.〈그림2.2〉의 (g)참조
⑦ 용접을 해야할 부분은 부재중에서 가장 얇은 부분이 되도록 설계하며 용접크기는 얇은쪽을 기준으로 설계한다.〈그림2.2〉의 (b)참조
⑧ 가능한 작은 이음매 용접이 될 수 있게 설계할 것.〈그림 2.2〉(f)의 왼쪽과 같이 설계하여 절단하였을 경우 이음매 용접이 짧아져 용접길이가 적어 수동용접일 경우에 유리하며 자동용접일 경우는 (g)가 훨씬 유리하다.
⑨ 보강재나 격판과 같은 것을 사용하여 용접량, 각장, 용접길이를 줄인다.
⑩〈그림 2.2〉(c)와 같이 빔의 웨이브 용접에 하중이 약하게 되는 과도한 용접이 되지 않도록 한다
| 〈그림 2.2〉과도한 용접을 피하기 위한 설계 |
(3) 첫패스의 형태
「나비 대 깊이의 비」는 첫 패스에 국한된 것이지만 이때 생기는 균열은 몰드효과 (Mold Effect)라고 하며 이음의 면가공 영향을 크게받으며 용입이 깊을수록 불리하므로 중요하다
〈그림 2.3〉에서 둘째 패스부터는 그와 같은 몰드효과는 거의 없어진다. 따라서 다층패스의 경우 맨 마지막 층의 패스에서는 이러한 균열은 거의 없다. 그러므로 항상 첫 패스의 「나비 대 깊이의 비」를 염두에 두고 용접부의 홈을 설계하여야 되는데 , 용입이 깊을수록 균열감도가 높아지고 루트간격이 넓을수록 「나비 대 깊이의 비」는 유리해진다.
그러나 용접비용과 실효성이 문제되므로 상호 타당한 점을 선택한다.
(c)는 홈의 각도가 적을 경우에 균열이 일어나기 쉽고 (d)는 용접후 가우징을 너무 좁게한 후 용접했을 때 균열이 발생한 상태를 나타낸 것이다.
「나비 대 깊이의 비」는 1:1∼1:1.4, 즉 최소 1:1에서 최대 1:1.4로 하는 것이 균열이 발생하지 않는 설계이다
또한 V형홈 대신 U형홈을 이용하면 〈그림2.4〉에서와 같이 면가공을 할 수 있는데 이것은 첫패스의 기하학적 형태가 우수하여 균열감수성이 적고 용접홈의 각도가 작아도 되므로 나중에 뒷면 따내기를 안해도 된다는 장점이 있으나 면가공을 기계가공으로 해야한다는 점이 있다.
후판용접에서는 첫패스의 용착부 뒷면에는 결함부가 잘 생기므로 첫패스 용접후 뒷면 따내기를 그림〈그림 2.5〉와 같이 확실하게 한 후 다시 용접하여 완전한 용입의 용접부로 만들어야 한다.
2) 용접이음의 강도계산
(1) 강도계산을 위한 가정
① 국부적인 응력집중은 고려하지 않는다. 즉 루트부나 토부끝단의 응력집중은 고려하지 않으며 응력은 목단면에 일정하게 작용하는 것으로 본다
② 파괴는 목단면에서 일어나지 않을수도 있지만 강도계산은 목단면에 작용하는 응력으로 한다. 즉 목단면을 위험단면(파단면)으로 한다
③ 잔류응력은 고려하지 않는다
(2) 필릿용접
-이론목두께는 응력계산에는 사용하지만 설계도면에는 사용하지 않는다. 설계도면에서는 각장 (필릿의 크기 즉, 다리의 길이)으로 지시하는 것이 보통이다 각장은 용접부의 단면적과 용착량을 좌우하므로 잘 결정하여야 한다.
(3) 안전율 및 허용응력
① 안전율
용접이음의 안전율에 영향을 미치는 인자로는 모재 및 용착금속의 기계적 성질, 재료의 용접성, 하중의 종류, 시공조건 등에 따라 다르나 일반적으로 사용할 수 있는 각종재료에 대한 안전율로 언윈(Unwin)이 발표한 것으로는〈표2.2-1〉과 같다
② 허용응력
용접이음의 허용응력을 결정하는 중요한 방법에는 2종류가 있다. 하나는 용착금속의 기계적성질을 기본으로 안전율을 고려하여 이음의 허용응력을 지정하는 방법이고 ,다른 하나는 이음효율을 정하여 모재의 허용응력에 이음효율을 곱한 값을 이음의 허용응력으로 하는 방법이다 강재의 허용응력으로는 보통 정하중에 대하여 인장강도의 1/4값 (연강에서는 항복점의 약 1/2)이 취해지고 있으며 최근 고융점을 갖는 고장력강에 대하여는 인장강도의 1/3응력이 쓰인다. 연강에서 각종 용접이음의 허용으로는 〈표2.2-2〉과 같은 제닝의 수치가 이용되는데 필릿이음에서는 전면, 측면이음이 같은 값이다.
| 〈표 2.2〉 제닝에 의한 연강 용접이음의 허용응력 |
-안전율과 사용응력 , 허용응력 및 인장강도 (극한강도)의 관계는 다음과 같다
-표〈2.3〉는 일본기계학회에서 제안한 연강용접이음의 안전율 및 허용응력을 나타낸 것이다.
| 〈표 2.3〉 연강용접이음의 안전율 및 허용응력 |
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(4) 이음효율
-이음의 허용응력을 정할 경우 모재의 허용응력을 기준으로하여 사용재료, 시공방법, 사용조건 등에 의한 이음의 허용응력을 낮게하여 주는 비율을 이음효율이라고 한다.
즉 이음효율은 이음의 허용응력 / 모재의 허용응력이 되고 이음효율을 결정하는 인자로서 여러 가지가 있는데 〈표 2.4〉에서는 미국기계학회(ASME)규격의 용접이음효율을 나타내었다.
3) 용접비용
(1) 용접봉 소모량
-용접봉의 소모량은 용접이음부의 단면적에 용접길이와 용착금속의 비중을 곱하여 용착금속의 중량을 구하고 다음에 용접봉의 손실량을 감안하여 산출 한다. 즉 용착효율을 알면 용접봉의 소모량을 알수 있게 되며 이를 식으로 표시하면
(2) 환산용접길이
-용접공사량을 산정할 때 기본적인 양으로써 용접길이를 먼저 계산하는 것이 보통이며, 계산하는 방법은 여러 가지가 있으나 가정 편리하고 합리적인 환산 용접길이를 사용하는 방법을 설명하고자 한다
같은 길이의 이음을 용접할 때라도 판재의 두께, 용접자세, 작업장소 등이 변동되면 용접에 요하는 작업량도 변하기 마련이며 이러한 작업량에 영향을 주는 것을 계수로 표시하여 실제의 용접길이에 곱하도록 하고 있다
즉 판재의 두께(필릿용접의 경우는 각장), 용접자세, 작업장소 등 일정한 작업조건에서 환산한 것을 환산용접길이라고 한다.
이것은 직접 공사량을 의미하는 것으로 공사량예상의 기본이 된다.
〈표2.5〉는 현장용접의 경우 조선소에서 사용되고 있는 환산품의 한 예를 나타내고 있다.
주) T: 필릿
V: 맞대기
T.V: 좌측은 평균치 |
(3) 용접작업시간
-용접에 필요한 시간은 제품의 종류와 모양, 용접길이, 용접봉의 종류와 지름 및 용접자세에 따라 변동된다. 특히 용접자세가 아래보기인 경우 수직이나 위 보기 자세에 비하여 단위길이를 용접하는데 필요한 시간은 약 1/2이면 족하다
용접작업시간은 다음식으로 산출한다
용접소요시간과 용접작업시간의 비, 즉 단위시간내의 아크발생시간을 백분율로 표시한 것을 아크타임이라고 하며 능률이 좋은 공장일 경우 수동용접에서 35∼40％, 자동용접에서 40∼50％정도이다
(4) 소비전력량
-소비전력량은 사용전력에 용접시간을 곱하는 것이나 용접기의 효율을 고려 하여야 한다. 용접기의 효율은 직류용접기는 약 50％, 교류용접기는 약80％정도이며 용접기에 따라 차이가 있다.
용접기의 무부하운전에 따른 전력량의 손실은 직류용접기에서는 25∼45 ％ 가 되나 교류용접기에서는 고려할 필요가 없다.
4) 용접기호
-용접구조물의 제작도면에서 설계자가 의도하는 이음형식과 홈의 형상, 필릿의 다리길이(각장), 용접깊이, 이면용접, 비드표면의 끝내기방법, 용접법, 용접 장소 등을 나타내기 위한 것이다.
KS B 0052에서 용접기호는 설명선(기선, 지시선, 화살표), 기본용접기호, 보조용접기호, 치수와 그밖의 자료 및 특별한 지시사항을 나타내는 꼬리부분으로 되어있다.
(1) 설명선
-설명선은 용접이음이 존재하는 위치를 표시하기 위하여 화살표를 이용하고 이음의 종류, 용접의 종류, 홈의 치수 및 용접구조물의 제작에 필요한 사항을 기호와 숫자를 설명하는 것으로서 기선, 화살, 꼬리로 구성되는데 꼬리는 필요가 없으면 생략해도 좋다.
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