용접 결함의 종류 및 방지 대책에 대하여

[에스엠웰텍]

용접 결함의 종류 및 방지 대책에 대하여

용접 결함의 종류 및 방지 대책에 대하여는 용접에 관한 종합적인 이해와 자료(카페지기) 를 참고 바랍니다.

용접에 관한 종합적인 이해와 자료(카페지기)

1,용접시 용접 결함의 이해 와 방지대책(종합이론) : 37번

2,용접중 발생하는 용접변형의 방지대책 및 용접기 이해 :43번

3,용접시 발생하는 용접결함의 종류와 방지대책 : 54번

4,용접결함별 규격비교/방사선투과자료 방법 : 71번

5,용접 Crack 의 이해 : 107번

회원님들의 좋은글 부탁합니다.(용사운영자)

1,용접 Crack : 22번

용접결함의 종류와 방지 대책

용접 결함은 아래의 3가지 경우로 분류될 수 있으며 어떤 결함의 경우에는 복합적 요인으로 발생하기도 한다.

* 용접사 기량과 용접 조건에 의해 발생하는 결함.

   - slag inclusion  (슬래그개재물)

   - incomplete Penetration (용입불량)

   - Inadequate joint penetration

   - Undercut

   - Overlap

   - Crater crack

* 용접 기술적 검토 부족에 의한 결함은 crack이 대분분이며 FCAW편면

  초층 용접시 종균열은 용접조건에 의한 영향이 클 수 있다.

   - Hot crack

   - Cold Crack

   - 재열균열

   - stress corrosion crack

* 그외에 lamellar tears, pososity등이 있다.

1. 균열

  1 균열이란

용접성 중에 가장 중요하게 교려해야 할 사항중의 하나가 용접부의 균열이며 접합부의 품질과 성능에 매우 중요한 영향을 미치므로 방사선 사진을 검사할 때도 주의를 기울어야 한다. RT사진에서는 좁은 폭의 검은 띠로 나타난다. 크랙이 발생한 경우 현장의 확인이 최우선되어야 하며 대부분 지정된 용접재료를 사용하지 않는 경우이다. 현장에서 조사할 항목은 크래의 방향 (횡,종), 발생위치(용접부, 열영향부, 모재), 모재의 종류 및 두께, 용접재료의 종류, 적용한 용접조건, 예열의 적용유무, 후열처리 유무, 사용환경, 크랙부위를 채취할 수 있는지 여부(SEM사진의 촬영으로 고온균열/저온균열의 판단을 위하여)등이다.

크랙발생시 저온균열인지 고온균열인지 여부의 판단은 매우 중요하며 기 이유는 원인과 조치 방법이 정반대이기 때문이다. 여러가지 상황으로 추측을 할 수 있지만 증거자료로 제시할 수 있는 것은 SEM 사진이고 SEM 사진의 구분은 좋은 책자가 많으므로 비교할 수 있으며 간단히 설명하면 파단면이 옥수수 같이 갈라지면 고온균열이다. 시편을 액체질소에 담근 다음 충격을 주게되면 파단면에서 쪼개어져 관찰 할 수 있다.

고온균열과 저온균열은 발생하는 온도와 시기에 따라 나누어 진다.

  2 저온균열

일반적으로 저온 균열은 경화된 조직, 확산성 수소, 높은 구속도(잔류응력)의 3가지 요인으로 발생하며,경우에 따라 3가지 원인중 지배적인 요인은 있으나 항상 복합적으로 작용하여 발생한다. 이 세가지 요인에 대해 알아보면 다음과 같다.

*경화된 조직

       - 탄소강의 경우 austenite stainless steel과는 달리 1000℃에서 500℃로 냉각될 때 상변태가 일어나며 냉각되는 조건과 용접부         를 형성하는 화학성분에 따라 성질이 다른 조직이 나타나게 된다.

경화된 조직은 다음의 2가지 원인에 의하여 생겨나게 된다.

I. 다량의 합금원소 첨가에 따른 높은 탄소 당량을 가지는 경우 주로, 열영향부에서 균열이 발생하며, High Strength  Low alloy steel의 사용과 예열을 통한 경화조직 형성을 막는 방법을 사용한다.

II. 용접 후 800℃에서 500℃까지 빠른 냉각속도를 가질 경우 대처 방안은 예열 혹은 대입열용접의 적용이 있다.

*확산성 수소

  - 수소는 분해되어 H+ 상태로 쉽게 모재 속에 침투되고 시간이 지날     수록 이동 후 결합되어 수소 Gas로 성장됨으로써 문제를 일으키고  있으며, 이러한 확산성 수소는 용접 시 고온에 의해 수분이 분해되어  발생한다.

  - 확산성 수소량이 많을 수록 크랙 발생하는 임계 응력이 낮아져 낮은 응력에서도 크랙이 발생한다.

  - 대처 방안은 저수소계 용접봉의 사용과 soaking 처리가 효과적이며,예열도 어는 정도 효과가 있다.

* 잔류 응력

  - 잔류응력은 용접시 발생하는 수축응력이 구조물의 구속력에 의해 발생하며, 그 크기는 판두께, 구조물의 크기, 배부 보강재의 구속 정도에 따라 달라진다. 즉, 구속력이 클수록 용접 후 발생하는 잔류응력은 크게된다. 대처 방안은 예열과 용접절차에 의해 어느 정도 작게할 수 있다.

대부분의 under bead cracks, toe crack, root crack의 주된 요인은 경화된 조직과 응력에 기인하며 용착금속부의 횡크랙은 응력이 주된 영향을 미치며, 확산성 수소가 도 영향을 미치게 된다. 경우에 따라 대처할 수 있는 한계가 정해지며 주된 요인이 있으므로 보완하는 방법 또한 각각 달라져야 한다. 가장 손쉽고 간단한 방법은 예열의 적용이다.

저온 균열 방지 대책을 위해 상기 원인에 따른 강재의 선택, 용접재료 및 용접법의 선택, 용접이음부의 설계검토로 세워져야 한다. 또한 저온 균열 시험방법으로는 TCR시험법(Tensile restraint cracking test), RRC 시험법(Rigid restraint cracking test), Implant 시험법, 슬릿형균열 시험법(U-,Y-균열시험), 창형구속 균열 시험법, CTS 시험법(controlled thermal security cracking test), 변형균열시험법이 있다.

참고로, 각종 미세조직의 상재적 저온 균열감수성이 높은 순서는

쌍정마르텐사이트>마르텐사이트와 소량의 베이나잍 및 페라이트 >탬퍼드 마르텐 사이트 >베이나이크와 소량의 미르텐 사이크 >베이나이트 >펄라이트 >침상페라이트 이다.

  3 고온 균열

일반적으로 고온 균열은 응고균열, HAZ액화 균열, 연성저하 균열, Cu침투 균열이 있으며 응고 과정에서 용착금속에 발생하는 응고균열이 대부분이여 HAZ에서 발생하는 액화균열은 강재의 발전과 선급용 강재 특성에 따라 현재는 거의 발생하지 않는다.

  고온 균열의 특징은 아래와 같다.

   - 발생시기는 대부분 응고과정, 응고후 진전

   - 균열 입계를 따라 파단됨 --> SEM 사진에 옥수수 모양

   - 균열이 표면까지 진전되면 균열의 면은 산화되어 산화 피막이 형성됨

   - 대입열 용접금속 중앙, 용접 crater부, austenite stainless steel 

      에 나타 남.

   - 변태를 하지 않은 FCC구조를 가지는 금속의 겨우 균열은 거의

     고온균열임.

고온 균열의 종류 별 특징은 아래와 같다

  *응고균열

- 용착금속의 응과 마지막 단계에서 액상의 필름이 결정 입계를 따라 존재하고, 이 액상이 존재하는 입계가 응고 및 냉각 중 발생하는 응력을 견디지 못해 균열이 발생함. 

-액상막의형성은용질원자의\편석으로발생하며        S,P,B,C,Si,Ti,Nb,Sb등의 원소들이 결정 입계에 편석하여 응고 종료 온도를 저하시키게 된다. 즉, 모재의 응고온도와 마지막으로 응고하는 액상막의 은고온도 차이가 클수록 고온균열 발생확률은 높아지게 된다.

- 고온 균열 감수성에 미치는 조성 인자는 조성 (합금원소 및 불순물의 양), 용접부 형상( 크고 오목한 형상의 비드), 용접부의 구속도가 있다.

  *용접금속의 액화균열

- HAZ 액화균열의 다른 형태로 용접금속내 다층 용접 중 재가열된 용접금속에서 발생한다.

- 용접금속은 이미 불순물이 편석되어 있으므로 입계의 국부적 용융을 위해 불순물의 이동은 없다.

  *연성 저하균열

- 이 균열은 보통 HAZ보다는 용접금속에서 발생하는 고상균열로써 사용한 용접재료가 재결정온도보다 약간 높은 온도에서 심각한 연성저하현상이 나타나서 발생한다.

- 이러한 고온연성 저하는 순도가 매우 높은 모스텐이트 재료에서 전형적으로 나타난다. 연성저하 온도 범위에서 입자성장이 일어나고, 변형이 입계에 집중되어 균열이 발생한다.

  *Cu 침투 균열

- Cu 침투 균열은 액체금속 취화이며 HAZ에서 발생하기 때문에 HAZ액화균열로 오인하는 경우가 많다.

- Cu의 용융점 이상으로 가결된 경우 액상 Cu 가 입게로 침투하여 적당한 구속도에서 균열이 발생한다.

- FCAW 용접 시 용접 중 용접 tip을 조금 녹이면 균열을 바로 확인할 수 있다.

- 균열이 발생하기 위해서는

         1) 액체와 고체금속사이에 상호용해도가 낮아야 한다.

         2) 고-액간의 금속간 화합물이 형성되지 않아야 한다.

         3) 기지가 쉽게 소성변형되지 않아야 한다.

고온균열을 방지하기 위해서는 다음 사항을 고려하여야 한다.

     - 모재의 C,S,P,Ni의 함량을 낮추어야 함.

     - 구속력을 완화하는 joint 설계

     - 구속력을 적게하는 방법

     - 응고를 빠르게 하기 위한 저입열 용접의 적용

     - 비드 형상이 배모양이 안되게 하기 위한 개선각의 형성

모재의 고욘균열 감수성을 시험하는 방법은 다음과 같다

    - 재현열사이클에 의한 고온연성시험법

    - 바레스트레이트 균열 시험법

    - Murex 형 균열 시험법

    - LTP균열 시험법

    - 가변변형속도 균열 시험법

    - FISCO 용접균열 시험법

    - Houldcroft 용접 균열 시험법

  4 크리이트 크랙

용접시 용융부위가 그대로 용융되어 움푹하게 패인부분을 크레이트라고 하며, 슬래그나 기공이 완전히 제거되지 않아 결함을 내장하여 균열발생의 원인이 된다. Crater부분을 다 채우지 않았거나 GMAW를 사용 시 Crater 전류와 기능을 적절히 사용하지 않은 경우 크랙이 방사형으로 발생하며 이의 근원적인 방지를 위해 RUN-ON, RUN-OFF PIECE를 사용한다.

2. 기공

기공은 용접부 표면이나 내부에 존재하는 결함으로 통상 구형으로 조재하며 질소 혹은 수소와 산소에 의해 발생한다. 용접시 용접사는 기공이 생기는 액상의 용착금속에서 기공을 확인 할 수 있다.

기공 발생 원인과 대책은 다음과 같다.

- Joint의 청결 문제 : 용접부의 paint, 녹, 기름, 습기 등이 열에 의       해 분해되면서 용착금속내로 침투하여 발생하므로 용접 전 용접부       를 청결히 해야 한다.

- 용접재료/보호가스의 문제 : SMAW의 경우 용접봉의 흡습, arc start point(back step 사용으로 방지기능)과, 아크길이가 길어짐으로써 외부 공기의 차단문제로 기공이 발생할 수 있다. SMAW의 경우용접 재료의 흡습, 용접 wire의 녹이 주된 원인으로 플럭스 건조를 철저히 해야 한다.

FCAW, GMAW 경우는 용접재료의 녹, 흡습, 보호가스의 양의 적음, 과도한 양의 보호 가스, spatter에 의한 노즐막힘, 용접 전 겨냥각도의 부정확 및 stick-out을 너무 길게 함으로써 발생할 수도 있고, 드물기는 하지만 용접 wire 내부의 flux 충전이 안되서 발생하는 경우가 있다.

- 그 외의 원인으로는 풍속이 강한 곳에서 바람막이 없이 작업하거나 용접대상물이 너무 뜨거울 때 발생할 수도 있다.

3 웜홀

웜홀은 보호가스가 나오지 않으면 100% 발생되고, 보호가스가 너무 적거나 많아도 혹은 모재가 너무 뜨거워도 발생하며 SAW의 경우 플럭스에 대한 과도한 가스발생으로 Pork Marker가 발생하기도 한다.

4. 슬래그 혼입

슬래그 혼입은 초층 아래 혹은 용접층간에 상부로 떠올라야 할 슬래그가 용접부 중간에 있어 비파괴검사(UT,RT)시 발견되며 불규칙한 모양을 갖는 것이 보통이다. 원인과 조치는 다음과 같다.

     - 용접사 기량 부족 -> 용접 기량 향상

     - 전 층의 슬래그를 제거하지 않고 용접하는 경우

     - 용융풀을 보지 않고 슬래그가 선행하도록 한 경우

     - 용접 pass간 불충분한 녹임 및 weaving 용접속도가 과도하게   

       빠르거나 전압이 약하여 용융풀을 완전이 하지못한경우

     - Joint 형상적 측면 -> 개선각을 더 넓혀준다.

실제로, 슬래그 혼입은 고전류/고전압을 사용하면 잘 나타나지 않는다. 주된 원인은 용접 전의 청결(슬래그 제거) 하지 않은 경우이지만 FCAW 의 경우 2층 정도는 슬래그를 제거하지 않아도 이런 결함은 발생하지 않지만 용접 기량에 의해 좌우되므로 각 층마다 용접 후 슬래그를 제거하여야 한다. 특히,용입이 얕고 슬래그의 발생이 많은 SMAW에서는 각별한 주의가 요망된다.

5. 용입 부족 

용입부족은 맞대기 용접부에 나타나는 용접중앙부에 용입이 되지 않아 전단면에 걸쳐 연속적으로 나타난다. 균열과 같이 녹은 심각한 불량으로 RT사진상에 직선으로 용접부 중앙에 선명한 검은색으로 보인다. 원인 및 조치는 다음과 같다.

    - 용접 조건과 용접 기법 상 완전 용입이 되지 않는 joint에 형성한         경우에 발생

    - 용접속도가 너무 빠르거나 늦어 용입이 작은 경우에 발생

    - 용접 전류가 낮거나 Stick-out이 길어 용입이 작은 경우에 발생

    - 용접이나 용접봉의 각도가 너무 기울어져 용입이 얕은 경우

    - root gap이 적어 용입이 안되는 경우

    - 개선각도가 적어 용입이 안되는 경우

용입 부족이 발생한 경우, 현장 경험과 joint design 을 동시에 알 수 있는 용접기술을 담당하는 사람이 문제를 확인하고 해결 방법을 제시할 수 있으므로 가장 빠르게 해결 할 수 있다.

6. 언더 컷

언더 컷은 용접부의 toe나 root의 모재쪽 용융에 의해 notch가 형성되는 결함으로 피로강도에 치명적인 약화를 가져온다. 융안으로 검사되며 깊이를 측정하여 허용치와 비교하여야 한다. 원인 및 조치는 다음과 같다.

     - 용접부의 과도한 용접전류나 부적절한 weaving이나 용접 전의

        각도에 의해 발생한다.

     - 따라서 용접전류를 하향조정하고 joint edge부에 멈추는

       weaving과 용접 전의 각을 조잘하면 된다.

7.오버랩

오버랩은 용접비드나 root의 용착금속이 모재와 이루는 각도가 90도 이상 과도하게 올라온 현상을 이르며, 노치 현상과 같이 응력 집중이 일어나기 때문에 용접 완료 후 허용되지 않는 것이다. 오버랩의 원인은 저전류의 사용 및 간혹 표면 청결(mill scale, paint)의 문제로 발생한다. 따라서 용접전류 상향 조정, 용접속도 증가, 및 용접부 청결이 해결 방법이다.

8. 라멜라테어

라멜라 테어 현상은 액화균열을 일으키는 S를 게거하기 위해 Fe보다 친화력이 높은 Mn을 사용하여 MnS(용융점이 높음)를 만든 강재를 압연 중 MnS가 길게 늘어나 용접 후 기지와 MnS사이에 박리현상이 일어나는 결함이다. 라멜라테어가 일어나기 쉬운 joint는 모재의 Z-방향으로 힘이 걸리도록 상하에서 용접이 이루어 지는 경우이며 용접부 직하의 계단형으로 나타나거나 모재의 중앙이 벌어지는 현상이 일어난다.

   모재의 두께 방향 연성 부족, 후판재 용접 시 높은 구속도, 연신된 게재물의 높은 체적분율, 두께 방향의 잔류 응력을 증가시키는 설계 및 용접시공이 라멜라테어 가능성을 높여준다.방지하는 방법으로는 Z-quality 강재의 사용과 모재 두께 방향으로 힘이 걸리지 않는 설계 및 시공방법이 있다.

9. 재열균열

재열균열은 용접 후 열처리 과정 또는 용접구조물이 고온에서 사용 중에 발생하는 것인데, Ni-Cr-Mo, Cr-Mo, CR-Mo-V등 페라이트 고온용 합금강, Ni 기 내열강 등에서 종종 관찰된다. 항상 HAZ의 조립역에서 결정입계를 따라 전파한다. 따라서, 처음에는 저온균열로 착각하는 경우도 있다.

  *재열균열이 일어나기 위한 조건 4가지

    - HAZ에서 오스테나이트 입자가 조대화 되어야 한다.

    - 오스테니이트 영역에서 탄화물의 고용도가 충분하여 이차

       경화형탄화물이 존재하여야 한다.

    - 탄화물이 재 설출하는 온도 범위에서 재가열되어야 한다.

    - 용접부의 잔류응력이 커야한다.

  * 발생원인(기구): 2가지가 제안되고 있음.

    - 재 가열 중 탄화물이 입내에 석출하고 응력 이완에 의한 변형 시 

      입내가 입계보다 강하여 입계 균열이 발생

    - 용질원자의 입계 편석에 의해 재 가열시 입계 강도 저하에 의해

      입계를 따라 균열이 발생. 불순물의 석출만으로 재열균열이

      발생하기 어려우며 탄화물의 석출이 일어나야 한다.

  *방지 방법은 다음과 같다.

    - 불순물 원소의 저감

    - 용접 부 예열로 잔류응력을 최소화

    - 모재 보다 낮은 인장강도의 용접재료의 선택

    - 응력 집중이 일어날 수 있는 부분의 제거

    - 용접 중 각 pass  간 peening으로 잔류 응력 최소화

1. 용접결함의 개요
   1. 용접 결함은 크게 내부 결함과 외부 결함으로 분류할 수 있다. 외부(표면) 결함은 부식의 위험 및 피로 파괴의 위험을 높이는데, 육안 검사 및 비파괴검사를 통해 허용 여부를 판단한다. 내부 결함은 용접부의 건전성에 영향을 미치며 비파괴검사(NDE) 법으로 검사한다.
      
   2. 결함의 형성은 사전 방지 대책을 적용함으로써 방지할 수 있으며, 이를 위해 본고에서는 용접 결함의 유형을 분류해 보고 결함의 발생 원인 및 방지 대책을 강구함과 동시에 보일러 제품에서 발생하였던 용접 결함에 대한 Case Study를 하고자 함.

용접결함의범위
1. 용접부는 용접 결함이 전혀 없는 것은 아니며 각 제작 Code에서는 정해진 범위 이내의 용접 결함은 허용함
   
2. 즉 Acceptable한 용접부라는 것은 용접 결함이 전혀 없는 것을 말하는 것이 아니라 기기의 가동에 지장을 초래하지 않는 정도의 용접 결함이 존재하는 것을 말함.

3. 용접결함의정의 

결함종류		형상	영향
형 상 불 량	용입 부족		용접부 두께를 줄이며, Crack의 원인이 되는 심각한 결함임. 기계적 피로, 열피로 및 응력 부식 균열 및 단순 부식의 원인이 되는 심각한 결함으로 특히 튜브 맞대기 용접시 주의가 요구됨
	비드중심선 불일치		용입불량과 동일한 위험의 원인이 되며, 원인으로는 Joint 형상불량, Arc Blow 등이다.
	용융 불량		모재가 용융 온도에 까지 이르지 못한 때문이며, Short Circuit Transfer Mode에서 주로 발생 용접 내면의 용융 불량은 Severe한 경우(전체 두께의 10% 이상)에 이르지 않으면 파단에 이르는 경우가 많지 않으나 표면에 존재하는 경우에는 기계적 피로, 열적 피로 및 Stress Corrosion Crack 의 주요 원인이 됨.
	언더컷		용접부 가장자리에서 발생하며, 정도가 심하고 피로 하중이 걸리는 경우 응력 집중에 의해 심각한 영향을 미침.(기계적 피로 및 열피로에 의한 파단의 원인이 됨.)

은점		둥글거나 타원형의 은백색의 취약한 파면으로 수소 석출이 원인이며, 강도에 영향은 없으나 연신률을 감소시킴.
혼입 (Inclusion)		슬래그 혼입 산화물 혼입 텅스텐 혼입
선상조직 (Ice Flower Structure)		조직 사이의 현미경적 미세한 비금속 개재물 (SiO2, Al2O3, Cr2O3) 및 기공(수소)이 존재하는 것이며 기계적 성질을 손상시킴.
기공 (Porosity)		용융 금속의 냉각 시 용해도가 감소함에 따라 가스가 석출되기 때문임. 용착금속에 혼입된 질소, 수소, 일산화탄소, 시일딩 개스 등이 원인으로 강도, 연신율 및 충격치 저하의 원인이 됨.
Crack		고온 크랙 : 필렛, 크레이터 부에서 발생하며, 저융점 불순물이 원인임. 저온 크랙 : 300℃ 이하의 저온에서 발생하며 수소의 출현, 경화 및 구속 응력이 원인.
용락		용접부 Back Side의 비드가 과도하게 튀어나오거나, 오목 비드를 형성 (때로는 Sharp하게 꺼짐) 과도하게 돌출된 부위는 유체 흐름을 방해하거나 국부적 부식의 원인이 됨. 오목 비드가 과도할 경우 Crack, Thermal Fatigue Failure의 원인이 됨

용접결함 원인 및 방지 대책

Shielding Gas 사용 용접 방법

(GTAW, FCAW, GMAW)

결함 종류	원인	방지대책
표면비드 불량	와이어 구부러짐 Contact Tip과 용접물 간의 거리 과다 차폐 가스 흐름 불량	Wire Straightner 사용 Stick Out 감소
	공기 유입 습기 유입	장비 점검
	용접봉 최초 유입 시기가 지나치게 빠름.(TIG)	모재부 용융 후 용접봉을 유입 시킴.
	취부 용접부 크랙	취부 용접시 전류 높임. 취부 용착량 및 길이 증가
용입 및 용융 불량	지나친 용접 속도 지나친 토치 기울임 루트 갭이 너무 좁다. 아크 시작점의 용융풀이 너무 작다. Root Face가 두껍다.	용접 속도를 늦춤 토치 각도 증가 루트 갭 증가 시작점에서의 충분한 가열 Root Face 두께 감소
용락	과도한 전류 느린 용접 속도 루트갭 과다 및 Root Face 과소 와이어 Feeding 속도 과다	전류값을 낮춤 용접 속도를 높임 루트갭 줄임, 위빙 Feeding Speed 조절
언더컷	전류 과대 전압 과대 용접 속도 과다 불균일한 와이어 공급 속도 위빙 속도 과다 토치 각도 불량 모재의 산화	용접 전류 줄임 전압 줄임 용접 속도 줄임 노즐 청소 및 교체 위빙 끝 부위에서의 정지
스패터	Globular 용적 이행 용접봉 또는 모재의 오염	차폐 가스 교체 용접봉 교체 및 용접부 청정

슬래그 혼입	천층의 청정 불량 용접속도 불균일 토치각도 불량(슬래그가 아크에 선행) 위빙폭 과다 용접속도 과소(용융풀이 아크에 선행) 전류 과소	층간 청정 철저 용접 속도 균일 토치각을 크게 함 위빙폭 줄임 용접 속도 늘임 전류를 높임
텅스텐 혼입	Electrode로 부터 유입	Electrode의 품질이 낮음 작업물과의 접촉 방지 전류밀도를 줄임
기공	차폐 가스 유량 부족 차폐 가스에 공기 유입 전류, 전압 과대 Stick-Out 과다 금속 표면 오염(수분, 그리스, 먼지) 모재의 탄소, 황 및 인의 함량 과다	차폐 가스 유량 늘임 Nozzle에 Screen 설치 전류, 전압 줄임 Stick-Out 줄임 금속 표면 청정 모재 교체
고온 크랙	모재의 황 및 인의 함량 과대 내부 응력 과다 최초 용접부의 크레이터 크랙 팽창량 과다	망간함량이 높은 용가재 사용 예열 용접 비드 크기 증가 용접 순서 및 JIG 변경
저온 크랙	용착량 과소 취부 상태 불량 내부 응력 Crater Crack 과도한 수축 용입 불량 외기 온도가 지나치게 낮음 수분 냉각 속도 과다 수소 잔존	용착량 늘임 Root Gap 줄임 예열 Crater를 채움 용접 순서 변경 용접 변수 변경 용접부 예열 모재부 건조 입열 증가(전류를 높이고 속도를 늦춤) 냉각속도를 늦춤으로써 수소방출

• 피복 아크 용접 방법(SMAW)
  

결함 종류	원인	방지 대책
용입 부족	운봉 속도가 부적당할 경우 용접 전류 과소 홈의 각도가 좁은 경우	용착량 늘임 슬래그의 포피성을 해치지 않을 정도로 전류를 많게 함 홈의 각도를 크게 하거나 각도에 따른 봉지름 선정
언더컷	용접봉의 각도, 운봉 속도가 적당치 않을 경우 용접 전류 과다 부적당한 용접봉 사용	봉지름에 따른 위이빙을 주의 깊게 함. 운봉 속도를 늦게 하고 전류를 높임 목적에 따른 용접봉 사용
슬래그 섞임	전층의 슬래그 제거 불완전 이음 설계 부적당	슬래그 완전 제거 아아크 길이 또는 조작을 적당히 할 것
기공	아아크 분위기 중의 수소 또는 일산화탄소가 너무 많을 때 용착부의 급냉 모재 중의 유황량 과다 이음부에 유지,녹,페인트 부착 아아크 길이 전류치 부적당 용접봉 또는 이음에 습기 과다 두꺼운 아연 피복	적정한 봉 선정 위빙 또는 후열에 의한 냉각 속도 늦춤 저수소계 용접봉 사용 이음의 청정 소정의 범위 내에서 양간 길게 아크 길이 유지 용접봉 및 모재 건조 D4310봉 사용 (고셀룰로오즈계로 아크가 강함)
용착강 터짐	이음의 강성이 너무 클 때 용착강에 기포 등의 용접 결함이 있을 때 봉 건조 부족 이음의 친화성이 나쁠 때 이음의 각도가 너무 좁아 작고 좁은 비이드로 될 때 모재로 부터 과잉의 탄소나 합금 성분이 가해졌을 때 모재중에 유황량이 많을 때	예열, 피이닝, 후퇴법 사용 기포가 생기지 않는 용착 금속을 만들 것. 충분히 건조시켜 습기제거 루트갭 증가 또는 봉을 바꿈 비이드 단면적을 증가 시키고 봉종류를 바꿈 전류치를 낮추어 용입을 감소 저수소계 용접봉 적용
모재 터짐	아아크 분위기 중에 수소가 너무 많을 때 모재의 소입성이 클 때 모재에 이방성 (방향에 따라 강도가 다른 것) 이 있을 때	저수소계 용접봉 적용 또는 예열, 후열 실시 예열, 후열을 하여 냉각속도 늦춤
용착강의 연성과 노치 취성 악화	냉각속도가 너무 빠를 때 용접봉 부적당 모재로 부터 탄소 합금 원소가 과도하게 가해졌을 때	예열, 후열 연성이나 노치 취성이 가장 우수한 용접봉 사용 전류치를 낮추어 용입을 적게함
모재 열 영향부의 연성과 노치 취성의 악화	냉각 속도가 너무 빠를 때 모재의 소입성이 클 때 모재가 변형 시효를 일으킬 때 아아크 분위기 중에 수소가 너무 많을 때	예열 및 후열 응력 제거 어니일링 저수소계 용접봉 사용
선상조직	용접부의 냉각속도가 너무 빠를 때 모재의 탄소 유황분이 너무 많을 때 슬래그를 많이 혼입할 때 수소 용해량이 너무 많을 때	예열, 후열 실시 모재 검토 탈산이 잘되고 슬래그가 가벼운 용접봉 사용 고산화철계, 저수소계 용접봉 사용

• 서브머지드 용접방법(SAW)

결함 종류	원인	방지 대책
블로우 홀	이음의 녹, 스케일, 유기물 플럭스의 흡습 더럽혀진 플럭스 과대한 용접 속도 플럭스의 높이 부족 플럭스의 높이 과다에 의한 가스 탈출 불충분 녹이나 유지로 더럽혀진 심선 극성 부적당	이음의 연삭, 청정, 불꼿 굽기 플럭스 건조 철선 브러시 사용 용접속도 낮춤(적정 플럭스사용) 플럭스 공급 호스 높이 높임 플럭스 공급 호스 높이 낮춤 심선의 청정 또는 교환 DCRP(전극 양극) 사용
Crack	모재의 탄소량 과대, 용착 금속의 망간량 과소 용착부의 급냉에 의한 열 영향부의 경화 심선의 탄소와 유황의 함유량 과대 다층용접의 제 1층에 생기는 터짐은 비이드가 수축변형에 견디지 못할 때 림드강의 필렛 용접에서 깊은 용입으로 편석이 교차할 때 모재의 구속 과다 비이드 높이 과다, 비이드 폭 과소	망간량이 많은 심선 사용, 모재의 탄소량이 많을 때는 예열 용접 전류, 전압의 증가, 용접 속도 감소, 모재의 예열 심선 교환 제 1층 비드를 강대하게 함. 용접 전류와 속도 감소 비이드 폭과 비이드 고를 대략 1 : 1로 함. 전류를 낮추고 전압을 높임
슬래그 섞임	용접 방향으로 모재가 경사해 있어 슬래그가 선행 심선이 측면에 너무 가까울 때 용접 개시점의 슬래그 섞임 전류 과소 용접 속도가 과소하고 슬래그가 선행 최종층의 아크 전압이 너무 높아 유리된 플럭스가 비이드 끝에 혼입	모재를 되도록 수평으로함. 홈측면과 심선과의 거리를 적어도 심선 직경 이상으로 함 엔드탭의 홈 형상을 모재와 동일하게 함. 전류를 높여서 잔류 플럭스를 녹이도록 함. 전류와 용접속도를 증가 전압 감소. 2층으로 최종층을 덧붙임.

5. CASE  STUDY　

제 품 명	불량 내용	조치 내용
SA268TP430 재질의 Header To Nipple 부 (서인천 HRSG)	용락에 의한 내면 산화로Crack 발생	입열량 제한 (Max.140A) 용락 발생 여부 검사
	용접후 열처리 지연으로Bond Line에서 Stress Corrosion Crack 발생	용접 완료 후 곧바로 열처리 실시 실내 용접 실시
SA178A & C의 Groove 맞대기 용접부 (보령 HRSG)	Rimmed 강인 SA178A & C 재질의 용접 시 모재 내부에서 발생한 가스에 의해 기공 발생	탈산재(Al, Ti)가 가미된 용가재(ER70S-2)로 용접
Once Through Type Boiler의 Nozzle Tip 용접부	309S.S의 Fillet 용접부 (1-Pass 용접 실시) Center Line이 보일러 가동시의 열응력에 의해 터짐 발생	용접부 Center Line에서의 불순물 집적에 의한 터짐 방지를 위해 2-Pass를 아래 그림과 용접함.
Inconel 용접부	Crater Crack	Crater 처리(오목한 Crater를 최대한 채움) 작업 초기 Sample Test
Plate Hole에 Round Bar 용접 하는 구조	Plate 및 Round Bar 모두 Rigid한 구조로 용착부에 과도한 수축 응력이 가해져 용접부 Center Line에 Crack 발생	예열만으로는 수축응력을 감소 시킬 수가 없으므로 연신율이 우수한 Austenitic 용가재(309S.S 또는 INCONEL) 적용
Header To Partition Plate 용접부	Header와 접촉되는 Partition Plate의 가공면에 Punch에 의한 돌기를 만들지 않은 곳에서 과도한 잔류 응력에 의한 용접부 Crack 발생	Header와의 접촉면에 펀치에 의한 돌기를 만들어 용착부 수축에 의한 내부응력 발생을 방지함.
Drum To Nozzle 용접부	Nozzle 부 예열온도가 Shell 보다 높은 경우 냉각 시에 용착부에 걸리는 응력으로 용착부에 Crack 발생	예열 시 Nozzle부 보다 Shell 온도를 높게 유지
Panel Opening부	Panel Opening 후 Fin을 재용접하는 부위는 Panel의 Rigid 한 구조로 용접부에 큰 수축 응력을 유발하며 두께가 얇고, 내부 압력을 받는 Tube가 파단되게 함.	Opening된 주변 모재를 예열하여 잔류 응력을 경감함. Tube To Fin 용접 형상을 오목(Tig 적용)하게 함으로써 Notch 효과를 없앰.
Box Girder의 Corner 용접부	Rigid한 구조로 용접부 Center Line Crack	다층용 용접 Flux 적용 전체 열처리 후 수정 용접
이재 용접부 용가재 선정 오류	보일러제품에서Austenitic Stainless Steel과 Ferritic Steel 간의 이재 용접부에 대한 용가재 선정 오류 시 열팽창 계수 차에 의한 파단 발생	온도 및 제품 특성에 맞는 용가재 선정 (E7016-A1, E309-16, Enicrfe-3, Enicrfe-2)

Fillet 용접부의 과도한 오목 비드	Tig 용접이나 하진 용접에서 주로 생성되는 오목비드는 구조상 인장응력에 취약하며 목두께가 규정치 보다 적은 경우도 많아 파단 위험이 큼	Fillet 용접 시 규정 목두께 준수 여부를 확인하고, 과도한 오목 비드가 형성되지 않도록 주의
Header To Nipple 용접부 용락	Nipple에 대한 과도한 Arc 열로 볼록 또는 오목비드의 용락발생	용접 입열을 낮춤(전류를 낮추고 용접 속도를 높임) Arc열이Header Pipe를 향하게 함.
Header To Nipple 용접부의 Bond Line Crack	High Alloy 및 High Carbon 쪽 모재의 Bond Line이 예열 부족 또는 과도한 희석에 의한 Carbon 전이로 경도가 상승, Crack에 이름	Header Pipe에 대한 규정 예열 실시 FCAW Process 대신 GTAW 또는 SMAW 적용
Tube To Sleeve 용접부 용락에 의한 파단	Tube To Sleeve 용접부는 보일러 가동시의 Metal 온도가 달라 용락에 의한 Tube 내면의 결함 발생시 Thermal Stress에 의해 용이하게 파단	용락 방지 위한 저 입열 용접 실시 High Alloy Steel(P91, X20)은 용락이 오목비드 형태로 나타나고, 산화를 일으켜 취약하므로 특히 주의해야 함.

용접부결함 사진

융합부족 (Lack of Fusion)= LF

융합부족은 완전히 용접조작의 실패에 의한 것으로 용접봉과 모재 또는 각 패스간 용접부 사이를 충분히 용융시키지 못한 상태에서 용접금속이 흘러 들어가 메워진 상태(Cold Lap)의 결함이며 날카로운 선 모양의 끝단부를 형성하기 때문에 균열과 비슷하게 다루어 진다. 용접부의 모든 위치에서 발생 가능하며 가장 큰 원인은 용접사의 운봉 기술이 부적절하기 때문이다.

일부는 부적절한 용접법을 선택하여 용접할 부위의 모재를 충분히 녹이지 못하여 용융부족을 발생시키기도 한다.

불충분한 개선각, 오염된 용접부, 부적절한 용접봉 크기 등이 원인으로 지적될 수도 있으며 특히 열원과 용가봉이 별도로 되어 있는 용접법 (가스용접, GTMA법)에 특히 많다

용입불량 (Incomplete Penetration)= IP

용입불량은 용접기술 관리상 중요한 문제가 되는 결함으로 개선용접 또는 필렛 용접을 할 때 용접전류가 너무 낮아 아크 열이 루트 밑부분까지 충분하게 용융시키지 못했을 때 발생한다.

용입불량은 용접속도가 부적당할 때, 개선각이 부적절할 때, 용접봉의 선택이 잘못되었을 때 발생하며 외부에서 잘 발견할 수 없는 결함으로 이음의 강도가 약하게 되고 특히 이 부분에 반복하중이 작용하면 균열이 일어날 수 있다.

언더컷 (Under-Cut)  =UC

언더컷은 용접과정 중 모재가 함몰되어 생기는 표면결함으로 날카로운 형상을 가지고 있어 응력집중에 의한 균열로 발전할 수 있는 결함이다.
용접전류가 과다할 때, 아크(arc) 길이가 길 때, 운봉 속도가 너무 빠를 때 생기기 쉽다.

오버랩 (Over-Lap)

오버랩은 용융된 금속이 모재면에 덮혀진 상태를 말한다. 오버랩의 원인은 언더컷이 생기는 원인과 반대로 용접전류가 너무 약할 때 또는 용접속도가 너무 느릴 때 생기기 쉽다.

 오버랩 결함은 응력집중으로 발생된 균열이 오버랩 내부에 숨어 있을 수도 있기 때문에 매우 위험한 용접결함으로 분류된다.

기공 (Porosity)= P

기공은 용접시 물리적 또는 화학반응에 의해 발생된 가스가 용접금속 내에 갇힌 상태로 응고한 결함으로 용접부 전길이에 불균일하게 연속하여 발생하는 경우와 국부적으로 발생하는 경우가 있다.

또한 기공의 형상에 따라 선형기공, 블로우홀(Blow Hole), 웜홀(Worm Hole), 파이프(Pipe)과 같은 명칭으로 불리기도 한다.
기공 결함은 아크 내에 공기가 침투하였을 때, 용접전류가 과다할 때, 아크(arc) 길이가 길 때, 용접봉 또는 이음부에 습기가 많을 때, 이음부에 유지, 페인트, 녹 등을 완전히 제거하지 않았을 때 발생한다.

또한 모재 중의 유황량이 많은 경우도 발생하기 쉬운데 이런 경우 저수소계 용접봉을 사용하므로써 예방할 수 있다.

기공의 형태 중 특히 파이프의 경우 용접 이음부의 미용착을 수반하여 용입부족이나 융합불량의 존재를 나타내는 증거가 되기도 하며 Back Chip을 밀착시킨 맞대기용접부나 T형 필렛 용접부와 같은 종류의 용접 이음부 중에 가스의 이탈방향으로 늘어진 형태로 갇히게 됨으로 발생한다.

또한 1 Pass 용접 시 용접아크가 불안정한 경우 루트부에 가늘고 긴 선상의 기공이 발생하기도 하는데 이를 중공비드(Hollow Bead)라고 한다.
용접금속 내부에 존재하는 것을 기공(Porosity)이라 하고 비드 표면에 입을 벌리고 있는 것을 피트(Pit)라고 한다.

크레이터 (Crater)

크레이터는 아크를 끊을 때 비드 끝부분이 오목하게 들어가는 것으로 이 부분이 균열이 일어나기 쉽다.

방지법으로는 갑작스럽게 아크를 끊지 말고 운봉을 멈춘 채로 크레이터가 생기지 않게 이 부분을 채워 주거나, 일단 아크를 끊고 다시 몇 번 아크를 일으켜 크레이터를 채워주는 방법이 있다.

균열 (Crack)

용접균열은 용접부에 생기는 결함 중에서 가장 치명적인 것으로 모든 규격에서 균열은 허용되지 않는다.

균열은 하중 또는 응력이 해당 재질의 인장강도를 초과하여 작용하면 시작되며, 균열 결함은 응력이 작용하면 성장하는 경향이 있어 가장 치명적인 결함으로 분류한다.

(물론 다른 모든 용접결함 또한 결함부에 응력이 작용하면 성장하는 경향이 있으며 이를 '결함성장'이라 한다)
용접균열은 몇 가지 방법으로 분류되는데 균열이 발생하는 금속의 온도를 기준으로 고온균열과 저온 균열로 분류하며, 용접 축방향을 기준으로 종균열(Longitudinal Crack, 용접부의 축과 평행한 방향으로 발생하는 균열)과 횡균열(Transverse Crack, 용접부의 축과 수직으로 발생된 균열)로 분류한다. 균열의 발생부위에 따라 분류하기도 하는데 Throat, Root, Toe, Crater, Under Bead, HAZ Crack 등이 있다.

고온균열

고온균열은 용접금속이 응고되면서 발생하는 것으로 결정립계가 충분히 고상화 되지 못한 상태에서 응력이 작용하여 균열이 발생하는 것으로 알려져 있다.

고온균열은 용접금속내의 결정립계에서 발생하기 때문에 결정립 사이로 진행하는 균열이 대부분이나 때로는 열영향부의 균열도 있다.

고온균열은 대체로 표면이 균열되어 균열면이 산화된다.

 저온균열

저온균열 온도 300℃이하에서 발생하거나 용접금속이 응고된 후 48시간 이내에 발생하는 균열로 특히 응고 후 48시간 이내에 발생하는 균열을 지연균열이라고도 한다.

저온균열은 수축응력이나 열변형에 의한 응력집중 등의 원인으로 인하여 발생하며, 결정립 사이 또는 결정립을 관통하는 형태로 전파성장된다.

실제로 일어난 저온균열의 발생 원인을 정리하면, 부적당한 용접봉 사용, 루트 간격의 과대, 예열 및 후열관리의 불충분, 용접순서의 부적당 등이다.

Under Bead Crack

Under Bead 균열은 용착금속이 아닌 열영향부에서 발생한다.

언더비드 균열은 용접이 완료된 후 많은 시간이 지나도록 진행되지 않을 수도 있기 때문에 특별히 위험한 균열이다.

때때로 지연균열(delayed crack)로 불리기도 한다. 지연균열에 민감한 강재의 용접에 대한 최종 육안검사나 비파괴검사는 용접완료 후 48~72시간 후에 수행되어야 한다. 고강도의 강재는 특히 이러한 균열에 매우 민감하다.
Under Bead Crack은 용접부위에 수소가 있을 때 잘 발생된다.

용접봉, 오염된 모재, 대기 등으로부터 흡수된 수소는 용착금속에 포함되어 있다가 냉각 후 열영향부로 이동하게 된다.

열영향부에서 모인 수소는 분자 형태로 모이려고 하고 그 만큼 많은 체적이 필요하게 된다.

이때에 주위의 금속이 충분한 연성을 갖지 않는다면 갇힌 수소분자에서 형성된 내부응력이 언더비드 균열을 유발하게 되는 것이다.

스패터 (Spatter)= SP

스패터는 용융금속의 소립자가 비산하는 것으로 슬래그의 점도가 높을 때, 전류가 과대할 때, 피복재에 수분이 있을 때, 긴 아크, 운봉 각도 부적당, 모재 온도가 낮은 경우 등에 발생하기 쉽다.

스패터는 완전히 제거되어야 한다.

언더필 (Under-Fill)

용접부 윗면이나 아랫면이 모재의 표면보다 낮게 된 것을 말하는 것으로 용접사가 충분히 용착금속을 채우지 못하였을 때 생긴다. 특히 루트부에 발생하는 것을 루트오목부(Root Concavity)라 한다.

취부 불량에 의한 Hi-Low 또는 Misalignment

이 결함은 부적절한 취부로 인해 발생하는 것으로 맞대기용접부의 경우 루트부의 용입부족 및 윗면부의 언더필 결함의 원인이 된다.

특히 로보트용접 등의 자동용접을 주요 공정으로 하는 경우 용입불량을 초래하는 제일 큰 원인을 제공하므로 매우 위험한 결함으로 분류하기도 한다.

용락 (Burn through)

용접 금속이 국부적으로 떨어져 나간 것을 용락이라 하며 주로 루트부에 과대한 용입이 원인이 된다.

[sus304]

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[운향]

자세한 설명 감사드립니다.

[풍물사랑]

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[천수야놀자]

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