철금속 용접_WPS2

[Kim byoungil]

b) 화학설비

내부식성 요구(STS 405, 410, 430, 321, 347등이 S/S강)

c) 화학수송선

내부식성, 내식성요구 (STS304, 316, 316LN, 317LN 등의 S/S강)

d) 원자로 압연용기

고온의 물에 대한 전면부식 저항성, 내공식성이 요구되며, 경수형 원자로 압연용기에는 주로 Mn-Mo-Ni계의 저합금강 사용되며 STS 308L, 309L S/S강과 Inconel Overay용접을 사용한다.

e) 중장비차

내충격성, 내마모성 요구(가공경화형의 Mn계를 사용)

f) 기타

디젤엔진의 밸브시트, 증기터빈및 브레이드, 고온부식,침식피로환경(Co계 합금사용)-스텔라이트

b. 이종재용접

스테인레스강과 탄소강과의 이종금속 용접이 필요할 경우가 종종 있다.

이때 용접금속은 모재에 의해 합금성분이 희석되어 기계적 성질, 내식성등에 영향을 미친다.

그러므로 용접시 Schaeffler 상태도를 이용하여 용접봉 선정에 유의하고 특히 주의할 것은 이음부분이 높은온도로 가열되면 희석경계면에 C가 급속히 이동하여 경계부 부근의 0.2mm폭의 심한 탄화석출을 일으키므로 주의하여야 한다.

1) 용접재료의 선정

ü 탄소강용접 재료로 클래드재를 용접해서는 안되며 적정한 용접재료 및 용접재료의 조합을 이용하여 가능한 희석율을 낮추어야 한다.

ü 통상 맞대기 이음부의 클래드재를 용접하는경우 첫층은 클래드재보다 합금성분이 높은 용접재료로, 두번째층부터는 클래드재와 동등 성분계의 용접재료로 용접 하여야 한다.

ü 내부식 SUS 크래드용접의 경우 용접부의 화학성분이 Shaeffler도에서 고온, 저온 균열이 발생치 않는 영역에 위치할 수 있도록 용접재료를 선택하는 것이 매우 중요하다.

 2) 용접시공

이종금속 용접의 대표적인 조합 및 사용 용접재료는 다음과 같다.

조합 재료		적용 용접재료
SUS 304	탄소강	- E309, E308, E316계통
Monel 400	탄소강	- Ni, NiCu
Inconel 600	탄소강	- NiCr, NiCrFe
70/30 Cu-Ni	탄소강	- NiCu, CuNi
Monel 400	SUS304	- Ni, NiCr, NiCrFe

b) 이종재 이음의 문제 해결방안

이종금속의 용접에는 화학, 물리적 조성이 서로 다르기 때문에 용접중에 또는 가동중에 문제점 이 발생할 가능성이 많다. 기본적인 용접기법은

ü  희석을 고려하여 유해한 화합물을 형성하지 않는 조성의 용가재 선정

ü  물리적 성질이 중간이 되는 용가재 선정

ü  용입(희석)이 적은 PROCESS 기법사용

-      불활성가스 아크용접이 가장 적절

-      용입이 비교적 낮게 억제할 수 있는 Pulse-Arc Welding법 적용

ü  버터링 기법사용

ü 희석률에 영향을 주는 변수

①     전류, 전압 감소

②     진행각의 전진법 사용 (각이 적을수록 희석율적음)

③     와이어 돌출길이

④     예열 온도, 플럭스 종류

⑤     용접속도 느리게

ü 희석률이 너무 낮으면 크래딩 결합의 신뢰도에 문제가 있으므로  최적의 상태는10~15%가 가장 좋다.

ü 희석률에 영향을 주는 변수

①     전류, 전압 감소

②     진행각의 전진법 사용 (각이 적을수록 희석율적음)

③     와이어 돌출길이

④     예열 온도, 플럭스 종류

⑤     용접속도 느리게

ü 희석률이 너무 낮으면 크래딩 결합의 신뢰도에 문제가 있으므로  최적의 상태는10~15%가 가장 좋다.

5. 내열강의 용접

a. 내열강의 종류

내열 합금이라 함은 일반적으로 탄소강의 한계 사용 온도인 320℃(700F)이상의 온도에서 사용할 수 있는 재료를 말한다.

주로 발전소용 보일러 및 압력용기, 건축구조물 및 각종 고온장치에 사용된다.

내열합금에 대한 ASME분류 (사용온도, 응력조건, 사용환경에 따라 적용분야가 다르다)

   * 저합금강

   * 스테인레스강

   * Ni계 초합금

   * Co-Cr-Ni계 합금

   * Mo-Ti합금

350℃ 이상의 고온에서는 Creep특성이 중요하기 때문에 Mo를 첨가하여 특성을 향상 시킨다.

보일러 및 압력용기용 재료로서 400℃까지는 탄소강을 사용할 수 있지만 480℃까지는 1/2Mo강, 그 이상의 온도는 Cr을 첨가 하여야 한다.

또 600℃ 이상이 되면 18Cr-8Ni오스테나이트 SUS강, 750℃ 이상의 경우는 Ni,Co계의 내열 합금을 사용한다.

저 합금강(Low Alloy Steel)으로는 Mo강, Cr-Mo강, Cr-Mo-V강, Cr-Ni-Mo강, Cr-Mo-W-V강 등이 있으며 이러한 재료들은 증기터빈, 가스터빈의 블레이드 재료에 널리 사용되고 있다.

이 중에서 Cr을 첨가한 것이 보일러 및 압력 용기용 Cr-Mo강이며, Mo함량은 0.5~1.0%이지만 Cr함량은 0.65%, 1.0%, 1.25%, 2.25%, 3%, 5%, 9%로 순차적으로 첨가량이 많아지고 있다. 이 강재는 모두 결정립도를 조절하기 위하여 어널링 또는 노멀라이징-템퍼링 하여 사용한다.

9~12% Cr강은625℃정도 이하의 온도 영역에서 사용되는 재료로 초 임계압 발전 설비용으로 널리 사용된다.

ASME 재료에는 SA-213T91(9Cr-1Mo), 배관용으로 SA335P91(9Cr-1Mo)가 있다.

독일재료로는 X10CrMoVNb91(9Cr-1Mo) 과 X20CrMoV121(12Cr강)이 있다.

Cr-Mo강에 비해 9~12Cr강이 고온에서 강도향상이 두드려 진다.

내열용강에 필요로 하는 성질

1)        고온강도, creep특성외 열충격 및 열피로에 대한 저항성이 높아야 한다.

2)        노치인성이 우수해야 한다.

3)       열처리에 의한 취성이 없어야 한다.

c. 내열강의 문제점

1)        열영향부(HAZ)의 경화와 연성저하 현상

2)        Cold Cracking

3)        후열처리(PWHT)에 의한 HAZ조립역의 재열균열(Stress Relief Cracking)

4)        용접부의 파괴인성 저하

5)        장기간 가열에 의한 취화현상

d. 내열강의 용접시공

저합금 내열강의 용접에는 SMAW, SAW, GMAW, GTAW, CO2용접, ESW등 다양한 용접법이 적용되고 있다. 특수한 경우에는 EBW, PAW, 전기저항용접도 적용될 수 있다.

저합금 내열강은 합금원소가 첨가되어있어 용접부의 물성치는 용접방법의 열 사이클에 의해 많이 변화하므로 중요하다. 즉, 입열량이 큰 SAW의 경우에는 용접부의 인성이 대체로 낮다.

1) 피복아크용접

ü 용접부의 품질은 용접공의 기량에 따라 크게 좌우된다.

ü 용접봉은 가능한 모재와 동등한 것을 선택한다.

ü 저합금 내열강은 경화되기 쉽기 때문에 용접부의 확산성 수소 함유량을 가능한 낮게 관리해야한다.

2) 서브머어지드용접

ü 입열량이 비교적 크기 때문에 대전류로 고속용접하면 고온균열 발생 가능성이 크기때문에 적정한 용접조건을 선정하여 용접한다.

ü 용접금속의 화학성분은 균열방지나 노치인성을 확보하는 측면에서 탄소함유량이 낮고 Mn 함유량이 높은것이 특징이다.

3) 미그(MIG)용접

ü 용접작업성을 개선하는 측면에서 Ar에 2~5%의 산소(O2)를 첨가하여 용적이행상태를 Spray상태로 만든다.

ü 입열과다시, 펄스아크도 사용된다.

ü 반자동용접은 전자동용접처럼 narrow gap 홈을 적용한다.

4) 티그(TIG)용접

ü 튜브/파이프용접시 가장 많이 적용되며, 두께가 얇을경우 용가재를 사용치 않고 용접하는 경우도 있다 최근에는 자동화가 발달하여 자동용접이 상당히 보급되어 있다.

5) ESW용접

ü 와이어의 전류밀도가 높고 SAW의 2배정도의 용착속도 용접되므로 냉각속도가 느려 예열이 거의 필요없다. 그러나 용접 입열량이 커서 조직이 조립화 되어 인성이 낮아지므로 용접후 퀀칭-템퍼링 열처리를 하고있다.

e. 용접봉 선정요령

가능한, 용접봉은 모재와 같은 화학조성의 것을 사용한다. 그러나 이종금속 용접법에는 다음과 같이 선정한다.

1) 저합급이상의 동등성분이거나

2) 양모재의 중간성분의 용접봉일 경우가 있으나

3) 고합급모재와 동등성분의 용접봉을 사용하는 것이 가장 틀림없다.

 f. 용접시 주의사항

1)   Cold Cracking을 방지하기 위하여 예열처리 및 층간온도를 유지시켜 경화방지 및 확산성 수소를 감소 시킨다.

2)   후열처리시 급열, 급랭을 실시하면 균열이 발생하므로 주의해야 한다.

3) 재열균열에 주의하며 이를 방지하기 위해서는 응력제거 열처리 온도를 필요이상 높이지 말고, 시간을 짧게한다. 또한 잔류응력을 작게하기 위하여 응력 집중부를 제거해야 한다.

4) 가접시에도 본 용접과 같은 조건으로 예열을 한 후, 가접 한다. 또, 판의 양면 맞대기 용접일 경우 반대편 용접이 끝난 후, 가접부를 제거하고 그 후에 본 용접을 함을 원칙으로 한다.

5) 용접중의 층간 온도는 예열온도 이하로 내려가지 않는 것이 바람직하다. 특히 후판 일 경우 용접개시부터 완성까지 용접을 중단하지않고 용접 후 에는 즉시 후열처리에 들어간다.

6)   TIG용접 시 용접부에 가스 실-딩 효과가 나쁘면 표면에 산화 스케일이 잘생기므로 주의하고 이면 비드 요구 시는 퍼-징 기구를 사용해야 한다.

e. 내열강의 보수용접 방법

Half Bead법이라고 불리며, 주로 PWHT를 생략하기 위한 방법으로 건조된 저수소계 용접봉을 이용하여 예열 및 층간온도를 유지시킨다음, 초층(1pass)은 Buttering으로 용접하고 이 Bead를 1/2정도 제거하고 나서 본용접을 실시한다.

1/2제거의 목적은 초층에 의한 모재 열영향부(HAZ)의 경화조직을 다음 패스에서 템퍼링(Tempering)하여 연화조직으로 하기 위함이다. 또한, 표면에는 템퍼비들르 실시하고 다시 제거한다. 그리고 직후 열처리도 추천되며, 비파괴시험을 엄격히 실시해야 한다.(ASME Sec.III NB-4622)

f. 재료별 용접특성

1) 아래표는 당사HRSG 적용제품의 용접 조건이다.(참고)

P No.	종류	미국기계학회규격	예열온도℃	후열온도℃	층간온도℃	용접봉(AWS Class)
		ASME	Perheating	Post heating	Inter pass	Welding rode
P1 Carbon steel	Pipe	SA106A,B,C	Min.10℃	N/A	Max.300℃	GTAW:ER70S-6 FCAW:E71T-1 SMAW:E7016
	Tube	SA178-A,C.SA210-A1. SA192.SA210-C	Siemens
	Plate	SA36.SA515-60,65,70. SA516-65,70	1-t>25mm100℃
	Forging	SA105.SA668B,C	2,3-t>20mm150℃
	Fitting	SA234-WPB.SA234-WPC. SA420-WPL6
P3 0.5Mo강	Pipe	SA335-P1,P2	Min.10℃	N/A	Max.300℃	GTAW:ER70S-A1 FCAW:E71T-A1 SMAW:E7016-A1 SAW:US56B + PF200S
	Tube	SA209-T1.SA213T2
	Plate	SA302-A,B,C	Siemens
	Forging	SA182-F1,F2	150℃
	Fitting	SA234-WP1
P4 1.25Cr -0.5Mo강	Pipe	SA335-P11,12	Min.120℃	N/A	Max.350℃	GTAW:ER80S-B2 FCAW:E81T1-B2 SMAW:E8016-B2
	Tube	SA213-T11,12
	Plate	SA387-11,12	Siemens
	Forging	SA182-F11,12	150℃
	Fitting	SA234-WP11,12
P5A 2.25Cr -1Mo강	Pipe	SA335-P22	Min.150℃	N/A	Max.350℃	GTAW:ER90S-B3 FCAW:E91T1-B3 SMAW:E9016-B3
	Tube	SA213-T22.SA199-T22
	Plate	SA387-22.SA387-2CL.2	Siemens
	Forging	SA182-F22.SA217-WC9	200℃
	Fitting	SA234-WP22
P5B 9Cr -1Mo강	Pipe	SA335-P91,9	Min.205℃	Min.300℃  x 4hr	Max.350℃	GTAW:ER90S-B9 GMAW:MGS-9cb SMAW:E9016-B9           E9015-B9
	Tube	SA213-T91,9
	Plate	SA387-91
	Forging	SA182-F91,9
	Fitting	SA234-WP5,SA234-WP7, SA234-WP9
P7 (Ferrite계)	Plate	SA240-409	Min.70℃	N/A	Max.177℃	GTAW:ER430 SMAW:E430
	Tube	SA268-TP430
P8 (Austenite계)	Plate	SATP304	Min.10℃	N/A	Max.177℃	GTAW:ER308,FCAW:E308T1 SMAW:E-308-16
	Tube	SA312-TP304

II.  비철금속의 용접

1. 알루미늄합금용접

a. 종류

1) 단련용 합금(전신재)

판,스트립,관,봉,형재,리벳재등 가공성이 좋은 합금재이다

2) 주물용 합금

사형, 금형및 다이캐스팅용등의 3종류로 구분된다

리벳이나 저항용접을 하는 것이 좋다(7005,7039는 제외)

(예: 듀랄루민(2017), 초두랄루민(2024)은 리벳구조 이음이다)

b) 4000계열은 용접봉이나 경납재로 주로 사용한다.

c)열처리 합금은 용접후 500도 이상에서 용체화 처리후 150도 이상에서 시효처리를 하여 석출물을 생성 시킴으로서 기계적성질을 개선할 수 있다.

d)Al합금은 용접시 수반되는 고온의 열사이클(CYCLE)에 의해 소둔 상태가 되므로 모재 일부와 용접부는 강도가 현저히 저하한다.

b. 물리적 성질

1) 특징

a) 무게가 가볍고 내식성이 좋다.

b) 용융점이 낮다(순Al:660℃ , 합금계:570~650℃)

c) 전기전도율이 좋고 변태점이 없다.

d) 시효경화가 일어나지 않는다.

e) 은백색의 아름다운 광택이 있다.

2) 용융점

a) 열을가하는동안 색깔이 변하지 않는다.

b) 용융점가까이서 용락이 잘되므로 잘 관망해야 한다.

c) 용융물의 감촉에 의해 용접해야한다.

d) 용융부에 광택이나야 한다.

3) 열전도도

a) 철보다 열전도도가 3~4배정도 빠르다.

b) AL용접은 많은 Heat input가 요구된다. (Cu보다는 낮다)

c) 열전도도가 높으므로 TIG용접에서는 예열을 하여 용접한다.

4) 열의 수축과 팽창

a) 용융상태로 부터 응고되면 약6%의 체적이 감소한다.(강재의 1.5배)

b) 수축이 크기때문에 용접전 적당한 여유를준다.

c) 열팽창은 Steel의 2배, Copper의 1.3배이다.

d) 수축팽창이 크기때문에 응력과 크랙감수성이 증가한다.

e) 용접변형량이 크다.

f) 용접속도가 느리면 입열량이 커서 팽창수축이 더 크게 일어난다.

5) 산화피막

a) 내식성 측면에서는 유용하지만 용접시는 유해하다.

그이유는 산화피막이 용접중 분해되어 수소를 방출하여 기공형성 부도체 이므로 저항용접에는 문제가 야기된다.

c. 용접성

1) 예열

가공경화성합금등은 열처리 않으나 양호한 용접을 위하여 예열을한다. 예열은 규정된 표에 따른다. (대략 9~13t 까지는 149~177℃)

※ 예열을 하지않을경우 용접시 발생되는 문제점

a)급냉으로 변형및 크랙이 발생한다.

b)습기가 형성되어 기공발생이 많다.

c)모재의 열전도도가 높으므로 아크열을 모재가 흡수하여 열의 집중이되지않는다.

2) 이음부가공

a)가공은 기계가공 (샤링, 쇼윙, 치핑, 카터), 플라즈마절단등으로 한다.

b)가공부에 이물질을 없앤다.

c)표면산화막을 기계적,화학적으로  제거한다.

d)산화막제거후 가능한 빨리 용접한다.

e)한면용접시 백실딩을하거나  백스트립(구리,강판)을 대고 용접한다.

3) 용접성

a)열전도가 빨라 용융하기가 쉽지않다.

b)가열색채의 판정이 곤란하여 용락의 위험성이 크다.

c)산화알루미늄(Al2O3)의 용융온도가 높아 용접성이 나쁘고 불순물이 용융지에 침입할 우려가 많다.

d)변형이 크고 균열이 생기기쉽다.

e)수소가스를 흡수하여 기공이 잘생긴다.

4) TIG용접방법

a)가능한 교류전극을 사용한다.

b)전극봉은 순텅스텐 전극봉을 사용하고 전극봉끝은 둥글게 가공한다.

c)홈가공부에 청정을 잘한다.

d)토오치는 5~15℃ 범위로 진행방향과 반대방향으로 기울이며 백스텝 사용

e)용융풀이 생기고 나서 3~5초간 머문 후 와이어를 공급한다.

f)송급와이어 각도는 20~30℃로 기울어 그 끝이 산화방지를 위해 항상 Ar 분위기에 있는다.

g)금속이 가벼우므로 실딩가스의 유량을 타용접보다 적게한다.

d. 용접결함과 방지대책

1) 용접균열

Al용접부에 발생하는 주요결함은 고온 용접균열이다. 이것은 주로 결정립계의 편석 혹은 저융점물질의 존재에 기인하는 것으로 용융응고시 수축력에 기인하여 발생한다. 용접시공 측면에서 용접균열을 저감시키기 위해서는 그루브 간격을 줄이거나 용접속도를 늦추고 용접 크레이터 처리를 잘해야한다.

2) 기공

Al금속은 타금속에 비해 기공이 잘생기는데 기공형성은 여러원인이 있겠으나, 모재청정도, 아크길이, 차폐가스순도 및 유량, 바람의 영향등이 있다.

3) 융합불량

융합불량은 주로 후판의 다층용접에서 발생하기 쉽다. 융합불량에 영향을 주는 주요인자는 용접조건, 이음부형상, 토치각도 등이 있다.

2. 동 및 동합금의 용접

a. 물리적성질

1) 융점은 1083℃ 로서 알루미늄과 연강과의 중간이 된다.

2) 열전도도는 연강의 약 8배, 알루미늄의 2배가 된다.

3) 열팽창 계수는 연강보다 약 50% 크며 Al보다는 약 30%적다.

4) 질이 연하고 가공성이 풍부하여 냉간가공으로 강도 부여된다.

b. 화학적성질

1) CO2또는 습기중에서 염기성황산동, 탄산동으로 녹이 발생한다.

2) 염수에 부식되고 (0.05mm/년) 암모늄에 침식 된다.

3) 질산,황산에 침식된다.

c. 용접성

1) 고온취성이 발생한다.

2) 높은 용접온도에서 강도가 저하된다.

3) 용접가능한 합금으로는 Cu-Si계 합금, Cu-Al계 합금, Cu-Ni계 합금 등이 있다.

d. 용접프로세스 적용

1) TIG 용접법

1) 판두께 6mm이하에 사용한다. (피복아크에 비해 용접성 우수)

2) 전극은 직류 정극성(DCSP)을 사용한다.

3) 순도 99.9% 이상의 Ar을 사용한다.

4) 용접봉은 탈산한 동봉을 사용한다.

2) MIG 용접법

1) 후판(6mm이상) 에 사용한다.

2) 전극을 직류 역극성(DCRP)을 사용한다.

3) 루트간격과 각도를 크게하고 예열과 높은 층간온도가 필요하다.

4) 구리 및 합금 예열온도: 250℃, 층간온도: 동: 450~550℃ ,합금:250~400℃ (Si청동은 100℃이하)

e. 용접 시공법

1) 동합금의 용접조건

1) 동에 비하여 일반적으로 예열이 낮다.

2) 용접이음부와 용가재 표면을 깨끗이 청소한다.

3) 필요시 플럭스를 사용한다.

4) 용접봉은 원칙적으로 같은 재질을 사용한다.

5) 루우트 간격과 홈 각도를 비교적 크게 한다.

6) 티그용접에도 용접중 산화가 심하면 적당한 플럭스를 용접부와 용가재에 발라서 사용한다.

7) GTAW극성은 DCSP, GMAW극성은 DCRP를 사용한다.

2) 전처리

용접부및 용접봉의 기름, 페인트, 습기등은 에틸렌, 벤젠, 기타 세척제로 청소한다. 동은 원래 금속광택이 날때까지 와이어브러쉬, 줄로 연마한다.

3) 플럭스 도포

후판의 용접등에서 예열이 필요한 경우, 용접부 주변 및 GTAW 용가재에는 광택이 사라지기전에 플럭스를 바른다.

보통 불활성가스용접에는 플럭스를 사용치 않으나 동용접의 경우, 예열에 의한 산화방지, 유동성등을 좋게 하기위해 플럭스를 사용한다.

붕사는 황동, 알루미청동, 규소청동등의 용접에 가장 많이 사용한다.

4) 가접 및 구속

1)전처리후 적당한 간격으로 가접한다. 가접은 될수있는데로 뒤쪽에하고 가접주변은 전처리를 재차 실시한다.

2)동은 열팽창과 열전도도가 높기때문에 용접시 비틀림이 발생할 소지가 많다. 그러므로 구속 지그를 사용하는데 연강과같이 보강판을 직접 모재에  붙이지 못하므로 받침쇠 및 누름쇠를 볼트로 채워 구속하는 구조로 한다.

5)  본 용접

1)용입불량이 잘 발생하므로 가능한 예열을 한다. 예열온도는 200~350℃ 정도가 적당하며 될 수 있는데로 균일하게 가열한다.

 예열시 도포한 플럭스가 벗겨져 산화막이 생겼을 때는 이것을 닦아 내고 다시 도포를 한다.

6) 용가재

a) Cu (순동)

ERCu : 98%이상의 구리봉으로 GMAW시 예열후, 용접한다.

ECu : 심선이 탈산동인 피복봉으로 DCRP를 사용한다 탄소강보다 30~40%의 높은 전류를 사용한다.

b) Cu-Zn (황동)

RCuZn-A : Sn이 1% 함유된것으로 황동의 산소, 브레이즈용접에 사용한다.

RCuZn-B : Si가 함유되어 Low Fume 특성을 갖는다.

c) CuSn (인청동)

인(P)의 함량은 0.3% 이하이다.

ECuSn-C : 고강도 청동용접에 적합하며 200℃정도의 예열,층간온도 필요하다.

ECuSn-A : 인청동의GTA용접에 사용된다.

d) CuAl (알루미늄 청동)

7~11% Al을 함유한 Al청동으로 내식, 내마모성이 좋다.

ECuAl-A2 : Al청동, Si청동 등 이종금속의 용접에 사용된다.

ERCuAl-A2 : 기계적 성질이 상대적으로 높은 재료의 용접에 사용된다.

ECuAl-B : Al청동주물의 보수용접에 사용된다.

ERCuAl-A3 : 높은 응력에서도 균열발생이 낮고, 보수용접에 사용한다.

ECuMnNiAl : Mn-Ni-Al청동 용접용으로 사용된다.

ECuNiAl : Ni-Al 청동 용접용으로 사용된다.

e) CuSi (실리콘 청동)

ERCuSi-A : GTA용접이나 산소-아세칠렌 가스용접에 사용된다.

ECuSi : 산이나 해수에 강한 화학용기,도관,라이닝에 사용된다.

f) CuNi

Cu 70%, Ni 30%의 합금으로 많이 사용되며 큐프로니켈 이라고도 한다.

열영향부의 입계균열 발생에 주의한다.

7) 용접접합성

a) Cu

열전도도가 높기때문에 예열을 실시하고 비교적 고전류로 용접한다.

b) 황동

1) 규소 탈산동 용접봉으로 만족할만한 TIG/MIG용접을 할수있다.

2) 피복용접시는 DCRP로 약간 높은전류를 선택한다.

3) 아래보기 용접을 한다.

4) 아연이 증발하기 때문에 아크를 집중시켜 아연증발을 최소화한다.

5) 플럭스를 사용한다.

c) 실리콘청동

1) 이합금은 열전도도가 낮기때문에 용접은 쉬우나 열간취성이 있기 때문에 과열하지 않도록 한다.

2) 예열은 다른동합금에 비해 썩 낮은 온도로 한다.

3) 층간온도는 낮게하여 65도 이상이 되지 않도록 주의한다.

4) 되도록 아래보기 자세로 용접한다.

d) 알루미늄 청동

열영향부에 균열발생이 쉽고 용접시 산소와 반응하여 Al산화물을 생성시켜 용접성을 저하 시키는등 용접이 어려운 합금이다.

1) 알루미늄 산화물이 생성하므로 플럭스를 사용한다.

e) 니켈 청동

1) 내열성 니켈 산화물이 생성하므로 플럭스를 사용한다.

2) 과열을 피하기 위해 직선 비드로 신속히 엷은 층을 만들도록 한다.

f) 베릴륨 청동

1) 동종 합금의 용접 및 마모된 부분의 보수용접에 많이 사용된다.

2) 맨살 용접봉은 용접할 때 생기는 내열성 산화물 때문에 사용할 수 없다.

3) 용접 단락이 잘되므로 아아크를 길게 유지한다.

4) 용접후 경도를 높이고자 할때는 열처리를 한다.

   (용접후 700℃로 가열후 두께25mm당 1시간 유지 후 물속에 담금질하여 315℃로 불림(소려)을 한다)

7) 인청동

인청동은 유동성이 나쁘고 균열에 민감하여 예열을 하여 용접한다.

예열은 200℃정도로 하고 그이상은 균열을 발생시킨다.

f. 동합금과 이종금속의 용접

a)동과 황동, 주철과 청동, SUS와 황동간의 용접등에 청동용접봉을 쓴다.

b)용접봉은 인장강도가 낮은 편의 모재와 비슷한 인장력을 갖는 것을 사용한다

c)예열온도 및 층간온도는 필요한 범위의 높은 쪽을 택한다.

d)이종재질 간에는 자기쏠림으로 아아크가 철합금쪽으로 끌리므로 동합금쪽으로 아아크를 댄다.

실제예)

담수설비의 용접방법을 적용하기 위해 그림과 같은 Joint Groove에 대한 여러가지 Type의 용접을 시도했으나  Cu-Ni용접이 가장 우수하다고 판단된다.

. 용접부에 발생하기 쉬운 결함과 주원인

1) Blow Hole

a) 모재 또는 용접봉의 산소 함유량이 많다.

b) 전처리로서의 청소가 불량하다.

c) 예열이 부족하거나 전류가 약하다.

d) Ar 가스의 순도가 낮다.

2) Slag 혼입

a) 예열중 모재에 산화가 되었다.

b) Ar 가스가 부족하다.

3) 모재의 균열과 용접부 균열

a) 모재와 용접봉에 산소함량이 많다.

b) 피이닝이 불충분하다.

c) 구속방법이 부적당하다.

d) 용입불량, 융합불량, 전류과대, 예열부족 등

3. 니켈합금

a. 종류와 성질

Ni계 합금은 일반적으로 심한 부식환경 하에서 사용되며 일반적으로 Ni에 대한 상호를 사용하며 일반적으로 다음과 같이 구별한다.

1) Monel : Ni-Cu합금

2) Inconel : 고Ni-Cr-Fe 합금

3) Incoloy : Ni-Cr-Fe 합금

4) Hastelloy : Ni-Mo-Fe 합금

1) Fe기 초합금

Fe가 주합금성분으로 탄화물이나 금속간 화합물의 석출에 의하여 경화를 얻는 합금으로 조직은 FCC 면심입방 구조이며 FCC 를 가장 경화 시킬수 있는 원소는 Ni, Al, Ti, Nb등을 들수있다.

2) Co기 초합금

Co기 초합금은 용도에 따라 3가지로 구분할수 있다.

Haynes 25, 188, 556과 UMCo-50및 S-816등은 사용온도가 650~1150℃인 합금으로 Si,Al, Mn등의 조절로 만들어진다. 650℃ 까지 사용되는 MP-35N, 159의 fastener 합금은 가공경화를 목적으로 만들어지며 가공경화 상태에서 높은 연성과 강도를 가진다.

내마모성 합금인 Stellite 6B는 Cr함량 (~30%)이 높기때문에 우수한 고온경도와 내산화성을 가진다. 경도는 탄화물의 형성에 의해 얻어지며 마멸이 심한 가스터빈등에 사용된다.

3) Ni기 초합금

Ni기 초합금은 저합금강이나 S/S강보다 고온에 대한 저항력이 크다.

열처리용 Ni합금은 Ni 30~75%, Cr 30%정도이다.

Ni과 Cr이 복합적으로 작용하여 내산화성을 향상하고 특히 650℃이상에서는 더욱 우수하다.

일반적으로 전연성이 풍부하고 냉간가공에 의해 경화되며 K-Monel, Hastelloy-C등은 석출경화합금으로 열처리로 경화 시킬수 있다.

b. 용접시공법

1) 용접시 유의사항

a)철강에 비해 유동성이 나쁘기 때문에 용접이 용이하도록 용접부형상을 고려하여야 한다.

b)용입이 낮기 때문에 루트면을 낮춘다.

c)사용응력이 큰경우는 모서리이음부나 겹침이음은 피한다.

d)응고균열이 잘발생하므로 입열량을 낮춘다.

e)다층용접일경우 비드표면을 브러싱이 아닌 G/R연삭으로 한다.

2) 용접재료

대표적인 Ni및 Ni합금은 순Ni, Monel,Inconel, Hastelloy등으로 대별되며 주요성분을 표로 나타내었다.

용접재료의 피복아크 용접봉은 JIS Z3224, AWS A5.11에 규정되어 있으며 피복아크외에는 AWS A5.14에 용접와이어가 규정되어 있다.

a) 피복아크용접

석출경화형 합금의 용접에는 거의 사용하지 않으며 고용체경화형에 사용한다.

용접건조는 316℃에서 1시간,  260℃에서 2시간 건조후 사용하여야한다.

b) GTAW용접

가장 널리 적용되고 있으며 직류정극성을 이용하여 용접한다.

c) GMAW용접

이 용접법도 GTAW와 마찬가지로 고용체 강화형 합금에 이용된다.

주로 펄스이행형식과 스프레이 이행형식이 적용되며

산화물생성의 원인인 O2나 CO2의 혼입에 주의하여야 한다.

d) SAW 용접

이 용접법은 Ni200, Monel400, Inconel600, 601, 625등 고용체 강화형 합금에 적용되며 Hastelloy 합금에는 용접금속의 인성이 나쁘기 때문에 적용하지 않는다. 플럭스중의 수분은 316~482℃에서 2시간 건조하여 제거 후 사용한다.

e) PAW 용접

플라즈마 아크용접은 용가재없이  판두께 2.5~7.5mm를 용접할수있다.

4. 티타늄(TI)

TI은 지각의 약 0.4%를 구성하는 원소로서 구조용 금속원소 중에서 Al, Fe, Mg에 이어 4번째로 매장량이 많다. Ti은 비싸지만(Cu,SUS등 다른합금에비해) 해수및 암모니아 등에 대하여 백금에 필적할 만큼 완전한 내식성을 가지고 있다.

Ti합금은 강도/중량비가 높아서 항공기부품, 형상기억합금등 다양한 분야에 사용되며 구조용 재료로서 발전설비,해수담수화설비, 화학프랜트등에 사용되고 있다.

a.종류

순수 Ti의 경우 불순물 원소량에 따라 ASTM에서는 4종류로 구분되며(α4종류) TI합금은 상온의 조직에 따라 3종류로 구별된다.(α, α+β, β)

b. 용접성

Ti의 용접시는 대기가스 성분에 대한 높은 고용도를 갖기 때문에 산화나 용접금속의 내부에 발생하는 기공이 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로 용접시는 가스유량, 용접속도, 아크길이, 보호가스의흐름 가공방법, 표면처리등을 충분히 고려하여야한다.

c. 용접공정

Ti용접은 GTAW, GMAW, PAW, EBW등 다양한 방법들이 채용된다. GTAW의 경우 용접이송장치, 와이어송급, 가스공급제어등을 일체화 시킨 전자동용접장치와 튜브와 튜브시트 자동용접등이 개발 사용되고 있다. PAW는 GTAW보다 용입이 깊어 두께 10mm까지 1층용접이 가능하고 고능률적이여서 화학프랜트 등의 제작에 적용된다.

EBW의 경우 열집중이 매우높아 용입이 깊고 용입폭이 대단히 좁아서 변형이적어 두께 70mm를 넘는 후판에 많이 적용된다.

 부록: 아래표는 비철재료의 용접조건과 특성이다.

소재구분		적용 용접봉 예	용 접 특 성
P-No.	소분류
2X (Al)	Al(1) Al-Mg(5) Al-Mg-Si (6) Al-Zn(7)	ER1100 ER4043  *6xxx계열 적용 ER5356 ER5183 *5356보다고강도	n  비열처리합금(1, 5xxx) : P21, 22, 25 n  열처리합금(6, 7xxx) : P23, 27 n  TIG, t 6mm이상: 예열70~150℃ n  MIG: 10℃ 이상, 입열최소화 n  미소균열발생시:층간온도 170℃이하
3X (Cu)	Cu-Al	ERCuAl-A2	n  α(균열),β(인성-Al약10%),γ(취성) n  예열100~150℃, Al산화손실 고려
	Cu-Ni	ERCuNi(70-30) ERCuNi(90-10 )	n  기공→예열(150℃미만),균열→저입열 n  용융선균열, 고온균열
4X (Ni)	Ni-Cr	ENiCrFe-1, ENiCrFe-3 ERNiCr-3, ERNiCrMo-3	n  예열100~200℃, 층간온도:150℃이하 n  아크길이는 짧게 유지, 크리닝 중요 n  후행용접, 크레이터 부위 제거
	Ni-Cu	ENiCu-7, ERNiCu-7
5X (Ti)	Ti	ERTi64-1, ERTi0.2Pd, ERTi-3	n  Pure, α, α+β, β-Ti 구분 n  예열: 10℃, Ar차폐 중요
6X (Zr)	Zr	EZr-4	n  α-Zr, β-Zr, n  예열: 10℃, Ar차폐 중요

III. 용접제작시공

1. 개요

a. 품목의 구분

1)기본개념

품목은 기기를 포함한 기기의 구성요소를 총칭하는것으로 정의
재료(Material)
재료 + 재료  ⇒ 부품(Part)
부품 + 부품  ⇒ 기기(Component)
기기 + 기기  ⇒ 설비(Equipment)
설비 + 설비  ⇒ 계통(System)
계통 + 계통  ⇒ 시설(Facility)

2)품목의 구분

구 분		내 용
기 기(Component)		압력용기, 열교환기, 저장탱크, 펌프, 밸브, 복수기, 급수가열기와 같은 독립된 기능을 수행하는 품목
재료(Materials)	금속재료	일반기기의 건조에 사용되는 적용기술기준 또는 KS,JIS, ASTM등의 기술기준에 따라 제조한 철강 및 비철재료
	용접재료	적용되는 용접재료 기술기준에 따라 제조한 용가재, 플럭스
부품(Part)		기기의 완성전에 기기에 부착되거나 일부가 되는 품목
부속물(부착물) (Appurtenance)		부속물은 완성된 기기에 다른 용도를 위하여 추가로 부착되는 품목

b. 제작공정

2. 소재식별과 확인

1)  자재(제품)은 인수단계에서 실사용까지 요구된 식별 유지

2)  식별사항은 해당 설계문서, 기타 규정문서에 연관시킬 수 있어야 한다.

3)  가능한 물리적 식별을 최대한 사용, 불합리할 경우는 분리시키는 방법. 작업절차 관리방법 등, 수단을 강구하여야 한다.

a. 소재 식별 관리

n CMTR과 제품의 추적(Trace ability)이 가능토록 마-킹

ü  소재규격(Material Spec), 그레이드(Grade)

ü  힛트번호/롯트번호 (Heat/Lot No)

ü  기타 구매자가 요구하는 사항

n Small Products 등은 재료확인서로 대체가능

n 자재가 절단 되기 전 I.D 마-킹

n Small Products 등은 재료확인서로 대체가능

n 자재가 절단 되기 전 I.D 마-킹

b. 용접자재 식별 관리

n        용접자재는 포장이나 용기상에 표시되어 있어야 한다.

ü  힛트번호 / 롯트번호 (Heat/Lot No)

ü  소재 성적서를 추적할 수 있는 사항

ü  그레이드, 분류번호, 공급자명 등

ü  기타  자재시방 및 구매자가 요구하는 사항

c. 일반적인 용접자재의 선정

1) 동종강 용접

-용착금속 화학/기계적 성질 가능한 모재와 일치

-Cr-Mo강은 함량/인장강도를 모재의 최소 규정치 이상

-사용조건이 부식환경시,모재/용착금속 특성과 최대한 일치

-탄소강 용접시 최대경도치 제한시 저탄소용접봉(Low Cabon) 사용 

2) 이종강 용접

-모재의 합금성분이 낮거나 중간 기준을 선택 적용

-압력부의 합금성분이 높을경우  희석에 의한 기계적성질을피하기 위하여  합금성분이 높은 모재 기준 선택 적용

-직접 맞대기 용접 피할시 Safe End & Buttering (열처리 면제)

d. 용접자재 관리

1) 소요 용접재 확인 및 보유량 파악. 보유 용접재의 유효성, 식별번호, 포장 상태, 사용가 유무 확인. 재고 사유를 파악한다.

2) 용접재 발주

    : MPS 작성 또는 ASME Standard Spec. 적용.

    : 품질이 양호한 업체에서 생산한 자재 요청(용접사 선호 용접재).

    : 소요 자재별 적용 성적서 요청 (Mill Sheet or CMTR).

    : 소요 일자별 입고 요청.

3) 저장 및 불출 관리

    a) 용접재는 포장된 상태로 손상이 없이 보관

    b) 불출을 위한 Baking시는 같은 Oven에 이종 용접재를 넣을 수 없음.

    c) Baking History 기록 유지

    d) 용접 자재별 Baking 적용 절차 적용

    e) Baking이 완료된 자재는 보온로에 이동 보온 적용

    f) 불출은 당일 사용분 불출 원칙(아래의 대기 노출 허용 시간 참조, 용접재 회사 Recommends 우선)

       Baking을 요하지 않고 포장이 잘 된 용접재는 1일분 이상 불출 가능(Wire Spool 등)

    g) 휴대용 보온통 사용시 허용 사용시간 연장 가능(보온통 온도 80℃ 이상)

    h) 불출시 유자격 여부 확인

    i) 허용 기간내 사용 후 잔여 용접봉은 불출카드에 기재 후 반납.

4) 범용 자재가 아닌 특수 목적 적용 구매 자재는 별도의 식별 관리.

5) 공사 종료 후 재고자재 보관 및 활용 관리.

3. 조립과 가용접(Fit-up & Tack Welding)

a. 기술 요구사항

n  산소나 아크 절단으로 만들어진 부위는 완만하고 스케일 슬래 그 등의 이물질이 없어야 한다.

n  단차 및 갭(Gap)이 허용 범위 내 있도록 조립해야 한다.

n  가접(Tack weld)은 제거되거나 시단부를 갈아내어 본 용접과 조화 되어야 한다.

가용접은 일반적으로 30~50mm의 길이로, 피치는 150~300mm정도의 길이가 적당하며 각장은 본용접 각장의 1/3~1/2 정도가 좋다.

n  인정된 WPS에 따라 인정된 용접사가 시행한다.

n  완전제거 혹은 용접시단부를 그라인딩으로 제거

n  육안검사

1)가용접시 주의사항

n  용접부 이외 부분에는 아크를 발생하지 않는다.

n  용접봉은 본 용접에 사용되는 용접봉보다 가는 것이 좋다.

n  가용접은 모재끝모서리, 각 등과 같이 단면이 급변하는곳을 피한다.

d. 이음부 크리닝 상태 확인

ü 스테인레스강, Ni합금강의 경우, 사용하는 S/S용 브러쉬를  사용 한다.

ü 티타늄 합금강은 여기에 아세톤, 알코올등 화학적 세정을 하면 좋다.

ü 크리닝 후에는 곧 용접을 시행하는 것이 원칙이다.

ü 용접개선 수정부에 대해서는 관련코드에 따라  MT & PT를 실시 한다.

4. 본용접

a. 변형과 수축

n  절차서 및 작업순서를 정하여 용접시 변형과 수축을 최소화할 것.

n  용접열을 감안하여 균형 용접을 할 것

n  심각한 수축이 예상되는 이음부를 먼저 용접하고 가능한 한 구속을 줄일 것

n  심각한 외부 수축 저항 조건에서 용접을 할 때 연속적으로 용접을 완료시키거나 최소 예열, 층간온도 이하로 냉각되기 전에 용접을 수행할 것

b. 예열과 후열(Preheating / Post heating)

예열온도 기준은 균열에 대해서는 예열의 하한값을 설정하고, 열영향부 취화에 대해서는 예열의 상한값을 설정한다.

ü  높은구속, 고수소량, 저용접입열 또는 강조성치를 포함하는 상태에서는 예열온도를 높게 잡을 수 있다.

ü  규정된 예열보다 낮은온도로 예열시는 인정시험이 요구된다.(-13.9℃)

1)     예열의 목적

a) 용접부 균열방지

고장력강, 고탄소강, 합금강 등 용접시 냉각을 서냉 시킴으로써 용접부 경화를 막으며 수소침입방지 및 수소방출 시간을 늦추어서 용접균열을 방지한다.

b) 용접 작업성 개선

열전도가 좋은재료(동합금, 니켈합금, 알루미늄합금)나  후판 등을 용접할 때 모재와의 융합이 잘 되도록하고, 모재의 녹이나 수분을 제거하여 기공 발생을 방지

c) 용접부의 잔류응력, 변형의 감소 등

2) 예열 방법

ü  일반적으로 가스 토오치를 사용하거나, 특별한 경우 전기로, 가스로 등에 넣어 예열한다.

ü  용접 부 중앙에서 75mm폭으로 실시, 가능한 용접부 뒷면에서 한다.

ü  예열은 용접부의 전체에 균일하게 한다.

ü  온도측정 방법은 용접 부에서 3inch떨어진 곳이나 철판두께의3배중 적은 것을 기준으로 측정한다.

ü  예열온도 측정방법은 주로 디지털 온도계나 템플스틱을 이용한다.

3) 층간 온도 (Interpass Temp)

다층용접에서 용접이 시작되기 전의 용착 금속이 갖는 최고 온도이며 용접 재질에 따라 달라진다. 층간온도는 강 조성을 근간으로 설정되며, 승인된 예측방법, 관련코드에서 제공된 지침, 용접엔지니어가 승인한 다른 방법을 이용할 수 있다.

층간 온도(예)	Cabon Alloy	S/S	Cu Alloy
	Max 300℃	Max 177℃	Max 150℃

4) 예열유지 (Preheat maintenance)

용접이 끝난 후 최소 예열온도 혹은 그 이상의 온도로 특정시간 동안 혹은 PWHT전까지 유지하는 행위이다.

 5) 후열 (Post Heating)

후열은 용접이 끝난 후, 곧바로 용접 부를 가열하는 것인데 용접부가 냉각된 후에 실시하는 열처리 즉, 응력제거(Stress Relieving), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing) 등과는 근본적으로 다르다.

c. 용접후열처리(Post Weld Heat Treatment: PWHT)

    1) 적용:

     -기기의 사용조건에 의해 요구될 때

     -관련코드에 규정된 특수 사용 조건일 때 (독극물함유, 저온용 용기)

     -재질 및 두께에 따라 관련코드 규정에 의해 요구될 때

■이종 재질간 이음부 열처리시

두개의 다른 P번호에 속하는 압력부품이 용접으로 이음 될 경우, 용접 후열처리는 높은 온도를 요구하는 재료에 대한 규정을 적용한다.

  ■제작용접부가 1150℉에서 10hr예상열처리시, PQR시 적어도 8hr 열처리 필요

d. 용접시공 조건

용접조건은 1)모재의 재질, 2)판 두께, 3)자세, 4)용접봉의 종류, 5)홈의 형상에 따라 달라지며 용접불량의 주 요인으로는 1)용접전류 2)용접속도 3) 아크 거리 및 위치 4)와이어직경 등에 따라 영향이 크다.

1) 전류/전압

용접자세, 홈 형상, 모재의 재질에 따라 약간씩 조정하며 용접부의 열 용량이 큰 재료에는 다소 높은 전류가 필요하고 스테인레스강이나 고 합금강에는 가능한 낮은 전류/전압이 좋다.

용접방법	용접재료	직경(mm)	용접자세	적정용접조건
				전류	전압
SMAW	E7016	3.2	아래보기	130	X
			수평	130	X
			수직	110	X
			위보기	120	X
		4.0	아래보기	160	X
			수평	150	X
			수직	140	X
			위보기	150	X
		5.0	아래보기	220	X
			수평	190	X
GTAW	ER70S-6	2.4	아래보기	180	X
			수평	170	X
			수직	160	X
FCAW	71T-1	1.2	아래보기	280	30
			수평	230	26
			수직	180	22
		1.6	아래보기	350	35
			수평	300	30
			수직	230	23
SAW	F7A4-EL8	4.0	아래보기	600	34
		4.8	아래보기	800	36
		6.4	아래보기	1000	38

e. 용접테크닉(Welding Technique)

1) Bead 구분

- Stringer bead(직선비드) : 적절한 위빙이 없는 용접비드

- Weave bead(위브비드) : 위빙을 사용한 비드

 * Weaving (위빙) : 용접에너지가 용접 진행에 대해 횡방향으로 진동하는 용접기법(수동,반자동)

 * Oscillation(진동) : 용접,브레이징,열절단의 기구가 이송 방향에 대해 반복하는 운동(기계,자동)

2) Special welding process

-Surfacing : 적용 표면에 대해 요구하는 기계적 성질이나 치수를 획득하기 위해 그러한 재질의 층을 용접, 브레이징, 용사등의 방법으로 적용하는 방법 

-Overlay : Surfacing에 대해 ASME. IX에서 사용하는 비표준 용어

         Corrosion-resistance overlay와 Hardfacing overlay로 나누어진다.

-Buttering:완전한 용접 조인트를 얻기 위한 적절한 중간 용착을 목적으로 최종 용접전 조인트 면에 용접으로 필요 재질을 추가하는 방법

-Build-up:설계 치수 복원이나 조합을 목적으로 모재에 용접재질을 추가하는 방법

3) 피복 아크 용접

n 자세

-가능한 아래보기(Flat Position)자세가 되어야 한다.

-용접봉 사이즈, 전류전압은 자재두께, 개선형상, 용접자세 및 작업시 수반되는 상황에 맞아야 한다.

n 최대 용접봉 지름

-아래보기 자세의 모든 용접부는 Max 8.0mm이며 루트패스 제외한다.

수평필렛 용접부는 Max 6.4mm이다.

-아래보기 자세의 필렛용접부의 루트패스 용접 및 백킹재를 대고 루트갭이 1/4in이상인 아래보기 그루브용접은 Max6.4mm이다.

-수직 및 위보기 자세에서 EXX14및 저수소계 용접봉으로 작업하는 용접부는 Max 4.0mm이다.

-홈용접의 루트패스 및 위 사항 외에 용접부는 Max 6.4mm이다.

n 루트패스 두께

-그루브용접부의 루트패스 두께는 Max. 6.0mm이다.

n 루트패스 다음층의 최대 두께

-아래보기자세에서는 Max. 3.0mm이다.

-수평, 수직, 위보기 자세에서는 Max. 5.0mm이다.

n 수평필렛 비드폭

-아래보기 자세에서는 Max. 10mm이다.

-수평 및 위보기 자세에서는 Max. 8mm이다.

-수직자세에서는 Max. 13mm이다.

n 수직용접방법

-수직용접자세에서는 모든 패스(Pass)를 상진법으로 한다. 단, 예열 21℃이상으로하여 언더컷 수정(Repair)작업을 할 때는 하진법으로 할수 도 있다.

-Tube류에 용접할 때는 수직상향, 하향으로 할 수 있으나 단, 용접 사가 검정 된 방향으로 해야 한다.

4) GMAW/FCAW용접

n Electrods

-Welding Electrod의 최대직경은 아래보기, 수평자세 용으로 4.0mm, 수직자세 2.4mm, 위보기 2.0mm까지 사용할 수 있다.

(실제적용:0.8~1.6mm)

n 비드폭

-필렛용접 최대 비드폭은 아래보기, 수직자세 13mm, 수평자세 10mm,  위보기 8mm이다.

n 비드두께

-홈용접에서 루트(Root)와 표면(Surface Layer)을 제외하고 6mm를 초과할 수 없다.

-루트 오프닝이 13mm 이상일 경우, Multi-Pass의 분할층(Split-layer) 기법을 사용 한다.

n 기타

-백킹없는 홈용접은 반대편 용접을 하기 전에 최초 용접한 루트부를 치핑 및 백가우징으로 제거 한다.

-차폐가스는 바람의 속도가 최대 5miles/hour(2.2m/Sec)이상일때는 작업하면 안 된다.

   5) SAW용접

n 요구사항

-SAW용접은 한개 또는 그 이상의 용접봉으로 조합하여 사용할 수 있다.

-아크 간격은 Weld Metal를 덮고있는 슬랙이 뒤이은 용접봉의 용착을 저해하는 냉각을 하지 않을 정도 이여야 한다.

-용접봉 지름은 6.4mm를 초과하지 않아야 한다.

-백가우징없이 Root용입이 요구될 경우 Root 용입이 가능함을 보여주기 위해 샘플조인트 및 매크로 에칭한 단면을 준비해야 한다.

-그루브 또는 필렛용접부가 녹아서 관통되는 것을 방지하기 위해 유사 자재로 백킹 되어야 한다. 또한 다른 아크용접방법을 사용하여 밀폐하여도 된다.

n  플럭스 건조

-파손된 Flux는 폐기하거나 사용전 최소 260℃에서 1시간 동안 건조 한다.

-용접작업에서 용융되지 않은 Flux는 회수 후 재사용할 수 있다.

n   Slngle-용접

-필렛용접을 제외하고는 SAW용접은 아래보기 자세 이여야 한다.

-용접층의 두께는 Root 및 표면층을 제외하고 6mm를 초과하지 않아야 한다.

-Root간격이 13mm 이상일 경우는 분할층 기법을 사용 한다. 또한, 분할층 기법은 층의 비드폭이 16mm를 초과할 때는 복합패스 용접을 사용 한다.

-양면 홈용접의 최대 사용전류는 600A이며, 예외로 마지막 층은 더높은 전류를 사용할 수도 있다.

-아래보기자세에서 필렛 용접부의 최대전류는 1000A 이다.

n   Multiple- 용접

-각 기기 시스템은 개개의 독립된 용접기 및 용접봉 공급기를 가진다.

-수평필렛 용접부의 싱글 비드폭은 최대 13mm를 초과할 수 없다.

-용접층 두께는 제한을 두지 않는다.

-그루브의 루트갭이 없거나 부분용입을 요할 때 루트패스 용접전류는 최대 700A이다.

-백킹재를 사용하여 루트용접을 할경우 병렬용접봉은 900A이며, 싱글은 750A이다.

-필렛용접에 대한 용접전류는 병렬일때 1200A이며, 싱글은 1000A이다.

   6) 수정용접

-용접금속의 제거는 가공, 사상, 치핑, 가우징 등으로 수행, 산소가우징은 QT강에 사용금지

-수정이나 교체된 용접부는 최초 사용된 방법으로 재시험 실시

-오버랩, 초과 여성고 : 제거

-용접부나 크레이터부의 함몰, 각장미달, 언더컷등은 추가 용착

-불완전한 용융, 기공, 슬래그혼입 : 제거 및 재용접

-용접부나 모재의 크랙 : 산에칭, MT, PT등으로 확인후 각 크랙끝단으로부터 50mm가량 제거 및 재용접

-용접변형 부재는 국부가열온도가 QT강은 590℃, 일반강은 650℃를 초과하지 않을 것

f. 용접부 마무리

1) 표면조건

 -용접한 그대로의 표면 허용된다.  (단,비파괴검사시 정확한 평가를위해 거친파형, 겹침, 융기와 골이 없어야 함)

2) 두께감소 한계

 -이음되는 표면의 어떤점에서도 최소요구두께 이상일 것

 -두께의 감소는 0.8mm 또는 모재 호침두께의 10%중 작은 값 이하일 것

3) 용접 표면 덧살(Surface Weld Metal Build Up)

                                                       [압력용기 경우]

재료 호칭 두께	최대 용접덧살
	관/튜부의 원주이음	기타용접
2.4mm이하 2.4~4.8mm 4.8~12.7mm 12.7~25.4mm 25.4~51mm 51~76mm 76~102mm 102~127mm 127이상	2.4 3.2 4.0 4.8 6.4 6.4 6.4 6.4 7.9	0.8 1.6 2.4 2.4 3.2 4.0 5.6 6.4 7.9

  *ASME SA-517(열처리강)재료의 경우, 최대 용접 덧살이 판두께의 10% 또는  3.2mm(1/8in)중에서 작은값을 초과하면 안 된다.

                                                         [배관의 경우]

모재의두께	설계온도에 대한 덧살 최대두께
	400℃초과	175~400℃	175℃미만
3.0mm이하 3.0~5.0mm 5.0~13.0mm 13.0~25.0mm 25.0~50.0mm	2.0 2.0 2.0 2.5 3.0	2.5 3.0 4.0 5.0 6.0	5.0 5.0 5.0 5.0 6.0
50.0mm이상	4.0	6mm또는 용접부폭의 1/8배중 큰 것

  * 용접덧살 두께는 용접되는 이음재료의 얇은 쪽 두께를 기초로 적용

  * 언더컷은 1.0mm(1/32in)이하이고, 최소요구 단면 두께를 유지할 것

[필렛(Fillet)용접의 여성고의 기준]

분 류	비드폭 8mm이하	비드폭 5~25mm	비드폭 25mm이상
필렛용접	Max.1.6mm	Max.3.0mm	Max.5.0mm

  *집중응력발생부는 원칙적으로 적당한 오목(concavity) 비드가 좋다.

5. 용접비용

 a. 개요

주어진 장비와 인원, 공장 생산 여건으로 최대한의 생산성을 추구하는 것은 용접 관리자에게는 가장 중요하고 현실적인 어려움이다. 대부분의 현장에서는 노동, 즉 인건비를 줄이는 데는 열심히 노력 하지만 재료나 설비 투자 비용 등에는 심각하게 생각치 않은 것 같다.

능력 있는 관리자라면 생산성은 올리되 Total비용은 낮추는 방법을 제시할 줄 알아야 하며 어느정도 가격이면 신공법으로서 전환이 가능한지 판단할 수 있기 위해서는 용접 비용 계산과 평가를 할 수 있어야 한다.

 b. 용접비용에 영향을 미치는 인자

ü 대기시간

ü 용접이음부

ü 용접봉의 선택

ü 용접지그의 활용여부

c. 용접 비용 계산에 필요한 Data

항목	세부 Data
재료비	각종 재료의 단가
	용착효율
	개선단면적 + 용접덧살
	비중
	플럭스 소모비
	가스 유량
인건비	용착속도
	아크 발생률
	가우징 시간
	이면재 취부 시간
	시간당 공임
기타	용접기 가격
	전력 단가
	용접기 전력 효율
	감가 상각률
	보수율

d. 용착효율

용착 효율은 전체 사용된 용접금속에 대한 실제 용접부에 용착된 용접금속의 무게 비를 의미한다.

l  용착효율 = 용착 금속 중량 X 100% / 사용된 용접봉중량

    용착 효율은 다음의 사항들에 의해 영향을 받는다.

ü 용접 기법(전류, 전압, 용접속도, 자세)

ü 재료 Maker

ü 용접 기기

용접법	용착효율(%)
SMAW	65
FCAW	82
TIG,MIG	92
SAW	1.00

e. 용착 속도

용착속도는 단위시간(분)에 용착되는 용착 금속의 중량(g/분)으로 표시된디. 이는 용착 효율과 함께 용접의 효율성을 평가하는 중요한 요소이다.

ü 용접 기법

ü 용접 재료(Wire Size, 철분 함유량…)

ü 용접 전류

ü 용접 자세

f. 아크(Arc) 발생율

용접 작업중 용접봉 교환, 예열, 슬래그 제거 등 기본적인 작업 외에 각종 여유시간이 많아 전체작업 시간 중 실제 아크가 발생되는 작업 시간은 매우 적다. 일반적으로 수동용접은 35~40%, 자동용접은 40~50% 정도가 된다.

또한, 용접 작업에 소요되는 시간은 용가재 종류, 직경, 적용 제품의 종류에 의해서 달라진다.

g. 필요 용접 재료량 계산

이음의 용착금속 단면적에 용접길이를 곱하여 얻어지는 용착금속량과 손실량을 가산하여 계산된다.

n  용접봉 사용량(kg) = 비중 X 개선부 단면적(mm2) X 용접길이(mm) / 용착효율 X 1000

i. 인건비 계산

인건비는 용접 작업 시간과 공임 단가의 곱으로 계산되는 비교적 간단한 계산식 이지만 용접 작업 시간을 산출하기 위해서는 필요 용접 재료량, 용착속도, 아크발생률등의 자료가 필요하다.

j. 기타경비

준비비, 전력비, 보수비, 용접보호구등 부자재비, 용접검사등 후처리비 등이 포함된다.

k. 용접 비용 절약 방안

산출된 총 용접 비용을 절약하고 보다 효율적인 용접 관리가 이루어 지기 위해서는 설계와 시공 각 단계별로 세심한 주의와 관리가 필요하다.

항  목	세부 내역
설계	용접선 감소
	개선 단면적 감소
	적정 모재의 선정
	최적 조립 순서 선정
기법 및 재료	고능률 기법
	대용입 기법
	용접봉의 적절한 선택및 사용방법
	고용착 속도 재료
	올바른 용접기 선택
시공	아래보기 자세의 극대화
	백 가우징 감소
	자동화 확대
	용접사의 기량향상

IV. 용접절차서(WPS)

1. 용접품질 시스템

용접시공(Welding Procedure)은 제작도면 및 관련 사양서에 따라 요구하는 이음의 품질을 고 능률로 제작하는 방법으로, 각종 용접방법을  유용하게 이용하여 구조물 고유의 기능과 부재특성에 맞게 제작 될 수 있도록 하는 것이다. 고품질의 용접을 능률적으로 잘하기 위해서는 사전준비와 제작중과 후의 품질관련 요구사항을 해당 공정에 면밀히 검토하여 반영 후 작업을 시행 하여야 한다.

a. 용접품질

-열, 압력에 의한 금속의 야금적 물성변화를 육안으로 확인이 불가하다.

-용접부내에 비파괴 검사법을 이용하여도 확인이 어려운 결함들이 존재한다.

-용접 작업자의 기분 상태에 따라 용접품질이 좌우된다.

이러한 특징은 용접을 중요하게 취급 관리해야 하는 필요성을 의미하며 용접시공시스템은 특수공정으로 다른 공정 등의 시스템과 다르게 계획, 관리, 운영되어야 한다. 그러면 어떻게 용접품질을 확보할 것인가?

a)미래결함(파괴에 민감한 미세조직)  방지

미세조직을 결정하는 여러 요소들을 절차화하여 용접공정을 개발하고 실 구조물에 적용하기 전에 예비시험용접을 하여 파괴시험법을 통하여 미래결함 여부를 조사한다. 이러한 인정(Qualification)을 거친 용접절차서는 “용접성(Weld ability)”을 확보하고 있다고 표현한다.

b)현재결함(불연속성결함) 방지

용접사의 기능에 영향을 주는 요소들을 분류하여 용접사 들에게 미리 시험 편을 용접하게 하여 그 시험편에 대하여 파괴/비파괴시험을 통하여 현재결함 여부를 조사한다. 이러한 인정(Qualification)을 거친 용접사는 “용접기능(Performance)”을 확보하고 있다고 표현한다.

c)첫째와 둘째의 검증된(예상된) 요소들이 실제 용접중에 제대로 적용되는지를 확인하고, 최종 용접부 내에 기량의 잘못으로 인한 결함이 존재하지 않는지 비 파괴 검사법을 통해 확인하므로서 최종적으로 용접품질을 확인한다.

2. 기술기준 개요

용접제품은 안전성과 신뢰성 확보를 위하여 각종 기술규정이 적용되며 정부기관이 제정한 안전 기준이나 학술단체, 공업규격협회 등이 개발한 산업기준이 적용되고 있으며, 따라서 국내외 원자력발전소와 화력발전소는 물론 각종 대형 플랜트 산업에 적용되는 용접기술 기준은 거의 대부분 미국의 ASME B & PV Code 및 ASME B31 압력배관 Code에서 공통적으로 준용하고 있는 ASME Sec.Ⅸ이 사용되고 있다.

용접 기술기준은 건조 기술기준에 따른 기기의 공급, 설치 등과 관련한 용접에 적용한다.

a. 기술기준 현황

미국의 기술기준 개발체계는 민간학술 단체나 협회 중심의 체계이며 다양한 기술기준이 적용되고 있으며 주요 기술 기준은 아래와 같다.

*주요 외국 기술기준의 대응관계

기술 기준		기준(KEPIC)
ASME Sec.III Div.1 NCA	General Requirements	MGA	일반요건
ASME Sec.VIII Div.1	Pressure Vessels	MGB	압력용기
HEI, TEMA	Standards for Power Plant Heat Exchanges	MGC	열교환기
API 650	Welded Steel Tanks for Oil Storage	MGD	저장탱크
ASME B 31.1	Power Piping	MGE	배관
HI	Centrifugal Pumps for General Refinery Service	MGF	펌프
ASME/ANSI B16.34	Valves-Flanged, Threaded, and Welded End	MGG	밸브
HEI 304	Steam Surface Condenser	MGH	복수기
HEI 309	Closed Feedwater Heaters	MGI	급수가열기

a. 용접변수

n  필수변수(Essential Variable) : 용접부의 기계적 물성치에 영향을주는 변수와 용접사의 기량에 영향을 주는 조건으로서, 이 변수가 변경될 시에는 재시험을 하여야 한다. (예 : 재질, 용접재 F No , 열처리 유무 , 두께 인증범위 등)

n 추가 필수 변수(Supplementary Essential Variable)  : 용접부의 충격치에 영향을 주는 변수로, 주로 열과 관계가 있는 변수들이다. 이 변수는 충격치가 요구될 경우에는 필수 변수로 간주하고, 충격치가 요구되지 않을 경우에는 비필수 변수로 간주한다. ( 예 : 용접 자세,  층간온도 ,  입열량 등)

n 비필수 변수(Non-Essential Variable)  : 용접부의 기계적 성질에 큰 주요한 영향이 없는 조건으로, 이 변수가 변경 되었을 시에는 재시험 없이 WPS를 개정할 수 있다. (예:개선형상, 용접재 사이즈,  전류 및 전압 등)