I. 용접야금 및 용접설비제도
1. 용접부의 야금학적 특징
1. 용접야금기초
1. 금속 총론
1) 금속의 공통적인 성질(특성)
* 상온에서 고체이며 결정체이다. 예외 Hg, Na, K, Li
* 비중이 크고 금속마다 고유의 광택을 갖는다.
* 결정면에서 슬립이 용이하여 가공이 용이하고, 연성, 전성이 좋다.
* 열과 전기의 양도체이다.
* 이온화하면 양이온이 된다.
* 모든 금속은 전자, 양자, 중성자를 가지고 있다.
* 각 금속마다 금속의 성질과 구조가 다른 이유는 입자들이 다르게 배열되어 있기 때문이다.
* 대부분의 금속은 고체 상태에서 바르게 배열되어 있다.
* 금속 결합의 요인은 자유 전자이다.
2) 경금속과 중금속 : 비중 5 이하 경금속, 5 이상 중금속
* 경금속 : Al, Mg, Be(베릴륨), Ca, Ti, Li(리튬은 비중 0.53으로 금속 중 가장 가벼움)
* 중금속 : Fe(비중 7.87), Cu, Cr, Ni, Bi(비스무트), Cd(카드뮴), Ce(세륨), Co,Mo(몰리브덴), Pb, Zn, Ir(이리듐 비중 22.5로 가장 무거움).
* 비금속 또는 준금속 : B, Si, Ge, As, Te, Po
3) 강괴(제강법) :제강로에서 퍼낸 용강을 금속 주형이나 사형에 넣어 덩어리로 냉각시킨 것
* 킬드강 : 완전 탈산강으로 탈산제로는 Fe-Si, Fe-Mn, Al 등을 이용.
편석이 적고 재질이 균일하며 압연재로 널리 사용됨
* 세미킬드강 : 약간 탈산강, 킬드강보다 탈산이 적은 것, 킬드강과 림드강의 중간
* 림드강 : 탈산 및 가스처리가 불충분한 상태의 것, 강괴 전부를 쓸 수 있는 이점이 있으나 기계적 성질은 킬드강만 못하여 용접봉, 선재 등으로 쓰임.
4) 철강의 5 원소 : C, Si, Mn, P, S - 탄소가 철강 성질에 가장 큰 영향을 줌
5) 철강의 분류
* 순철 : 탄소 0.03% 이하를 함유한 철
* 강(Steel) : 탄소강 - 탄소 0.03~2.0%, 합금강 - 탄소강에 금속 합금
* 주철(cast iron) : 탄소 2.0~6.68 % 함유한 철이나 보통 4.5% 다용.
* 철강과 주철의 기준은 탄소 함유량 2.1%
* 철은 768도에서 비자성을 띤다.
7) 금속의 물리적 성질
① 비중 : 4도의 순수한 물을 기준으로 한 무게
② 용융점 고체에서 액체로 변하는 온도점 6) 용융점(고체에서 액체로 변하는 온도점)으로 텅스텐 3410도로 금속 중 가장 높고, 수은 -38.8도로 금속 중 가장 낮다. 순철은 1530도이다.
③ 비열 : 단위 질량의 물체 온도를 1도 올리는데 필요한 열량으로 비열 단위는 kJ/kg▪℃이다.
④ 선팽창 계수 : 물체의 단위 길이에 대하여 온도 변화에 따라 막대 길이가 늘어나는 정도로, 단위는 cm/cm▪℃ 이다.
⑤ 열전도율 : 거리 1미터에 1도 변할 때, 1제곱미터 단면에 1시간 동안 전해지는 열량. 단위는 kJ/m▪h▪℃이며, 은>구리>백금>알루미늄> 순이다.
⑥ 전기전도율은 물체에 전기가 흐르는 정도로 은>구리>금>알루미늄>마그네슘>아연>니켈>철>납>안티몬 순
8) 금속의 기계적 성질
① 항복점 : 하중을 0부터 응력의 근소한 증가에도, 또는 증가 없이도 변형이 급격히 증가하는 점. 연강에는 존재하나 경강이나 주철에는 존재하지 않는다. 항복 강도는 용접 구조용 압연 강재 SWS재에 A,B,C 로 구별하여 표시한다.
② 연성 : 물체가 탄성한도를 초과한 힘을 받고도 파괴되지 않고 늘어나 소성변형이 되는 성질로 금>은>알루미늄>구리>백금>납>아연>철 순으로 좋다.
③ 전성 또는 가단성 : 금속을 얇은 판이나 박으로 만들 수 있는 성질로 금>은>알루미늄>철>니켈>구리>아연 순.
④ 인성 : 굽힘이나 비틀림 작용을 반복했을 때 끈기 있게 저항하는 성질
⑤ 인장강도 : 최대하중을 원단면적으로 나눈 값
⑥ 취성 : 물체가 약간의 변형에도 견디지 못하고 파괴되는 성질로 인성의 반대 개념이다.
⑦ 가공 경화 : 금속이 가공에 의하여 강도, 경도가 커지고 연신율이 감소하는 성질이다.
⑧ 가주성 : 가열하면 유동성이 좋아져서 주조 작업이 가능한 성질을 말한다.
2. 금속결정구조
1) 고용체의 격자
① 침입형 고용체 : Fe-C, Fe-N, H, O, B, C, M
원자의 지름이 작아 Fe 가운데로 침입하여 들어간다.
② 치환형 고용체 : Ag-Cu, Ag-Au, Cu-Zn, Fe-Al
원자의 반지름 값이 비슷하여 서로의 원자 자리에 들어감.
③ 규칙 격자형 고용체 : Ni3-Fe, Cu3-Au, Fe3-Al
고용체의 성분 원자 지름의 차가 15% 이내여야 들어간다.
2) 고용체의 종류
④ 1차 고용체 : 침입형, 치환형.
어떤 고체에서도 그 결정 구조는 모체 금속과 같은 것.
⑤ 중간 고용체 : 성분 금속의 어느 쪽과도 다른 구조를 가진 고용체
⑥ 전율 고용체 : 전 농도에 걸친 고용체. 두 성분 금속의 50% 점에서 경도, 경도가 최대이다.
⑦ 한율 고용체 : 농도에 따라 공정을 만드는 고용체로, 공정점에서 경도와 강도가 최대이다.
3) 금속의 결정 구조
* γ 철 - 면심입방격자(FCC) : 원소 - Al, Ag, Au, 감마Fe, Cu, Ni, Pb, Pt, Ca, 베타Co, Rh,QF Pd, Ce, Th, Ir, Sr. ① 많이 사용된다. ② 전연성과 전기 전도도가 크다. ③ 가공이 우수하다. ④ 귀속 원자수는 4이며, 원자 충전율은 74%이다. ⑤ 순철에는 감마 구역(910-1400도)에서 생긴다.
* α, δ 철 - 체심입방격자(BCC) : Fe(알파, 델타철), Cr, W, Mo, V, Li, Na, Ta, K, Ba, Rb, Nb, 베타Ti, 베타Zn. ① 전연성이 좋다. ② 융점이 높다. ③ 강도가 크다. ④ 순철의 경우 910도 이하와 1400도 이상에서 이 구조를 갖는다. ⑤ 귀속 원자수는 2이며, 원자 충전율은 68%이다.
* 조밀육방격자(HCP) : Mg, Zn, Ti, Be, Hg, Zr, Cd, Ce, Os ① 전연성이 불량하다. ② 접착성(자성)이 적다. ③ 가공성이 좋지 않다. ④ 귀속 원자수는 2이며, 원자 충전율은 70.45 %이다.
4) 금속의 변태(transformation) : 고체에서 액체, 액체에서 고체로 결정 격자 혹 자기 변화
* 동소변태 : 고체 내에서 원자 배열의 변화를 수반하는 변태
순철 체심 입방격자가 A4(1400도) 변태점에서 면심 입방격자로 바뀌고 다시 A3(910도) 변태점에서 면심 입방 격자로 바뀜
* 자기변태 : 원자 배열의 변화 없이 자기의 강도만 변화하는 것
순철의 자기 변태는 A2 변태점(768도)에서 일어난다.
시멘타이트(탄화철Fe3C 고온에서 생성)의 자기 변태점은 A0(210도)이다.
* 동소체란 동일 화학 물질이면서, 서로 다른 상을 가지는 것
5) 합금 : 제조 공정이나 자연적, 또는 인위적으로 한 개 이상의 금속이나 비금속을 첨가시키는 것
합금의 성질(특성) ① 경도가 증가한다. ② 색이 변하며 주조성이 커진다. ③ 용융점이 낮아진다. ④ 성분을 이루는 금속보다 우수한 성질을 나타낸는 경우가 많다. ⑤ 동종 원자의 결합 에너지보다 이종 원자끼리의 결합 에너지가 크고 안되어 있다. 따라서 전위가 규칙 격자 중간을 통과하기 위해 큰 에너지를 필요로 하기 때문에 합금은 강화된다.
3. 화합물의 반응
금속 변이 반응
* 포정반응 : 고체A+액체 <=> 고체 B
* 편정반응 : 액체 <=> 고체+액체B
하나의 액체에서 고체와 다른 액체를 동시에 형성하는 반응
* 고용체 : 고체 A+고체B <=> 고체 C
* 공정반응은 A, B 금속을 합금하여 A, B 각각의 금속보다 저융점을 갖는 합금을 의미한다.
2. 용접부의 야금학적 특징
1. 가스의 용해
1) 용접 금속과 산소와의 관계 K=[O]/[FeO]
* C가 증가하면 O2가 급격히 감소한다.
* 1600 ℃에서는 0.3%의 산소를 용해하고 있으나 응고에 따라 급격히 저하하여 실온에서는 0.01% 이하가 된다. 여분의 산소는 산화물을 형성한다. 또 일부는 C와 반응해서 CO가스를 형성하며, 기공의 원인이 된다.
* 피복아크용접에서 용접금속 중의 산소량은 용접봉 피복제 계통에 따라 다르고 저수소계가 가장 낮다.
* 아크 용접시 산소의 근원은 공기 중의 산소 외에 피복제 중의 산화물 및 용접봉이나 모재에 부탁되어 있는 수분이다.
* 산소는 수소와 달리 원자 반지름이 크므로 결정 격자 내를 자유로이 확산할 수 없다. 따라서 용융금속이 응고될 때 과포화로 된 산소는 수소와 같이 고체 내를 확산하여 외부로 빠져나가려 하지 않고 산화물 즉, 개재물로 존재한다.
2) 용접 금속과 질소와의 관계
* N2 용해량은 Sieverts 법칙 [N[=KN√PN2]에 따른다.
* 아크 용접시 용융 금속의 N2 용해량은 제강시보다 매우 크다.
* 과잉 N2 는 침상의 질화물로 석출하지만, 급랭하면 철의 결정 격자에 과포화 고용되어 마텐자이트 조직을 형성하므로 용접 금속의 성질에 각종 영향을 미친다.
* 아크 용접시 N2 는 공기에서 침입된 것이며, 용접봉 피복제와 아크 길이, 용접 전류 등에 따라 변한다.
3) 용접 금속과 수소
* H2 의 용해도는 Sieverts의 법칙에 따른다.
* 용해도 이상의 H2 의 존재는 분자상으로는 입계 등에 존재하며, 모자이크 구조 내에서는 분자 또는 원자상으로 존재하며, 철격자 내에서는 원자 또는 이온으로 존재한다.
* 용강 중에 용입되는 H2 량은 용강 또는 슬래그 중에 함유되어 있는 FeO 량에 지배된다.
* 아크 용접시 H2 는 용접봉 피복 등의 수분이 아크열로 분해되어 기체로 공급되는 것이 많다. 용접 피복 중 이들의 유효한 수소원을 포텐셜 수소라 하고, 용접 금속 중의 수소 농도는 실질적으로 퍼텐셜 수로 Hp에 비례한다.
* 수소는 O2 나 N2 와 달리 원자가 작아 격자 내에 자유로이 확산하는 특징이 있다.
* 과포화수소가 많으면 용접 후 시간 경과와 함께 외부로 빠져나간다. 이 때 가열하여 온도를 올리면 확산이 점점 증가한다.
* 상온에서 용이하게 이동하는 수소를 확산성 수소라 하고, 온도를 올리지 않으면 이동하지 않는 것을 비확산성 수소라 한다.
* 저수소계가 용접 금속 중 수소가 가장 적다. 이런 종류의 피복은 γ철 중의 수소 최대 용해량보다 아주 낮은 수소량을 나타내기 때문에 외부 수분 증가에 따른 악영향을 다른 피복제보다 받기 쉬우므로 취급에 유의해야 한다.
* 용접 금속에 함유된 수소는 기공, 이상 조직, 특헤 균열의 원인이 되므로 극소화시켜야 한다.
4) 용접에서의 수소원
용접 금속에 침입되는 수소, 즉 용접 분위기 중에서 발생하는 수소의 근원으로는 ① 플럭스 중의 유기물, 즉 셀룰로오스, 전등 등이며 이것들이 연소하면 CO2와 H2O로 된다. ② 플럭스 중의 -OH 또는 결정수를 포함한 광물 ③ 고착제가 포함된 수분 ④ 플럭스에 흡착 또는 흡수된 수분 ⑤ 개선면에 부착한 수분 및 유지류 ⑥ 대기 중의 수분 등
5) 용접 금속의 성질에 미치는 수소의 영향
① 비드 밑 터짐 : 용접 비드 바로 밑 열영향부(HAZ)에 나타나는 균열로, 용접 금속에서 열영향부로 확산된 수소가 주요 원인이다. 비드 밑의 수소가 집중하여 수소취성이 생겨 내부 응력과 상호 작용에 의해 균열이 발생한다.
② 은점 : 용접 금속부를 파단하였을 때, 그 파단부에 나타나는 물고기 눈모양의 점으로, 수소가 존재하는 경우에만 발생한다. 수소가 용접 금속 내의 공공이나 비금속 개재물 주위에 집중하면 여기서 수소취성이 발생하고, 그 시험편을 파단하면 국부적인 취성화 파면 현상으로 은점이 발견된다.
③ 수소 취성 : 강은 수소를 포함하면 취성화가 되며, 취성화의 정도는 수소량과 비례하여 증가한다.
④ 미세 균열 : 수소를 많이 함유한 용접 금속 내에 0.01~0.1 미리 정도 미세 균열이 다수 발생하여 용접 금속의 굽힘 연성을 감소시킨다. 이 미세 균열은 비금속 개재물 주변이나 결정립계의 열간 미소 균열 등에 수소가 쌓인 결과 발생하고, 수소량에 비례한다.
⑤ 선상 조직 : 용접 금속의 파면에 매우 미세한 주상정이 서릿발 모양으로 병립하고 그 사이에 광학 현미경으로 보이는 정도의 비금속 개재물이나 기공을 포함한 조직이 나타나는 것을 선상조직이라 하며, 수소의 존재가 원인이다.
2. 탈산, 탈황 및 탈인반응
1) 용접 금속의 성질에 영향을 주는 산소 또는 질소
① 석출 경화(담금질 시효) : 강을 저온 뜨임하면 시간 경과에 따라 경도가 증가하는 경우가 있는데, 이것은 담금질할 때 과포화로 고용한 질소나 탄소가 각각 질화물이나 탄화물로 석출하여 경화를 일으키기 때문이다. 이 때 산소 자체는 고체의 철에 고용되지 않지만 질소의 확산을 도와 석출 경화를 조장하는 경우가 있다.
② 변형시효(strain aging) : 냉각 가공한 강을 저온으로 뜨임하면 경화, 즉 질소가 영향을 주어 변형 시효를 일으키는 경우가 있다. 질소의 증가와 함께 충격치의 저하율은 증가하고, 같은 질소량에서는 탄소량의 증가에 따라 저하율이 감소한다. 용접 금속은 급랭되어 응고 금속의 수축 때문에 상당한 내부 응력이 남아 있어서 질소, 산소량이 많은 것과 상응하여 용접 금속은 변형시효를 일으키는 경우가 많다.
③ 청열취성(blue shortness) : 저탄소강은 저온에서 인장 시험하면 200-300도의 온도 범위에서 인장 강도, 경도는 최대로 증가하고 또한 연성(연신율)과 단면수축률의 저하를 나타내는 경우가 있는데, 이런 현상을 청열취성이라 한다. 원인은 P이고 산소는 그것을 조장하는 작용이 있으며, 변형 시효와 마찬가지 이유에서 발생한다.
④ 저온취성 : 금속의 충격 시험에서 시험 온도의 저하와 함께 강도, 경도가 증가하고, 연신률과 충격치가 급격히 저하하는 온도, 즉 천이온도가 존재한다. 이렇게 저온에서 재질의 열화, 즉 취성화를 저온취성이라 하며, 이러한 성질은 산소나 질소에 의해 현저히 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 탈산이 불충분한 림드강은 천이 온도가 높고, 킬드강은 림드강에 비해 낮다. (천이온도란, 재료가 연성 파괴에서 취성 파괴로 변화하는 온도로, 천이 온도가 낮을수록 우수한 재료이다)
⑤ 풀림취성 : 강을 900도 전후로 풀림하면 충격치가 매우 저하하는 경우가 있는데, 이러한 현성을 풀림취성이라 한다. 원인은 결정립(grains) 성장과 결정립계에 석출하는 시멘타이트에 의한 것이다. 산소와 질소가 많으면 결정립 성장이 쉽고, 탄소가 많으면 시멘타이트 석출이 많으므로 이러한 원소 함유를 적게 해야 한다.
⑥ 적열취성(hot shortness) : 불순물이 많은 강은 열간 가공 중 900~1200도의 온도 범위에서 FeS이 파괴되어 균열이 생기는 경우가 있는데, 이것을 적열취성이라 한다. 주 원인은 유향(S), 즉 저융점의 FeS의 형성에 의한 것으로 되어 있지만, 산소가 존재하면 강에서 FeS의 용해도가 감소하므로 이것 역시 적열 취성의 한 원인이라고 볼 수 있다. Mn을 첨가하면 Mns나 MnO을 형성하며, 이것들의 융점은 비교적 높기 때문에 취성화를 방지할 수 있다.
⑦ 상온(냉간)취성 : Fe3P가 상온에서 연신율, 충격치를 감소시키는 현상이다. P가 원인이다.
3. 용접부 금속 조직과 그 특징
1) 철-탄소 상태도
* 1536 ℃ 순철의 용융점
* 1492 ℃ 포정선 B(용액) + H (δ 고용체)<=>J(γ고용체)
* 1400 ℃ 순철의 A4 변태점(δ철과 γ철 사이 동소변태)
* 910 ℃ 순철의 A3 변태점 (γFe<=>2Fe 사이 동소변태)
* 768 ℃ α 고용체의 자기 변태점
* 210 ℃ 강의 A0 변태(Fe3C의 자기변태, 철이 탄소를 최대 6.68%로 고용하는 점, Fe0C의 100% 점)
* 탄소 4.3%인 점은 공정(레데부라이트)
* 탄소 2.11%은 강과 주철의 분리점으로 γ가 C를 최대로 고용하는 점
* 탄소 0.77 % 공석(펄라이트)
* 탄소 0.51 % 포정반응을 하는 액체
* 탄소 0.16 % 포정점
* 탄소 0.10 % 포정 반응을 하는 고체 (δ가 C를 최대로 고용함)
* 탄소 0.03 % α(체심입방격자)가 C를 최대로 고용함
참고 - 순철의 변태 과정
A0 변태점 210 ℃
A1 변태점 723 ℃
A2 변태점 768 ℃ 체심입방격자 (α철)
A3 변태점 910 ℃ A3-A4 사이 면심입방격자 (γ 철)
A4 변태점 1400 ℃ 이상 체심입방격자 (δ철)
* 저탄소강의 용접 : 저탄소강은 0.3% 이하의 탄소를 함유하고 있는 강이고, 연강은 0.25 % 정도의 탄소를 함유한 탄소강을 가르키는데, 보통 저탄소강을 연강이라 부르고 있다. 일반 구조용강으로 널리 사용되고 있다. 연강의 용접에서는 판 두께가 25미리 정도까지는 별로 문제가 되지 않으나, 탄소량이 비교적 많고(탄소 0.25 이상) 판이 두꺼운 경우(두께 25미리 이상)에는 급랭을 일으키는 수가 있으므로 예열이나 용접봉의 선택에 주의해야 한다.
* 고탄소강의 용접 : 고탄소강은 0.5~1.3%의 탄소를 함유한 강을 말하며, 연강에 비해 용접에 의해 일어나는 열영향부의 경화가 현저하다. 따라서 비드 균열을 일으키기 쉬우며, 모재와 같은 용접 금속의 강도를 얻으려면 연신율이 적어 용접 균열을 일으키기 쉽다. 고탄소강의 용접봉으로는 저수소계의 모재와 같은 재질의 용접봉 또는 연강 용접봉, 오스테나이트계 스테인리스강 용접봉, 특수강 용접봉 등이 쓰이고 있다.
2) 주철의 성질과 장단점
① 주철의 탄소 함유량은 2.1~6.67%(보통 2.5~4.5% 함유)까지이며, Fe, C 이외에도 Si, Mn, P, S 등의 원소를 포함한다. 주철의 조직은 바탕 조직(펄라이트, 페라이트)과 흑연으로 구성되어 있다. 주철 중의 탄소는 일반적으로 흑연 상태로 존재한다(Fe3C는 1000도 이하에서는 불안정하다).
② 주철의 장점 : * 용융점이 낮고 유동성이 좋다. * 주주성이 양호하다. * 마찰 저항이 좋다. * 가격이 저렴하다. * 절삭성이 우수하다. * 압축 강도가 크다(인장 강도의 3, 4배).
③ 주철의 단점 : * 인장강도가 작다. * 충격값이 작다. * 가공이 안된다.
④ 주철의 평형 상태도 * 공정 주철 4.3%C, 1145도, 아공정 주철 2.1%~4.3%C, 과공정 주철 4.3%C 이상 공정점은 Si가 증가함에 따라 저탄소 쪽으로 이동한다.
⑤ 주철의 성질 : 전연성이 작고 가공이 안된다. 점성은 C, Mn, P이 첨가되면 낮아진다. 비중은 7.1~7.3(흑연이 많을수록 작아진다)이고, 열처리는 담금질, 뜨임은 안되나 주조 응력 제거의 목적으로 500~600도에서 풀림 처리는 가능하다.주조 후 1시간(장시간) 이상 방치하여 주조의 응력을 없앨 수 있는데, 이것을 자연시효(seasoning)이라 한다. 고온에서 장시간 유지 또는 가열 냉각을 반복하면 주철의 부피가 팽창하여 변형, 균열이 발생하는데, 이것을 주철의 성장이라고 한다. 주철 성장의 원인은 Fe3C의 흑연화에 의한 팽창과 A1 변태에 따른 체적의 변화, 페라이트 중의 Si의 산화에 의한 팽창, 불균일한 가열로 균열에 의한 팽창 등이다. 주철의 성장을 방지하는 방법은 흑연의 미세화(조직 치밀화), 흑연화 방지제, 탄화물 안정제를 첨가하는 것 등이다.
⑥ 주철 용접시 주의 사항
* 보수 용접을 행하는 경우는 본바닥이 나타날 때가지 잘 깎아낸 후 용접한다.
* 파열의 보수 시 파열의 연장을 방지하기 위하여 파열의 끝에 작은 구멍을 뚫는다.
* 용접 전류는 필요 이상 높이지 말고 직선 비드를 배치할 것이며, 지나치게 용입을 깊게 하지 않는다.
* 용접봉은 될 수 있는대로 가는 것을 사용한다.
* 비드 배치는 짧게 해서 여러번의 조작으로 완료한다.
* 가열되어 있을 때 피닝 작업을 하여 변형을 줄이는 것이 좋다.
* 큰 건물이나 두께가 다른 것, 모양이 복잡한 형상의 용접에는 예열과 후열 후 서랭 작업을 반드시 행한다.
* 가스 용접에 사용되는 불꽃으로 중성 불꽃 또는 약산화 불꽃을 사용하고, 플럭스를 충분히 사용할 것이며, 용접부를 필요 이상 크게 하지 않는다.
3) 공구용 합금강
① 합금 공구강(STS) : 탄소 공구강의 결점인 담금질 효과, 고온 경도를 개선하기 위하여 Cr, W, Mo. V(바나듐)을 첨가한다.
② 고속도강(SKN) 대표적인 절삭용 공구 재료로 일명 HSS(하이스)라 하며, 표준형 고속도강은 18W-4Cr-1V이다. 탄소량은 0.8 %이다. 고속도강은 뜨임으로 더욱 경화된다(2차 마텐자이트=2차 경화), 품림 온도는 850~900도이다.
비철금속 재료
3) 구리와 그 합금
① 구리의 물리적 성질 : * 구리의 비중은 8.96이고, 용융점은 1083도이며, 변태점이 없다. * 비자성체이며, 전기 및 열의 양도체이다.
② 구리의 기계적 성질 : 자연성이 풍부하다. * 연간 가공온도는 750~850도, 재결정 온도는 150~200도이다. * 인장 강도는 가공도 70%에서 최대이다. * 경도 - 가공경화로 증가하고, 가공경화된 것은 600~700도에서 30분간 풀림하면 연화된다.
③ 화학적 성질 : * 황상, 염산에 용해되며, 습기, 탄산가스, 해수에서 녹이 생긴다. * 환원 여림의 일종이며, 산화구리를 환원성 분위기에서 가열하면 H2가 동 중에 확산 침투하여 균열이 발생하는 수소병 현상을 띤다.
4) 알루미늄과 그 합금
① 알루미늄의 물리적 성질 : 비중은 2.7, 용융점은 660도, 변태점이 없다. * 열 및 전기의 양도체이며, 내식성이 좋다.
② 알루미늄의 기계적 성질 : 전연성이 풍부하며, 열간 가공온도 400~500도에서 연신율이 최대이다. * 가공에 따라 강도, 경도가 증가하며, 연신율이 감소하고, 유동성이 작고, 수축률이 크다. * 풀림 온도는 250~300도이며, 순 Al은 주조가 안된다.
③ 알루미늄의 화학적 성질 : 무기산, 염류에 침식되며, 대기 중에서 안정한 산화 피막을 형성한다.
5. 금속조직의 종류와 그 특징
1) 평형 상태도 상의 조직
강의 표준 조직 : 강을
① 오스테나이트(austenite) : * γ 고용체이다. * A1 변태점 이상에서만 안정한 고온 조직이다. * Fe에 Ni, Mo, Cr, Mn 등의 특수 원소가 포함된 합금강에서는 상온에서도 존재한다. 이를 잔류 오스테나이트라 한다. * 감마철의 최대 탄소 고용 한도는 2.11 %℃이다. * 잔류 오스테나이트는 심랭 처리(sub-zero treatment)로 조직을 안정화시킬 수 있다.
* 심랭 처리(sub-zero treatment)란 담금질한 강에 잔류 오스테나이트를 제거하기 위하여 1도 이하인 영하의 온도로 냉각하여 모두 마텐자이트로 변태시켜 주는 처리를 말하며, 드라이아이스나 소금물을 사용한다. 심랭 처리의 목적은 강에 강인성을 부여하고, 형상 및 치수 변형 방지 및 침탄층의 경화, 게이지강의 자연 시효 및 경도 증가, 공구강의 경도 증가, 절삭성 향상, 스테인리스강의 기계적 성질의 개선 및 담금질한 강의 조직을 안정화시키기 위한 것이다.
② 시멘타이트(cementite) : * 철탄화물이다(Fe2C). * 금속간 화합물이다(6.67%C+Fe). * 경도가 매우 높으며 (Hb820), 취약하다. * 강자성체이나 210 ℃에서 자성을 상실한다. * 고탄소강, 공구강에서는 망목상이며, 이는 충격시 크랙의 원인이 되므로 열처리하여 구상화시킨다.
③ 페라이트(ferrite) : * α 고용체이다. * 강자성체로 연성이 크며, 경도는 Hb=900~100 정도이다. 8 순철에서 쉽게 볼 수 있는 백색 조직으로 검은선은 입계이다.
④ 펄라이트(pearlite) : * 페라이트(α 고용체)와 시멘타이트의 층상 조직을 나타낸다. * 0.8 %C 강이 A1 변태점에서 변태한 공석정이다. Hb=125~150 정도이다.
⑤ 레데부라이트(ledeburite) : * γ 고용체와 산화철의 공정 조직이다. 강도 경도가 낮고, 취약하다. * 용융점이 낮다.
2) 열처리에 의한 금속 조직
① 마텐자이트(martensite) : * 강의 담금질 조직으로 오스테나이트에서 급랭한 것이다. * 무확산 변태의 조직이다. * 체심입방정의 백색 침상 조직이다. * 마텐자이트는 강을 수랭한 침상 조직으로, 열처리 조직 중에서 가장 단단하고 (Hb=720), 깨지기 쉽다. 즉 강도는 크나 취성이 있다. * 상온에서 준안정 상태로서 120도로 가열하면 체심입방정계가 도니다. * 마텐자이트가 되는 임계 냉각 속도는 탄소량이 증가함에 따라 빠르게 된다.
② 트루스타이트(troostite) : * 페라이트와 미세 시멘타이트의 혼합 조직이다. * 마텐자이트보다 경도는 떨어지나 인성이 크다(Hb=400), * 강을 유랭한 조직이다. * 마텐자이트를 300~400℃로 뜨임한 조직이다. α-Fe과 Fe3C의 혼합 조직이다.
③ 소르바이트(sorbite) : * 페라이트와 미세 시멘타이트의 혼합 조직이다. 즉 공랭 또는 유랭 조직으로 α-Fe과 Fe3C의 혼합 조직이다.* 유랭보다 늦은 냉각 속도 (Ar 600~650℃)에서 변태한 조직이다. * 마텐자이트보다 경도는 떨어지나 인성은 크다(Hb-270). * 강도와 탄성을 동시에 요구하는 구조용 재료로 사용한다.
④ 베이나이트(bainite) : *마텐자이트와 투르스타이트의 중간 상태 조직이다. * 열처리에 따른 변형이 적고 강도가 높으며 인성이 크다. *마텐자이트에 비해 시약이 잘 부식된다. * 페라이트와 시멘타이트의 미립 혼합 조직이다. * 강을 오스테나이트 상태에서 Ar'~Ar'' 변태점 사이에서 항온 유지하였을 때 얻어지는 조직이다. * Ar' 변태에 가까운 것을 상부 베이나이트 조직이라 한다. * Ar'' 변태에 가까운 것을 하부 베이나이트 조직이라 한다. * Hb=340으로 경도와 인성이 풍부하다. * 상부 베이나이트는 우모상, 하부 베이나이트는 침상 조직이다.
⑤ 오스테나이트(austenite) : * α-Fe과 Fe3C의 침상 조직으로 노중 냉각한 조직이다. * 연성이 크고, 상온 가공과 절삭성이 양호하다. * 평형 상태도 상에서는 고온에서 존재하나 18-8 스테인리스강을 820~880도 부근에서 급랭하면 상온에서도 존재한다. * 점성이 크고 내식성이 높아 불수강의 조직으로 이용된다. * Hb=155 정도이다.
5. 금속의 열처리 방법
1) 열처리의 목적 : 열처리란 금속을 목적하는 성질 및 상태로 만들기 위해 가열 후 냉각 등의 조작을 적당한 속도로 처리하여 그 재료의 특성을 개량하는 조작을 말한다. 열처리의 목적은 첫째 결정 입자의 미세화 및 조직의 표준화, 둘째 조직의 안정화, 가공 시 생긴 응력 제거 및 변형 방지, 셋째 경도, 항자력 증가 및 기계 가공성의 향상 등을 위한 것이다.
2) 일반 열처리
* 풀림 또는 어닐링(annealing) : 가공 경화된 재료의 연화를 위한 것이다.
* 불림 또는 노멀라이징(normalizing) : 조직의 균일화 및 미세화, 내부 응력 제거, 가공성의 향상, 표준화를 위한 것이다. 담금질은 질량 효과를 없게 한다.
* 담금질(quenching) : 경도의 증가를 위한 것이다.
* 뜨임(tempering) : 담금질한 강의 경도를 약간 낮추고 담금질한 강의 인성을 증가시키기 위하여 실행하며, 뜨임 메짐을 방지하기 위하여 소량의 Mo, V, M 등을 첨가시킨다.
3) 냉각제 및 냉각 속도에 따른 조직 변화
* 냉각제 : 흔히 담금질 용액으로 쓰이며, 목적에 따라 다르나 물과 기름이 가장 많이 사용된다. 이 외에도 소금물, NaOH 용액은 물보다 냉각 능력이 크지만, 비눗물은 물보다 냉각 능력이 낮다.
* 냉각 속도에 따른 조직 변화 : M(수랭)>T(유랭)>S(공랭)>P(노랭) 순이며, 그 중 pearlite(P)은 열처리 조직이 아니다. 노랭 - 가열한 금속을 노 내부에 두고 천천히 냉각을 하는 것
4) 특수 열처리 : 특수 열처리(항온 냉각) 조직의 종류
* 오스템퍼 : 베이타이트 담금질로 뜨임이 불필요하다.
* 마템퍼 : 마텐자이트와 베이나이트의 혼합 조직으로, 충격치가 높아진다.
* 마퀜칭 : S 곡선의 코 아래에서 항온 열처리 후 뜨임으로 담금 균열과 변형이 적은 조직이 돈다.
* 타임 퀜칭 : 수중 혹은 유중 담금질하여 300~400도 정도 냉각시킨 후 다시 수랭 또는 유랭하는 방법이다.
* 항온 뜨임 : 뜨임 작업에서보다 인성이 큰 조직을 얻을 때 사용하는 것으로 고속도강, 다이스강의 뜨임에서 사용한다.
* 항온 풀림 : S 곡선의 코 혹은 다소 높은 온도에서 항온 변태 후 공랭하여 연질의 펄라이트를 얻는 방법이다.
4. 용접 금속의 결함 (고온균열 및 저온균열의 발생원인과 방지)
1) 박판 용접시 결정립 성장 속도
* 평균 성장 속도는 본드부에서 용접 비드 중심선에 가까울수록 증가하고, 중심 선상에서는 용접 속도와 같다.
* 입열량이 일정하면 성장 속도는 용접 속도에 비례한다.
* 용접 속도가 일정하면 입열량의 감소에 따라 각 부분의 성장 속도는 균일화 경향을 보인다.
2) 후판 용접 비드 중심부에서의 주상정
* 주상정 또는 주상 조직이란 벽면에 발생한 핵의 결정이 벽에 직각으로 가늘고 긴 모양이 되는 것을 말한다. 주상조직 : 충격치가 낮다. 방향성을 나타낸다. 보통 단층 용접의 경우에 나타난다.
* 용접 속도가 작을수록 또 용접 비드의 전 두께가 얇을수록 용접 방향으로 굽는다.
* 온도 확산율이 작은 재료, 즉 γ계 스테인리스강의 경우에도 주상정이 직립하는 경향이 있고, 또 알루미늄과 같이 큰 재료는 수평 방향에 가깝게 된다.
3) 실제 용접에서 등축정(합금 주괴-ingot- 중앙부의 돌출 등축정대)이 생성될 조건
① 기계적인 진동으로 핵 발생의 범위가 넓어지고 결정립이 미세화되기 쉽다.
② 어떤 종류의 합금 원소 첨가로 미세립 생성이 용이하다.
③ 스테인리스강 등에서는 가로 균열이 발생하기 쉽다.
④ 저합금강 등에서는 등축정에 의해 세로 균열의 진전이 저지된다.
⑤ 등축정 내에 미소 균열이 생성되는 것도 있다.
⑥ 등축정의 용접 비드는 방향성이 없기 때문에 균질한 기계적 성질을 나타내는 현상을 볼 수 있다.
3) 응고 조직에서의 용질 원자 편석과 기공의 생성
① 성장 속도의 변화에 따라 용질원자의 분포 변화가 심하다.
② 용접 비드에서도 용융지 내의 용접 금속이 각종 원인으로 요동되므로, 응고 계면에서의 성장 속도에도 리플이 생긴다.
③ 용접 비드 표면의 파상에서도 볼 수 있다.
④ 용접 비드 표면의 EPMA(Electron Probe Micro Analysis) 결과를 보면, 용접에서는 응고는 연속적이 아니고 단속적으로 일어남을 알 수 있다.
⑤ 편석되기 쉬운 금속을 용접봉으로부터 첨가할 때에는 특히 주의해야 한다.
⑥ 용질 원자의 분포 상태, 즉 편석은 철강 중의 니켈과 크롬, 알루미늄 합금 중의 아연과 마그네슘, 티타늄 합금 중의 알루미늄 등이 특히 심하다.
⑦ 첨가 목적이 용접부의 기계적 성질이나 내식성 등의 화학적 성질 개선을 위해 첨가할 때는 더욱 주의를 요한다. ⑧ 용접부의 편석은 용접부의 기공 생성에 큰 영향을 준다.
⑨ 기공은 편석층에 따라서 생성되기 쉽다.
⑩ 결정립 성장 속도의 급증으로 기공의 빠짐이 불가능하게 된 것, 수지상정 내부에 포착된 것이다.
⑩ 용접 시공의 입장에서 보면 용접 비드의 파(ripple)를 적게 할 수 있는 방법을 강구해야 한다. (용접기, 용접법의 개선, 용접 중의 진동 효과 활용 등)
4) 용접 금속의 결정 미세화
① 응고하고 있는 용융 금속에 진동을 주면 결정이 미세화된다.
② 결정 미세화하는 방법에는 자기 교반, 초음파 진동, 합금 원소를 첨가하는 방법이 있다.
③ 용융 금속의 진동 작용은 결정을 미세화하고, 기공 발생을 방지하고, 용접 균열을 방지하며, 잔류 응력 발생을 방지한다.
④ 합금 원소의 조건 * 탄화물, 질화물 등의 고융점을 만든다. * 융액 중에서 미세한 고상으로 석출한다. * 융액과의 접촉각이 작아야 한다. * Al, Ti, V, Cr 등이 유용한 첨가 원소이다.
⑤ 용접 시공에서는 실드 가스에 질소를 혼입시켜 결정립을 미세화하거나, 용접 중에 풍압을 가하거나 응고 직후에 가압하여 용접부의 주조 조직 파괴와 동시에 결정립을 미세화한다.
5) 균열에는 용접 금속의 균열과 열 영향부 균열이 있다.
* 용접 금속의 균열
① 비드의 균열 - 횡균열, 종 균열, 루트 균열, micro crack, sulfur crack(고온 균열, 용접 금속 내부를 향해 균열이 진행됨, 황의 영향을 덜 받는 와이어와 플럭스의 결합을 고려함, 저수소계 용접봉으로 수동 용접)
② 크레이터의 균열(고온균열, 고장력강이나 합금 원소가 많은 강에 주로 나타남, 아크를 끊는 점을 중심으로 발생, 용접 금속의 수축이 원인, 아크를 끊을 때의 처리 방법이 필요), 선상 균열
* 열 영향부 균열
① 루트 균열 : 저온 균열에서 가장 주의해야 할 균열, 맞대기 이음의 가접부 또는 제1층 용접의 루트 부근 열영향부에서 발생, 종균열 형태로 표면에 잘 나타나지 않지만, 열영향부에서 발생하여 차차 비드 속으로 성장해 들어와 서서히 진행되는 경우가 많다. 이것의 원인은 열영향부의 조직 경화, 용접부에 함유된 수소량, 작용하고 있는 응력 등이다.
② 비드 밑 균열
③ toe 균열
④ micro crack ⑤ 입계액화 균열 ⑥ lamellar tear
6) 균열 이외의 결함으로는 용접 금속 내부의 결함과 표면 결함이 있다.
* 용접 금속 내부의 결함 - ① 기공 ② 개재물 ③ 슬래그 혼입 ④ 은점 ⑤ 선상 조직
* 표면 결함 - ① overlap ② undercut ③ bead 파형 불량 ④ 표면의 기공
7) 기공
① 용강에 침입한 다량의 가스가 응고시 용해도의 급감으로 기포가 부상되지 못하고 공동을 형성한 것이다.
② 강용접 기공의 원인은 먼저 CO 가스이고, N2나 H2도 다량으로 혼입되면 기공을 형성한다. 따라서 와이어에 탈산제가 부족하면 안된다.
③ 고 S강의 용접시 아크 분위기에서 H2와 화합하여 H2S가 되고 기공을 형성한다. 이 때 저수소계 용접봉을 쓰면 방지할 수 있다.
④ 상기의 가스 이외에도 용접 금속의 응고 상황이 매우 중요한 인자가 된다. 층상의 기공 대부분은 응고 진행 방향에 발달한다.
⑤ 기공은 강도나 신율의 저하를 초래한다.
8) 개재물(inclusion)
* 슬래그 혼입에 의한 것과 가스의 반응으로 생긴 비금속 개재물이 있다.
* 비금속 개재물은 미량이라면 그다지 유해하지 않지만, 슬래그 혼입은 파괴의 원인이 되므로 충분히 유의해야 한다.
9) 은점
① 용접 금속이 인장 또는 굽힘으로 파단될 때, 그 파면에 나타나는 원형의 결함이다. 중심에는 작은 기공이나 슬래그가 혼입되어 있어 고기의 눈과 같이 보인다.
② 강괴 백점(flake)의 생성 원인과 공통점이 많고, 외력에 의한 소성 변형에 수반하여 확산성 수소가 기공이나 비금속 개재물의 주위에 집결되어 일어나는 일종의 수소 취화이다.
③ 기계적 성질, 특히 신율이나 Deep Drawing성을 저하시킨다. 용접 후 장시간 방치하거나 가열하여 수소를 추출하면 은점은 발생되지 않는다.
10) 성상 조직 ice flower-like structure (상주상 조직)
① 아크 용접부에 생기는 특이 조직으로, 용접 금속을 파단시켰을 때, 그 일부가 상주상 아주 미세한 주상정으로 보이는 것이다.
② 응고 과정에서 생기는 주상정 간에 SiO2 등의 개재물이나 기공을 품기 때문에 결정립 간의 결합력이 약해져서 생긴다.
③ 역시 기계적 성질을 저하시킨다.
11) 용접 금속 균열
① 육안으로 볼 수 있는 거시적 균열과 현미경으로 확인할 수 있는 미시적 균열이 있다.
② 응고 온도 범위 또는 그 직하에서 일어나는 고온 균열과 약 200도 이하에서 일어나는 저온 균열이 있다.
③ 주로 저온 균열은 특히 페라이트 및 오스테나이트강에 나타나고, 오스테나이트계 스테인리스강, 알루미늄, 동합금 등은 고온 균열이 발생한다.
12) 취화 : 용접 금속 주에 가스가 침입하거나 기타 가공 또는 열처리에 의해서 용접 금속의 기계적 성질, 특히 연성이나 인성이 저하하는 현상을 취화라 한다. 이들 현상은 수소 취화를 제외하고는 거의 용접 금속 중의 탄소, 산소 및 질소가 단독 또는 화합물로서 작용된다고 볼 수 있다.
취화의 종류로는 수소 취화, 저온 취성, 열간 취성, 뜨임 취성, 시효 등이 있다.
① 수소 취화 : 수소를 다량 함유하는 용접 금속은 신율과 심교성의 저하가 현저하다. 저온 균열이나 은점의 원인이 된다.
② 저온 취성 : 실온 이하의 저온에서 취약한 성질을 나타내는 현상으로 O2나 N2가 저온취성에 큰 영향을 준다. 용접 금속은 보통 O2나 N2가 강재보다 많고, 또 주조 조직이 있는 등의 원인으로 일반적으로 노치 취성이 높다. 저수소계 용접봉, 용접 금속의 성분이나 용착 방법 조정으로 개선시킬 수 있다.
③ 열간 취성 : 강을 가열 중에 인정 시험 등의 변형을 주면 2단계의 범위에서 취화가 나타난다. 1000도 부근의 고온에서 일어나는 취화는 적열취성이며, S, O, Cu 등이 원인이며, 150~300도 범위에서 일어나는 취화는 청열취성이라 한다. 청열 취성의 원인은 특히 N이며, 그 외 C, O의 영향도 있다. 용접 금속은 특히 N2나 O2가 강재에 비하여 높기 때문에 청열 취성을 일으키기 쉽다.
④ 뜨임 취성 : 용접 구조물은 용접 후 응력을 제거하기 위해 변태점 이하에서 풀림(annealing)을 한다. 그러나 어떤 합금 원소를 함유한 용접 금속은 응력 제거 풀림의 후열 처리로 경도가 증가하고, 신율 및 노치 인성이 현저히 저하되는 현상이 있다. 이것을 뜨임 취성이라고 한다. Mn, Cr, Ni, V을 품고 있는 합금계의 용접 금속에서 많이 발생한다. Ni은 인성을 증가시키지만, 2.5% 이상 첨가되면 뜨임 츃성이 현저하여 제한된다. 뜨임 취성의 원인은 입계에 성분 원소의 석출 때문이다. 200~400도에서 일어나는 저온 뜨임 취성과 500~600도에서 일어나는 고온 뜨임 취성(뜨임 시효 취성)이 있다. 뜨임 시효 취성은 500도 정도에서 시간의 경과와 더불어 충격치가 저하되는 현상으로 Mo 첨가로 방지한다. 뜨임 시효 취성은 냉각속도의 의존성이 있고, 급랭으로 방지 가능하다. 고강도 합금계의 다층육성 용접 금속에서 앞의 용접층이 뒤층의 용접으로 뜨임 취화를 받는 것도 있다. 뜨임 서랭 취성은 550~650도 정도에서 수랭 및 유랭한 것보다 서랭하면 취성이 커지는 현상을 말한다.
⑤ 시효(aging) : 실온에서 장시간 방치하거나 저온으로 가열하면 시간이 경과함에 따라 경도가 증가하고 신율 및 충격치가 저하하는 현상을 시효라 한다. 강 중의 C, O2, N2의 용해도는 저온에서 급격히 감소하기 때문에 약 600도 이상에서 급랭하면 이들의 원소가 과포화 상태에서 서서히 석출하는 현상을 일으킨다. 이것을 담금질 시효라 한다. 냉간 가공의 슬립으로 전위가 증가한 곳에 O2나 N2가 집적되어 전위 이동을 방해한다. 냉간 가공 후 일어나는 시효 현상을 변형 시효(strain aging)라 한다. 용접 금속에는 보통의 내부 변형이 남아 있어 냉간 가공을 하지 않아도 O2나 N2가 많은 경우에는 변형 시효가 생긴다.
13) 용접 변형의 교정 및 경감법
변형을 감소하는데는 용접부의 수축을 억제해야 하지만, 그 결과 잔류 응력이 크게 된다. 이와 같이 변형과 잔류 응력은 상반 관계로 되는 일이 많지만, 변형과 잔류 응력을 용접 조건에 의해서 똑깥이 감소시키는 방법을 생각해야 한다.
① 억제법 : 가장 많이 사용되는 방법으로 공작물을 가접 또는 지그 홀더 등을 장착하고 변형의 발생을 억제하는 방법이다. 용접 후 응력을 제거하기 위하여 풀림을 하면 좋다.
② 역변형법 : 용접 금속 및 모재의 수축에 대하여 용접 전에 반대 방향으로 굽혀 놓고 작업하는 방법이다.
③ 도열법 : 용접부에 구리로 된 덮개판을 두거나 뒷면에서 용접부를 수랭 또는 용접부 근처에 물기가 있는 석면, 천 등을 두고 모재에 용접 입열을 막음으로써 변형을 방지하는 법이다.
④ 피닝법 : 용접 직후 피닝 해머로 비드를 두드려서 용접 금속의 변형을 방지하는 방법으로, 이것은 비드가 700도 이상의 고온일 때 행해야 한다.
⑤ 롤링법 ; 판상 또는 직선상과 같이 형상이 간단한 용접물을 롤에 의하여 롤링하는 것을 말한다.
⑥ 가열법 : 박판이나 형재는 변형 부분을 가열한 후 수랭하면 수축 응력 때문에 다른 부분을 잡아당겨 변형이 감소된다. 또 경우에 따라서는 가열 후에 때리기도 한다. 후판이나 큰 구조물은 구속판으로 압력을 주면서 가열한 후 수랭한다. 이 방법은 일반적으로 많이 사용된다.
6. 철강 및 비철재료의 열처리
7. 용접부의 열영향 및 기계적 성질
1) 아크 용접에서 발생하는 열량 H[Joule/cm]=60VI/υ
2) 열 영향부의 열 싸이클이 일반적인 열처리와 다른 점은 첫째, 가열 속도가 매우 크다. 둘째, 가열 온도가 높다. 셋째, 가열 시간이 아주 짧다.
3) 열 영향부의 냉각 속도(cooling rate)는 용접부의 기계적 성질을 좌우하는 중요한 인자이다. 특히 강에서는 열 영향부가 800도에서 500도로 되는 냉각 속도가 제일 중요한데, 이 시간을 Δt8-5 로 표시한다. 냉각 속도를 표시하는데ㅔ에는 세 가지의 온도 구배를 취하고 있다. 첫째 700도 오스테나이트 스테인리스강의 열 영향, 둘째, 540도의 탄소강이나 저합금강의 변태나 경도, 셋째 300도의 저온 균열의 관련성 파악에 유효하다.
4) 열 영향부의 냉각 속도는 용접 입열, 판 두께, 이음 현상, 예냉 또는 예열 온도와 밀접한 관계가 있다.
5) 열 영향부의 기계적 성질
① 열 영향부의 경도 : 일반적으로 본드부에 근접한 조립역의 경도가 가장 높다. 이 값을 최고 경도(maximum hardness Hmax)라 하고 용접 난이의 측도가 된다. 최고 경도치는 일반적으로 열 사이클 중의 냉각 속도와 함께 증가한다. 냉각 조건이 일정하면 강재 성분으로 나타내며, 등가 탄소량 또는 탄소당량을 쓰면 편리하다.
② 열 영향부의 기계적 성질 : 열 싸이클 재현 시험이며, 간접적으로 측정한다. 조립역의 신율이나 인성은 현저히 저하된다(마텐자이트 생성이 원인이다).
6) 열 영향부에 생기는 결함
① 용접 균열의 종류 : under bead crack(용접 금속 밑에 평행), toe crack(용접 가장자리 끝의 응력 집중), bead crack, lameller tear(압연 강재의 층상 개재물이 원인으로 황 함유량이 높을수록 심하고, 수소도 균열 경향을 증가시킨다), root crack(마텐자이트나 수소 이외에, 루트의 노치에 의한 응력 집중도 원인이 된다), 조대 결정역의 입계액화에 의한 고온 균열(스테인리스강이나 고장력강에 흔히 나타난다.)
② 저온 균열의 인자 : 강재 성분(마텐자이트 생성이 쉬운, 즉 용접 열로 경화되기 쉬운 강재), 냉각 속도(냉각속도가 클수록), 수소(수소취화의 원인), 구속
③ 수소에 의한 지연 파괴(delayed failure) : 저온 균열이라고도 하며, 강의 마텐자이트 변태와 관련이 있고, 탄소강이나 저합금강에 많이 나타난다. 지연파괴는 수소(확산성 수소)에 의한 저온 파괴의 일종이다. 특징은 하중이 가해져 파괴에 이를 때까지 잠복 시간과 그 이하에서는 전혀 파괴되지 않는다는 한계 응력이 존재하는 것이다. 한계 응력 및 잠복 시간은 용접봉의 수분량이나 예열 온도의 영향을 크게 받는다. 이것은 저수속계 용접봉의 발달 이유가 되었다. 지연 파괴의 특성을 알아보는데 적합한 시험법으로는 TRC(Tensile Restraint Cracking Test)가 있다.
④ 구속의 영향 : 루트 균열이나 토 균열은 구속의 영향이 매우 크다. 일반적으로 강판의 두께가 두꺼울수록, 이음 현상이 복잡할수록 구속은 증가하고 용접부에 큰 구속 응력이 유기된다. 균열 감수성과 구속의 정도를 정량화하기 위한 시험이 RRC이다. 강의 성분, 용접 금속의 수소량, 계수의 구속도를 알면 균열 방지를 위한 예열 온도(T[℃]=1440Pw -392)를 구할 수 있다.
⑤ 열 영향부의 취화 : 취화 영역이라 불리는 제 2의 취화는 가열 온도가 낮아서 조직 변화가 나타나지 않는데도 불구하고, 이와같이 취화하는 것은 소입 시효나 변형 시효라고 불리는 탄소나 질소 원자의 석출 현상에 의한 것이다. 담금질, 뜨임한 고장력강, 즉 조질강의 경우 취화 영역보다 조립역의 충격치가 현저히 낮은 것은 조질강의 모재가 열처리로 재질은 향상되지만, 용접 열로 그 효과가 상실되기 때문이다. 조립역 열영향부의 충격치는 냉각속도가 클수록, 마텐자이트가 증가할수록 높아지는 경향이 있다.
⑥ 흑연화(graphitization) : 강을 400~700도에서 장기간 가열시킬 경우, 탄화물이 분해하여 흑연을 생성시켜 취화하는 현상이다. 흑연화는 담금질 효과를 받는 부분에 우선적으로 일어나기 때문에 용접 열영향부는 그 경향이 특히 강하다. 용접 후 A1 변태점 이상으로 가열하여 풀림하면 방지할 수 있다. 고온 고압용 C-Mo 강관에 잘 나타나며, 열영향부의 저온측 경계에 층상으로 연이어 파괴를 일으킨다.
⑦ 내식성의 저하 : 오스테나이트 스테인리스강에서는 용접 열영향부가 선택적으로 부식을 일으키는 현상이다.
2. 용접재료 선택 및 전후처리
1. 용접재료 선택
1. 용접재료의 분류와 표시
2. 슬래그의 생성반응
3. 용접재료의 관리
2. 용접 전후처리
예열, 후열처리, 응력풀림처리
1) 예열 및 후열의 의의 : 용접부는 급격한 열 싸이클 및 응고 수축을 받기 때문에 모재부의 조직 변화, 열응력, 변형 또는 균열을 일으킬 수 있기 때문에 사용 성능상 지장을 주지 않고, 용접 구조물의 특징을 충분히 발휘하도록 하기 위하여 각종 열처리를 시행한다.
2) 예열의 목적
냉각 속도를 작게 하여 다음과 같은 효과를 초래한다. ① 균열의 방지 ② 기계적 성질 향상 ③ 경화 조직의 석출 방지 ④ 변형, 잔류 응력의 저감 ⑤ 블로혹(blowhole) 생성 방지
3) 후열의 목적
① 균열의 방지 ② 기계적 성질의 향상 ③ 화학적 성질의 향상 ④ 최적 조직으로 개선 ⑤ 변형, 잔류 응력의 완화 ⑥ 함유 가스의 배출
4) 후열 처리의 종류
① 응력 제거(stress relief) ② 완전 풀림(A3 점 이상) ③ 고용화 처리(solution heat treatment) ④ 불림(normalizing) ⑤ 불림 후 뜨임 ⑥ 담금질 후 뜨임 ⑦ 뜨임(tempering) ⑧ 저온 응력 제거(A1 점 이하) ⑨ 석출 열처리
5) 예열의 효과
① 예열에 의해 용접부의 온도 분포, 최고 도달 온도 및 냉각속도가 변한다. ② 예열하면 온도 분포가 완만하게 되어 열응력(Thermal stress)의 저감으로 변형, 잔류 응력의 발생이 적게 된다. ③ 냉각 속도는 예열로 느려지지만 비교적 저온에서 큰 영향을 준다. ④ 냉각 시간이 길 경우 수소의 방출, 경도의 저하, 구속력의 저하로 균열 발생의 한계 응력이 높게 된다.
6) 후열의 효과
① 저온 균열의 원인이 되는 수소를 방출시킨다. 온도가 높고 시간이 길수록 수소 함유량은 낮아진다. ② 잔류 응력을 제거한다. 실제 시공에 있어 예열 온도를 높게 할 수 없으므로 후열에 의한 잔류 응력 제거가 유리하다. ③ 가열 온도 A3 이상의 완전 풀림 또는 고온 풀림과 A1 이하의 저온 풀림으로 나뉜다. A3 이상 가열하면 변형이 심한 경우가 있어 A1 이하가 바람직하다.
7) 응력 제거 풀림(SR - stress relief heat treatment)
① 보통 A1 변태점 이하의 어떤 온도까지 가능한 한 균일한 온도 분포가 되도록 가열하고, 일정 시간 유지 후 서랭하는 열처리 방법이다. ② 용접 후 열처리로서 일반적으로 사용되고 있는 열처리이다. ③ 조질강인 경우 풀림 온도(600~700도) 이상 가열하면 재료의 특성이 상실되므로, 용접 후 열처리는 강판의 제조열 이력을 고려하여야 한다.
8) 용접 후 열처리의 목적
① 용접 잔류 응력의 완화와 치수 안정화 ② 용접 열영향 경화부의 연화 ③ 용접부의 연성, 인성 향상 ④ 내응력 방식 균열성의 향상, 회복 ⑤ 수소 등의 함유 가스 방출
9) 재열(reheating) 균열과 취화
용접 후 열처리는 잔류 응력의 완화 등 용접 구조물의 신뢰성을 향상시키는 유효한 방법이지만, 강종에 따라서는 다음과 같은 문제를 유발하므로 주의해야 한다.
① 고장력강 저합금강의 SR 균열 ② 저합금강의 SR 취화 ③ 모재, 용접부의 강도 저하 ④ 이재 이음에서의 탈탄, 침탄 ⑤ 탄화물 석출에 의한 내응력 부식성 저하
10) SR 균열
① 용접 그대로의 상태에서는 확인되지 않지만, 용접 후 열처리 과정에서 용접 toe부의 용접 열영향부 조립역에 발생하는 결정립계 균열이다. ② SR 균열은 다음 조건이 필수적 * 열영향부 조립역 * 잔류 응력 및 응력 집중 * 2차 경화 원소를 함유한 강 ③ 고장력강이나 Cr-Mo-V 강 등의 구속력이 큰 후판 용접부, 특히 압력 용기의 노즐(nozzle) 이음부에 발생하기 쉽다.
11) SR 균열의 방지
① 모재 화학 성분 중 가능한 한 석출 경화 원소를 적게 한다. ② 용접 열영향부 결정립의 조대화를 방지한다. 단 마텐자이트나 하부 베이나이트 등의 담금질 조직에서는 풀림 과정 중에 시효 변화가 크게 되고 SR 균열이 조장되므로 주의를 요한다. ③ 용접부 표면 덧살, 언더컷 등을 제거하거나 버터링 비드(buttering bead)를 두어 열영향부 조립역으로 응력 집중이 안되게 한다. ④ 될 수 있는 한 응력 집중이 적게 설계한다. ⑤ SR 과정 중 열응력이 생기지 않도록 균일 가열한다.
3. 용접 설비제도
1. 제도 통칙
1. 제도의 개요
2. 문자와 선
1) 특수한 용도의 선 : 가는 실선, 아주 굵은 실선
* 가는 실선 : a) 외형선 및 숨은 선의 연장을 표시 b) 평면이란 것을 표시, c) 위치를 명시하는데 사용한다.
2) 아주 굵은 실선 : 얇은 부분의 단면을 도시하는데 사용
3. 도면의 분류 및 도면관리
2. 제도의 기본
1. 평면도법
2. 투상법
1) 정투상법 : 투상선이 투상면에 대하여 수직으로 되어 있는 것(평행 광선에 의해 투상이 되는 것)
2) 축측 투상법(등각투상법 또는 부등각투상도) : 정투상도의 투상법에서 선이 겹쳐 이해하기 복잡해지는 것을 피하기 위해 경사진 광선에 의해 투상하는 것
3) 사투상법 : 정면도의 크기, 모양은 그대로 두고, 평면도와 우측면도를 경사시켜 그린 것.
4) 투시도법 : 시점과 물체의 각 점을 연결하는 방사선에 의해 그리는 것으로, 원금감이 있어 건축 조감도 등 건축 제도에 많이 쓰임
5) 2면도 : 원통형 도는 평면형인 간단한 물체는 정면도와 평면도, 정면도와 우측면도의 두 개의 도면으로 완전하게 도시할 수 있는 것
6) 보조투상도 : 경사면부가 있는 물체는 정투상도로 그리면 그 물체의 실형을 나타낼 수 없기 때문에 그 경사면과 맞서는 위치에 보조 투상도를 그려준다.
7) 회전투상도(회전도시단면도) : 핸들이나 바퀴 등의 암 및 리브, 훅, 축, 구조물의 부재 등 투상면이 어느 각도를 갖고 있어서 그 실제 모양을 표시하지 못할 경우 그 부분을 회전해서 그린다. 또 잘못 볼 우려가 있을 경우에는 작도에 사용한 선을 남긴다.
8) 부분 투상도 : 부품의 일부분만 도시
9) 국부 투상도 : 대상물의 특별한 부분, 즉 구멍, 홈 등 국부
10) 부분 확대도 : 특정 부분의 도형이 작아서 그 부분의 상세한 도시나 치수 기입을 할 수 없을 때에는 그 부분을 가는 실선으로 에워싸고, 영문의 대문자로 표시한 후 그 해당 부분을 따로 확대하여 그리고 척도를 기입한다.
11) 전개 투상도 : 구부러진 판재를 만들 때는 공작상 불편하므로 실물을 정면도에 그리고 평면도에 전개도를 그린다.
12) 가상선에 의한 도형의 도시 : 이것은 도시된 물품의 인접부, 어느 부품과 연결된 부품, 또는 물품의 운동 범위, 가공 변화 등을 도면상에 표시할 필요가 있을 경우에 가상선을 사용하여 표시한다.
13) 단면도 : 물체 내부와 같이 볼 수 없는 것을 그릴 때, 숨은 선으로 표시하면 복잡해지므로 절반 또는 부분을 절단하여 내부가 보이게 그리면 선이 명확해진다. 단면도는 a) 정투상법으로 그린다. b) 절단면은 기본 중심선을 지나고, 투상면에 평행한 면을 선택하되, 같은 직선상에 있지 않아도 된다. c) 전부 또는 일부를 단면으로 도시한다. d) 단면은 절단하지 않은 면과 구별하기 위해 해칭이나 스머징을 한다. e) 단면 뒤에 숨은 선은 되도록 생략한다.
* 단면도의 종류 : 온 단면도, 한쪽 단면도, 부분 단면도, 회전도시 단면도, 조합에 의한 단면도
3. 도형의 표시 및 치수 기입 방법
1) 평면의 표시 : 도형 내의 특성한 부분이 평면이란 것을 표시할 필요가 있을 경우에는 가는 실선으로 대각선을 그린다.
2) 특수한 가공 부분의 표시 : 대상물의 면의 일부를 특수한 가공을 하는 경우네는 그 범위를 외형선에 평행하게 약간 떼어서 굵은 1점 쇄선으로 그린다.
4. 기계재료의 표시법 및 스케치
5. CAD기초
3. 용접제도
1. 용접기호 기재 방법
2. 용접기호 판독 방법
3. 용접부의 시험 기호
4. 용접 구조물의 도면해독
5. 판금, 제관의 용접도면해독
II. 용접구조설계
1. 용접설계 및 시공
1. 용접설계
1. 용접 이음부의 종류
2. 용접 이음부의 강도계산
3. 용접 구조물의 설계
2. 용접시공 및 결함
1) 용접부의 결함과 그 대책
* 치수상 결함 : 변형, 치수불량, 형상 불량
* 구조상 겸함 : 기공 및 피트(blow hole & pit), 은점, 슬래그 섞임, 용입 불량(부족), 융합 불량, 언더컷, 오버랩, 균열, 선상 조직
* 성질상 결함 : 기계적 불량(인장강도, 피로 강도, 경도, 연성 등), 화학적 불량(화학성분 부적당, 부식 등)
2) 용접 결함의 종류와 그 방지 대책
* 용입 불량(IP - incomplete penetration) : 발생원인은 이음 설계의 결함, 용접 속도가 너무 빠름, 용접 전류가 낮음, 용접봉 선택 불량, 방지 대책으로는 루트 간격 및 치수를 크게 함, 용접 속도를 늦춤, 슬래그가 벗겨지지 않는 한도 내로 전류를 높임, 용접봉의 선택을 잘 함.
* 언더컷(under cut) : 발생 원인으로는 잔류가 너무 높음, 아크 길이가 너무 김, 용접봉 취급의 부적당, 용접 속도가 너무 빠름, 용접봉 선택 불량, 방지 대책으로는 낮은 전류를 사용, 짧은 아크 길이 유지, 유지 각도를 바꿈, 용접 속도를 늦춤, 적정봉을 선택함.
* 오버랩(over lap) : 발생 원인은 용접 전류가 너무 낮음, 운봉 및 봉의 유지 각도 불량, 용접봉 선택 불량, 방지 대책으로는 적정 전류 선택, 수평 필릿의 경우는 봉의 각도를 잘 선택함, 적정봉을 선택함.
* 선상조직 : 발생 원인은 용착 금속의 냉각속도가 빠름, 모재 재질 불량, 방지 대책은 급랭을 피함, 모재의 재질에 맞는 적정봉을 선택함.
* 균열(crack) : 발생 원인은 이음의 강성이 큼, 부적당한 용접봉 사용함, 모재의 탄소, 망간 등의 합금 원소 함량이 많음, 과대 전류 또는 과대 속도, 모재의 유황 함량이 많음, 방지 대책으로는 예열, 피닝 작업을 하거나 용접 비드 배치법 변경, 비드 단면적을 넓힘, 적정봉을 선택함, 예열, 후열을 함, 적정 전류 속도로 운봉함, 저수소계봉을 사용함.
* 기공(blow hole) : 발생 원인은 용접 분위기 가운데 수소 또는 일산화탄소의 과인, 용접부의 급속한 응고, 모재 가운데 유황 함유량 과대, 강재에 부착되어 있는 기름, 페인트, 녹 등, 아크 길이, 전류 조작의 부적당, 과대 전류의 사용, 용접속도가 빠름, 방지 대책으로는 용접봉을 바꿈, 위빙을 하여 열량을 늘리거나 예열함, 충분히 건조한 저수소계 용접봉을 사용함, 이음의 표면을 깨끗이 함, 정해진 범위 안의 전류로 좀 긴 아크를 사용하거나 용접법을 조절함, 적당한 전류로 조절함, 용접 속도를 늦춤.
* 슬래그 섞임(slag inclusion) : 발생 원인은 슬래그 제거 불완전, 전류 과소, 운봉 조작 불완전, 용접 이음의 부적당, 슬래그 유동성이 좋고 냉각하기 쉬울 때, 봉의 각도 부적당, 운봉 속도가 느림, 방지 대책으로는 슬래그를 깨끗이 제거함, 전류를 약간 세게 함, 운봉 조작을 적절히 함, 루트 간격을 넓게 설계함, 용접부를 예열을 함, 봉의 유지 각도가 용접 방향에 적절하게 함, 슬래그가 앞지르지 않도록 운봉 속도를 유지함.
* 피트(pit) : 발생 원인은 모재 가운데 탄소, 망간 등의 합금 원소가 많을 때, 습기가 많거나 기름, 녹, 페인트가 묻었을 때, 후판 또는 급랭되는 용접의 경우, 모재 가운데 유황 함유량이 많을 때, 방지 대책으로는 염기도가 높은 봉을 선택함, 이름부를 청소함, 예열을 함, 저수소계봉을 사용함, 봉을 건조 시킴.
* 스패터(spatter) : 발생 원인은 전류가 높음, 건조되지 않은 용접봉을 사용함, 아크 길이가 너무 김, 아크 블로가 큼, 방지 대책은 모재의 두께와 봉지름에 맞는 최소 전류로 용접함, 충분히 건조시켜 사용함, 위빙을 크게 하지 말고 적당한 아크 길이로 함, 교류 용접기를 사용함, 아크의 위치를 바꿈.
1. 용접시공, 경비 및 용착량 계산
2. 용접준비
3. 본 용접, 후처리
4. 용접온도분포, 잔류 응력, 변형, 결함 및 그 방지 대책
2. 용접성 시험
1. 용접성 시험
1) 용접성의 정의 : 용접성이란 용접 난이도를 의미하며, 접합성(joinability)와 사용 성능(performance)를 모두 포함한다. 단지 용접 작업의 난이도만이 아니라 완성된 용접 이음 및 용접 구조물이 목적하는 성질의 발휘 여부를 나타내는 척도가 된다.
2) 용접성의 분류
① 접합성 : 모재 및 용접 금속의 열적 성질
* 용접 결함 : 모재의 고온 및 냉간 균열, 용접 금속의 고온 및 냉간 균열, 용접 금속 내의 기공과 슬래그 혼입, 용접 금속의 형상 및 외관 불량
② 사용 성능
③ 용접 구조물이 충분한 사용 성능을 나타내기 위해서는 모재 및 용접부에 강도(strength), 연성(ductility) 및 노취 인성(notch toughness)이 요구된다.
④ 반복 하중을 받는 구조물에서는 피로 강도(fatigue strength), 고온에서 사용하는 재료에는 고온 강도 외에 크리프(creep), 열 충격(thermal shock), 열 피로(thermal fatigue) 등에 대한 저항 응력도 필요하다.
1. 비파괴 시험 및 검사(용접부의 결함과 그 대책)
1) 비파괴 시험의 종류 : 외관 시험(비드 모양, 언더 컷, 오버 랩, 용입 불량, 표면 균열, 기공 등의 검사), 누설(누수검사) 시험, 침투시험(형광 침투 또는 염료 침투 시험), 형광 시험, 음향 시험, 초음파 시험, 자기적 시험, 와류 시험(맴돌이 검사), 방사선 투과 시험, 천공 시험.
2) 외관 검사(visual inspection) : 비드 파형과 균등성의 양부, 덧붙임의 형태, 용입 상태, 균열, 피트, 스패터 발생, 비드의 시점과 크레이터, 언더컷, 오러랩, 표면 균열, 형상 불량, 변형 등의 검사
3) 누설 검사(leak inspection) : 수밀, 기밀, 유밀을 필요로 하는 제품에 사용되는 검사법으로 일반적으로 정수압 또는 공기압을 이용하지만, 별도로 화학 지시약, 할로겐 가스, 헬륨 가스 등을 이용하기도 한다.
4) 초음파 검사(ultrasonic inspection)
* 투과법 : 물체의 한쪽에서 송신한 후 반대쪽에서 수신하면서 도달한 초음파의 강도로 결함부를 찾아내는 방법
* 펄스 반사법 : 가장 많이 쓰이는 방법
* 공진법
2. 파괴 시험 및 검사
1) 파괴 서험의 종류 : 기계적 시험(인장 시험, 굽힘 시험, 경도 시험, 충격 시험, 피로 시험, 그 밖의 고온 및 저온 시험), 물리적 시험(비중, 점성, 표면 장력, 탄성 등의 물성 시험, 팽창, 비열, 열전도 등의 열특성 시험, 전기, 저항, 기전력, 투자율 등의 자기 특성 시험), 화학적 시험(화학 분석 시험, 부식 시험, 함유 소소 시험), 야금학적 시험(육안 조직 시험, 현미경 조직 시험, 파면 시험, 설퍼 프린트 시험), 용접성 시험(노치 취성 시험, 용접 경화성 시험, 용접 연성 시험, 용접 균열 시험), 내압 시험, 낙하 시험 등
2) 기계적 시험
* 인장 시험 : 여러 가지 모양(각상, 관상, 환봉상)의 고른 단면을 가진 기다란 시험편을 사용해 인장 시험기로 잡아당겨서 파단시켜 인장 강도, 항복점, 단면 수축률 등을 측정하는 방법이다.
* 인장강도(δ) = Pmax / A0
* 연신률 : 인장 시험편에서 파단 후의 표점 거리와 처음 표점 거리 간의 늘어남을 연신 또는 신장이라 한다.
연신률(δ)=(<L1-L>/L)*100%
* 단면수축률 : 시험 재료가 인장력에 의해 늘어나면서 시험편의 단면이 수축하게 되는데 이와 같이 파단 후의 시험편의 최소 단면적을 처음 단면적에 대하여 비교한 것을 단면 수축률이라 한다.
단면수축률(μ)=(<A0-A1>/A0)*100%
* 굽힘 시험 :
* 경도 시험
* 충격 시험 : 시험편에 V형 또는 U형 등의 노치를 만들고 충격적인 하중을 주어서 파단시키는 시험법이다. 재료가 충격에 견디는 저항을 인성(toughness)이라 한다.
충격값=E/A[N*m/m2)
* 피로 시험
용접일반 및 안전관리
1. 용접, 피복 아크용접 및 가스용 접의 개요 및 원리
1. 용접의 개요 및 원리
1. 용접의 개요 및 원리
* 용접이란 접합할 금속을 충분히 접근시켜 원자 간의 인력으로 결합시키는 작업으로, 금속 간의 원자 인력 범위는 10-8cm이다.
* 용접을 크게 분류하면 융접, 압점, 납땜(연납땜, 경납땜 - 구분 온도 450도)이 있다.
* 용접의 장점은 자재 절약, 공수 감소, 제품의 성능과 수명 향상, 이음 효율 향상, 기밀-수밀-유밀성 우수, 용접 준비 및 작업이 간단하며 작업 자동화가 용이하다는 것이다.
* 용접의 단점은 품질 검사 곤란, 응력 집중에 극히 민감, 용접 모재의 재질이 변질되기 쉬움, 용접공의 기술에 이음부의 강도가 좌우됨, 저온취성 파괴 발생한다는 것이다.
* 용접성에 영향을 미치는 탄소강 중에 함유된 5 원소의 성분과 그 영향
C : 탄소 함유량 많을수록 용접성이 나빠지며, 균열이 생길 가능성 큼, 우수한 용접성 C=0.2 % 이하의 강.
P(0.06% 이하) : 강도, 경도 증가, 연신율 감소, 편석의 원인이 된다(담금질 균열의 원인). 상온 취성의 원인, 경도와 강도 취성을 증가시킴,
용접 후 불순물의 접합, 주물 경우 기포를 줄이는 작용
Si(0.2~0.6%) : 강도, 경도, 주주성 증가(유동성 향상), 연성과 충격치가 감소된다. 단접성 및 냉간 가공성을 저하시킨다. 다량 - 편석의 원인, 연신율과 충격치 낮아짐
S(0.06% 이하) : 강도, 경도, 인성, 절삭성 증가(MnS로), 변형율, 충격치가 저하된다. 용접성을 가장 나쁘게 하고 용융 금속의 유동성을 저하시킴. 적열취성과 편석과 설퍼 밴드의 원인, 망간과 결합하면 절삭성 좋게 함.
Mn(0.2~0.8%) : 강의 강도, 경도, 인성, 주조성을 증가시킴. 노취 인성을 일으킴, 황의 해를 제거하고, 강의 고온 가공을 쉽게 함. 연성 감소, 담금질성 향상, S의 양과 비례한다. 즉 황의 해를 제거하며, 고온가공을 용이하게 한다(FeS->MnS로 슬래그화)
2. 용접의 분류 및 용도
2. 피복아크 용접 및 가스용접
1) 용접의 가접
* 홈 안에 가접은 피하고, 불가피하면 본 용접 전에 갈아 낸다.
* 응력이 집중하는 곳은 피한다.
* 전류는 본 용접보다 높게 하며, 용접봉의 지름은 가는 것을 사용한다.
* 너무 짧게 하지 않는다.
* 시, 종단에 엔드탭을 설치하기도 한다.
* 가접사도 본 용접사에 비하여 기량이 떨어지면 안된다.
* 가접용 지그 등을 사용하여 부재의 형상을 유지한다.
용접 작업 진행 방향에 따른 용착법 분류 : 전진법, 후진법, 대칭법, 스킵법, 교호법
도열법 : 용접부에 동판을 놓거나 뒷면에 물로 용접부를 냉각시키거나 용접부 부근에 물로 적신 석면이나 철을 놓아 모재에 용접 열이 들어가는 것을 감소시킴으로써 변형을 경감시키는 방법
* 가스 용접 : 3000도의 열, 변형이 많음, 얇은 판과 비철 금속류의 용접에 이용됨.
* 전기 아크열 : 3500~6000도의 열, 일반 용접.
* 전기 저항열 : 일렉트로 슬래그 용접 - 줄(Joule) 에너지 중 슬래그 전기 저항 이용
전기 저항의 줄열을 이용하는 접합법, 열량(Q)=0.24I2Rt 전류2*저항*시간
* 화학 반응에 의한 열 : 테르밋 반응열은 2800~3000도, 테르밋제(산화철과 알류미늄粉)
* 스터드 용접(맨 아크 용접) : 지름이 약 10미리 미만의 강철봉이나 황동봉 등을 볼트 대신에 모재에 심는 용접
* 탄소 아크 용접범의 개발자 : 베르나도스와 올제프스키, 금속 아크 용접- 슬라비아노프
* 용접의 목적을 달성시키는 필요 조건 : 산화막 제거, 표면 원자들 접근시킴, 산화막 생성 방지
* TIG와 MIG 용접법은 불활성가스(헬륨, 아르곤, 네온) 아크 용접
* 청열 취성 : 강이 200~300도 정도의 가열을 받으면 상온에서보다 강도는 커지나 전연성이 감소하여 취성을 가지는 현상
1. 피복아크용접 설비 및 기구
1) 피복 아크 용접 : 아크열은 약 6000도, 용접열은 약 3500~5000도 정도이다.
2) 용어 : 아크(기체 중에서 일어나는 방전의 일종), 용융지 또는 용융풀(모재가 녹은 쇳물 부분), 용적(용접봉이 녹아 모재로 이행되는 쇳물 방울), 용착(용접봉이 녹아 용융지에 들어가는 것), 용입(모재가 높은 깊이), 용락(모재가 녹아 구멍이 나며 쇳물이 떨어져 흘러내리는 것)
* 전체 (피복) 아크 전압(Va)=Vk(음극전압강하)+Vp (양극전압강하)+VA(아크기둥전압강하)
* 극성 : 열의 분배는 +쪽에 70%, - 쪽에 30%, +쪽이 -쪽보다 많이 녹는다.
정극성 : 용접봉(-), 모재(+) - 모재용입깊음. 봉의녹음느림. 비드폭좁음. 후판용접
역극성 : 모재(-), 용접봉(+) - 용입얕음. 봉의녹음빠름. 비드폭넓음. 박판,주철,비철, 등
* 전기적 에너지 H(용접 입열)=60E(아크전압 V)*I(아크 전류 A)/V(용접 속도)
* 아크 쏠림 현상 : 자기 불림(magnetic blow)라고도 함. 아크 불안정. 용착 금속 재질 변화. 슬래그 섞임 및 기공 발생
아크 쏠림 방지책 : 직류를 피하고 교류 용접을 사용할 것, 모재와 같은 재료 조각을 용접선에 연장하도록 가용접할 것, 접지점을 용접부보다 멀리 할 것, 긴 용접에는 후퇴법을 사용할 것, 짧은 아크를 사용할 것, 접지점을 가능한 한 용접부에서 멀리할 것, 큰 가접부 또는 이미 용접이 끝난 용착부를 향하여 용접함, 용접봉 끝을 아크 쏠림 반대 방향으로 기울임, 받침쇠, 긴 가접부, 이음의 처음과 끝의 엔드 탭 등을 사용함, 접지점 2 개를 연결함.
* 적당한 아크 길이는 3미리, 지름이 2.6미리 이하의 용접봉은 심선의 지름과 거의 같은 것이 좋다. 아크를 계속 일으키는데 필요한 전압은 20~30볼트. 무부하 전압은 직류 50~80, 교류에서는 70~135볼트이다.
* 1차측 전압 입력(kVA)=2차 무부하 전압(V) * 2차 부하 전류(A) 예) 70V*200A=14kVA
2) 용접봉의 용융 속도 = (아크 전류)*(용접봉 쪽 전압 강하), 아크 전압과는 무관함.
3) 용접기의 특성
수하특성 : 부하 전류가 증가하면 단자 전압이 저하하는 특성
정전압특성 : 수하특성과 반대, 부하 전류가 변해도 단자 전압이 무변하는 특성
상승특성 : 전류의 증가에 따라 전압이 약간 높아지는 특성, 아크자기제어능력.
4) 피복제의 기능
* 용융지의 냉각 및 응고 속도를 서서히 한다.
* 아크 기류(Arc stream)을 집중시켜 아크를 안정화시킨다.
* 용접봉의 용착 효율을 높인다.
* 용접 금속에 합금 성분을 첨가한다.
* 용입 깊이의 조절을 용이하게 한다.
* 용접부를 깨끗하게 한다.
5) 용접기의 사용률 : 용접기를 사용하여 아크 용접을 할 때 용접기의 2차 측에서 아크가 발생하는 시간의 비율을 나타내는 것으로 사용률이 40%이면 아크가 발생하는 시간은 전체의 40%이고, 나머지 60%는 쉬는 시간을 의미한다.
사용률=아크발생시간/(아크발생시간+정지시간) %
6) 용접기의 역률과 효율 : 교류 용접기에서 전원 입력(무부하전합*아크 전류)을 kVA로 표시하고, 아크의 출력(아크 전압*전류)과 2차측 내부 손실의 화(소비전력)를 kW로 표시할 때 역률과 효율은 다음과 같다.
아크에의 입력(=무부하전압*아크전압)+내부손실
역률 = * 100%
전원입력 kVA=무부하전압*용접기전류
아크에의 입력(kW)
효율 = * 100%
아크에의 입력 + 내부 손실
7) 퓨즈 용량은 1차 입력(kVA)을 전원 전압(200V)으로 나눈 1차 전류 값이다. 24kVA/200V=24000VA/200V=120A
8) 차광유리의 차광도 : 납땜 작업 시에는 2~4, 가스 용접시에는 4~6, 피복 아크 용접 시에는 10~12 정도 사용.
9) 피복 아크 용접봉의 심선 재료는 저탄소 림드강을 사용하며, 심선재의 화학 성분은 KS D 3508로 규정되어 있다.
10) 피복제(flux)의 역할과 종류
* 피복제의 역할 : 아크를 안정시킴, 중성 또는 환원성 분위기로 공기에 의한 산화, 질화 등의 해를 방지하여 용착 금속을 보호함, 용융 금속의 용적을 미세화하여 용착 효율을 높임, 용착 금속의 용적을 미세화하여 용착 효율을 높임, 용착 금속의 탈산 정련 작용을 함, 필요 원소를 용착 금속에 첨가시킴, 슬래그가 되어 용착 금속의 급랭을 막아 조직을 좋게 함, 수직이나 위보기 등의 어려운 자세를 쉽게 함, 전기 절연 작용을 함.
* 피복 배합제 종류
① 가스 발생재 : 녹말, 톱밥, 석회석, 탄산바륨, 셀룰로오스 등. 가스 발생식 피복제는 전 자세의 용접에 적당하며, 슬래그 제거가 쉬우며, 슬래그는 다공성이다. 아크가 세게 분출되며 안정된 아크를 얻으나 아크 전압이 높아지는 경향이 있다. 슬래그 생성식에 비해 작업 능률이 좋다. 스패터가 많으며, 유독가스(CO2)가 발생하는 경우가 있다.
② 탈산제 : 규소철, 망간철, 티탄철
③ 슬래그 생성제 : 규사, 운모, 석면, 석회석, 마그네사이트, 일미나이트, 이산화망간, 형석 등
④ 아크 안정제 : 규산 칼륨, 산화티탄, 탄산바륨, 석회석 등
⑤ 합금 첨가재 : 페로망간, 페로실리콘, 페로크롬, 니켈, 페로바나듐, 구리 등
* 기계 받침판 같은 두꺼운 판을 아래보기 필릿 용접을 할 때는 제 1층에서 완전한 용입을 얻을 수 있는 일미나이트계를 쓰며, 수직 용접부에는 일미나이트계 또는 라임티탄계를 선택한다.
* 내압용기, 철골 등의 비교적 강도가 높은 두꺼운 판에는 아래층에 우수한 강도와 내 균열성을 갖는 저수소계(E4316)를, 위층에는 작업성이 좋은 일미나이트계(E4301)를 사용한다.
* 박판 구조물 등과 같이 충분한 강도를 요하지 않는 것은 작업성이 좋고 비드의 외관이 아름다운 고산화티탄계(E4313)가 좋다. 수직 자세 하진 용접에도 좋은 결과를 얻는다.
2. 피복아크용접법
1) 용접 작업에 영향을 주는 3 요소 : 용접봉의 각도, 아크 길이(일반적인 아크 길이 3미리 정도의 짧은 아크), 용접 속도
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑩⑩
3. 절단 및 가공
1) 절단 : 가스 절단(보통 가스, 분말, 가스 시공), 아크 절단(탄소 아크, 금속 아크, 불활성 가스 아크-미그, 티그 절단, 아크 에어 가우징, 산소 아크, 플라스마 제트 절단등)
2) 드래그 : 가스 절단면에 있어서 절단 기류의 입구점에서 출구점 사이의 수평거리이다.
3) 팁 거리 : 팁 거리는 팁 끝에서 모재 표면까지의 간격으로 예열 불꽃의 백심 끝이 모재 표면에서 약 1.5~2.0미리 위에 있을 정도가 좋다.
4) 가스 절단 조건
① 절단 재료의 산화 연소 온도가 절단 재료의 용융점보다 낮아야 한다.
② 절단 재료에 열을 가함으로써 생성되는 산화물의 용융 온도는 절단 재료의 용융 온도보다 낮아야 한다.
③ 생성된 산화물은 유동성이 좋아야 한다.
④ 절단 재료가 불연성 물질을 품고 있지 않아야 한다.
⑤ 산화 반응이 격력하고 다량의 열이 발생해야 한다.
5) 아세틸렌 가스와 프로판 가스의 비교
* 아세틸렌 가스
① 점화하기 쉽다. ② 중성 불꽃을 만들기 쉽다. ③ 절단 개시까지 시간이 빠르다. ④ 표면 영향이 적다. ⑤ 박판 절단시는 빠르다.
* 프로판 가스
① 절단 상부 기슭이 녹는 것이 적다. ② 절단면이 미세하며 깨끗하다. ③ 슬래그 제거가 쉽다. ④ 포갬 절단 속도가 아세틸렌보다 빠르다. ⑤ 후판 절단 시는 아세틸렌보다 빠르다.
6) 산소 대 프로판 가스의 혼합비는 프로판 1: 산소 4.5로 아세틸렌의 1:1에 비해 4.5배 많은 산소를 필요로 한다.
7) 스카핑(scarfing) - 특수 절단의 일종
스카핑은 강괴, 강편, 슬래그, 기타 표면의 균열이나 주름, 주조 결함, 탈탄층 등의 표면 결함을 불꽃 가공에 의해서 제거하는 방법이다. 스카핑 속도는 절단 작업이 표면에서만 이루어지는 관계로 냉간재의 경우 5~7m/min. 열간재의 경우에는 20m/min로 대단히 빠른 편이다.
8) 아크 절단의 특징 : 온도가 높다. 산소 절단보다 비용이 크게 저렴하다. 절단면이 곱지 못하다. 최근에는 플라스마 절단 등으로 깨끗한 면을 얻을 수 잇다. 주로 주철, 망간강, 비철 금속을 절단할 때 사용한다.
9) 아크 에어 가우징 : 탄소 아크 절단 장치에 압축 공기를 사용하는 방법으로 용접부의 가우징, 용접 결합부 제거, 절단 및 구멍뚫기 등에 적합하다. 아크 에어 가우징이 가스 가우징에 비해 갖는 장점은 ① 작업 능률이 2~3배 높다. ② 모재에 나쁜 영향을 미치지 않는다. ③ 용접 결함, 특히 균열이 쉽게 발견된다. ④ 소음이 없다. ⑤ 비용이 싸고, 철, 비철 어느 경우에도 사용이 가능하다.
10) 플라스마 아크 절단의 특징
① 사동 절단에서 탄소강 등의 절단은 하지 않으므로, 주로 사용하는 혼합가스는 아르곤 80%+수소 20% 정도이다.
② 절단면에 슬래그 부착이 없다.
③ 127미리까지는 깨끗이 절단할 수 있다.
④ 열영향부(HAZ)가 최소로 되어 절단 후 변형이 거의 없다.
⑤ 절단 속도가 7.6m/min 까지 가능하다.
⑥ 절단면이 양호하여 별도의 기계 가공이 필요 없다.
4. 가스용접 설비 및 기구
5. 가스용접법
1) 산소의 성질
① 무색, 무미, 무취의 기체로 비중 1.105, 비등점 -182도, 용융점 -219도로서 공기보다 약간 무겁다.
② 액체 산소는 연한 청색을 띠고 있다.
③ 산소 자체는 연소하는 성질이 없고, 다른 물질의 연소를 돕는 조연성의 기체이다.
④ 금, 백금, 수은 등을 제외한 모든 원소와 화합시 산화물을 만든다.
⑤ 타기 쉬운 기체와 혼합시 점화하여 폭발적으로 연소한다.
⑥ -119도에서 50기압 이상 압축시 담황색의 액체로 된다.
⑦ 1L의 중량은 0도, 0.98MPa에서 1.429g으로 공기보다 무겁다.
2) 아세틸렌
* 카바이드(CaC2, calcium carbide)는 아세틸렌의 원료로 카바이드는 석회(CaO)와 석탄 또는 코크스를 56:36의 중량비로 혼합하고 이것을 전기로에 넣어 약 3000도의 고온으로 가열 반응시켜 만든다.
* 카바이드의 성질
① 순수한 것은 무색 투명하다.
② 시판되고 있는 것은 불순물이 포함되어 회갈색 또는 회흑색을 띤다.
③ 경도가 매우 크다.
④ 비중은 2.2~2.3이다.
⑤ 순수한 카바이드는 이론적으로 1kg당 348L의 아세틸렌 가스를 발생시킨다.
⑥ 카바이드를 물과 접촉시키면 쉽게 아세틸렌 가스가 발생하고 백색의 소석회 가루가 남는다.
* 아세틸렌 제조 방법 : 카바이드법, 탄화수소의 열분해법, 천연가스의 부분 산화법
* 아세틸렌 가스의 성질
① 아세틸렌의 구조식은 HC=CH로 표시하며 분자 내에 삼중결합을 갖고 있는 불포화 탄화수소이다.
② 순수한 것은 무색 무취의 기체이다.
③ 인화수소(PH3), 유화수소(H2S), 암모니아(NH3)와 같은 불순물을 포함하고 있어 악취가 난다.
④ 비중은 0.906으로 공기보다 가벼우며, 15도 1기압에서의 아세틸렌 1L의 무게는 1.176g이다.
⑤ 공기가 충분히 공급되면 밝은 빛을 내면서 탄다.
⑥ 각종 액체에 잘 용해된다. 보통 물에 대해서는 같은 양, 석유에는 2배, 벤젠에는 4배, 알코올에는 6배, 아세톤에는 25배가 용해된다. 이와 같이 아세톤의 잘 녹는 성질을 이용하여 용해 아세틸렌을 만들어서 용접에 이용하고 있다.
⑦ 아세틸렌을 500도 정도의 가열된 철관에 통과시키면 3분자가 중합 반응을 일으켜 벤젠이 된다.
⑧ 아세틸렌을 800도에서 분해시키면 탄소와 수소로 나누어지고 아세틸렌 카본 블랙(잉크 원료)이 된다.
* 아세틸렌 가스의 폭발성
① 온도 : 406~408도에서 자연발화, 505~51도에서 폭발, 780도 산소 없이 폭발.
② 압력 : 15도에서 2기압 이상의 압력을 가하면 폭발 위험. 위험 압력은 1.5 기압
③ 혼합가스 : 공기, 산소와 혼합될 때 폭발성 증가. 아세틸렌 15%, 산소 85%위험
④외력 : 마찰, 진동, 충격 등의 외력이 작용하면 폭발 위험.
⑤ 화합물 형성 : 구리, 구리 합금(62%이상), 은(Ag), 수은(Hg) 등과 120도서 폭발
3) 불꽃의 구성
① 불꽃심(백심) : 팁에서 나오는 혼합가스가 연소하여 일산화탄소 2분자와 수소 1분자를 형성하는 환원성이 백색인 불꽃이다.
② 속불꽃(내염) : 백심 부분에서 생성된 일산화탄소와 수소가 공기 중의 산소와 결합 연소되어 3200~3500도의 높은 열을 발생하는 부분으로 무색에 가깝고 약간의 환원성을 띠게 된다. 용접에 필요한 열원은 이 부분에서 주로 공급되며 속불꽃으로 용접하면 용접부의 산화를 방지할 수 있다.
③ 겉불꽃(외형) : 연소 가스가 다시 공기 중의 산소와 결합하여 완전 연소되는 부분으로 불꽃의 가장자리를 이루며 약 2000도의 열을 내게 된다.
4) 불꽃의 종류
① 탄화불꽃 : 이 불꽃은 백심과 겉불꽃 사이에 연한 백심의 제 2의 불꽃으로 중성 불꽃보다 아세틸렌 가스의 양이 많을 때 생긴다. 스테인레스강, 스텔라이트, 모넬메탈 금속 등을 용접할 때 사용하는 불꽃이다.
② 중성불꽃 : 표준불꽃이라고도 하며, 산소와 아세틸렌가스의 용적비가 1:1로 혼합될 때 얻어지는 불꽃이다. 연강 반연강, 주철, 구리, 청동, 알루미늄, 아연, 납, 모넬메탈, 은, 니켈, 스테인리스강, 토빈 청동 등을 용접할 때 사용한다.
산화불꽃 : 중성 불꽃에서 산소의 양이 많을 때 생기는 불꽃으로, 황동과 청동을 용접할 때 사용한다.
5) 산소통을 취급할 때 주의사항
① 충격을 주지 말 것
② 산소병을 뉘어 두지 말 것
③ 항상 40도 이하로 유지할 것
④ 밸브에 그리스돠 기름기 등을 묻히지 말 것
⑤ 직사광선에 노출시키지 말 것
⑥ 산소통을 화기로부터 멀리 둘 것
⑦ 밸브의 개폐는 조용히 하고, 사전에 비눗물로 가스 누설 검사를 할 것
⑧ 용기 내의 압력이 170kgf/cm2 이상 상승되지 않도록 주의할 것
3. 토치의 종류
1) 저압식 토치 : 유량과 압력에 대해 불변압식(독일식), 가변압식(프랑스식)
2) 중압식 토치 : 아세틸렌 압력이 0.07~1.3kgf/cm2에서 사용되는 등압식 토치.
3) 고압식 토치
4. 역류, 역화, 인화
1) 역류 : 토치 내부 청소 상태 불량으로 막힘이 원인, 산소가 아세틸렌 쪽에 역류
2) 역화 : 팁이 과열되거나 가스 압력과 유량이 부적당하여 폭발음과 함께 꺼짐
3) 인화 : 팁 끝이 순간적으로 막혀 가스 분출이 나빠지고 불꽃이 혼합실까지 들어가는 것.
5. 산소 용접의 전진법과 후진법
1) 전진법(좌진법) : 열 이용률이 나쁨, 용접 속도 느림, 비드 모양 좋음, 홈 각도 80도, 용접 변형이 큼, 얇은 모재(5미리까지), 산화 심함, 급랭, 금속 조직 거침.
2) 후진법(우진법) : 열 이용률 좋음, 속도 빠름, 비드 안 매끈함, 홈 각도 60도, 용접 변형 작음, 모재 두꺼움, 산화 정도 약함, 서랭, 용착 금속 조직이 미세함.
6. 절단 토치 팁의 종류 : 동심형(프랑스식)-전후 및 곡선 절단, 이심형(독일식) - 예열팁 방향만 절단하며, 작은 곡선 절단은 곤란, 직선 절단은 능률적이며 절단면 양호
7. 드래그 : 절단 기류의 입구점과 출구점 사이의 수평 거리, 절단 속도와 산소 소비량 의존
8. 팁의 거리 : 팁 끝에서 모재 표면까지 간격, 예열 불꽃 백심 끝과 모재 1.5~2미리 위에.
2. 기타 용접, 용접의 자동화 및 안전관리
1. 기타 용접 및 용접의 자동화
1) 서브머지드 용접(용재가 필요한 용접) : 모재 표면에 미세한 입상의 용재를 살포해 두고 이 용제 속으로 용접봉을 꽂아 자동으로 용접하는 방법이다.
* 장점 : 용접 중에 대기와 차폐가 행해져서 대기 중의 산소와 질소의 해를 받는 일이 적다. 용접 속도가 수동의 10~20배이다. 용제의 단열 작용으로 용입 2~3배 커서 능률적이다. 용접 금속의 품질을 양호하게 할 수 있다. 높은 전류 밀도로 용접할 수 있다. 용접공의 기술차에 의존되지 않으며, 이음의 신뢰도가 높다. 용접 재료의 소비 적어 경제적이며, 용접의 변형도 적다. 한번 용접으로 75미리까지 용접이 가능하다. 용접홈의 크기가 작아도 상관이 없으므로 용접 재료의 소비가 적어져서 경제적이다.
* 단점 : 용접시 아크가 안보여 용접부 확인이 불가능하다. 설비비가 비싸다. 용입이 크므로 모재 재질과 이음 가공 정도를 엄격하게 검사해야 한다. 용접선이 짧고 짧고 복잡한 형상의 경우에는 용접기의 조작이 번거롭다. 복잡한 형상 용접에는 부적합하다. 특수한 장치를 사용하지 않는 한 용접 자세가 H,F 자세에 국한되어 있다. 용재는 흡습이 쉽기 때문에 건조나 취급을 잘해야 한다. 용접 시공 조건을 잘못 잡으면 제품 불량이 커질 수 있다. 홈의 정밀도가 높아야 한다.(루트 간격 0.8mm이하, 홈 각도오차 5도, 루트 오차 20mm).
서브 머짓 용접에 영향을 주는 요소
* 전류 증가 : 용입의 증가
* 전압(아크 길이) 증가 : 비드 폭의 증가
* 용접 속도 증가 ; 비드 폭과 용입 감소
* 용접 와이어 지름 증가 : 용입 감소(전류 밀도가 감소하므로)
* 아크 전압은 용입에 영향을 주지 않고, 비드 폭은 아크 전압에 정비례
* 용입은 전류에 정비례, 비드 폭은 전류와 무관
* 용입은 용접봉의 사이즈에 반비례, 즉 용접봉 사이즈가 작으면 용입이 커짐
* 용접봉 크기는 비드 폭에는 영향을 주지 않음
* 용입은 용접 속도에 반비례, 속도가 4배 증가하면 용입과 비드 폭은 절반 감소
2) 불활성 가스(Ar, He) 용접
* 장점 : 피복제와 용제 불필요, 산화하기 쉬운 용접에 용이, 용착부의 성질 우수 전 자세의 용접이 용이, 열 집중성과 고능률성, 직류 전류로 용입과 비드폭 조절 가능, 낮은 전압에서 용입이 깊고 용접 속도가 빠르며, 용접 변형이 적음.
* 단점 : 장비비가 고가, 이동의 어려움, 슬래그가 없어 용착 금속의 급냉각, 옥외에서 사용하기 곤란.
3) 불활성 가스 텅스텐 아크 용접(TIG 용접)의 특징
① 직류 역극성 사용시 텅스텐 전극 소모가 많아진다.
② 직류 역극성시 청정 작용이 있으며, Al, Mg 등의 용접시 우수하다.
③ 청정 작용은 아르곤 가스 사용시에 있다.
④ 직류 정극성 사용시 용입이 깊고 폭이 좁은 용접부를 얻을 수 있으나 청정 효과가 없다.
⑤ 교류 사용시는 직류 역극성 및 정극성의 중간 정도의 용입 깊이를 유지하며 청정 효과도 있다.
⑥ 교류 사용시 전극의 정류 작용으로 아크가 불안정해져 고주파 전류를 사용해야 한다.
⑦ 고주파 전류 사용시 아크 발생이 쉽고 전극 소모를 적게 한다.
⑧ TIG 용접 토치는 200A 이하 공랭식, 200A 이상 수랭식을 사용한다.
⑨ 텅스텐 전극봉은 순수한 것보다 1~2%의 토륨을 포함한 것이 전자 방사능력이 크다.
⑩ 주로 3미리 이하의 얇은 판 용접에 이용한다.
4) 불활성 가스 금속 아크 용접(MIG 용접)
불활성 가스 금속아크용접은 용가재인 전극 와이어를 연속적으로 보내어 아크를 발생시키는 방법으로서 용극 또는 소모식 불활성 가스 아크 용접법이라 하며, 상품명으로는 에어 코매틱 용접법, 시그마 용접법, 필러 아크 용접법, 아르고노트 용접법 등이 있다.
그 특징으로는
① 주로 전자동 또는 반자동이며, 전극은 용접 모재와 동일한 금속을 사용하는 용극성이다.
② MIG 용접은 주로 직류를 사용하며, 이 때 역극성을 이용하여 청정작용을 한다.
③ 전류 밀도가 피복 아크 용접의 6~8배, TIG 용접의 2배 가량 크다.
④ 주용적 이행은 스프레이형이며, TIG 용접에 비해 능률이 커서 3미리 이상의 모재 용접에 사용한다.
MIG 아크 용접은 자기 제어 특성이 있다.
⑤ MIG 용접기는 정전압 특성 또는상승 특성의 직류 용접기이다.
5) 탄산가스 아크 용접
* 장점
① 산화나 질화가 없고 수소 함유량이 다른 용접법에 비해 대단히 적은 관계로 우수한 용착 금속을 얻는다.
② 킬드강, 세미킬드강은 물론 림드강도 완전한 용접이 되며, 기계적 성질도 매우 우수하다.
③ 저렴한 탄산가스를 사용하고 가는 와이어로 고속 용접을 하므로 다른 용접법에 비해 가격이 싸다.
④ f용제를 사용할 필요가 없으므로 용접부에 슬래그 섞임이 없고 용접 후의 처리가 간단하다.
⑤ 모든 용접 자세로 용접이 되며 조작이 간단하다.
⑥ 용접 전류의 밀도가 크므로(100~300A/mm2) 용입이 깊고 용접 속도를 매우 빠르게 할 수 있다.
⑦ 아크 특성에 접합한 상승 특성을 가지는 전원기기를 사용하고 있으므로 스패터가 적고 안정된 아크를 얻을 수 있다.
⑧ 가시 아크이므로 시공이 편리하다.
⑨ MIG 용접에 비해 용착강에 기공의 생김이 적다.
⑩ 서브머지드 아크 용접에 비하여 모재 표면의 녹, 오물 등이 있어도 큰 지장이 없으므로 완전한 청소를 하지 않아도 된다.
* 단점
① 이산화탄소 가스를 사용하므로 작업량 환기에 유의한다.
② 비드 외관이 타 용접에 비해 거칠다.
③ 고온 상태의 아크 중에서는 산화성이 크고 용착 금속의 산화가 심하여 기공 및 그 밖의 결함이 생기기 쉽다.
④ 풍속이 2./s 이상일 경우 방풍 장치가 필요하다.
6) 아크 스터드(징, 볼트) 용접의 특징
* 대체로 급열, 급랭을 받기 때문에 저탄소강에 좋다.
* 용제를 채워 탈산 및 아크 안정을 돕는다.
* 스터트 주변에 페룰(ferrule)을 사용한다.
* 주로 철골, 건축, 자동차의 볼트 용접에 이용된다.
7) 테르밋(thermit) 용접 : 1900년경 독일에서 실용화된 것. 미세한 알루미늄 분말과 산화철 분말을 약 1:3~4 중량비로 혼합한 테르밋제에 과산화바륨과 마그네슘의 혼합 분말을 넣었을 때 일어나는 테르밋 반응열에 의한 용접법으로 용접 가격이 싸며, 전기를 필요로 하지 않고, 용접 시간이 짧으며, 용접 후 변형이 적고, 용접용 기구가 간단하여 설비비도 저렴하고, 용접 작용이 단순하고 용접 결과의 재현성이 높다.
8) 플라스마 제트 용접 : 미국 랭 뮤어가 발견. 기체를 가열하면 원자가 양이온과 음이온으로 나누어져 혼합되어 도전성을 띠게 된 가스체를 플라스마라 한다. 10,000~30,000도의 고온 플라스마를 적당한 방법으로 한 방향으로 분출시키는 것을 플라스마 제트라 한다.
* 특징 : 냉각으로 인한 단면 수축으로 전류 밀도를 증대시키는 열적 핀치 효과와 방전 전류에 의한 자장과 전류의 작용으로 단면 수축하여 전류 밀도를 증대시키는 자기적 핀치 효과가 있다.
* 장점 : 아크 형태가 원형이고 지향성이 좋아 아크 길이가 변해도 무관, 보유 열량이 큼, 비드 폭 좁고 용입이 깊음, 용접봉 소모 적음, 용접홈은 I형, 용접 변형이 적음, 용접 속도가 크며 각종 재료의 용접이 가능.
3) 단점 : 용접 속도를 빠르면 가스 보호 불충분, 경화현상, 고가,무부하 전압 높음
9) 점 용접
* 점 용접은 용접하려는 재료를 구리 합금제 전극 사이에 두고 가압하면서 전류를 통과시키면 줄법칙에 의한 저항렬이 발생하고 이 열을 이용하여 접합부를 가열, 융합하는 용접이다. 이 대 접합부의 일부는 녹아 바둑알 모양의 단면을 가지게 되는데, 이 부분을 너깃(nugget)이라 한다.
* 점 용접의 종류에는 단극식, 직렬식, 다전극식, 맥동, 인터랙식이 있다.
* 전극의 종류로는 R형, P형, F형, C형, E형, 돔형이 있다.
10) 프로잭션 용접
프로잭션 용접은 점 용접과 비슷한 것으로, 양쪽에 돌기(projection)를 만들어 이 부분에 용접 전류를 집중시켜 압접하는 방법이다. 강판, 강력 청동, 스테인리스강, 니켈 합금의 용접에 적합하다.
* 프로잭션 용접의 장점
① 얇은 판과 두꺼운 판, 열전도나 열 용량이 다른 것을 쉽게 용접할 수 있다.
② 작은 용접점을 확실히 한다.
③ 전극의 수명이 길고 작업 능률이 높다.
④ 용접 피치를 작게 할 수 있다.
⑤ 용접 속도가 빠르다.
⑥ 외관이 아름답다.
⑦ 전류와 가압력이 각 점에 균일하게 가해지므로 신뢰도가 높은 용접이 된다.
⑧ 여러 가지의 변형적인 저항 용접이 가능하다.
⑨ 응용범위가 대단히 넓다.
11) 퍼커션 용접
극히 짧은 지름의 용접물을 용접하는데 사용하며, 사용 전류는 축전된 직류 전원이다. 용접 장치는 피용접물을 양전극 사이에 끼운 후에 전류를 통하면 고속도로 피용접물이 서로 충돌하게 된다. 충돌 용접(퍼커션 용접)에 사용되는 콘덴서는 변압기를 거치지 않고 직접 피용접물을 단락시키게 되어 있으며, 피용접물이 상호 충돌되는 상태에서 용접이 되기 때문에 퍼커션 용접이라고 한다.
1. 압접, 고밀도에너지용접, 기타용접
2. 특수 용접
3. 납땜
1) 연납(solder) : 일반적으로 연납ㅈ은 인장강도 및 경도가 낮고 용융점이 낮으므로 납땜 작업이 쉽다. 연납 중에서 가장 많이 사용되는 것으로는 주석-아연계 합금이다.
* 저융점 땜납 : 낮은 온도에서 금속을 접합시키려 할 때는 주석-납 합금에 비스무트(Bi)를 첨가한 다원계 합금 땜납을 쓴다. 저융점 땜납은 일반적으로 용융점이 100도 미만의 합금 땜납을 말한다.
2) 경납(brazing) : 경납은 연납에 비해 물리적 강도, 즉 내식, 내열, 내마모성이 높은 것이 요구될 때 사용되며, 은납과 놋쇠납, 황동납, 인동납, 알루미늄납 등이 있다.
* 은납 : 은과 구리(Ag-Cu)를 주성분으로 하고, 이외에 아연, 카드뮴(Cd), 주석, 니켈(Ni), 망간 등을 첨가한 합금 땜납이다. 이 땜납은 유동성이 좋으므로 불꽃 땜, 고주파 유도 가열 땜, 노내 땜 등 모든 납땜의 수단에 적용될 수 있다.
* 황동납 ; 진유납이라고도 하며, 땜납에 이용되는 황동은 아연 60% 이하의 것이 실용되고 있다. 황동납은 은납과 비교하여 값이 저렴하므로 공업적으로 많이 이용되고, 특히 철 비철 금속의 땜납에 적합하다.
* 인동납 : 인동납의 조성은 인과 구리, 인-은-구리의 두합금계로 나누어지며, 일반적으로 구리 및 구리 합금의 땜납으로 쓰인다.
알루미늄납 : 규소 또는 알루미늄을 주성분으로 하고, 여기에 소량의 구리 또는 아연을 첨가한 것이다. 납땜재의 융점은 600도 정도이다.
* 경납용 융재 : 붕사, 붕산(붕산 70%, 붕사 30%의 것이 많이 쓰이고, 용해도는 875도이다), 붕산염, 불화물(염화물), 알칼리(몰리브덴 합금강의 땜에 유용하며 가송소다, 가성가리 등 알칼리는 공기 중의 수분을 흡수 용해하는 성질이 강하다).
4. 용접의 자동화
2. 안전관리
1. 재해 발생 빈도
1) 연천인율 : 1년간 작업하는데 천 명 당 발생하는 산업 재해율
연천이율=재해건수/재적 평균 근로자 수 * 1000
2) 도수율(F.R.) : 산업 재해 빈도소
도수율=재해건수/연근로시간수*106
3) 도수율과 연천이율의 관계
연천이율=도수율*2.4, 도수율=연천이율/2.4
4) 강도율 : 재해의 경중, 재해 손실 정도
강도율=근로일수/연근로자수*1000
2. 안전 표시와 색체 사용도
1) 빨강 : 방화금지, 방향, 규제, 고도의 위험 등
2) 황적 : 위험, 항해, 항공의 보안 시설
3) 노랑 : 주의 표시(충돌, 장애물 등)
4) 녹색 : 안전지도, 위생 표시, 대피소, 구호소, 진행 등
5) 청색 : 주의 수리 중, 송전 중, 지시, 주의
6) 자주색 : 방사능 위험
7) 검정 : 위험 표지의 문자, 유도 표시의 화살표
3. 감각온도(ET) 1)정신적 작업 60-65ET 2)가벼운 육체작업 55-65ET 3)육체작업 50-62
4. 불쾌지수(RMR) = (작업 소비 에너지-안정된 때의 소비 에너지)/기초대사
=0.72*(Ta+Tw)+40.6 Ta 건구온도 Tw 습구온도 불쾌지수 70이하가 적정
5. dB(데시벨) 허용한계 값 85~95 dB
1. 아크, 가스 및 기타 용접의 안전장치
2. 화재, 폭발, 전기, 전격사고의 원인 및 그 방지 대책
3. 용접에 의한 장해 원인과 그 방지 대책
용접산업기사출제기준
2006년 1월 이후 2009년 현재
3 과목 객관식 60문제 시험시간 1시간 30분 과목당 40%(과락기준) 전체 60%
| 필기과목명 | 문제수 | 주요항목 | 세부항목 | 세세항목 |
| 용접야금 및 용접설비제도 | 20 | 1. 용접부의 야금학적 특징 | 1. 용접야금기초 | 1. 금속결정구조 2. 화합물의 반응 3. 평형상태도 4. 금속조직의 종류 |
| 2. 용접부의 야금학적 특징 | 1. 가스의 용해 2. 탈산, 탈황 및 탈인반응 3. 고온균열의 발생원인과 방지 4. 용접부 조직과 특징 5. 저온균열의 발생원인과 방지 6. 철강 및 비철재료의 열처리 7. 용접부의 열영향 및 기계적 성질 |
|||
| 2. 용접재료 선택 및 전후처리 | 1. 용접재료 선택 | 1. 용접재료의 분류와 표시 2. 슬래그의 생성반응 3. 용접재료의 관리 |
||
| 2. 용접 전후처리 | 1. 예열 2. 후열처리 3. 응력풀림처리 | |||
| 3. 용접 설비제도 | 1. 제도 통칙 | 1. 제도의 개요 2. 문자와 선 3. 도면의 분류 및 도면관리 |
||
| 2. 제도의 기본 | 1. 평면도법 2. 투상법 3. 도형의 표시 및 치수 기입 방법 4. 기계재료의 표시법 및 스케치 5. CAD기초 |
|||
| 3. 용접제도 | 1. 용접기호 기재 방법 2. 용접기호 판독 방법 3. 용접부의 시험 기호 4. 용접 구조물의 도면해독 5. 판금, 제관의 용접도면해독 |
|||
| 용접구조설계 | 20 | 1. 용접설계 및 시공 | 1. 용접설계 | 1. 용접 이음부의 종류 2. 용접 이음부의 강도계산 3. 용접 구조물의 설계 |
| 2. 용접시공 및 결함 | 1. 용접시공, 경비 및 용착량 계산 2. 용접준비 3. 본 용접, 후처리 4. 용접온도분포, 잔류 응력, 변형, 결함 및 그 방지 대책 |
|||
| 2. 용접성 시험 | 1. 용접성 시험 | 1. 비파괴 시험 및 검사 2. 파괴 시험 및 검사 | ||
| 용접일반 및 안전관리 |
20 | 1. 용접, 피복 아크용접 및 가스용 접의 개요 및 원리 |
1. 용접의 개요 및 원리 | 1. 용접의 개요 및 원리 2. 용접의 분류 및 용도 |
| 2. 피복아크 용접 및 가스용접 |
1. 피복아크용접 설비 및 기구 2. 피복아크용접법 3. 절단 및 가공 4. 가스용접 설비 및 기구 5. 가스용접법 |
|||
| 2. 기타 용접, 용접의 자동화 및 안전관리 |
1. 기타 용접 및 용접의 자동화 | 1. 압접, 고밀도에너지용접, 기타용접 2. 특수 용접 3. 납땜 4. 용접의 자동화 |
||
| 2. 안전관리 | 1. 아크, 가스 및 기타 용접의 안전장치 2. 화재, 폭발, 전기, 전격사고의 원인 및 그 방지 대책 3. 용접에 의한 장해 원인과 그 방지 대책 |
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