< 용접 결함과 대책 >




1. Porosity




(1) 원인과 대책




Porosity는 용접부 내에 Dissolved Gas로 인해 발생된 기공이다.




Table 5. 일반적인 Porosity의 원인과 대책. 원 인 대 책


용접 분위기의 과도한 수소,질소,산소,이산화탄소의 존재 저 수소 용접Process를 채택한다.

Filler Metal의 탈산제를 증가시킨다.

충분한 보호Gas를 용접부를 보호한다.


용접봉 혹은 용접부의 과도한 습기

용접봉을 충분히 건조한다.


응고 속도가 빠르다

예열과 입열량 증가로 응고 속도를 늦추어 충분한 Gas Evolution이 되도록 한다.


용접 모재의 청결 불량 (오염)

용접부를 깨끗이 한다.


Filler wire의 오염

용접봉의 관리를 철저히 한다.


부적절한 Arc길이, 용접 전류

용접 조건을 개선한다.


Brass에서 융점이 낮은 Zinc의 선택적인 Volatization에 의한 탈 아연 현상으로 기공 발생.

주로 6-4황동에서 발생하며, Cu-Si 용접봉을 사용하고 용접 입열을 줄여서 Zinc Gas의 생성을 막는다.


Zinc도금된 (Galvanized) 철의 용접시 아연의 휘발에 의한 기공 발생.

E6010 용접봉을 사용하고, Arc의 열을 충분히 가하여 용탕의 선단에서 Zinc가 완전히 Gas상태로 혹은 용융상태로 부상하도록 한다.


용접 모재의 과도한 Sulfur함량

염기성 Slag를 생성 시킬 수 있는 용접봉을 사용한다.











(2) 용접부내의 Dissolved Gas




용접부내에 Dissolved되어 있는 Gas는 수소, 산소, 질소, 일산화 탄소, 이산화 탄소, 수증기, 황화 수소(Hydrogen Sulfide), Argon, Helium등을 들 수 있다. 이중에서 수소, 산소 질소는 용탕(Weld Pool)에 광범위하게 용융되며, 응고된 금속내의 고용도는 용탕에 비해 매우 낮다. 수소는 Porosity를 생성하는 주요 요인이다. 수소는 다양한 경로를 통해 용탕속으로 들어 갈 수 있다.

용접부 주위의 대기에 의해서, 용접부의 Flux에 의해서, 용접시 수분의 분해에 의해서, 용접봉 자체에 포함되어 있는 수소에 의해서 등 그 침투 경로가 다양하다. 질소는 대기중에서 직접 침투하거나, 오염된 Shielding Gas를 통해 용탕으로 침투하게 된다. 질소는 용접 금속 내에서 질소 자체로 존재하거나 질소 화합물 상태로 존재한다.

산소는 용탕내에 침투하게 되면, Carbon과 결합하여 일산화 탄소나 이산화 탄소가 된다. 이러한 문제는 불충분한 탈산제 함량으로 인해 발생되기도 한다.




(3) 구조물 용접부에 미치는 Porosity의 영향

구조물 용접 금속 Total Volume의3% 미만의 Porosity는 Static Tensile or Yield Strength에 별다른 영향을 미치지 못한다. 그러나, 연성(Ductility)은 재료의 Yield Strength가 클수록 Porosity에 의한 악 영향을 많이 받는다. 그리고, Dissolved된 Hydrogen Gas의 Pore혹은 Cavities는 Crack Initiator로 작용 할 수 있다. Ferrous Metal에서 Porosity의 영향은 용접 후 열처리(PWHT)에 의해 크게 경감 될 수 있다. Al, Cu, Ni과 같은 재료에서는 Porosity의 영향은 미미하지만 고온에서의(Creep Range) 특성 변화는 Porosity에 의한 단면적 감소와 비례하여 Creep Strength가 낮아지는 특성이 있다. 이외에도 Porosity는 Stress Concentration의 장소로 작용하여 Fatigue특성에도 좋지 않은 영향을 미친다.




2. Slag Inclusion




(1) 원인과 대책




Slag는 Flux와 Molten Weld Metal의 반응물로서 Weld Metal보다 가벼워서 표면으로 부상하게 된다. 용접이 진행되면서 Slag는 Arc의 선단에서 떠오르고, Weld Metal은 그 뒷부분에 융착되게 된다. 이러한Slag의 Float를 막아 용접 금속내에 고착되게 하는 Slag Inclusion의 요인은 다음과 같은 것들이 있다.




① High Viscosity Weld Metal

용접 금속의 점성이 너무 크면 용탕(Weld Metal Pool)의 유동이 원활하지 못하고 용탕내의 Slag부상이 어려워진다. Slag가 용접 Bead 표면으로 쉽게 부상할 수 있을 정도의 용접 금속 점성이 있어야 한다.




② Rapid Solidification

용접 금속의 지나친 급냉은 Slag의 부상과 Gas의 방출을 어렵게 만든다.




③ Insufficient Welding Heat

불충분한 용접 입열은 조직의 급냉을 초래하고 Slag의 유동성을 저하하여 Slag의 부상을 막는다.




④ Improper Manipulation of the Electrode

용접봉 운봉을 적절하게 하여 Arc의 선단으로 용탕을 Lead하면서 Slag를 표면으로 부상 시켜야 하는데, Weaving을 포함한 운봉(Manipulation) 작업이 부적절하면 Slag의 혼입을 피하기 어렵다.




(2) 용접 구조물에 미치는 Slag Inclusion의 영향




용접 구조물에 미치는 Slag Inclusion의 영향은 Porosity의 영향과 비슷한 양상을 나타낸다. 용접 금속 Volume의4% 미만인 독립된(Isolated) Slag는 인성(Toughness)에 큰 영향을 미치지 못한다. 75 Ksi 이하의 Tensile Strength를 가지는 용접부에서 Slag의 존재는 일반적으로 연성(Ductility)에 영향을 미치지 못한다. 물론 인장 강도가 높아지면서 Slag가 존재하는 경우에 연성은 Slag의 양에 비례하여 더 많이 저하한다.

Slag Inclusion은 길게 늘어진 형태로 존재하기도 하며, 이 경우 Stress를 증가 시키는 Stress Raiser로서의 역할을 하기도 한다. 따라서, Slag의 존재는 Fatigue특성에 많은 악 영향을 미친다. 특히, 표면에 위치한 Slag는 내부에 존재하는 경우보다 더 큰 영향을 미친다.







3. 불완전 용착 (Incomplete Fusion)




(1) 원인과 대책




불완전 용착은 용접 금속이 응고하면서 모재 혹은 선행 Bead와의 충분한 융합(Fusion Bond)을 이루지 못하고 들떠 있는 상태이다. 이 현상은 항상 주어진 Joint형상과 용접 Process에서 용접사의 기량 미숙으로 인해 발생되며, 용접과정에서 모재 혹은 선행 용접 Bead를 충분하게 녹이지 못해서 발생한다. 여기에 산화물, Slag, 기타 오염물질이 있으면 촉진되기도 한다.

일반적인 용착 불량의 원인과 대책은 다음과 같다.




table 6. 불완전 용착의 원인 및 대책 원 인

대 책


입열 부족, 용접봉 선정 오류, 부적절한 Joint형상, 부적절한 Gas Shielding

적절한 용접 조건으로 개선한다.


용접 자세 / 용접봉 위치 선정 불량

적절한 방법으로 개선한다.


용접 금속이 Arc보다 앞서서 진행

전류를 낮추고 용접물의 위치를 조정하거나, 용접 속도를 증가 시킨다.


산화물, Slag등의 혼입

용접 전에 표면을 깨끗이 한다.











4. 불완전 용입 (Incomplete Penetration)




(1) 원인과 대책




불완전 용입은 일반적으로Groove용접에서 발생되며, Groove를 용접 금속이 완전하게 채우지 못한 상태를 말한다. 용접부는 항상 완전한 용입이 요구되는 것은 아니다. 어떤 Fillet Joint는 부분적인 용입 만으로도 충분하게 설계되어 있다. 불완전 용입(I.P)과 불완전 용착(L.F)은 근본적으로 입열 부족과 Joint형상의 부적절에 의해서 생기는 경우가 거의 대분이며, 발생 양상도 독립적으로 발생하기 보다는 동시에 나타나는 경향이 많다. 용접 관련 문헌 중에는 I.P와 L.F를 한가지 현상으로 분류하여 동일한 원인으로 설명하는 경우도 있으며, 심지어 용어 자체도 혼용하여 사용하는 경우도 종종 발견할 수 있다.

일반적으로 불완전 용입이 일어나는 원인과 대책은 아래와 같다.




table 7. 불완전 용입의 원인 및 대책 원 인

대 책


Root Opening이 작거나, Root Face가 너무 두꺼운 경우

용접 Joint형상을 개선한다.


불충분한 입열 (전류가 너무 낮거나 용접 속도가 너무 빠르다)

용접 절차서에 따라 조건을 개선한다. (전류를 높이고 용접 속도를 낮춘다.)


용접봉의 직경이 너무 커서 운봉의 어려움이 크다

Root용접시에 용접봉의 Size를 작은 것을 사용하거나 Root Open을 크게 한다.











(2) 용접 구조물에 미치는 불완전 용입의 영향




부적절한 용입은 항상 바람직하지 못하다. Root부의 불완전한 용입은 Root에 Bending Stress로 작용하게 되고 이러한 응력 집중은 적절한 수준의 변형이 일어나지 않는 한Crack Initiate로 작용하여 파단을 일으키게 된다.




5. CRACK




(1) 원인과 대책




Crack은 국부적인 응력이 재료의 항복강도를 넘어 설 때 발생된다. Crack은 그 발생 원인과 양상에 따라 다음과 같이 두가지로 구분한다.




① Hot Cracking

응고 과정에서 저융점 개재물이 응고중에 결정입계를 따라 형성되기 때문이다. 용접 금속은 응고하면서 수축 응력을 받게 되고 이때 결정립계를 따라 놓여져 있는 FeS와 같은 저 융점의 개재물들은 이러한 균열의 원인이 된다.

이 현상은 입자가 미세한 강종 보다는 입자가 큰 강종에서 더 뚜렷하게 나타난다. 이를 예방하기 위해 Mn등을 넣어서 유해한 S를 MnS 형태로 제거한다.




② Cold Cracking

Cold Cracking은 용접 금속 내에 존재하는 수소에 의한다. 수소가 존재함으로 인해 연신이 저하되고, 인성이 약해져서 쉽게 파단에 이르게 되는 것이다. 이 피해를 줄이려면 저수소계 용접봉을 사용하고 충분한 예열과 후열을 병행해야 한다.




Crack을 비롯한 용접부의 결함과 대책에 관한 자세한 내용은 "용접 결함과 대책" 편에서 자세히 정리하기로 한다.

















6. 용접 조건




(1) 전원의 선택




1) 직류 (Direct Current)

직류는 교류(Alternating Current)에 비해 Arc가 안정적(Steady)이고, 부드러운 용접금속 이행을 만든다. 이러한 이유는 교류에 비해 극성변화가 없기 때문이다. 대부분의 용접봉은 용접봉의 극성이 양극인 역극성 상태에서 용접이 더 잘되도록 설정되어 있다. 역극성으로 용접을 시행하면 좁고, 깊은 용입을 얻을 수 있으며, 정극성으로 용접하면 평활하고 넓은 Bead를 높은 용착 속도로 얻을 수 있다.




각 극성별 용접부의 특성은 GTAW에서 볼 수 있는 극성별 특성과는 반대의 양상을 보인다. 이러한 현상은 용접봉에 직접 전류가 흐르는 Arc 용접에서는 모두 GTAW와는 반대의 특성을 보인다.




직류 용접은 용탕의 Wetting이 좋아 쉽게 모재와 융착이 되고 낮은 전류로 균일한 용접 Bead를 얻을 수 있어서 얇은 구조물의 용접에 적합하다. 직류는 짧은 Arc로 Vertical, Overhead자세에 적합하며, 용접 금속의 Globular 이행 과정에서 단락(Short)의 위험성이 작다. 그러나, 직류 용접으로 자성을 가진 Carbon Steel류나 9% Nickel등의 저 합금강을 용접할 경우에는 Arc Blow가 발생하여 부적절한 용접이 이루어 진다. 이를 극복하는 방법은 교류 용접으로 바꾸는 것이다.




2) 교류 (Alternating Current)

SMAW용접에 있어서 교류의 장점은 Arc Blow의 피해가 없다는 점과 전력 소모 비용이 작다는 장점이 있다. Arc Blow가 없음으로 인해 용접봉의 크기를 크게 할 수 있고, 높은 전류의 사용이 가능하다. Flux가 철계(Iron Powder)로 Coating된 용접봉은 높은 전류의 교류용접에 가장 적합하게 설정되어 일반 용접봉 보다 1.5배 가량 빠른 용접 속도를 얻을 수 있다.




(2) 전류 (Amperage)




용착 속도는 전류의 크기에 비례하며, 각 용접봉은 크기와 종류(Classification)에 따라 적절한 전류 영역이 구분된다. 이러한 전류 영역을 벗어난 용접은 용접봉의 과열, 과도한 Spatter, Arc Blow, Undercut, 용접 금속의 Crack 등의 부작용을 일으킨다.




(3) Arc의 길이




일정한 Arc 길이에서도 용접봉의 용융과 용접 금속의 이행이 진행되면서 전압이 변화하고 이에 따라서 용융 금속의 이행은 불안정하고 불연속적인 형태를 보이게 된다. 용접 Arc의 길이는 용접봉의 종류, 크기, 피복재의 종류, 전류 및 용접 자세에 따라 변화한다. 용접 Arc의 길이는 전류와 용접봉의 크기가 커짐에 따라 증가한다. 너무 짧은 Arc 길이는 용접 금속의 이행 중에 단락(Short)을 초래하고, 너무 긴 Arc 길이는 Arc의 방향성과 집중성을 유지하기 어려워 과도한 Spatter의 발생을 초래한다. 이는 용착 효율을 저하시키고, 피복재로 부터 발생되는 Shield효과의 감소로 인해 과다한 기공발생과 산소, 질소등에 의한 용접 금속의 오염을 초래하게 된다.

Arc Blow가 발생될 때는 가능한 Arc의 길이를 짧게 해야 한다.




(4) Travel Speed




용접 속도는 용접 전원, 전류, 극성, 용접 자세, 용착 속도 용접물의 두께, 모재의 표면 상태, Joint형상등에 따라 변화한다. 용접속도는 Arc가 용접 금속의 용탕을 Lead해 갈 정도의 속도가 적당하다. 용접 속도가 증가 하면 용접 Bead폭은 좁아 지고, 용입은 처음에는 다소 깊어 지지만 속도가 증가 함에 따라 점차 용입이 얕아 지며, Undercut이 생기기 쉽고, Slag의 제거가 어려워 지며, 기공이 생기기 쉽다. 용접 속도가 느려지면 용접 Bead가 넓어 지며, 볼록하고 용입이 얕은 Bead가 생기게 된다







Fig. 3 용접 전류와 Arc의 길이, 용접 속도에 따른 Bead의 형상 구분




(5) Arc Blow (Arc 쏠림)




Arc Blow는 철계 금속을 직류를 사용해서 용접할 때 주로 발생한다. 교류를 사용하는 용접에서도 발생하는 경우가 있으나, 극히 드물다.

이러한 현상은 용접봉과 모재 사이에 형성된 자기장에 의해서 일어나며 용접 Arc의 방향을 굴절시켜서 정상적인 Metal Transfer Flow를 방해한다. Arc Blow는 불완전한 용입이나 용착을 유도하게 되고, 과도한 Spatter의 원인이 된다.

이러한 현상은 특히 용접 부재의 끝부분에서 잘 발생하며 Crater부의 결함 원인을 제공하기도 한다. 아래의 그림은 용접봉의 위치에 따른 Arc의 쏠림 현상을 도식화 한 것이다.




Fig. 4 The Effect of Workpiece Connection Location on Magnetic Arc Blow




Arc Blow의 피해를 줄이는 방법은 다음과 같다.




① 모재에 연결된 접지점을 용접부에서 최대한 멀리 놓는다.

② 용접이 끝난 용접부 또는 큰 가용접부(Tag Weld)를 향하여 용접한다.

③ Arc의 길이를 용접에 지장이 없는 범위에서 최대한 짧게 한다.

④ 용접 전류를 줄인다.

⑤ Runoff Tab을 설치해서 용접을 진행한다.

⑥ 긴 용접부는 후진(Back Step) 용접법을 선택한다.

⑦ 교류로 바꾸어 용접을 진행한다.

⑧ 직류 전원 2개를 연결하여 자기장의 방향이 서로 상쇄되도록 사용한다.

⑨ 용접봉 끝을 Arc쏠림 반대 방향으로 기울인다.