[[ 출제예상문제 ]]
문제1-1. 응력제거(SR)시 일어날 수 있는 결점은?(47-1-4)
응력제거를 위한 후열처리 등 재가열시에 일어날 수 있는 결점의 하나가 재열균열(SRC) 또는 SR균열이라고도 하는 결함이 일어나기 쉽다.
문제1-2. Cr-MO강재의 용접시 문제점이 되고 있는 SRC 특성에 대하여 설명하라.(31-2-4)
SRC는 응력제거 어닐링 균열(stress relief cracking) 즉 SRC 또는 재열균열이라고 하는데, 용접한 그대로는 결함이 확인되지 않지만, 용접 후열처리 과정에서 용접 토우부의 열영향부에 발생하거나, 고장력강 용접부의 후열처리 또는 고온사용에 의하여 열영향부에 생기는 입계균열이다.
이것은 2 1/4Cr-Mo강 등에서 쉽게 일어나며, 고온에서 장시간 사용시에도 생기게 된다.
일반적으로 SR균열은 미소하므로 육안이나 방사선 투과검사로 발견하기 어렵다. 500～700℃ 범위에서 SR을 하면 600℃ 부근에서 균열발생이 뚜렷하게 나타나며 파면은 일반적으로 산화된다.
SR균열은 ① 열영향부 조립역, ② 큰 구속력(잔류응력) 및 응력집중, ③ 2차 경화 원소를 함유하는 강 등의 3가지 조건이 필수 조건이며, 고장력강이나 Cr-Mo-V강 등의 구속이 큰 후판 용접부, 특히 압력용기의 노즐 이음부에 발생하기 쉽다. 더욱이 결정립이 클수록 입계의 응력집중이 크게 되어 조립조직은 균열이 일어나기 쉽다.
SR균열은 큰 잔류응력과 노치(응력집중)가 없으면 발생되기 어렵다. 연강에서는 판 두께 32mm 이상이 되면 발생하기 쉽고, 저합금강의 압력용기에 일반적으로 Cr>1.5%에서는 SR균열 감수성이 적게 된다. 즉, 표면 덧붙이나 필릿 비드의 토우부를 평탄하게 다듬질하며, 비드는 가능한 넓게 한다. 노출부 등에서는 잔류응력과 응력집중을 경감시키기 위하여 맞대기 용접과 필릿용접부가 중첩되지 않게 하고, 용접 홈의 형상, 용착순서 등을 연구하여 가로방향의 잔류응력을 감소시킨다.
문제1-3. SR(Stress Releaving)균열의 발생기구와 그 대책에 대하여 설명하시오.(38-3-3)
1) SR균열의 발생기구
응력제거를 위한 재열시 발생하는 균열을 말하며, 잔류응력을 제거하기 위해 강의 경우 500-650℃로 가열했을 때 발생하는 경우가 많다. 이것은 결절립계를 따라 발달하는 일종의 creep 파열현상으로 합금강이나 고탄소당량 강의 경우 경한 열영향부가 발달하며, 용접부보다는 HAZ의 조대 결정립 지역에서 더 많이 발생되며, 열영향부 조립역에서 내부 응력에 의한 입계슬립이 일어나 입계 3중점에 변형이 집중하여, 입계가 분리 파괴되어 균열이 발생 전파한다. 즉 결정립계 슬립이 발생되기 위해서는 결정립계 강도 < 외력 < 결정립내 강도의 조건이 SR과정 후에 성립할 필요가 있다. 이와같은 관점에서 입내와 입계의 상대적 강도차를 조장하는 2차 경화원소에 의한 입내 석출 강화 및 입계의 취약화에 의한 입계석출 및 불순물의 입계편석 등이 영향을 미치거나, 재가열중 전위 등에서 카바이트의 석출로 인해 더욱더 경도는 증가하며 결정립계를 따라 creep 변형이 생기며 결정립계를 따라 sliding이 생긴다. 이 sliding은 결정립이 미세한 상태에서 더 쉽게 발달하며 결정립이 조대한 경우엔 결정립계에 응력집중이 생기므로써 응력완화중 파열이 일어난다.
2) SR균열 방지 대책
① 모재 화학성분은 가능한 석출경화 원소를 적게 함유할 것.
② 용접 열영향부 결정립의 조대화를 막는다. (조립역 조직의 개선 : 마르텐사이트의 감소와 인성 확보).
③ Toe부(덧붙이, 언더컷 등)를 제거하고 또한 좌굴 비드(buttering bead)를 놓아 열영향부 조립역으로 응력집중이 되지 않게 한다.
④ 설계상 응력집중이 되지않게 하며, 판 두께의 급격한 변화를 피한다.
연성이 특히 저하하는 온도범위로서는 TL(액상선온도)～Ts(고상선 온도) 사이 및 TR(재결정 온도) 부근이라 하는데, 전자를 응고취성 온도범위(BTR), 후자를 연성저하(ductility dip) 온도범위라 부른다.
⑤ SR과정 중에 열응력이 생기지 않도록 균일한 가열을 한다.
문제1-4. Cr-Mo강재에 주로 발생되는 재열균열(Reheat Cracking)의 발생원인과 방지 대책에 대해서 설명하시오.(36-1-4)
1) 재열균열의 발생원인
(1) 열영향부에 조대한 결정립의 발달
(2) 재가열중 결정립계에 카바이드의 재석출 및 결정립계 편석
(3) 재가열중 응력변형 완화
(4) 결정립계의 응력집중을 감소시키기 위한 불순물 존재
(5) 결정립자 크기를 향상시키기 위한 예열의 사용
어닐링 취화 기구는 현재까지 정설은 없지만, 입계에 불순물 원소가 석출하여 취화하는 것으로 고려되므로 어닐링 취성을 억제하기 위하여는 불순물 원소가 극히 적게 되도록 억제하며 Si량도 적게 되는 것이 좋다. 또한 결정립이 클수록 취화가 크게 되는데, 조직으로는 마르텐사이트>베이나이트>펄라이트 순으로 취화 감수성이 변한다.
극후강판에서는 어닐링 취성 이외에도 장시간 SR에 의하여 강도가 저하되는 것이 문제가 되기 때문에 시공할 때는 화학성분, 열이력 등을 충분히 고려해야 한다. 또한 스테인리스강 등에서는 탄화물의 입계석출, 본드부에서는 침탄, 탈탄에 의한 취화 등 용접 후열처리에 의한 취화를 고려한 설계 및 제작이 필요하다.
2) SR균열에 영향을 미치는 인자
SR균열에 영향을 미치는 인자로서는 SR조건(온도, 유지시간, 가열 및 냉각속도), 합금성분, 용접조건(열영향부의 조직), 응력집중(잔류응력과 노치), 용접금속의 강도 등이 있는데, 모재와 화학성분 중에서 특히 Mo과 V가 유해한 것으로 알려져 있으며, 다음으로 Cr, Cu, Nb, Ti 등이 있다.
3) 방지대책
문제1-3, 2)항 참조
문제2. 다음을 간단히 설명하시오.(36-4-4)
가. 저온균열(Cold cracking)
* 문제6-1 참조
저온균열은 용접금속이 약 300oC이하로 냉각하였을 때 발생한다.
저온균열의 발생원인(대책):
ㅇ 부적당한 용접봉 사용 ㅇ 루트 간격의 과대
ㅇ 예열과 후열관리의 불충분 ㅇ 용접순서의 부적당
ㅇ 모재에 대한 지식
나. 초음파 탐상(Ultrasonic Test)
* 문제8-1 참조
문제3-1. 해양구조물에 흔히 일어나는 라멜라 균열(lamella tearing)에 아는바를 쓰시오.(37-2-1)
1) 라멜라 테어(Lamella Tearing : 층상 균열)
인장강도 50kg/mm2급 이상의 고장력강재를 이용하여 해양구조물과 같은 대형이면서 복잡한 용접구조물을 조립할 경우 강판 두께 방향에 커다란 구속력이 작용하는 용접 구조물에 있어 재료, 이음 설계 및 용접변수 등 제 因子들의 상호작용에 의하여 T이음, 모서리 이음 등의 용접열영향부 또는 그 근방에서 압연방향과 평행(강의 내부에 강판 표면과 평행)하게 층상으로 발생하는 균열이며, 재료의 두께방향(through - thickness, short transverse or Z direction)으로 길게 연신된 비금속 개재물이 용접열 주기에 의한 열적변형 및 용접이음의 구속 때문에 모재와 비금속 개재물 사이의 분리에 의하여 발생되며, 열영향부에 인접한 모재에 존재하며 계단형상(step-like or Zig zag appearance)이 나타난다.
따라서 라멜라 균열은 용접시공이 상당히 진행된 단계에서 발견된 경우가 많고, 또한 수소로 인한 저온 균열(cold cracking)의 경우와 같이 예열온도를 높이는 것만으로 방지되는 것이 아니기 때문에 판 두께 방향으로 구속응력이 크게 발생되는 T型과 같은 이음매의 경우에 있어서는 모재의 선정이나 용접 시공조건을 결정하는 단계에서 충분히 검토하여 라멜라 균열을 예방할 수 있도록 해야 한다.
문제3-2. 용접균열중 라멜라테어의 특징, 발생 원인 및 이의 방지대책에 대하여 설명하시오.(39-4-1)
1) 특징
(1) 흔히 용접이음 내부에 埋沒된 균열(buried tear)로 존재하기 때문에 초음파탐상을 제외하고는 그 탐지가 곤란하다.
(2) 용접구조물에서 직접 원인이 되어 발생한 사고는 드물지만, 구조물 내부에 존재하고 있는 埋沒된 균열이 다른 균열(crack)의 성장 및 전파에 기여하고 있다.
(3) 해상구조물, 다리 , 압력용기, pipe line, 원자력 발전소 구조물 등에 발생되고 있다.
(4) 拘束力을 誘發하기 쉬운 용접 이음설계(joint design) 즉, 십자형(cruciform), T형상, 모서리 이음 등에 관련되어 발생한다.
(5) 탄소강, Cr-Mn강, Wrought강 및 고장력저합금(HSLA)강 등에 발생하고, 또 불림강, 압연강, 담금질 및 뜨임강 등에 발생하고 있다.
2) 발생 원인
(1) 모재의 라멜라 균열에 대한 敏感性에 대해서는 MnS, silicate(규산염), 알루미나 및 산화물의 비금속 개재물의 존재 때문이며, 이 중에서 MnS, silicate(규산염) 개재물이 가장 큰 요인이며, silicate는 그 자체의 고유취성 때문이다.
MnS系 개재물은 압연에 의해 편평하게 늘어지기 쉽고, 모재 속에서 이와 같이 늘려진 개재물은 모재가 용접열에 의한 외부 인장 구속 응력을 받을 때 쉽게 모재 내부를 분리시키는 역할을 한다. 이렇게 동시에 여러 곳에서 분리된 부분들은 서로 연결되어 압연방향과 평행인 층상의 거시적인 균일 형태로 발전된다.
이와같이 라멜라 균열의 주요한 요인으로 작용하는 MnS系 개재물은 초음파를 투과하기 쉽기 때문에 상당히 큰 개재물이라도 초음파 탐상으로 검출하기 어려워서 초음파 탐상같은 비파괴 시험만으로는 라멜라 균열이 발생되지 않도록 보장하기 어렵다.
(2) 발생의 주된 인자는 재료, 이음설계 및 용접변수 등 세가지이다.
(3) 재료의 두께 방향의 낮은 연성과 이 방향으로 용접에 의해 부과되는 높은 변형에 의하여 발생된다.
(4) 두께방향의 낮은 연성은 非金屬介在物, 모재의 성질 및 脆性機構(embrittling mechanism) 등에 기인하고 이 방향에 부과되는 변형은 용접이음의 구속력, 용접에 의한 열적변형과 금속의 상변태에 따른 변형 때문이다.
(5) 라멜라 균열이 발생되는 재료상의 이유는 異方性 때문이다. 이것은 용접에 의하여 발생된 변형이 그 재료의 연성을 능가하기 때문이다.
3) 라멜라 균열 形成機構
3단계 즉, 기공형성(void formation), 層連結(terrace linkage) 및 shear wall 형성 등으로 구분된다.
4) 방지 대책
(1) 鋼材평가 지표로서 S함유량과 Z방향 단면수축율의 두 가지를 동시에 고려하며, 보통의 비조질 고장력강재의 경우 S함유량은 0.001% 이하, Z방향 단면수축율은 15 ∼ 20%가 지표로 되어 있다.
이러한 耐라멜라 균열성 강재를 이용하여 실 구조물의 용접이음부를 상정하여 라멜라 균열 재현시험법을 통해 강재의 적합성 여부를 확인한다.
이와같은 시험법을 거친 鋼材를 이용하여 용접시공시 압연판재의 두께방향으로 큰 구속이나 부하가 걸리지 않도록 구조물을 될수록 간단히 하고 각 이음부의 거리를 넓게함이 필요하다.
(2) 용접이음부의 형식으로는 T형, 片側 필릿이음부, 코너이음, 관통이음매를 피하여 가능한 한 강재의 맞대기 이음을 한다. 또한, 같은 이음부 형식이라도 용접홈 형상, 적층법 등에 의해 구속도의 종류, 정도, 국부적인 용접변형, 잔류응력 분포 등이 변화함으로 주의가 필요하다.
(3) 용접시공시는 저수소계 용접봉 및 용접재료를 선택하고 적절한 예열과 후열처리를 실시한다.
(4) 저강도의 용접금속을 사용한다.(두께방향의 변형을 줄여주기 때문)
(5) 100oC 정도로 예열하여 수소의 영향을 감소시켜 균열에 대한 재료의 저항을 향상시킨다.
(6) Buttering(용접전에 저강도의 용착금속을 한층, 두층 증착하는 방법)에 의해 모재를 용접 부로부터 멀게 하고 또 다중 pass 용접에 의하여 누적되는 변형을 흡수시켜 라멜라 균열 발생을 줄인다.
(7) 대입열 용접방법(서브머지드 아크용접 등)을 사용하므로서 큰 열영향부를 얻게되고 변형 구배가 용접부에서 점차적으로 분포되어 있기 때문에 라멜라 균열발생을 줄일 수 있다.
표 제 4권 3 호 p14 표 1 참조
문제3-3. 라멜라 균열의 발생원인, 방지대책, 탐상방법에 대하여 설명하여라.(45-2-2)
* 문제3-1, 문제3-2 참조
문제3-4. Box 구조물을 모서리 용접할 때 라미네이션에 대하여 그림을 그리고 설명하시오.(50-3-4)
문제4-1. 강의 용접시 고온균열과 발생원인을 들고 설계 및 재료의 양측면에서 그 방지대책을 설명하시오.(37-4-4)
1) 고온균열
고온균열은 용융온도 이상(200-300℃)에서 용접부 중앙이나 주상(columner) 조직 사이에서 발생하는 균열로서 발생원인은 응고조직의 조대화, 유화철, 산화물, 동 등의 불순물의 종류 및 용접부의 형태, 잔류응력 등이 원인이 되어 용접중 또는 용접직 후의 고온에서 용접부의 자기 수축 및 외부변형 등에 의한 인장변형에 의하여 일어나며, 응고온도 바로 아래에서 발생하는 응고균열(solidification cracking)
이 대부분이며, 주형 내에서 구속된 주강의
고온균열과 같은 성질의 것이며, 응고직후
또 연성이 부족한 용접금속이 수축응력에 인
장되어서 결정립계가 갈라지는 것이다.
대개 1000℃이상의 고온에서 강의 결정립
계의 저융점의 불순물이 녹아서 입계의 결
합력이 제로로 되어 파단하기 쉬우므로 이
때문에 압연이나 단면 중에 균열이 발생하
는 경우가 있으며, 필릿용접이나 크레이터에 그림 강의 응고균열의 종류
가장 많이 나타나기 쉽다.
강에서는 300℃ 이상에서 발생하는 거의
대부분 용접금속 내의 균열이며, 때로는 열
영향부의 균열도 있다.
그림 고온균열에 관계되는 저연성역의 도해
2) 발생원인
고온균열은 크게 나누어 고상선 온도이상(Super-solidus)과 이하(Sub-solidus)에서 일어난다. 전자는 주로 고상선 주변의 온도에서 입계(grain-boundary)에 잔류하는 액체의 거동에 원인이 있으며, 후자는 입계에서 고상의 성분편석, 석출물 및 전위 등의 거동에 원인이 있는 것으로 알려 지고 있다. 적열취성이 원인이다.
① 수소에 의한 균열
② 외적인 힘에 의한 균열 : 사용 중 외부의 힘과 용접 후 방치중에 갈라짐.
③ 내적인 힘에 의한 균열 : 열응력
④ 변태응력에 의한 균열 : 용접부의 가열과 냉각에 의한 체적변화
⑤ 용착금속의 화학성분에 의한 균열 : S의 편석 균열 발생과 P의 영향
⑥ 노치에 의한 균열 : 노치 끝 부분의 응력집중
3) 고온 균열의 특징
1) 균열은 일반적으로 결정입계의 입계균열이다.
응고균열은 수지상 결정의 입계이며 파면은 덴드라이트(Dendrite)상을 나타낸다. 또, 연성저하균열은 응고 후에 입계 이동이나 재결정에 의하여 새롭게 형성된 결정 입계에 발생하며 파면은 입계파면을 나타낸다.
2) 균열의 선단은 일반적으로 날카롭지 않으며 약간 둥근 모양을 띈 경우가 많다.
3) 균열은 표면에 도달한 부분은 대기에 의해 산화되어 착색하는 경우가 많으나 표면에 도달되지 않는 부분은 산화되지 않고 은백색을 나타낸다.
4) 고온균열은 파면이 산화되고 육안으로도 쉽게 알아볼 수 있을 정도로 벌어져 있는 것이 보통이며, 균열의 폭은 약 0.05 ~ 0.5mm까지로 저온균열의 크기(0.001 ~ 0.01mm)의 수십배 크고 끝단은 둥그스럽다
4) 고온균열 발생기구
불순물은 금속과 쉽게 화합물을 생성하며, 화합물은 저융점을 갖거나, 모재와 공정물을 형성하고, 금속과 낮은 welting angle을 가지므로서 결정립계를 따라 퍼지며, 저융점 화합물이 dendrite 사이에 잔류한다., 또한 냉각중에 높은 인장응력이 생긴다.
5) 설계 및 재료적인 측면에서의 방지대책
불순물로서 유해한 것은 유화철, 산화물, 동 등이므로 이 불순물을 최대한 억제하고, 예열 및 후열처리, 피닝, 입열 감소, 용착금속 내에 수소의 함량이 적게 내포되도록 저수소계 용접봉을 사용하거나 용접법을 사용, 용접할 때 국부적으로 가열, 냉각하여 팽창, 수축이 불균일하게 일어나지 않게 할 것, 용착금속 내에 S과 P이 적게 함유하도록 하고, 용접부에 예리한 각도를 갖는 notch가 발생하지 않도록 할 것
문제4-2.고장력강의 용접시 발생하는 고온균열에 대하여 논하라(52-1-8)
* 문제4-1, 1) 참조
문제4-3. 아크용접시 강재의 조성에 의하여 야기되는 응고크랙 즉 HOT CRACK의 요인 및 대책에 대하여 써라(52-3-1)
* 문제4-1 참조
문제5-1. 언더비드 균열의 발생원인과 그 방지대책에 대하여 설명하시오.(31-2-1)
* 문제5-2 참조
문제5-2. 용접시 발생되는 언더비드 크랙(Under bead cracking)의 발생원인 및 기구와 그 방지책을 상술하여라(40-3-5)
1) 언더비드 크랙(비드 밑 균열 :under bead crack)
저온균열의 일종으로 저합금 고장력강에 생기는 미소한 균열이며, 용접후 수시간 후에 발생하며, 비드의 바로 아래에 생긴다. 이들의 균열은 보통은 본드에 접하는 조립부 내에 생긴다. 그 원인은 용접중에 열 영향부에 흡수된 수소가 냉각 중에 과포화로 되고 마르텐사이트 변태를 한 조직을 취성화시킨 결과 용착강 및 열영향부의 수축응력, 오스테나이트-마르텐사이트 변태의 체적팽창에 의한 변태응력, 미시적인 공공 중에 석출한 수소와 정역학적인 응력 등에 의해서 유기되는 것이다.
2) 일으키는 기구
(1) 수소를 발생하기 쉬운 용접봉으로 용접하면 봉으로부터 아크 분위기를 통과한 금속입자가 수소를 흡수하므로, 용접금속은 수소를 다량 함유함.
(2) 용접금속이 응고할 때, 수소의 용해도가 급격히 감소하므로 남은 수소는 용융금속으로부터 이탈하고자 하지만, 그 일부가 용착금속 중에 남게 되며 또한 일부는 가열에 의하여 오스테나이트로 된 열영향부 내에 수축한다. 이것은 오스테나이트가 특히 수소를 다량으로 흡수하는 능력을 갖기 때문임.
(3) 급랭에 수반하여 용착강 자신은 수소 흡수 능력이 점차 감소하고, 일부는 가스로 되어 표면에서 대기중으로 빠져나가지만, 일부는 근접하는 열영향부 내로 확산을 계속하여 열영향부의 수소량은 더욱 증가하게 됨.
(4) 열영향부도 냉각됨에 따라, 오스테나이트 상태로부터 변태함에 따라 수소의 흡수 능력이 감소한다.
(5) 예를 들어, 저탄소강의 경우에도 오스테나이트 상태에서 급격히 냉각하면 실온 부근에서 마르텐사이트로 변태하는 오스테나이트가 어느정도 잔류한다.
(6) 잔류 오스테나이트는 수소로 과포화되어 있기 때문에 마르텐사이트로 변할 때에 새로 생긴 조직 중에 미세한 균열이 생기는 일이 있다.
이 균열의 유기는
ⓐ 마르텐사이트 격자 중의 수소로 인한 취약화,
ⓑ 오스테나이트 → 마르텐사이트변태의 체적팽창에 의한 변태응력,
ⓒ 용착강 및 열영향부의 수축응력
ⓓ 미시적인 중공 중에 존재하는 분자상 수소가 갖는 정역학적 응력에 의하여 유기됨
3) 방지책
(1) 마르텐사이트 생성이나 수소가 없으면 전연 발생치 않음으로 수수의 생성원을 차단함
(2) 냉각속도를 늦게 하여 마르텐사이트 변태를 피하고, 과도한 수소 흡습을 방지한다.
(a) 마르텐사이트의 생성을 감소시키기 위하여 100∼150o C로 예열함(서랭을 위하여)
(b) 용접열을 증가( “ )
(c) 용접후의 서랭( “ )
(d) 저수소계(페라이트)의 용접봉을 사용(열영향부로의 수소 흡수 감소)
(e) 오스테나이트Cr-Ni용접봉 사용. ( “ )
문제6-1. 저온 균열의 생성 원인과 방지 대책에 대하여 설명하여라. (45-4-3)
1) 저온균열
2) 저온균열의 발생원인
용접 열영향부에 발생하는 수소에 기인하는 결함으로 모재 표면이나 용착부의 관리부족으로 수소가 용접부에 유입되어 발생한다. 강재에서 200℃이하에선 수소의 확산계수가 큰 차이가 있는데 그 이유는 여러 가지 개재물, 기지계면, 내부공공, 결정입계, 전위에서 원자수소가 분자수소 전환되기 때문이다.
① 부적당한 용접봉 사용 : SM50재에 특수계 용접봉 사용
② 루트 간격(root opening)의 과대 : 루트 균열 발생
③ 예열 및 후열관리의 불충분
④ 용접 순서의 부적당 :
⑤ 모재에 대한 지식 부족
ㅇ Ceq(탄소당량) 또는 PCM(균열 감수성 지수)
ㅇ 모재의 층상균열( lamella tear) 대책
⑥ 용접작업 중단시의 처치가 잘못되었을 때
⑦ 구조 및 이음설계의 불량
3) 저온균열의 방지대책
① 적당한 용접봉 사용 : 고장력강의 저수소계 용접봉 사용
② 루트면의 가공정도, 취부(取付)정도를 높이고, 루트 간격을 규정에 따를 것
③ 대형구조물의 이음에서는 이음 전체에 대하여 표면, 이면을 완성할 때까지 균일한 예열과 후열을 할 것
④ 용접순서를 정확하게 지킬 것
⑤ 모재의 층상 균열의 여부를 검사할 것
⑥ 용착금속의 두께가 규정 두께의 1/2이하일 때는 규정 두께의 1/2 이상이 될 때까지 용접을 중단하지 않을 것, 또는 가우징 후 중단없이 용접을 계속하고, 중단없이 용접을 할 수 있는 범위까지 가우징할 것
⑦ 균열 발생이 되지 않도록 구조 및 이음설계를 할 것
문제6-2. 강 용접시 발생하는 저온균열에 대하여 그 원인과 방지대책에 대해 설명하시오.(35-1-3)
* 문제6-1 참조
문제6-3. 고온균열과 저온균열의 발생원인을 설명하시오.(50-3-1)
* 문제4-1, 6-1 참조
문제7-1. 구조물의 경년열화에서 열화의 종류 3가지를 들고 설명하시오.
(47-3-4)
문제8-1. 용접균열의 종류를 들고 설명하시오.(47-3-3)
1) 가로(횡) 균열
용접 방향에 수직으로 발생하는 균열이며, 용접금속의 인성이 극히 낮을 때 및 경화육성 용접시 발생할 우려가 있다.
2) 세로(종) 균열
용접방향과 같거나, 평행하게 발생하는 균열.
3) 설퍼크랙(황 균열;sulfur crack)
강중의 황의 층상 존재(sulfur band)가 심한 모재를 서브머지드 아크용접하는 경우에 발생하는 고온균열이며. 황의 함유량을 낮은 강재의 사용과 망간의 첨가, 저수소계 용접봉이나 후락스 사용으로 방지 가능함.
4) 크레이터 균열
크레이터 부분에 발생하는 고온균열의 일종이며 크레이터 처리를 하지 않았거나 불량한 처리시에 발생하며, 고장력강이나 합금원소가 많은 강종에서 많이 발생함.
5) 토우 균열(toe crack)
비드 표면과 모재의 경계부에 발생, 언더컷에 의한 응력집중이 큰 것이 원인이며, 예열, 또는 강도가 낮은 용접봉 사용으로 방지가 가능함.
6) 힐 크랙(hill crack)
필릿용접부의 루트 부분에 생기는 저온균열임. 열팽창 수축에 의한 비틀림이 주요 원인임. 수소량 감소와 예열이 효과적임. 용접입열을 적게 함.
7) 루트 균열
저온균열의 일종으로 용착금속이 냉각되어 수축할 때 모재는 좌우로 인장된다. 용착금속이 아직 고온이고 연성이 충분할 때는 자신이 늘어남으로 crack이 생기지 않으나, 100℃ 부근이 되면 강도는 증가하지만 연성이 저하하여 루트의 노치부가 응력집중에 의하여 국부적으로 소성변형한다. 따라서 그 부분이 가공경화와 변형시효를 받아 취약하게된다. 용접후 수시간이 지난 후에도 일어나게 되며 비드가 작을수록 일어나기 쉽고, 첫층 용접의 루트 부근의 열영향부에 발생하며, 열영향부의 조직, 용접부에 함유된 수소량, 작용하고 있는 응력 등이 주 원인이다. 방지책으로는 예열, 후열 등이 효과적임.
8) 라미네이션
모재의 재질결함으로 강괴의 기포가 압연되어 생기는 층상의 내부 노치이다.
9) 델라미네이션
응력이 걸려 라미네이션이 갈라지는 현상이며, 방지하기 위해서는 모재를 킬드강이나 세미 킬드강을 사용하면 좋음.
10) 라멜라테어(lamella tear : 층상균열) : 문제 2번 참조
] 11) 재열균열(reheat crack) : 문제 1 참조
12) 저온균열(Cold cracking) : 문제6-1 가항 참조
13) 고온균열 : 문제4-1 참조
문제8-2. 용접균열의 종류를 열거하고 그 발생원인을 간단히 설명하시오.(30-1-3)
* 문제8-1 참조
문제8-3. 용접균열의 발생원인을 금속학적 측면과 역학적 측면에서 각각 설명하시오.(33-2-2)
균열은 용접결함중에 가장 나쁘며 위험한 결함이다. 이것은 금속학적으로는 금속이 응고직후 입계에 있는 저융점의 불순물이 원인이 되어 모재의 연성이 저하하거나, 용융시 침입한 수소가 확산되어 취화하는 경우, 또는 인, 유황, 주석, 아연 등의 유해 불순물의 영향으로 결정입계에 모여 입자 상호간의 고착을 방지하기 때문에 균열이 생긴다.
역학적으로는 용접시의 가열, 냉각으로 생긴 열응력이나 강의 변태에 따른 체적변화, 구조상 또는 판재의 두께에 기인되어 응력집중이 생기는 노치가 있거나, 용접부의 내부와 외부에 작용하는 힘에 견디지 못해서 일어나는 것이다. 예를 들면 용접금속의 형상 및 크기, 이음형상, 구속 등의 대소 등이 용접균열에 크게 영향을 미치며, 용접금속의 터짐을 방지하기 위해서는 적당한 용접조건, 기법 및 순서, 적당한 용접봉과 모재 선택, 적당한 용접설계, 적당한 예열과 서랭, 피닝, 등에 의한다.
문제9-1. 균열을 감소시키는 방법에 대하여 설명하여라.(45-3-1)
문제10-1. 응력부식 환경에서 일어나는 크랙은?(47-1-3)
문제11-1. 용접부위에 발생할 수 있는 결함의 종류와 그것들이 용접구조물에 미치는 영향에 대하여 설명하시오.(39-3-3)
용접중에는 피복제나 용제, 대기중의 각종 가스, 용접부 표면의 불순물 등에 의하여 슬랙혼입이 되기 쉽고 산화물이 개제할 수 있는데 이러한 불순물은 용접 강도상 매우 취약해지므로 불순물의 혼입을 최대한 방지할 수 있는 시공법이 필요하다. 이러한 결함을 크게 나누면 치수상 결함, 구조상 결함, 성질상 결함으로 나눌 수 있다.
가. 용접부위의 결함종류
1) 치수상의 결함 : 변형, 용접부 크기의 부적당, 용접부 형상의 부적당.
2) 구조상의 결함 : 기공, 비금속 개재물, 슬래그, 융합불량, 용입 불량, 언더컷, 오버 랩, 균열, 피트 등의 표면 결함.
3) 성질상의 결함 : 인장강도의 부족, 항복강도의 강도, 연성의 부족, 경도의 부적당, 피로강도의 부족, 충격강도의 파괴, 화학성분의 부적당, 내식성의 불량.
나. 결함이 용접구조물에 미치는 영향
1) 용접이음은 구조물의 형상 또는 재질적인 불연속 때문에 여러 종류의 응력집중 및 변형이 발생되며, 이러한 것이 이음의 강도에 미치는 영향은 외력의 종류에 따라 변화한다. 용접 결함(weld defects)을 넓은 의미로 해석하면 응력이나 변형이 집중되는 모든 요소를 용접 결함이라고 한다.
2) 재질의 상태에 관계없이 응력집중은 강도 저하를 초래하며, 재질에 따라 그 저하 정도가 변화한다. 또한 구조물에 노치가 있어 저온 상태에서 부하가 걸리면 저응력 취성 파괴가 일어날 수 있다. 따라서 결함의 존재가 강도에 미치는 정도는 결함의 형상, 재료의 인성, 하중의 상태(정적 또는 반복 하중), 재질, 부재의 크기에 따라 다르다.
3) 구조상 결함은 용접구조물의 안전성(soundness)을 저해하는 중요한 인자이며, 특히 2차원 결함의 대표적인 용접균열은 일반적으로 그 선단의 곡률 반경이 극히 미소한 노치가 된다. 균열의 평면이 인장 영향에 수직으로 되면 강도가 뚜렷하지만 평행인 경우에는 강도의 영향에 크게 미치지 않는다.
또한 3차원 결함의 대표적인 기공이 용접금속 중에 존재하는 경우 기공의 크기 및 형 상, 위치나 분포 상태에 따라 응력 집중계수 α가 변한다. X-ray 투과 시험 등에 의하여 다수의 기공을 단순히 단면적 감소로서 평가하는 것은 강도적으로 정확한 의미를 갖지 않 을 수 있다. 기공이 표면에 접근하거나 표면에 작은 균열이 있을 때는 응력집중이 높아 진다.
4) 용접형상의 불량은 구조물의 상품 가치가 떨어질 뿐만 아니라, 강도 부족, 응력집중 등에 의한 파괴의 원인이 된다.
5) 언더컷은 홈이 생긴 만큼 기계적 강도가 부족하게 되며, 노치를 이루어 구조물 사용 중에 균열이 일어나기 쉽다.
6) 오버랩은 이음표면에 노치상태를 형성하게 되어 그 곳에 응력이 집중되어 균열이 일어나기 쉬우며, 내부식성이 요구되는 구조물 경우 극간부식의 요인이 된다.
7) 크레이터는 균열이 일어나기 쉽다.
8) 용입 불량(lack of penetration)은 외부에서 발견할 수 없는 것으로 이음강도가 약하게 되고, 특히 이 부분에 반복하중이 작용하면 균열이 일어날 수 있다.
9) 융합불량(lack of fusion)은 이음 강도가 약하게 된다.
10) 슬래그 혼입(slag inclusion)은 작은 것은 그다지 기계적 성질을 미치지 않지만, 큰 것은 용접부의 강도, 연성 등을 약하게 하며, 때로는 취성 파괴의 원인이 된다.
11) 목두께 부족은 용접 이음부의 기계적인 강도가 떨어지며, 또한 볼록 모양은 용접 품질의 손상뿐만 아니라 용접봉이 그 만큼 손실된다.
12) 기공과 피트는 강도부족과 응력집중을 받는다.
13) 2단 비드는 외관상 별로 좋지 못하나, 이음 강도에는 큰 영향을 미치지 않는다.
14) 아크 스트라이크(arc strike)는 주위의 모재에 급격히 열을 빼앗겨 급랭되어 단단하고 취약한 구조로 균열의 원인이 된다.
15) 은점은 용착금속의 항복강도나 인장강도에 거의 영향은 미치지 않으나, 연신율을 감소시킨다.
16) 균열(Crack)은 용접부에 생기는 결함 중에 가장 치명적인 것으로, 어떠한 작은 균열도 부하가 걸리면 마침내 파괴를 가져온다.
17) mismatching이나 편심이 심하면 이음의 피로 강도가 크게 저하하지만, 이 부분에 깊은 언더컷이나 용입 불량 등의 결함이나 용접표면에 심한 형상불량이 있으면 더욱 더 파손의 위험성이 커진다.
문제11-2. 용접결함과 방지대책을 쓰시오.(47-3-2) ; 핸드북 p251-255
가. 재질적인 불균일
매크로적인 불균일성으로서는 이음부의 구성요소에 따른 용접금속의 열영향부 및 모재 원질부의 차이, 더욱이 용접 열영향부와 그 주변 성질부로서 본드(bond)부, 경화부, 연화영역, 취성영역, 또한 이종재 이음이나 클래드(clad) 등에서의 재질 변화이다. 마이크로적인 불균일성으로서는 용접금속의 성분 원소, 불순물 또는 비금속 개재물의 편석, 본드 부근 열영향부의 조직변화, 희석(希釋)이나 확산(擴散)에 의한 이상 혼합재, 석출이나 변형에 의한 시효, 수소(H)에 의한 취화 등으로 고려된다.
용접결함은 재료, 용접에너지 및 정보제어의 각 방면 총합 시스템화에 의하여 가능한 최대로 배제할 필요가 있으며, 이것에 따라 품질 보증과 안정성이 확보된다.
나. 구조상 용접결함의 종류와 방지대책
1) 슬랙섞임(혼입 : slag inclusion)
전층의 slag가 완전 제거되지 않아 잔류된 경우나 용접작업이 불량하여 용착금속 내에 slag가 혼입된 경우나, 아크 분위기중의 산화성 가스나 공기와 용융금속에 철, 망간, 규소 등이 반응하여 생기는 산화물, 질화물 등의 미소한 개재물이 용탕에 모인 것, 또는 용입부족이나 용접속도가 느린 경우에도 슬랙 혼입의 우려가 있으며, 과도하지 않는한 별 문제는 없다.
방지책으로는 전층의 slag 제거를 깨끗이 잘하고 용접하며, 적정전류 조정과 아크 길이 조정, 용접봉 각도 조정 등 용접방법 개선이 필요하다.
2) 기공(blow hole)
매끈하고 밝은 내면을 갖은 구상의 중공공(中空孔)이다. 이것은 용융금속 내의 어떤 기포가 표면에 부상하지 못하고 용융금속 속에서 응고된 것으로 내부에 있는 것을 기공, 외부에 있는 것을 피트라고 한다.
기공의 발생 원인은 아크 분위기 중의 수소 또는 일산화탄소가 너무 많은 경우나 이음부의 녹, 기름, 페인트가 있는 경우, 용접부의 흡습과 용접봉의 흡습, 용접금속의 급랭시에도 일어나며, 이것은 용착금속의 강도, 연신, 굽힘연성이 적어지며 부식되기 쉽고 기밀성이 나빠진다.
대책으로는 적당한 용접봉 선택과 용접봉 건조, 모재 표면의 청정, 정확한 운봉법 구사(짧은 아크 길이 및 좁은 운봉 처리), 전류 조정, 후열에 의한 냉각속도 감소, 시점의 hot 용접이나 Back step method의 용착법 구사 등이다.
3) pin hole
용착금속 내의 아주 작은 기공(blow hole, porosity)의 일종으로 수소가스에 기인하여 매끈하고 밝은 내면을 가지고 대개 球狀의 空空이다. 그 크기는 1mm 정도에서 0.01mm 정도의 것까지 여러가지이다. 이것은 용융금속 내에 어떤 종류의 가스의 기포가 표면에 부상할 틈도 없이 용접금속 내에 남아있는 것이다. 거의 모든 용접금속 내의 pin holes의 원인으로서 첫째 수소이고, CO, 질소 등이다.
이것을 다량으로 포함되면, 용접금속은 강도, 연신 및 굽힘연성들이 저하되고, 용접부의 기밀성, 수밀성 및 기계적 성질이 저하된다. 그러나 작은 것은 인장강도, 연신 및 굽힘강도 등에 대하여 영향을 미치지 않는다.
4) 오버랩(over lap)
용접봉의 용융이 너무 빨라서 용착금속이 변 끝에서 모재에 융합하지 않고 겹친 부분을 말한다. 오버랩의 원인은 용접전류가 너무 낮고 운봉속도가 너무 느리거나 봉의 유지각도 불량시에 일어난다.
대책으로는 전류 조절과 운봉방법 개선,, 용접속도 조절 등의 방법이 필요하다.
5) 언더컷(under cut)
언더컷이란 용접 끝단(toe)에 생기는 작은 홈을 말하는 것으로, 용접전류가 과대할 때, 아크 길이가 길 때, 운봉 속도가 너무 빠를 때 생기기 쉬우며, 홈이 생긴 만큼 기계적 강도가 부족하게 되며, 노치를 이루어 구조물 사용 중에 균열(crack)이 일어나기 쉬우므로 주의하여야 한다. 방지대책으로는 전류를 적절히 조정, 아크길이를 짧게 유지하며, 정확한 용접봉 각도와 일정한 용접 속도로 운봉한다. 특히 수직 용접할 때에는 일정한 속도로 운봉하지 말고 비드 양끝에서 약간 멈추는듯 하게 하고, 특히 크레이터에 용융금속을 채워 놓은 후에 운봉에 들어가도록 한다. 필릿 용접에서는 용접봉의 각도와 운봉속도에 주의하고 모재 두께와 홈 상태에 따라 용접봉 지름을 선택하여야 한다.
6) 은점(fish eye)
용착금속의 인장 또는 굴곡시험시 파단면에 나타나는 둥근 또는 타원형의 은백색의 여린 파단면이며, 그 중심에는 보통 작은 구멍, 슬랙섞임 등이 있다. 은점의 파단면은 보통 회색의 치밀한 미끄럼 파면으로 나타나고, 은백색의 은점부분과 명확하게 대조를 나타낸다.
은점 생성의 주 원인은 수소석출이며, 용착금속의 항복점이나 인장강도에 거의 영향을 미치지 않지만 연신율을 감소시킨다. 은점 생성 방지대책은 용접후 실온에서 몇 개월 방치하거나, 또는 수 100℃로 가열한 시험편은 수소의 자연방출 등이다.
7) 용입불량(부족)
용접하고자하는 모재가 완전히 용착하지 못한 상태를 말하며, 설계상 잘못이나 용접전류 과소, 용접속도 과대, 용접봉 선택 불량, 운봉 방법 불량시에 일어나며, 방지대책은 전류를 높이고, 용접속도 조절, 루트간격이나 홈 형상 및 치수를 크게한다. 또한 용접봉 각도나 운봉법 등의 개선이 필요하다.
8) 선상조직(ice flower structure)
아크 용접부에 생기는 특이한 조직이며, 대단히 미세한 주상정이 서릿발 모양(ice flower)으로 병립하여 그 입자 사이에 현미경적 미소한 비금속 개재물과 기공이 존재하는 것으로 선상파면이라고도 한다. 이것의 기계적 성질은 주상정의 상태, 기공, 개재물의 분포와 량에 따라 달라진다. 이것의 생성원인은 냉각속도가 빠를 때, SiO2, Al2O3, Cr2O3 등의 탈산 생성물 및 수소가 주 원인이다. 방지대책으로는 용착금속의 냉각속도를 느리게(예열, 후열), 모재 선정을 잘하고, 탈산, 슬랙이 가벼운 용접봉 사용, 저수소계 용접봉 사용 등이다.
9) 스패터
용접중에 생성된 용융방울이 대기중에 찬공기와 접촉하여 온도가 강하된체 용착금속과 혼합하지 못하고 작은 덩어리로 모재에 떨어진 것으로 성질상이나 강도상의 문제는 없으나 용접부가 지저분하고, 청소가 번거로우며, 시간을 낭비하게된다. 이것의 생성원인은 전류가 높을 때 아크 힘에 의해 분사되거나 용접봉의 흡습에 의한 가스 폭발로 비산, 아크 길이가 너무 길 때 생성되며, 대책으로는 전류를 낮추고, 건조된 용접봉 사용과 아크 길이 조정 등이다.
10) 균열(crack)
* 문제8-1 참조
문제11-3. Blow hole, under cut의 용접 결함을 방지하기 위해서 필요한 사항을 열거하여 설명하라.(40-1-3)
가. Blow hole(기공)
* 문제11-2 2)항 참조
나. under cut
* 문제11-2 5)항 참조
문제11-4. 용접부 내에 발생하는 pin holes에 대하여 설명하여라.(45-1-6)
* 문제11-2, 3)항 참조
문제11-5. 박판용접에서 스패터링 방지대책을 기술하시오.(47-4-6)
* 문제11-2, 9)항 참조
문제11-6. 강철용접에 존재할 수 있는 불순물 및 결함에 대하여 설명하시오.(26-3-3)
* 문제11-2 참조
문제11-7. 다음에 열거하는 용접결함의 발생원인과 그 방지대책에 대하여 설명하시오.(28-2-2)
1) 슬랙 혼입
* 문제11-2, 나, 1)항 참조
2) 기공
* 문제11-2, 나, 2)항 참조
3) 오버랩과 언더컷
* 문제11-2, 나, 4), 5) 참조
4) 고온균열(hot crack)
* 문제4-2 참조
5) 저온균열(cold crack)
* 문제6-1 참조
문제11-8. 강의 용접시 발생하는 기공의 발생원인과 그 방지대책에 대하여 설명하시오.(32-1-2)
* 문제11-2, 나, 2)항 참조
문제11-9. 용접결함의 종류 5가지를 들고 간단히 설명하시오.(50-4-1)
* 문제11-2, 나항 참조
문제12-1. Shrinkage cavity의 생성원인에 대하여 설명하여라.(45-1-8)
문제13-1. 비금속 게재물에 대하여 설명하여라.(45-1-10)
문제14-1. 용접물의 저온취성 파괴가 미치는 각종요인을 기술하시오. (47-3-5)
문제15-1. 파괴의 종류와 특성을 기술하시오.(47-3-6)
문제16-1. 탄소강재의 아크용접에 대한 V charpy 충격치 변화를 평가할 수 있는 에너지 천이온도와 파면률 천이온도에 대해 도해를 하여 설명하시오.(30-2-2) ; 핸드북 p261-
1) 천이온도
강재를 인장 등의 하중을 가하여 파괴될 때까지 흡수한 에너지를 구하면 노치의 유무, 하중속도의 차이에 따라 그림6.81과 같이 큰 차이가 생긴다. 시험온도의 강하에 수반하여, 어떤 온도에서는 흡수에너지가 급격히 감소하고, 이 온도보다 고온에서는 연성파단이 생기고, 이 온도보다 저온에서는 취성파면이 생기게 되는 부분이 나타나게 되는데 이렇게 파괴 양식이 연성에서 취성으로 천이하게되며 천이온도역은 어떤 폭을 갖으며, 이 천이역을 대표하는 온도를 천이온도(transition temperature)라 한다. 천이온도는 그림 6.78에서와 같이 시험편이 파괴될 때까지 흡수한 에너지의 최대와 최소의 평균으로 주어지는 온도 TrE(에너지 천이온도, energy transition temperature)를 취할 때도 있으며, 또한, 전 파면중 몇%가 연성인가 하는 연성파면율(shear fracture percentage)이 50%로 되는 온도Trs(파면천이온도 fracture transition temperature)를 사용할 경우도 있다.
이상과 같이 천이온도는 여러가지로 취할 수 있으며, 또한 노치형식이나 하중속도에 따라 그 값이 변화한다.
2) 각종 천이온도와 그 상관성
각종 노치 취성시험에서 시험편을 약 -100℃ ～ +80℃ 범위에서 파괴하여 보면 파면까지의 전 흡수 에너지의 천이곡선은 2단의 천이가 인정되고 있다. 이중 높은 온도쪽을 파면 천이온도, 낮은 쪽을 연성 천이온도라 하는데 파면 천이온도는 균열이 모재중을 전파하는데 요하는 에너지에 관계하며 연성 천이온도는 노치저부에 최초로 균열이 발생하는 에너지에 관련된 것이며 노치저부의 연성에 깊은 관계가 있다. 일반적으로 파면 천이온도는 용접과 영향이 적으나 연성 천이온도는 용접에 예민하다.
문제16-2. V샤르피 충격시험에 있어서 시험온도와 흡수에너지 및 취성파면율과의 관계를 그리고 그림중 에너지 천이온도 및 파면 천이온도를 나타내라.(35-4-1)
문제16-3. 용접부의 인성을 평가하는 V-노치 샤르피시험시 시험온도, 흡수에너지, 천이온도, 취성파면율 등을 그림을 그려 상세하게 설명하라.
(40-1-5)
1) 시험온도
충격온도는 지정된 온도(-40oC이하)에서 ±1oC의 허용차를 가지고 있는 액체 중에 10분간 담갔다가 5초 이내에 시험을 완료해야 한다.
2) 흡수에너지
흡수에너지 E는
E=WR(cosβ-cosα)[kg-m]
충격치U는 흡수 에너지를 시험편의 단면적을 나눈 값이다.
U=E/A=WR(cosβ-cosα)/A[kg-m/cm2]
W=펜듀럼해머의 중량[kg]
R=회전중심에서 해머중심까지의 거리[m]
β=해머의 처음 높이 h1에 대한 각도
α=해머의 2차 높이 h2에 대한 각도
시험편의 파단에 필요한 흡수 에너지가 크면 클수록 靷性이 큰 재료가 된다. 이 외의 충격 시험 방법은 충격 인장, 충격 압축, 반복 충격시험 등이 있는데, 이들의 시험법은 재료시험법에 따르면 된다.
3) 천이온도
* 문제16-1, 1)항 참조
그림2-5,6. 표2-2 그림2-7(신용접공학,p671-672)
.
그림6.81 그림6.78
4) 취성파면율
전파면 중에 차지하는 취성파면(은백색의 반짝반짝하는 파면)의 면적 백분율
5) V-노치 샤르피충격시험
오늘날 국제적으로 널리 쓰이는 것은 그림 6.82와 같은 V-샤르피충격시험이다. 노치의 깊이 2.0mm, 底部半經 0.25mm, 頂角 45o의 V노치가 붙은 시험편을 振子로 충격한다. 이 외에 keyhole 샤르피 및 Schnadt시험편도 쓰인다. 이와같은 노치충격 굴곡시험에서는 흡수에너지(충격치) 및 때로는 破斷樣式, 파단 후의 노치底部의 횡수축을 측정한다. 이들 諸量은 온도에 대하여서 그림 6.82와 같은 천이곡선(transition curve)을 나타낸다. 따라서, 이들 곡선의 최고, 최저의 평균치에 대한 온도가 천이온도로서 쓰이고 있다. 천이온도가 낮고 또한 충격치가 높을수록, 그 강재는 노치인성이 우수한 것이 된다. 또한 V샤르피 충격시험에서는 흡수에너지가 15ft-lb(2.6kg-m/cm2)가 되는 온도를 15ft-lb(푸트 파운드)천이온도Tr15라 하며, 잘 쓰인다. 또한 Tr15 대신에 0o의 충격치 Eo를 노치인성의 척도로서 쓸 때가 있는데, 연강의 경우 Tr15와 EO의 관계는 그림 6.83과 같다.
그림6.82 그림6,83(용접핸드북)
문제17-1. ASME CODE SECTION Ⅸ(1989년판 또는 1986년간에 의거한) 용접사 인정시험에 있어 ESSENTIAL VARIABLE에 대하여 설명하라.(35-4-4)
문제17-2. 한국과 미국의 기량 인정시험(Performance Qualification)즉 관련 규격인 KS B0885와 ASME Code Section IX또는 AWS D1.1을 ① 자격 인정범위 ② 상호 규격간의 호환성 및 ③ 인력의 활용도 측면에서 장단점을 위주로 비교 설명하라.(40-2-5)
가. 자격 인정범위
우리 나라는 국가를 대행하여 한국산업인력관리공단에서 실시하며 기능사 1,2급 또는 보가 있고, 필기시험과 실기시험이 있다. 자격을 취득하면 자격 인정을 받으며, 또한 각 협회에서 국가 인정 자격과 동등 수준으로 상호 인정을 받는다. 둘 다 공히, 일단 자격 부여를 받으면 용접사는 원칙으로 기간의 제한없이 자격인정이 유효하다. 그러나 미국은 자격 인정받은 후 용접을 6개월 이상하지 않으면 자격은 무효이다. 그리고 자격 인정받은 용접사라도 능력에 의심이 되는 특정 이유가 있으면 다시 시험을 요구할 수 있다. 유효 기간의 경과에 따른 조치는 한국은 등급에 따라 보수교육을 받으면 지속되나, 미국은 유효 기간의 경과에 따른 재 시험시에는 9.5mm 두께의 재료를 용접해야 한다.
나. 상호 규격간의 호환성
등급, 등급에 따른 시험재료, 시험방법, 검사방법 등이 서로 상이하므로 상호 규격간의 호환성이 없다.
다. 인력 활용도의 장단점
미국은 실제 산업계에서는 거의가 미국의 용접기량 인정제도를 따르지 않으면 안되지만, 한국은 산업계에서 용접자격을 따르지 않는 것이 국내자격 제도의 문제점이 여기에 있으며, 자격자의 활용도가 극히 빈곤상태에 있으므로 자격시험을 갱신하던가, 산업체에서 유자격자만 활용하도록 하여야 함.
문제18-1. 용접 모재의 용접후 재료의 신뢰성 특히 용접후의 균열을 알아보기 위한 실험들이 있다. 이 중 한가지를 들어 그 방법을 상세하게 설명하여라(40-4-2)
문제19-1. Al 합금의 노치인성측정법을 쓰시오.(47-2-5)
문제20-1. 필릿 용접이음의 파면시험법에 대하여 설명하시오(52-2-4)
문제21-1. 용접균열 시험법을 3가지 이상 들고 설명하라.(28-4-2)
(용접공학 P392-395, 핸드북 P394-396)
1) T형 필릿 터짐시험
독일에서 연강, 고장력강, 스테인리스강, 용접봉의 고온균열을 조사할 목적으로 사용했으며, 횡판과 종판을 밀착시키고 양단을 가접후 지름 4mm 용접봉으로 아래보기 1pass로 S1의 용접을 하고 반대방향에서 목두께가 S!보다 적은 비드로 S2를 만든다. 비드 형상은 오목하고 냉각후 시험비드에 대하여 균열 유무와 길이를 육안 또는 지정방법으로 조사한다.
2) CTS 터짐시험(controlled thermal sererity cracking test)
열적구속 균열시험이라고도 하며, 시험편을 겹쳐서 양측을 고정한 다음 좌우 양면에 필릿시험 용접한 다음 24시간 경과후 3개의 시험편을 만들어 판면내의 균열(주로 비드밑 터짐)을 조사한다. 맞대기 구속 터짐시험에 비해 감도가 약간 떨어진다. 영국에서 시작됐으며, 저합금강용에 많이 쓰인다. 이것은 냉각속도가 균열에 매우 민감하므로 열흐름수(TSN 수)로 표시한다.
3) 리하이 구속 터짐시험
맞대기 용접균열 시험중에서 가장 귀중한 시험방법으로 냉각중에 균열이 일어나는 구속의 정도를 정량적으로 구하기 위하여 리하이 대학 스타우트 씨가 창시한 시험법으로 연강에 대해 미국에서 널리 사용(주로 용접봉 시험)됨. 방법은 시험편 주변에 슬릿의 길이를 서로 다르게 변화시켜 동일한 간격으로 만들면 중심부 U홈에 용접비드에 걸리는 역학적 구속력을 변화시키는 것으로 된다. 그러나 냉각속도는 slit의 길이의 영향은 거의 받지않는다. 보통 슬릿의 길이를 증가시키면 균열이 정지되는 슬릿의 길이가 있게되며, 이 한계의 slit의 길이를 빼낸 시험편의 폭(2X)을 갖고 구속도를 표시하고 2X=8 일 때 최대 구속도가 된다.
일반적으로 slit의 길이를 감소시켜 구속이 어떤 값 이상이 되면 균열이 발생하기 시작하는 임계의 slit의 길이(구속도)를 구하는 것으로 상당히 엄격한 터짐시험이며 고온 또는 저온 구속터짐이 검출된다. 이것은 시험용접후 48시간 이상 경과후 균열을 조사하여 균열을 계산한다.
4) 바텔 비드밑 터짐시험(Battelle underbead cracking test)
저함금강의 비드밑 터짐시험에 쓰이는 간단한 방법이며 소형 시험편 표면에 소정의 조건으로 비드를 붙이고 24시간 경과후 절단하여 균열검사를 한다.
5) 철연식 터짐시험
일본 철도 기술연구소에서 완성한 방법으로 Y자형 시험편에 제1층 용접하여 비드 방향의 균열길이 또는 단면내의 균열 높이를 측정한다. 이 방법은 슬리트가 비스듬함으로 루트 응력집중이 크고 매우 민감한 시험법이다. 이 시험으로 균열이 20% 이하면 실제 작업에 지장이 없다고 본다.
6) 피스코 터짐시험(Fisco cracking test)
유럽에서 시작한 방법으로 고온균열시험에 적합하며 재현성이 좋고 시험재를 절약할 수 있다. 방법은 C형 지그에 맞대기 시험편을 볼트로 세게 조여 붙인 다음 비드를 붙이고 균열 유무를 조사한다. 용접부만 가늘게 절단하면 나머지 부분은 다시 쓸 수 있어 재료를 절약할 수 있다. 용도는 연강, 고장력강, 스테인리스강 비철금속에 대한 용접봉 균열시험에 이용되며, 크레이터와 스타트부를 많이 만들어 실시한다.
7) 분할형 원주홈 시험(Semented circular groove test)
50mm 각의 분할편 4개를 모아 가접하고 원주 홈을 파서 이것에 지름 4mm 용접봉으로 S점에서 F점까지 속도 6“/min으로 시계방향으로 비드를 붙이고 냉각후 나머지 비드를 놓는다. 그 다음 분할편을 찢어서 비드 파면내의 균열 조사를 한다. 용도는 오스테나이트계 스테인리스강의 균열시험에 쓰인다.
문제21-2. 용접균열시험의 종류 3가지를 적고 그중 1가지를 설명하라.
(52-3-4) * 문제21-1 참조
문제22-1. 이음의 강도와 파괴시험중 균열 개구부의 변위에 대하여 설명하라.(52-3-5)
문제22-2. 용접이음 강도의 파괴시험에서 의조성 파괴시험의 특징에 대하여 설명하라.(52-4-5)
문제23-1. V노치 샤르피 충격시험을 하는 이유는?(47-1-2)
문제24-1. 용접내부 결함검사법을 기술하시오(47-1-6)
문제25-1. 용접부의 비파괴 검사법(NDT) 6가지에 대하여 논하여라.
(26-1-3)
ANS
비파괴 시험(nondestructive test or inspection : NDT or MDI)은 공업재료나 제품, 구조물 등의 재질, 형상, 치수에 변화를 주지 않고 물리적 성질을 이용하여 그 재료(검사품)의 건전성(성질, 상태, 내부 구조 등)을 조사하는 방법으로 용접부를 절단, 굽힘, 파괴에 의하지 않고 대부분 물리적 현상인 진동이나 전자적인 방사선, 음파, 초음파, 열빛, 전기, 자기, 미립자 등을 이용하여 시험하는 것으로 압연재료, 주조품, 용접물에 널리 사용된다. KSB 0056에서 용접부 비파괴 시험 기호를 규정하고 있다.
종류에는 육안검사(visual test : VT), 누수검사(leak test : LT), 형광침투검사(fluorescent penetrant test : FPT), 염료 침투검사(dye penetrant test : DPT), 초음파검사(ultrasonic tests : UT), 자분검사(magnetic particle test : MT), 방사선 투과검사(radiographic test : RT), 와류검사(맴돌이검사, eddy current test : ET), 음향방출법(어코스틱 에미션 검사;acoustic emission test : AET) 등이 있다.
가. 초음파 탐상(Ultrasonic Test)
* 문제 28-1 참조
나. 누설 검사(Leak test)
탱크 용기 등의 용접부의 기밀, 수밀을 조사할 목적으로 사용되며, 그 방법은 정수압, 공기압에 의한 방법이 있으며, 특수한 방법으로 화학지시약, 핼륨가스, 할로겐 가스를 사용한다. 가장 간단한 액체 정압시험은 시험 용기중의 압력을 외압보다 높게하여 누설압력의 변화, 또는 물이나 섞유중에 넣어 기포발생에 의해 누설장소를 아는 방법이 있으며, 헬륨누설검사는 고감도이므로 보통 누설시험이나 비파괴 시험으로 알 수 없는 약간의 누설도 검지할 수 있다.
할로겐 누설시험은 염소, 불소, 취소, 옥소 중에 하나를 사용하여 누설시험을 하며, 감도가 좋아 원자로용, 용접강판의 검사에 쓰인다.
다. 침투 탐상검사(Liquid penetrant test)
* 문제 31-1 참조
라. 육안검사(Visual test)
용접부의 신뢰도를 외관에 나타난 비드형상에 의해 육안, 또는 간단한 기구(확대경 등)를 사용하여 검사하는 방법으로 소재검사, 비드파형, 균일성, 용입상태, 변형, 언더컷, 오버랩, 표면균열, 형상불량 등을 검사할 수 있으며, 가장 간단하고 신속 저렴하나 내부의 결함이나 정밀검사가 어렵다.
마. 자기검사(magnetic test)
피검사물을 자화한 상태에서 표면과 이면에 가까운 부분에 있는 결함에 의하여 생기는 누설자속을 자분 혹은 코일을 사용하여 결함의 존재를 알아보는 방법으로 육안으로 보이지 않는 아주 작은 결함도 검지할 수 있다.
누설자속 검출방법에는 탐사코일을 사용하는 방법과 자성분말을 이용하는 방법이 있다.
피검사물 자화방법에는 축통전법, 관통법, 직각통전법, 코일법, 극간법 등이 있으며, 자화전류는 500-5000A 정도의 교류(3-5초 통전), 혹은 직류(0.2-0.5초간 통전)를 단시간 흐르게 한 다음 잔류자기를 이용하는 것이 보통이다.
이 방법은 결함부에 생기는 누설자속이 발생하고 있는 장소에 도자성이 높은 미세한 자성체 분말을 살포하면 자분이 결함부에 응집 흡인되어 결함 위치가 육안으로 보인다.
표면 균열 등의 결함은 자분이 가는 선상으로 밀집하며, 내부 결함은 자분의 집중이 폭넓게 응집된다. 또한 표면 균열 검사는 교류를, 내부균열 조사에는 반파의 정전류를 쓴다.
그림 통전법의 종류
바. 와류검사(eddy current test)
1) 원리 및 방법
교류 전류를 통한 코일을 비자성체 시험편에 접근시키면 그 교류 자장에 의하여 금속 내부에 윤상의 와류가 유기된다. 이 와류는 원래의 자성에 반대인 새로운 교류 자장을 발생시키므로 이에 의하여 감응한 코일 내에 새로운 교류 전압을 유기시킨다. 만일 시험편의 표면 또는 표면 부근에 불연속적인 결함이나 불균질부가 있으면 와류의 크기나 방향이 변화하게 되며 따라서 코일에 생기는 유기전압이 변화하므로 이것을 검지하면 결함이나 이질의 존재를 알 수 있게 된다.
결함의 존재는 피컵 코일 내의 유기전압 변화 또는 코일의 임피던스 변화를 측정한다.
코일에 교류가 흐르면 그 주위에 교류자장이 생기며, 이 자장내에 도체를 놓으면 도체를 통하는 자장이 시간에 따라 변화하고 도체에 와전류(유기전류)가 형성한다. 이 와전류의 분포 및 강도는 코일의 크기와 형태, 교류 주파수, 도체의 전도도, 투자율, 코일과의 거리, 또는 도체 표면의 균열 등 결함 유무에 따라 변화한다. 따라서 도체에 흐르는 와전류의 변화를 추정함으로써 시험체의 결함의 유무 및 재질의 특성까지 알 수 있게 된다.
2) 용도
금속 표면 또는 표면 가까이의 내부 결함(균열, 기공, 공공, 줄흠, 개재물, 피트, 언더컷, 겹침, 용입부족, 융합불량)과 금속의 화학성분, 현미경 조직 및 기계적, 열적, 이력을 검사할 수 있고 관의 치수검사, 각종 재료 선별에도 이용될 수 있으며, 비자성체 재료도 검사할 수 있다. 봉, 관, 빌랫 등의 표면 및 표면 가까이의 결함, 금속판의 한쪽에서 그 판 두께 측정, 결함 또는 cladding(접합판법) 검사, 도체 위의 비도체 두께 측정, 비자성체 위의 자성체 두께 측정, 열처리검사, 금속 경도 검사, 섞어진 혼합조직 분류 등이다.
사. 방사선투과 검사(radiographic test)
병원에서 X-Ray로 우리 몸속의 이상 유무를 판별하는 것과 같이 중공업 분야에서 강이나 기타 시험체에 대하여 방사선을 투과하여 필름의 감광작용으로 촬영하여 시험체 내부에 존재하는 결함의 유무를 조사하는 방법으로 현재의 비파괴 시험중 가장 신뢰성이 있고 널리 쓰이는 방법이다.
X선은 물체를 투과하나 일부는 물체중에 흡수된다. 투과 X선의 세기는 시험체의 밀도, 두께, 결함의 유무, 재질에 따라 차이가 생기게 된다. 즉 두꺼운 부분은 X선 흡수량이 많고 투과량이 적으므로 필름의 감광도 적게 되어 필름 형상의 감광도 적게되어 필름 현상시 하얗게 되며, 얇은 부분은 위와 반대의 현상이 일어나므로 필름의 명암 정도를 보고 결함의 유무를 판별하게 된다.
원리는 X선은 진공의 X선관 내에서 고속의 전자가 양극에 충돌함으로서 발생한다. X선관 안에는 전자를 방출하는 음극(cathode)과 그 전자가 향하여 뛰어가는 양극(anode)이 있다. 음극에서 나온 전자는 관전압에 의해서 가속되고 양극에 충돌한다. 전자가 양극에 충돌하면 그 운동 에너지는 X선과 열로 변한다. 이 X선이 검사물을 통과할 때 그 흡수의 차는 투과선상을 사진 film의 농도로서 기록한 것이다.
문제26-1. 중화학공업의 구조물 용접 규격에 있어 용접부위의 육안검사에 대한 요건은 불필요하게 까다로운 경우가 많다. 특히 아래와 같은 용접부 육안검사의 규격 요건에 대하여 근래에 완화되었거나 발전된 내용을 설명하라.(40-4-3)
①arc strike ② under cut ③ Reinforcement
가. arc strike
arc strike 부분은 3000-5000℃의 고온에 순간적으로 도달하였다가 급랭되므로 용접이음의 용융 부위 밖에서 아크를 발생시킬 때 아크 열에 의하여 이 곳의 금속조직은 극히 경도가 높은 조직이 되며, 때로는 스패터보다 훨씬 더 심한 용접균열(crack)의 시작점이 될 수 있다.
따라서 용접 부위 밖에서 arc strike를 할 때는 별도의 판에서 행하여 용접이음 부위로 이끌어 오거나 특별한 주위가 필요하다.
나. under cut
언더컷이란 용접 끝단(toe)에 생기는 작은 홈을 말하는 것으로, 용접전류가 과대할 때, 아크 길이가 길 때, 운봉 속도가 너무 빠를 때 생기기 쉽다. 따라서 전류를 적절히 조정하고 아크길이를 짧게 유지하며, 너무 빨리 운봉하지 않도록 한다. 특히 수직 용접할 때에는 일정한 속도로 운봉하지 말고 비드 양끝에서 약간 멈추는 듯 하게 하고, 특히 크레이터에 용융금속을 채워 놓은 후에 운봉에 들어가도록 한다. 필릿 용접에서는 용접봉의 각도와 운봉속도에 주의하고 모재 두께와 홈 상태에 따라 용접봉 지름을 선택하여야 한다. 또한 언더컷은 홈이 생긴 만큼 기계적 강도가 부족하게 되며, 노치를 이루어 구조물 사용 중에 균열(crack)이 일어나기 쉬우므로 주의하여야 한다.
다. under fill
언더 필은 용접부 윗면이나 아래면이 모재의 표면보다 낮게 된 것을 말하며, 이것은 용접사가 충분히 용착금속을 채우지 못하기 때문이다.
라. 2단 비드
그림과 같이 슬래그가 흘려 내려 비드의 윗부분에 남아 노출된 상대로 된 것을 2단 비드라 하는데 이것은 용접전류가 과대할 때, 용접봉에 습기가 찼을 때, 모재가 녹이 슬었을 때 일어나기 쉬운 것으로 용접봉의 건조와 모재의 청소가 그 방지 대책이라고 할 수 있다. 2단 비드는 외관상 좋지 않으나 이음부의 강도에는 큰 영향을 미치지 않는다.
마. Reinforcement(덧살)
문제27-1. AE 시험법에 대하여 쓰시오(47-4-2)
문제28-1. 용접부의 비파괴검사 방법중 초음파 검사법에 대하여 설명하시오.(39-3-2)
1) 초음파 탐상의 원리
초음파 탐상은 초음파를 피검사물의 내부에 침투시켜 내부의 결함을 알아보기 위한 방법으로서 제강공장에서 ingot 내의 pipe나 파열 등의 탐지, 용접균열과 다공성의 발견 등 여러 시험에 많이 이용되고 있다. 초음파는 가청음을 초과한 음파(보통 0.5 ∼15 MHz)가 사용된다.
초음파는 파장이 짧아서 직진하는 성질이 있다. 초음파의 속도는 공기중에서는 340m/sec., 수중에서는 약 1,500m/sec., 강중에서는 약 5,900m/sec 이므로 공기와 강의 경계면에서는 초음파는 대부분 반사된다. 그림에서 초음파검사장치 및 그 원리를 나타내며, 즉 트랜스듀서에서 침투한 초음파는 일부는 결함에 반사되어 되돌아오거나 흐트러지고 나머지는 피검사물의 끝까지 갔다가 반사되어 돌아온다. 이것을 음극선관에 의해서 결함을 볼 수 있게 되어 있다.
그림 응용 용접공학 p459 전체
2) 초음파 검사의 종류
(1) 공진 검사기기(resonance test instrument)
공진검사기에서는 그의 주파수가 연속적으로 변하는 스위프(sweep) 발진기에 의해서 탐촉자가 작동한다. 재료 두께의 고유진동수나 혹은 그 배수에 스위프 발진기의 주파수가 일치하면, 진폭이 상당히 커지고 CRT화면에 나타난다. 실제로 눈금이 맞추어지면 이런 형태의 기기는 어떠한 재료의 두께를 잴 수 있다. 그러나 시험편의 뒷면은 탐촉자가 닿고 있는 앞면과 평행해야 한다. 이 공진 검사법은 두께를 측정하거나 비교적 얇은 평판형의 결함을 검출해 내거나 혹은 샌드위치 형태의 재료에 있을 수 있는 불완전하게 결합되어 있는 부분을 찾아내는 데에 거의 독특하게 사용한다.
(2) 펄스에코우 검사기기(pulse-echo instrument)
그림에 표시하는 바와 같이 결함에 의한 반사파가 되돌아오는 것을 음극선 스크린(cathode ray screen)에 나타나게 하는 것이다. 이것은 모든 표면 결함, 접합면, 심지어는 금속결정의 경계로부터의 반사도 CRT화면에 나타난다. 사실, 대부분의 기기는 대단히 감도가 좋아서 직경이 1.2mm정도의 작은 기공으로부터의 반사가 CRT화면에 1인치 이상으로 나타낼 수 있다. 펄스 반사법(pulse-echo)의 블록 다이어그램(block diagram)을 그림에 나타낸다.
3) 검사 요령
사용 주파수가 높을수록 적은 결함에 대하서 예민하다. 즉 파장에 비해서 결함의 크기가 너무 적으면 잘 찾아지지 않는다. 트랜스듀서가 접촉하는 피검사물의 표면은 250 inch 이하로 잘 연마되고 트랜스듀서는 접촉되어야한다. 피검사물체의 조직의 입자(grain size)가 크면 낮은 주파수를 사용해야 되고 주파수가 너무 적으면 입자에 의해서도 반사가 된다. 트랜스듀서(transducer)와 피검사물 표면간에는 커플란트( couplants)가 사용하여야 한다.
검사요령에는 수직투사법과 사각투사법이 있는데, 전자는 초음파검사의 원리도에 표시한 바와 같이 초음파가 트랜스듀서에서 피검사 물체 속으로 직진하는 것이고, 후자는 그림 9-6과 같이 사각투사법으로 탐상하기 어려운 부문이나 표면에 아주 가까운 부분에 있는 결함을 탐지하는데 이용된다. 초음파 검사에서는 탐촉자를 이동할 때의 에코우(echo) 높이의 변화에서 추정하기 때문에 어느 정도의 경험을 필요로 한다.
문제29-1. 방사선투과시험과 초음파탐상시험의 특징(장, 단점)과 검출가능한 용접결함에 대하여 설명하여라.(45-4-2)
문제30-1.강용접부의 방사선 투과사진 판독법에 대하여 설명하라(28-4-3)
* 문제30-4 참조
문제30-2. 용접부 검사법중 RT(Radiograpic Test)에서 용접결함의 종류별로 film을 판독하고자 한다. crack, blow hole, spatter, overlap, undercut의 구별 상태를 설명하시오(33-4-2)
* 문제30-4 참조
문제30-3. 용접부 검사 중 X선 투과시험에 의한 필름에서 용접 결함의 종류 및 그 판독방법을 기술하시오.(37-4-1)
* 문제30-4 참조
문제30-4. 방사선 투과시험(R/T)의 필름을 판독함에 있어서 아래와 같은 결함은 필름상에 어떻게 나타나는가를 간단히 설명하라.(40-1-4)
① crack(균열) : X선의 투과 방향과 나란할 때는 검은 예리한 밝은 선으로 보이나 직각일 때는 거의 알 수 없음.
(횡방향 균열 : 머리카락 같은 검은 선이 용접부룰 횡단하는 형상)
(종방향 균열: 용접부 곳곳에 머리카락 같은 검은 선이 종방향으로 나타남)
② blow hole(기공) : 보통 구상 중공이며, X선 흡수가 적어서 필름의 감광이 많으므로 필름상에 검은 둥근점(크기 0.1 ∼ 몇 mm까지)으로 나타남
(집중 브로홀 : 밀집한 둥글고 검은 반점이 용접부에 산재)
③ spatter : 백색의 둥근 점으로 나타남
④ overlap : 용착금속이 모재 위를 따라 덮인 모양으로 용접선을 따라 모재보다 하얗게 나타난다.
⑤ undercut : 용착금속 면을 따라서 가늘고 검은 물결 모양의 그늘로 나타난다.
⑥ 모재와 용착금속 : 모재는 검정색으로, 용착금속은 모재보다 두꺼우므로 X선 흡수량이 많아 필름의 감광을 적게 하므로 흰색으로 나타남
⑦ mis match : 용접부 전체에 강한 농도 변화
⑧ 텅스텐 혼입 : 일정하지 않는 낮은 농도의 점 (반짝이는 흰 점)
⑨ 슬랙섞임 : X선 흡수가 적어서 검은 반점 (둥근형은 적으며, 타원, 구형은 가늘고 긴 형상) (선상의 슬랙 : 2 ∼ 1개의 검고 가는 선)
⑩ 용입불량(부족) : X선 흡수가 적어져서 필름상 용접부 중앙에 검은 직선으로 나타나며, 길쭉한 그늘 모양을 한다. 루트면의 용입부족은 물결모양의 그늘로 나타난다.
⑪ 덧살부분 : 백색(모재:흑색) { 과도한 덧살 : 용접부 중앙에 낮은 농도 (백색)}
⑫ 용락 : 용접부 중앙에 흐릿한 검은 반점
⑬ 덧살부족 : 용접부가 모재보다 고농도 (짙은 검은색)
⑭ 불순물 혼입 : 단일체 또는 직선체 또는 산재한 불규칙한 길쭉한 그늘로 나타난다.
* AWS 규격에서는 발전용 보일러 규정에 의하면 균열과 용입부족은 불합격, 기공은 2급 이상, 슬랙섞임은 3급 이상을 합격기준으로 하고있다.
문제30-5. 비파괴 검사법중 RT에 대하여 다음 물음에 답하라.(31-4-1)
가. crack(크기 10mm) 상태가 용접부 방향에 수평으로 놓인 경우와 45°로 놓여있을 경우 film에 나타나는 현상을 나타내고 판독구분을 설명하라.
crack의 상태를 RT로 검사했을 때 crack이 수평으로 놓인 경우는 X선 투과 방향과 거의 나란하므로 X선의 흡수차에의해 균열이 검고 예리한 머리카락 같은 선이 용접부를 횡단하여 선으로 밝게 보인다. 또한 크랙이 X선과 직각으로 있을 경우는 거의 판별이 곤란하며, 크랙이 X선 방향과 45도로 놓여 있는 경우는 판별이 곤란하거나, 약간의 명암차(약간 더 검게) 나타난다.
나. film에 감응하는 흑화도 요구량을 X선 및 r선별로 답하라.
필름, 밀도(density), 즉 흑화도 요구량은 필름의 어두운 정도를 말하는 것으로 단지 수상적으로 도입한 수로서 정의된다. 필름을 통과한 빛의 밀도 1인 빛은 밀도 3일 때의 백배, 밀도 4일때의 1000배가 된다.
다. penetrament 종류를 열거하고, 현재 사용되는 경우를 답하라.
투과도계는 방사선 사진의 등급수준(감도)을 알기 위해 시험편 위에 올려놓고 촬영하며 종류는 철심형(선형)과 유공형 투과도계가 있다.
1) 철심형 투과도계는 서로 다른 지름의 철사를 7-10 등간격으로 배열한 것으로 판 두께의 2%에 상당하는 철사의 지름이 식별되도록 되어 있으며 용접비드 위에 90도 되게 올려 놓고 촬영한다.
2) 유공형 투과도계는 시편 두께의 2% 정도의 두께를 사용하며 투과도 두께의 1배, 2배, 4배의 구멍이 뚫려 있으며, 용접비드에 인접하여 위치시키고 촬영한다.(ASTM형)
3) 투과도계는 불연속부(결함)의 합부 판정이나 크기를 평가하지는 않고 결함이 나타나는 정도를 표시하기 위한 것이다. 규정에 의하면 두께의 2%에 상당하는 결함이 검출되게 하기 위해 이것을 사용하며, 투과도계는 시험해야할 재질과 유사한 성분을 가진 얇은 금속판(두께는 시편 두께의 2% 정도를 사용하는 유공형)을 쓴다.
4) 철심형은 형식에 따라 FO2에서 FO4, FO8, F16, F32 등이 있으며 피사체의 두께에 따라 FO2는 20mm이하, FO4는 40mm이하, F32는 320mm 이하의 판 두께의 촬영에 쓰인다.
문제31-1. 침투탐상법에 대하여 설명하시오.(30-4-2)
용접물 표면에 생긴 미세한 균열 또는 작은 기공 같은 흠을 신속하고 쉽게, 그리고 감도 깊게 검출하는 방법으로 피검사체 표면의 불연속부에 침투액을 표면장력으로 침투시킨 다음 침투제를 깨끗이 청정한 후 현상액을 사용하여 결함부에 남아있는 침투액이 표면에 나타나게하는 방법이다.
이 방법은 철, 비철재료의 표면결함 검사에 적용하며, 특히 자기검사가 곤란한 재료에 이용되고 있으며, 침투액의 종류에 따라 형광침투탐상, 염료침투탐상이 있다.
이 검사의 감도는 균열 폭이 0.002mm까지 검출되며, 전기나 수도가 없는 곳에서의 결함 검사에 쓰인다.
1) 형광침투탐상
유기 고분자 유용성 형광물을 점도가 낮은 기름에 녹인 것을 사용하며, 표면장력이 작으므로 매우 작은 균열, 표면의 흠을 검출할 수 있으며, 시험방법은 형광액 침투-세척-현상-건조후 자외선 또는 black light(초고압 수은등)로 비춰 결함을 검출하는 방법이다.
이 시험에 많이 사용되는 침투제의 상품명은 자이로그(미국), 크로몰(영국), 수퍼그로, 미크로(일본) 루나그로(일본), 루미넥스(일본) 등이 있다.
2) 액체침투탐상
형광액 대신에 적색 염색액을 시험부 표면에 침투시킨 후 세정, 현상하여 햇빛이나 백열등 밑에서 검사하는 방법이다. 이 방법은 형광침투탐상보다 감도가 낮으나 현장검사에 좋다. 많이 쓰이는 상품명은 다이체크, 레드체크, 다이마크, 소프트 체크, 슈퍼체크 등이 있다.
문제31-2. 용접부 비파괴 검사법중 PT(liquid penetrant test)법을 순서대로 설명하고 그 과정중 주의할 점을 써라.(31-4-3)
1) PT법의 의의 및 종류
* 문제31-1 참조
2) 검사 순서와 주의할 점
(1) 준비 및 전처리(세척 :rince, cleaning)
① 시험에 필요한 시험편, 세정액, 침투제, 현상제, 화장지, 자외선등, 시계 등을 준비한다
② 시험편을 깨끗이하여 침투액의 침투가 잘 되게 한다. 전처리는 유지, 스케일, 기타 이물질이 없도록 비눗물이나 증기, 세조유, 4염화탄소, 가솔린 또는 알카리 세조, 산세 등으로 깨끗이 한다. 만일 흠속에 유기물이 막혀 있으면 70-100℃로 가열하여 제거한다.
(2) 침투(penetration)
①침투액을 시험편 표면에 브러시로 도포하거나 분사 또는 액중에 침적 등에 의하여 침투시킨다. 침투범위는 일반적으로 열영향부를 포함한 용접부의 양측으로 약 5mm 정도 넓게 하면 충분하다.
② 침투시간은 침투액의 종류, 시험편의 재질, 결함 종류와 크기 등에 따라 15-50℃ 범위에서 5-10분 정도 유지한다. 액중 침적의 표준시간은 스테인리스강의 표면 흠(주물의 수축균열, 연마균열, 피로균열)에는 약 30분, 그리고 용접물에는 최소 20분으로 규정되어있다.
(3) 세정(수세 : rince)
침투가 끝나면 표면의 침투액을 깨끗한 천으로 제거하고 용제 세정액으로 시험편이 핑크 빛이 될 정도로 세정한다. 단 수세성 및 우유화성 침투액 사용할 때는 저압의 샤워로 수세한다.
(4) 현상과 건조
습식현상의 경우는 수세후 건조 전에 검사물을 현상액에 담근다음 꺼내서 신속하게 건조한다. 건조는 열풍로 또는 적외선 램프로 50-70℃에서 5-10간 방치하여 건조한다.
건식현상에서는 분말의 현상액을 쓰므로 수세직후 건조하고 건조된 분말 현상제를 뿜어 현상한다. 현상시간은 15-50℃에서 최소 7분 이상 현상한다.
(5) 검사
현상후 7-30분 사이가 적당하며 자외선등(black light)이나 백열등으로 검사한다. 자외선등은 형광 침투액 사용할 때에 쓰며 어두운 곳에서 관찰이 용이하다.
문제32-1. 용접 내부 결함 4가지를 쓰고 이들의 검출에 적합한 비파괴 검사법을 결함별로 구분하여 써라.(34-1-4, 35-4-3)
1) undercut : RT, VT, ET
2) blow hole : RT, UT,
3) 표면 결함 : MT, PT, ET,
4) 용입 불량 : RT, UT, ET,
5) slag 섞임 : RT, UT,
문제32-2. RT, MT, PT, UT에 적용되는 용접결함의 종류를 들고 간단히 설명하라.(50-1-6)
문제33-1. 용접성 시험방법을 열거하고 각각에 대하여 설명하시오.
(30-4-1)
1) 용접성(weldability)이란
주어진 공작조건하에서 적당히 설계된 구조물을 용접할 때 재료의 접합성과 용접구조물의 사용성능에 대하여 어느 정도 만족시킬 수 있는 정도를 표시하기 위해 사용하며 용접성 판정시험에는 주어진 방법을 이용하여 주어진 용접구조물의 공작을 할 때 어떤 금속재료가 그 목적에 사용될 수 있는가하는 판정시험으로 다음과 같은 항목으로 종합시험한다.
2) 종합 시험법
(1) 기초시험 : 모재의 화학조성 분석 시험, 모재의 기계적 성질 시험, 모재의 결함 검사.
(2) 주요 용접성 시험
노치 취성시험, 용접부 연성시험, 모재와 용접부 균열시험
(3) 이음부 시험
이음의 안전성(비파괴시험, 단면시험 등) 시험, 이음의 기계적 성질 시험.
(4) 특수시험
사용목적을 위한 모재와 용접부의 내식성, 열적성질, 전자기적 성질, 고온특성, 가공성과 특수 성능 시험.
이상의 시험은 용접 시공법과 용접구조물의 사용조건에 따라서 큰 영향을 받고 있으며, 그밖에 예열, 후열, 열처리, 시효, 저온, 고온 등의 변수를 가미하여 시험한다.
3) 용접성의 시험 분류
(1) 모재의 용접성(노치, 인성)
충격시험, 인장시험, 노치 인장시험, 노치 굽힘시험
(2) 시공상의 용접성
CTS 비드밑 터짐시험, 구속균열시험, 열영향부 최고경도시험, 탭시험
(3) 사용성능상 용접성
세로비드 노치굽힘시험, 코메럴 시험, 낙중충격시험, 폭파시험, 수압파괴시험.
4) 노치 취성시험
구조물의 용접성 판정에 매우 중요한 요소로서 많이 사용되고있는 시험방법이며, 샤르피충격시험으로 시험하며, 시험목적에 따라 노치형상과 시험온도를 변경할 수 있다.
- 샤르피 충격시험, ESSO시험, 티퍼시험, 반데어비인 시험, 카안 인열 시험, 로버트슨 시험, 슈나트 시험, 이중인장시험, 낙중(DWT)시험, 폭파 시험, 원통형 폭파시험, 대형인장시험 등이 있다.
5) 열영향부 경도시험
모재의 강판상에 비드용접하여 그 직각 단면의 본드(열영향부)의 경도를 측정하여 최고 경도를 측정하는 시험.
6) 용접연성 시험
코메럴 시험, 킨젤시험, T굽힘시험, 재현 열영향부 시험, 연속냉각 변태시험, IIW최고경도시험
7) 용접균열시험
구조물의 파괴에 직접 연결되므로 용접균열의 감수성이 좋은 재료를 선정해야 한다.
- 리하이형 구속균열시험, 피스코 균열시험, CTS 균열시험, T형 필릿용접시험, 바텔비드밑 균열시험, 분할형 원주홈 균열시험.
문제34-1. 용접부의 굽힘시험 방법과 그 판정기준에 대하여 설명하시오 (32-4-1)
1) 굽힘시험
용접부의 연성과 안전성을 조사하기 위하여 사용하는 시험법으로 용접공의 기능검정에도 채용하고 있으며, 굽힘방법에는 자유굽힘, 롤러굽힘, 형틀굽힘이 있고, 보통 180도까지 굽힌다. 또 시험하는 표면 상태에 따라서 표면굽힘시험, 이면굽힘시험, 측면굽힘시험이 있다.
2) 시험결과 판정기준
(1) 3mm를 넘는 균열이 없을 것, 언더컷내의 균열이 기공과 연속되고 있을 때 이 전체를 균열 길이로 한다. 단 열영향부의 균열은 불문한다. 균열은 밖에 있는 것만을 대상으로 하므로 굽혀진 측면으로부터 바깥면에 연속하여 존재하는 균열 등도 바깥면 부분의 길이만 측정해야 된다.
(2) 3mm 이하의 균열이라도 다음과 같은 경우는 0점으로 처리한다.
① 3mm 이하의 균열의 합계가 7mm를 초과하는 경우
② 기공 및 균열의 합계 수가 10개를 초과하는 경우
③ 언더컷, 용입부족, 슬랙섞임 등의 결함이 현저한 경우
문제35-1. 설계압력 12kg/㎠의 압력용기를 설계하려한다. 용접부의 누설검사(leak test)에 대하여 답하시오.(33-1-3)
가. 수압시험 압력(hydrostatic test pressure)과 공압시험 압력(pneumatic test pressure) 및 유지시간을 각각 얼마로 하여야 하는가?
1) 수압시험
압력용기는 원칙적으로 수압시험을 하는 것이나 물을 채우는 것이 실용적이지 못할 때는 공압시험으로 해도 좋다. 수압시험시 물의 온도는 기기의 온도와 같게 하고 공기가 남아 있지 않게한다. 수압시험의 유지시간은 지정이 없는 한 60분으로 한다. 시험압력은 ASME Section Ⅷ DIV 1에 의하면 최고 사용압력(MAWP)의 1.5배 이상에서 시행하여 아래 관계식에 의한다.
시험 압력 = 1.5 * 최대사용압력 * 시험온도에서의 압력/설계온도에서의 압력
이 최대 수압시험압력의 2/3 이상되는 압력에서 누설검사를 시행토록 하고 있다. 한편 ASME Section Ⅲ(원자력 기계)에서는 설계압력의 1.25배 이상에서 시행하고 최소한 10분 이상 유지한 후 누설검사를 하도록 요구하고 있다.
2) 공압시험
공기 또는 N2가스를 사용하여 기기온도가 같을 때 가스온도를 맞춘 후 압력을 올린다. 먼저 최고 사용압력의 50%까지 올리고 그후는 10%씩 단계적으로 압력을 상승시켜 시험압력에 달한 다음 10분간 유지한다. 최고사용압력까지 압력을 떨어뜨려 이 압력에서 보지하면서 이상유무를 검사한다. 즉 공압시험을 최대 사용압력의 1.25배 이상에서 시행토록 하고 시험압력의 1/10배씩 단계적으로 올려 최대 시험압력에 달한 후 압력을 80%가 될 때까지 낮추고 충분한 시간 유지후 검사한다.(ASME Section Ⅷ DIV 1)
나. 수압시험과 공압시험의 누수시험방법을 기술하시오.
문제36-1. 용융용접에 의해 제작되는 압력용기의 내압시험시 주의사항에 대해 설명하시오.(34-4-3)
문제37-1. 다음 사항을 조사함에 있어 적당한 시험방법을 써라.(35-4-2)
가. 용접이음 강도
인장강도시험, 충격시험, 피로시험, 굽힘시험
나. 용접열 영향부의 노치인성
샤르피 충격시험, 티퍼시험, 반데어 비인시험, 카안 인렬시험, 로버트슨시험, ESSO시험, DWT시험
다. 용접열 영향부의 결정립 크기
육안 및 확대경을 통한 시험, 저배율 현미경조직시험
라. 용접이음 연성시험
코메럴시험, 킨젤시험, T형굽힘시험, 재현 열영향부시험, 연속 냉각 변태시험, IIW시험
[[ 참고자료 ]]
1. 충격 시험
충격치 또는 충격 시험은 용접과 불가분의 관계가 있다. 이는 취성 파괴에 견디는 금속의 성질, 곧 파괴 인성(Fracture Toughness)의 척도인 것이다.
충격 시험 중에서 샤르피 V노치(Charpy V-Notch) 시험은 1905년에, 노치가 천이 온도 영역에서 철강의 파괴 거동에 끼치는 영향의 정성적(定性的)평가를 위하여 개발되었다. 그 후에 이 방법은 세계적으로 받아들여졌으며, 오늘날에는 철강의 규격과 품질 보증에 통상 사용되고 있다. 본 시험은 시편을 파괴할 때의 에너지 흡수를 측정하기 위해서 사용되며, 흡수 에너지를 파괴 인성의 측정치로 간주한다.
2. 강재의 노치취성
가. 강재의 연성파괴와 취성파괴
금속이 하중을 받아서 충분히 소성변형을 한 후 파단할 경우에는 결정은 전단변형을 받아서 가늘고 길게 늘어나서 미세하게 되고 꼭 견사를 나란히 늘어 놓은 것과 같은 회색의 파면으로 되므로 이것은 연성파면 또는 전단파면이라 한다.
이에 대해 연신율이 적은 금속을 인장하면 미끄럼 변형이 일어나지 않고 재료는 인장변형에 거의 직각으로 여려져 파단하기 쉽다. 이 경우의 파면을 취성파면이라 한다. 취성파면은 각 단결정 내의 특정의 결정면에 따라서 절단하고 있으므로 벽개형 파면이라 한다. 따라서 취성파면에 빛 비추면 각 단결정의 벽개면이 반짝반짝 반사하여 은백색의 입상이 보인다.
취성균열의 전파는 강중의 음속(약 4900m/sec)의 40% 또는 그 이하에서 현저히 고속으로 일어나는 것이 실측되었다.
나. 취성 파괴 시험방법
노치취성 시험방법으로는 V 샤르피 충격시험, 노치 인장시험, 노치 굽힘시험(COD 시험, NRL 낙중시험, 표면노치 굽힘시험 등)
1) COD 시험(CTOD 시험) : 노치인성의 시험방법으로 V샤르피 시험 이상의 중요한 의미를 가지는 개구량 시험이다.
다. 노치취성에 영향을 미치는 실험조건과 치수효과
1) 저온 : 저온의 단순한 인장시험에서 구조용 강재는 -180 ~ -190℃ 부근에서 갑자기 취성화된다. 이것은 체심입방격자의 특유한 경향이며, 면심입방격자의 알루미늄, 동, 오스테나이트계 Cr-Ni 스테인리스강에는 이 경향이 보이지 않는다.
2) 변형속도 : 날카로운 노치가 있는 시험편에서는 변형속도 V가 빠를수록 천이온도가 높아진다.
3) 노치현상 : 노치현상이 날카로울수록 강재의 노치인성은 저하한다. 노치가 없는 시험편에 비교하면 노치가 붙어 있는 시험편의 흡수 에너지는 1/2 ~ 1/10로 감소하고 있다.
인장강도는 3-35% 감소하고, 날카로운 가스 노치 및 보석용 톱에 의한 노치의 경우에는 항복점에 달하는 순간 곧바로 여려져 파단한다.
노치의 영향은 판 두께가 클수록 크게 된다. 즉 노치 반지름 R과 판 두께의 비가 작을수록 천이온도가 상승하고, 또 파괴까지의 흡수 에너지는 작게 된다.
4) 치수효과 : 기하학적 형상이 상사하여도 대형의 시험편일수록 노치인성이 떨어진다. 이 현상을 말한다.
라. 노치취성에 미치는 야금학적 제인자의 영향
1) 화학성분과 압연 : 연강의 노치인성을 높여서 천이온도를 낮게 하려면 탄소량을 낮게, Mn량을 높게 하는 것이 효과적이다. Mn/C비의 증가와 함께 천이온도가 낮아진다.
2) 탈산방식 : 구조용 강재에서는 탈산이 진행할수록 노치인성이 우수한 경향이 있다. 또 알루미늄을 약간 가한 킬드 세립강은 더욱 양호하다.
3) 세립화 : 탄소강에 소량의 Al, Ti, Zr, Nb, Ce 등을 첨가하면 압연한 그대로서도 세립강을 얻으며, 노치인성이 향상되는 경향이 있다. 또 이들의 특수원소는 탄소와 질소를 안정화시켜 강의 시효성을 감소시키므로 이 점에서도 노치인성의 향상에 도움이 된다.
4) 열간압연 : 압연온도, 특히 압연종료온도가 높거나 또는 압연 후 서랭하면 페라이트 입자가 거칠어져 노치인성이 저하한다. 연강판의 압연 사상온도는 820 ~ 930℃에서는 천이온도에 거의 영향을 미치지 않지만 약 1000℃ 이상으로 되면 천이온도를 대단히 상승시킨다.
5) 열처리와 퀜칭 시효 : 열처리는 강의 노치인성에 크게 영향을 비친다. 850 ~ 900℃에서의 노말라이징에 대하여서는 최저의 천이온도, 즉 가장 좋은 노치인성을 표시하지만 1000℃ 이상으로 되면 천이온도를 대단히 상승시킨다.
마. 용접부의 노치취성
용착강과 모재의 경계본드는 융점까지 가열한
곳에서 그 부근의 모재는 과열조직을 나타내며,
단단하고 충격치는 낮고 또 천이온도는 높다.
연강의 아크 용접은 본드에서 1~2mm 떨어져
있는 부분 즉, 약 900℃ 부근까지 가열된 부분은
세립의 노말라이징 조직으로 되어 있어 천이온도
가 가장 낮다.
또 이 외측에서 최고가열온도 400 ~ 600℃에
달한 부근에 가장 취성화한 영역이 생긴다.
이것은 용접 냉각 중의 변형시효와 퀜칭시효
의 종합적인 영향이라고 생각된다.
3. 용접이음의 피로강도
반복하중을 받는 용접이음의 강도, 이른바 피로강도는 그 정적강도와 관계가 없고, 이음형상과 용접부의 표면상황에 민감하게 영향을 미친다. 용접 구조물의 파괴는 보통의 인장시험과 같이 정적하중이 너무 걸려 소성변형이 생겨서 파괴되는 예는 비교적 적고, 오히려 노치부분에서 낮은 온도에서 발생하는 취성파괴나 또는 반복하중에 의해 파괴되기 쉽다. 특히 기계, 차량, 항공기 등의 반복하중을 받는 용접부는 그렇다.
가. 맞대기 이음
덧살의 대소, 이면용접의 유무, 용접결함의 존재에 따라서 크게 영향을 미친다. 이면용접이 불충분하면 피로강도는 약 20 ~50 %이상 저하하고, 이면용접을 하지 않으면 나쁜 영향이 더 커진다. 또 용접부의 덧살 제거, 응력제거 어닐링, 연삭 등의 영향이 맞대기 이음의 피로강도에 크게 영향을 미친다.
결함이 있는 맞대기 용접이음의 피로강도는 크게 저하한다. 예를들면 CrMo강의 맞대기 용접이음에 미소한 균열이 있으면 피로강도는 약 50% 저하하고, 약 1mm 깊이의 균열이 있으면 피로강도는 1/4 정도로 저하하는 것이다.
나. 필릿이음
필릿용접의 피로강도는 맞대기 이음에 비해 상당히 낮은 것이 보통이다. 이것은 루트부의 응력집중이 매우 크기 때문이며, 광탄성 실험에 의하면 루트부나 지단부에는 약 8배나 달하는 응력집중이 있을 정도이다. 피로강도의 증가를 위해서는 완전 용착이 필요하다.
다. 고장력강의 피로강도
고장력강의 내피로성은 연강보다 나쁘다. 특히 용접한 그대로는 토우부의 응력집중이 피로균열을 발생시킨다. 이것은 토우부에는 작은 비금속 개재물이나 표면결함이 존재하여 이것이 날카로운 노치로 되기 때문이다.
토우부의 피로강도 증가를 위해서는 토우부의 연마에 의한 평활화(2배 이상 증가), 플라스틱에 의한 피복, 용접부의 쇼트 브라스팅이나 피닝, 용접부의 적당한 열처리, 용접부에 압축 잔류응력이 생기지 않도록 부근을 점 퀜칭을 하는 것 등이다. 또 덧살이 적고, 필릿에서는 ㅗ형 단면을 피하는 일이 중요하다.
라. 고응력 피로(소성피로) (저사이클 피로)
용접부는 덧살이나 필릿을 쌓거나 또는 용접결함의 존재에 따라서 날카로운 노치가 많고 탄성적인 응력집중은 2 ~ 7 정도이므로 구조물의 설계하중의 기본에서도 쉽게 소성변형을 받는다. 따라서 용접용 강재에서는 항복점 이하의 하중에서의 저응력피로(또는 탄성피로) 이외에 항복점을 조금 넘는 경우의 고응력 피로가 문제가 된다. 이 경우는 약 10⁴회 정도의 저사이클에서 균열이 발생한다.
고응력피로의 파면은 탄성피로 파면과 같이 조개껍질 모양으로 되지 않고 가운데가 가늘어지는 형으로 되는 경우가 있다.
4. 선형팽창(Lateral Expansion)
선형팽창이란, 에너지 흡수치를 무시하고 일정량의 소성변형을 보증하는 연성 매체로서 간주한다. 따라서 선형팽창은 ASME CODE 및 ASTM 재료규격에 포함되어 있다.
5. 방사선 탐상시험법
가. 원리
X선은 진공의 X선 관내에서 고속의 전가가 양극(target)에 충돌하므로서 발생한다. X선 관 안에는 전자를 방출하는 음극(cathode)과 그 전자가 향하여 뛰어가는 양극이 있어 음극에서 나온 전자가 관전압에 의해서 가속되어 양극에 충돌할 때 운동 에너지가 열과 X선으로 변하여 이 X선이 검사물을 통과할 때 그 흡수차로 투과선상의 사진 필름의 농도차로서 기록되는 것이다.
나. X선 장치
장치의 구성은 크게 나누어 generator와 control box이며, generator는 피사체와 직접관계가 있고 control box는 촬영조건, 즉 피사체의 재질, 두께, 사용전원의 종류, 사용 필름의 종류, 증감지의 종류, 노출조건 등의 조작원이고 부속장치로는 계조계(step wedge), 투과도계(penetrameter)가 있다. X선 검사실에 사용하는 것은 보통 150-400[kV]이며, 이 장치에는 변압기로 고압의 교류를 발생시켜 케노트론으로 정류시켜 X선 관구에 접속한다.
투과검사에 이용되는 X선은 백색 X선이라 부르는 연속 스팩트로(spector)로서 그 최고 에너지(최단파장)는 관구전압의 파고치(kVP)로 표시한다.
공업용으로 대부분 소형 휴대용으로 제작되며 X선관 회로와 전압파형을 자기 정류방식을 채용하고 그 결선방식과 전압내형은 위 그림과 같으며 가스접촉 장치는 관전류를 임의로 변화시킬 수 있고 동시에 입사 촬영용으로 결선된 것도 있다.
또한 베타트론이라 하여 원주궤도상을 전자를 회전운동시켜 1회전마다 수십 볼트씩 가속함으로써 최종적으로 수100만-1억전자볼트 정도이고 에너지를 주어 이것을 타케트에 충돌시켜서 X선을 발생하는 장치도 있으며 이것은 비교적 염가로 고전압의 X선을 얻을 수 있고 집점을 작게(0.1mm 경 이하)할 수 있으므로 선명하고 예민한 상을 얻을 수 있다.
1) 계조계(step wedge)
1mm 두께로 계조계의 두께를 변화시킨 계단상의 판으로 X선필름의 상의 선명한 정도의 차를 나타낸 것이다.
2) 투과도계
방사선 사진의 상(image)중의 결함이 나타나는 정도를 표시하기 위한 것이며 투과도계의 윤곽이 방사선 사진 위에 뚜렷이 나타나면 좋다. 표준 규격으로는 판 두께의 2% 이상의 결함이 검출되야하고 이것을 판별하기 위한 피검사물 표면에 투과도계를 놓는다.
(1) 유공형 투과도계
유공형 투과도계 두께는 보통 시편 두께의 2% 정도가 되는 것을 사용하며 투과도계 두께(T)의 1T, 2T, 4T 크기의 구멍이 뚫려있다. 투과도계의 위치는 용접비드에 인접하여 위치시킨다.
(2) 선형 투과도계
직경이 서로 다른 철사를 평행으로 7-10개 등간격으로 붙인 것으로 판 두께 5-50mm의 시편에 대해 0.1, 0.2, - 1.0mm 식으로 판 두께 2%에 상당하는 직경의 철사가 필름상으로 식별될 수 있는가를 조사하기 위한 것이다. 이것은 보통 7개의 선이 1조로 되어 있으며 기호 F뒤에 7개중의 중앙에 위치한 선의 직경을 나타낸 것이나 7개의 양끝의 최소와 최대의 선지름은 중앙선 지름의 1/2 및 2배의 크기의 것이 배치되어 있다. 이것은 용접비드 위에 90도 되게 올려 놓는다.
3) X선 투과시험 재료와 조건
(1) 감광재료
X선 필름에서는 초산 셀룰로즈의 베이스 양면에 유제가 두껍게 도포되어 있으나 X선은 이것에 흡수되지 않고 그대로 투과하는 것이 많으므로 형광증감 스크린을 양면에 밀착시켜 스크린에서 발생하는 형광에 의하여 필름의 감광도를 20-100배 높일 경우가 있다. 이 스크린은 턴스텐산 칼슘, 유산 바륨, 유화아연 등의 형광성 물질에 연이나 은을 활성체로 미량 첨가하여 소성한 것을 종이 등에 도포한 것이다.
(2) 촬영조건(고려사항)
파(관구전압 : kvp), 강도(관구 전류 : mA), 타케트로부터 필름까지의 거리, 피검사물의 두께, X선원의 점검 크기, 피검사물의 밀도, 필름의 종류, 노출시간, 스크린의 종류 등
(3) X선 촬영 배치에 있어 주의할 조건
ㅇ X선원으로부터 피검사물까지의 거리d와 물품의 조사전면부터 필름까지의 거리t와의 비d/t는 1/7 이상으로 한다.
ㅇ 필름은 될 수 있으면 물품에 밀착시킨다. 절대로 25mm 이상 떨어지지 말 것.
ㅇ 필름 1매에 들어가는 시료의 두께 변화는 X선 노출로 하여 12.5% 이하로 할 것.
ㅇ 투과도계는 필름 주변 가까이 둘 것, 그 판 두께의 2%에 상당하는 선이 필름상에 판별될 수 있을 것.
ㅇ 필름상에서 물품 두께의 2%의 결함이 판별될 수 있을 것.
ㅇ 고해상용, 미립자성의 필름에 연막 스크린을 쓰건 안 쓰건 간에 필름 농도는 1.5-2.5 일 것. 형광 스크린형 필름의 농도는 1.0-1.5일 것.(필름 농도란 빛을 투사할 경우 입사광 강도와 투과광 강도와의 비의 대수를 말함)
(4) 노출표
종축이 (관구전류 mA)*(노출시간 min)로 표시되고 횡축이 강판 두께를 취해 판 두께에 따른 노출량을 관구전압과 관계지어 알 수 있게 한 것이다.
4) γ선 투과 검사
두께가 두꺼워지면 보통의 X선으로 투과하기 힘들게되므로 X선보다 더욱 파장이 짧고 투과력이 강한 γ선을 이용하는 법이다. 이것은 장치가 간단하고 현장에서 취급이 용이하고 가반성이 있고 염가이다. 방사선의 강도는 큐리(C)로 표시되며 1gr의 라듐강도가 1C이다. 이것은 인체에 조사하면 위험하므로 보통 Al제 캡슐에 넣고 이것을 연, 텅스텐제 용기에 넣어 보관하며 뚜껑을 열어서 사용한다.
5) 방사선 검사규격
용접부 결함 검사 등급은 1급(무결함)- 6급으로 나눈다. 결함크기는 길이 2mm이하로 하고 2mm를 넘는 크기의 결함은 계수를 곱한다. 결함 크기가 12mm를 넘는 경우와 균열은 6급으로 한다. 용접구조물 합격 여부는 구조물의 종류, 형상, 치수, 재질 및 하중 부담의 중경량에 따라 달라진다.
6) 방사선 안전
방사선은 위험하다. γ선 또는 X선을 너무 과도하게 받으면 신체 조직이 파괴된다. 그래서 방사선을 취급하는 사람은 보호되야 하고 보호수단을 강구해야된다. 미국 원자력협회에서는 3개월간 1.25렌트겐 이상 혹은 주당 평균 0.1렌트겐 이상 계속 쪼여서는 안된다고 한다. 이 측정방법은 전리통, 가이거 계수기, 포켓 미량계, 필름뺏지 등이 있다. X선관은 콘크리트 방이나 납으로 둘러쌓인 방에 수용하고 모든 조정장치를 실내에 설치한다. 방사선은 좁은 각도로서 수직으로 쪼이는 것이 좋다.
[ 예상문제 ]
1. 용접시 lake tearing의 원인과 대책
비드 파형에 직각방향으로 생긴 균열로써 인성이 적은 용접금속일 때 나타난다. 또한 모재 중의 황 함유량이 높을 때나 냉각속도가 빠를 때도 생긴다. 때로는 비드표면에 망상으로 균열이 겹쳐서 나타나는 수가 있다.
대책으로는 저수소계 용접봉의 사용 또는 예열하는 것이 효과적이다.
2. 초음파 용접(ultrasonic welding)에 대한 에너지식은?
:
전기적 에너지(watt seconds) 
: 상수(150 :
ceramic transducer system)
:
재료의 두께
3. 방사선 검사와 초음파 검사의 특성을 비교하시오.
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검 사 항 목 |
방사선 검사 특성 |
초음파 검사 특성 |
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- 균열 검사 방향
- 결함의 판 두께 방향 - 필릿용접부 검사 - 검사물의 양면 검사
- 결함의 평면적 형상
- 기록 보존 여부
- 기공 판정 - 0.05mm이하의 다공성
- 기기 중량 - 필름 현상 - 필름 소모 - 인체 장애 - 기타
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- 균열방향에서는 검출이 곤란
- 판정 불가능 - 곤란 - 검사물 양면에 접근할 수 없으면 곤란 - 판명되고 결함 측정이 용이
- 영구적 기록 얻은 후 판정할 수 있다. - 명료하게 기록됨 - 기록이 곤란함
- 크다. - 현상처리-검사기간 길다. - 크다. - 많다. - 총체적, 경상비가 고가임
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- RT검사가 곤란한 방향의 검사가 명확함 - 위치 추정이 용이 - 방사선보다 쉬움 - 한쪽에서 접촉할 수 있으면 가능.
- 대략 형상은 알 수 있으나 종류 추정은 곤란함 - 사진 촬영은 할 수 있으나 기록으로는 부족하며 즉석에서 판정할 것 - 기공의 애코는 비교적 적다. - 애코는 생김 방해되는 경우는 제거할 수 있음 - 소형 경량이다. - 검사기간 짧다. - 소모 거의 안됨 - 해가 없다. - 종합적인 경상비가 저렴, 방사선의 20%
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