용접 비드의 복잡한 3D 형상을 순식간에 정확하게 측정하는 방법

용접은 2개의 부재(모재)의 접합부에 열 또는 압력 등의 에너지를 이용해 양쪽의 부재 또는 용가재를 가해 일체화하는 접합 방법입니다. 이때 용접 부분(용접 살 올림부)에 형성된 용접 비드는 접합 강도와 제품 품질에 크게 영향을 미치는 중요한 부분입니다. 용접 비드의 형상에 따라 적절하게 용접되어 있는지 결함·불량이 있는지를 평가할 수 있습니다. 그러나 용접 비드를 정확하게 평가하기 위해서는 복잡한 3차원 형상을 정량적으로 측정해야 하므로 이는 여러 가지 과제가 있습니다.
여기에서는 용접 비드의 기초 지식부터 용접 비드의 3D 형상을 간단하고 정확하게 측정하는 최신 기술까지 설명합니다.

용접 비드란?
가장 적합한 용접 비드의 치수와 형상에 대하여
용접 비드 형상의 결함·불량
용접 비드의 형상 측정에서의 과제 해결 방법
요약: 정확한 측정이 어려운 용접 비드의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

용접 비드란?

용접 비드란 아크 용접이나 레이저 용접 등 각종 용접 방법으로 모재를 접합했을 때 접합 부분의 표면에서 어묵같이 볼록한 형상으로 솟아 있는 부분을 가리킵니다. 비드가 끈 모양이기 때문에 끈 가공이라고도 합니다.
배관 등 금속 파이프의 제조에서는 롤 성형 후에 고주파 용접으로 모재를 결합한 부분에 용접 비드를 할 수 있습니다. 그 밖에도 다양한 방법의 의한 용접에서 기복이 거의 없는 형상이라도 금속이 모재와 용융된 접합 부분은 용접 비드라고 합니다.

가장 적합한 용접 비드의 치수와 형상에 대하여

대표적인 용접 방법의 하나인 아크 용접으로 용접 비드 형상에 대해 설명합니다.
용접 비드는 치수 규정을 충족하여 적절한 형상이 됩니다.

용접 비드 치수의 규정 및 형상

용접 비드의 치수는 표준화되어 있습니다. 이러한 요구 사항을 충족하면 가장 적합한 용접 비드 모양을 얻을 수 있습니다. 개발·설계 단계에서의 고려는 물론 공정에서 요건을 충족하고 있는지도 중요합니다.

용접 비드의 최소 두께인 「목 두께」및 모재가 용융한 부분의 정점으로부터 모재 표면까지의 길이인 「용입 깊이」 등 용접부 단면의 치수가 규정되어 있습니다.
그리고 외관에서 알 수 있는 치수 규정 항목으로는 접합의 부착면 부분에 해당하는 용접 루트부에서 용접 비드 지단까지의 최소 길이 「다리 길이」가 있습니다. 예를 들어 필릿 용접에서는 아래 그림과 같이 다리 길이가 얇은 쪽 모재의 길이가 판 두께의 80% 이상을 충족하는지의 여부에 따라 최적의 비드 폭의 판단 기준이 됩니다. 예를 들어 얇은 쪽 모재의 판 두께가 20mm인 경우 16mm 정도의 다리 길이가 필요해 비드 폭을 결정합니다. 다리 길이의 예는 아래 그림에 나와 있습니다.

용접 비드의 치수와 전류량

아크 용접에서는 용접 시의 전류량이 용접 비드의 치수를 좌우하는 요인 중 하나로 들 수 있습니다. 전류가 클수록 커지고 작은 전류의 경우 작은 형상의 용접 비드가 형성됩니다.용접 비드가 규정의 치수·형상을 충족하지 않는 경우 전류량이나 토치의 이동 속도 등 각종 용접 조건을 재검토할 필요가 있습니다.

용접 비드 형상의 결함·불량

용접 비드 표면의 형상(외관)에서 치수 이외에도 주의해야 할 결함·불량이 있습니다. 이하에서는 용접 비드의 대표적인 결함·불량 현상과 원인을 그림과 함께 설명합니다.

오버랩

【현상】: 오버랩이란 모재 표면에 넘쳐 나온 용융 금속이 모재를 용융하지 않은 채 용접 비드로서 냉각되고 굳어진 상태를 말합니다.
【발생 원인】: 용접 속도가 낮으면 용착 금속량이 과잉되어 발생합니다. 또한 필릿 용접에서 발생하는 경우 과도한 용융 금속이 중력으로 처져 발생합니다.

덧살 부족

【현상】: 덧살이란 「개선(groove) 또는 필릿부를 용접할 때 필요 치수 이상으로 표면에서 고조된 용착 금속」이라고 정의되고 있습니다.
【발생 원인】: 용접 조건(전류량이나 속도)이 적절하지 않기 때문에 발생합니다.

언더컷

【현상】: 언더컷은 「용접 비드와 모재의 경계에서 용접선을 따라 모재가 패임으로써 모재의 표면보다 낮게 되어 있는 홈」으로 정의됩니다.
【발생 원인】: 일반적으로 용접 전류나 용접 속도가 과도하게 높은 것 등이 원인이 됩니다.

피트

【현상】

피트는「개방 결함」이라고도 불리며 용접 금속 내부에 발생한 가스 구멍이 비드 표면으로 방출되었을 때 구멍이 되어 굳어진 표면 결함입니다. 덧붙여 용접 비드 내부의 가스 구멍은 「블로홀」이라고 불리는 내부 결함입니다.

【발생 원인】

밀봉 가스의 불량이나 탈산재의 부족, 모재 개선면의 유분이나 녹, 도금 등의 표면 부착재, 재료 중의 수분 등을 들 수 있습니다.

균열(용접 비드나 모재의 표면)

【종류와 현상】

균열은 용접 직후의 고온 상태에서 용접부에 발생하는 균열입니다. 「응고 균열」「액화 균열」로 크게 나뉘며 응고 균열은 응고 시에 발생하는 균열입니다. 액화 균열은 다층 용접 시 이전 용접층이 다음 용접에 의해 녹아 발생하는 균열입니다. 또한 발생 위치나 형상에 따라 「세로 균열」「지단 균열」「가로 균열」「크레이터 균열」 등으로 분류됩니다.

균열(용접 비드나 모재의 표면) — A

세로 균열

B

지단 균열

C

가로 균열

D

크레이터 균열

형상·외관에서 알 수 있는 결함·불량 이외에도 열량의 부족으로 필요한 용입 깊이에 비해 용융량이 부족한 「용해 부족」이나 부분적으로 용융 금속이 모재에 녹지 않은 「융합 불량 」등 접합 강도에 영향을 주는 결함·불량도 있습니다. 이들은 내부 결함이기 때문에 단면 샘플에서의 검증 등이 필요합니다.

용접 비드의 형상 측정에서의 과제 해결 방법

용접 비드의 품질을 보증하려면 검사가 필수적입니다. 양품 견본이나 게이지와 육안으로 비교하기 위해서는 높은 스킬과 시간이 필요하며 사람에 따라 판단이 다를 수 있습니다. 또한 인라인 자동 검사 장치는 대부분 시스템과 정밀도에 있어서 연구개발 단계나 용접 조건 설정을 위한 테스트, 샘플링 검사나 소량 다품종의 전수검사 등의 목적에는 적합하지 않습니다.

이러한 용접 비드의 측정 과제를 해결하기 위해 KEYENCE에서는 원 샷 3D 형상 측정기 「VR 시리즈」를 개발했습니다.
대상 물체의 3D 형상을 비접촉으로 면에서 정확하게 포착할 수 있습니다.또한 스테이지의 대상 물체를 최고 속도 1초 만에 3D 스캔하여 3차원 형상을 고정도로 측정할 수 있습니다. 이 때문에 측정 결과의 편차 없이 순간적으로 정량 측정을 실시하는 것이 가능합니다. 여기에서는 구체적인 장점을 소개합니다.

장점 1: 최고 속도 1초. 「면」으로 대상 물체 전체의 3D 형상을 일괄 취득.

「VR 시리즈」는 최고 속도 1초 만에 면 데이터(원 샷으로 80만점의 데이터)를 취득할 수 있습니다. 이를 통해 복잡한 용접 비드의 3차원 형상을 순식간에 고정도로 측정함으로써 정량적으로 평가할 수 있습니다.
최대·최소의 요철을 컬러 맵으로 알기 쉽게 표현할 수 있어 불량 부분을 판별할 수 있습니다. 또한 불량 부분 등 임의의 부분을 지정해 상세한 프로파일 데이터를 취득하는 것이 가능합니다.
측정 후에도 대상 물체를 다시 설정하지 않고 과거에 3D 스캔한 데이터에서 다른 부분의 프로파일 데이터를 취득할 수도 있습니다. 또한 여러 대상 물체의 측정 데이터를 나란히 비교하거나 원하는 조건을 여러 데이터에 일괄 적용시킬 수 있습니다. 이에 따라 공정 수가 비약적으로 절감되며 업무 효율이 향상됩니다.

장점 2: 간단하게 조작할 수 있으며 측정자에 따른 측정값의 편차 없음

대상 물체를 스테이지 위에 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단한 조작으로 3D 형상의 측정을 할 수 있습니다. 대상 물체의 특징 데이터로부터 자동으로 위치 보정이 가능하기 때문에 엄격한 레벨링이나 위치 결정은 불필요합니다. 또한, 대상 물체의 크기를 판단하여 측정 범위를 자동 설정·스테이지 이동하는「Smart Measurement 기능」을 업계 최초로 탑재하여 측정 길이나 Z 범위 등을 설정하는 수고를 일절 배제했습니다.

또한 풍부한 보조 툴을 사용하여 원하는 측정 내용을 직관적으로 설정할 수 있습니다.
간단한 설정은 물론 초보자도 조작하기 쉽기 때문에 측정에 익숙하지 않은 사람이라도 최고 속도 1초만에 정확한 측정을 할 수 있습니다. 이로 인해 연구 개발 및 조건 설정 테스트를 하는 경우뿐만 아니라 측정·검사에서의 N수도 간단하게 늘릴 수 있습니다.

요약: 정확한 측정이 어려운 용접 비드의 형상 측정을 비약적으로 개선·효율화

「VR 시리즈」라면 고속 3D 스캔을 통해 비접촉으로 대상 물체의 정확한 3D 형상을 순식간에 측정할 수 있습니다. 용접 비드의 3차원 치수나 복잡한 요철 형상의 파악, 결함·불량의 판별 등 어려운 측정 항목도 최고 속도 1초만에 완료. 지금까지의 측정 과제를 모두 클리어할 수 있습니다.1초만에 완료. 지금까지의 측정 과제를 모두 클리어할 수 있습니다.

컬러 맵으로 용접 비드의 이상 부분을 가시화하는 것이 가능합니다.
한 번 스캔하면 언제라도 임의의 부분의 프로파일 측정이나 복수 데이터의 비교 등이 가능합니다.
위치 결정 등의 작업 없이 스테이지에 대상 물체를 놓고 버튼을 누르기만 하면 되는 간단 조작을 실현. 특정 작업자만 측정 업무를할 수 있는 문제를 해소합니다.
간단·고속·고정도로 3D 형상을 측정할 수 있기 때문에 단시간에 많은 N수에 대응할 수 있으며 품질 향상에 도움이 될 수 있습니다.
사람에 의한 측정값의 편차를 해소하여 정량적인 측정이 가능합니다.

그 밖에도 CAD 데이터와의 비교나 공차 범위 내에서의 분포 등도 간단하게 데이터 분석을 할 수 있기 때문에 연구 개발이나 용접 조건 설정부터 샘플링 검사나 소형 로트품의 전수 검사, 경향 분석 등 다양한 용도로 활용할 수 있습니다.

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