용접부의 용입 불량과 측정·검사의 효율화

용접부의 기계적 특성과 파괴

모재는 물론, 그것을 접합하는 용접부(용접 비드·용입)도 용가재(용접봉·용접 와이어 등)가 용융·응고된 금속 재료입니다.
대표적인 아크 용접 등에서 용접 금속은 물론, 용접열의 영향을 받은 모재의 열 영향부에서도 금속 조직이 연속적으로 변화합니다. 그와 함께 금속 재료의 기계적 특성도 연속적으로 변화합니다. 한편, 용접 비드 표면에 형성되는 「덧살」에는 불연속성이 있습니다. 불연속성이 집중된 경우, 기계적 특성에도 편차가 발생하기 때문에 응력 집중으로 인한 파괴의 원인이 됩니다.

강도 설계와 용접 품질

일반적으로 금속 제품의 강도 설계에서는 제품에 가해지는 하중을 예상하고 각 금속 부재에 작용하는 하중을 구해 재료를 선정합니다. 또한, 각 부재의 용접부에 작용하는 하중에서도 강도 설계가 요구되어 그에 준하는 용접 품질을 실현해야 합니다.
따라서 용접 후의 용접 비드 단면 크기인 「목 두께(목 단면)」나 「각장」, 「용입 깊이」 등을 측정하여 강도 설계에 따른 용접 품질을 검사하는 것이 중요합니다. 용접부의 품질은 용접 후 단면의 매크로 측정을 통해 평가할 수 있습니다.

용입 깊이와 용입 불량

용입 깊이는 접합 강도와 밀접한 관계가 있습니다. 용접부에 용입 깊이나 모재와의 관계 등이 적절하지 않은 「용입 불량」이 있는 경우, 용접의 품질과 강도가 크게 하락합니다. 맞대기 용접을 예로 대표적인 「용입 불량」에 대해 아래에서 살펴보겠습니다.

용입 부족

용융 금속에 대한 입열 부족 등으로 인해 필요한 용입 깊이보다 용입량이 부족해지는 불량입니다. 그림은 겹치기 필렛 용접의 예시입니다. 맞대기 용접의 경우, 모서리 하부에서 발생하기 쉬우며, 박판의 T(수평 필렛) 조인트의 경우, 일반적으로 용입 깊이가 박판 측의 20%일 때 용입 부족이라고 합니다.

융합 불량

부분적으로 용융 금속이 모재에 용입되지 않은 불량입니다. 그림은 박판의 T(수평 필렛) 조인트의 예시입니다. 원인으로는 용융 금속에 대한 입열 부족이나 용융 금속의 선행 유입, 그리고 원주 용접에서는 선행 비드와 후행 비드가 충분하게 용입되지 않은 상태에서 랩 용접으로 이행한 경우 등에 발생합니다.

완전 용입 용접·부분 용입 용접과 강도

개선의 차이에 따라 용입의 양식도 바뀌고 동시에 용접도의 강도도 다릅니다.

완전 용입 용접

완전 용입 용접이란, 맞대기 용접처럼 접합하는 모재의 모서리를 용융한 접합재(용가봉·용접 와이어)로 일체화하여 매립하는 용접 방법입니다.
완전 용입 용접부는 모재와 내력이 동일해지기 때문에 강도 설계에서 용접부의 신뢰성이 높다고 합니다. 한편, 높은 용접 품질이 요구됩니다. 특히 용접부의 가장자리는 언더 컷 등의 불량 발생에 주의해야 합니다. 또한, 덧살을 지나치게 많이 둔 경우, 그곳에 응력이 집중하여 균열 등의 원인이 되므로 덧살 관리·조정도 중요합니다.

부분 용입 용접

부분 용입 용접이란, 모재상에 모서리를 부분적으로 만들어 용접하는 방법입니다. 완전 용입 용접은 모재의 판 두께 전면을 용접하는 한편, 모재를 부분적으로만 용접합니다. 완전 용입 용접이 일반적이지만 부재의 설계·제작상 접합부가 교차하는 경우는 부분 용입 용접이 필요합니다.

단, 굽힘 모멘트나 인장력이 작용하는 부분에 대한 부분 용입 용접은 강도가 부족해지기 쉬우므로 주의가 필요합니다. 용접부의 강도 설계, 그리고 실제 용접부의 용입이 설계에 준거하여 「목 두께」 등의 치수가 조건을 충족하는지 살펴보는 측정·검사가 특히 중요합니다.

용입과 모재의 경계를 선명하게 포착하는 4K 고해상도 화상

용접부의 단면에는 용입·모재 모두 용접부 경계의 콘트라스트가 낮아 기존 현미경으로는 경계가 뚜렷하게 보이지 않기 때문에 판단 및 측정이 어려운 경우가 있었습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 고해상도의 4K 화상으로 에지를 선명하게 포착할 수 있습니다. 용접 금속과 모재의 경계를 구별하기 어려운 겹치기 필렛 용접의 단면에서도 경계의 선명한 에지와 금속 조직의 차이, 불량 부분을 바로 구별해서 볼 수 있게 되었습니다.
따라서 기존의 용입 치수 측정 시의 혼동을 해소하고 작업 공정 수를 절감하는 동시에 검사의 정확성을 향상시킬 수 있습니다.

용접부 치수 측정의 효율화

용접부 단면의 치수 측정은 강도와 품질에 관한 중요한 검사입니다. 그러나 기존의 실체 현미경은 모재와 비드의 콘트라스트가 낮아 측정 부분의 판단이 어려웠습니다. 또한, 육안으로 메모리와 대조하여 그 수치를 수동 입력해야 했기 때문에 사용자에 따른 오차 및 작업 번잡화가 과제였습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 용접부의 경계도 선명하게 표현하는 4K 고해상도 화상을 모니터로 보면서, 측정 부분을 클릭만 하면 되는 간단한 조작으로 각장·목 두께·용입 깊이 등의 「2D 치수 측정」을 실시할 수 있습니다. 서브미크론 단위의 고정도 측정도 짧은 시간 내에 간단하게 완료되어 작업 공정 수를 대폭 절감할 수 있습니다.
또한, 최신 「자동 에지 추출 기능」으로 작업자에 따른 측정 부분의 편차를 방지할 수 있습니다. 뿐만 아니라, 측정·저장한 데이터를 앨범에서 선택하면 다시 치수를 측정할 수도 있어 다양한 검사 요망에 대응합니다.

용접의 용입 측정

용접 비드의 3D 치수 측정·3D 형상

용접 비드는 연속적인 요철 형상입니다. 비드 표면에 덧살 부족·오버랩·언더 컷·피트·균열 등의 불량(비연속성)이 있는 경우 목적으로 하는 기계적 특성을 얻지 못하여 파손의 원인이 되기도 합니다. 그러나 기존의 현미경은 비드 요철의 일부에만 초점이 맞아 덧살 등의 평가에 필요한 높이 정보를 취득하지 못했습니다.

4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 간단한 조작을 통해 여러 초점 위치를 순간적으로 합성하여 요철이 있는 대상 물체의 풀 포커스와 「3D 치수 측정」을 실현합니다. 또한, 용접 비드의 3D 형상을 표시함으로써 비드 표면의 형상을 다양한 각도로 자유롭게 검사할 수 있고 임의 단면을 프로파일로 측정할 수 있습니다. 그 밖에 형상 해석 및 거칠기 해석도 실시할 수 있으므로 용접 비드 주변의 모재 표면 스패터나 균열 등도 검사할 수 있습니다.

측정·검사 리포트를 빠르게 작성

기존에는 측정·검사의 번잡함뿐만 아니라, 리포트 작성도 작업에 큰 부담이 되었습니다.
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」에는 「리포트 기능」이 탑재되었습니다. PC처럼 Excel을 인스톨할 수 있고 정형 양식을 사전에 설정하면 치수가 표기된 확대 화상은 물론 측정값 및 OK/NG 판정이 즉시 입력됩니다. 따라서 리포트 작성의 번거로움과 공정 수를 비약적으로 절감할 수 있습니다.