[논문]강교용 박스거더의 용접예열 온도 선정에 관한 연구

조재훈; 문승재; 유호선

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This study analyzed causes and status of cracks to suggest preventives for welding cracks generated on fillet welding zone of atmosphere corrosion resisting steel box girder. Penetrant testing, a sort of non-destructive testing, was conducted for inspection of crack status on welding zone. As a resu...

This study analyzed causes and status of cracks to suggest preventives for welding cracks generated on fillet welding zone of atmosphere corrosion resisting steel box girder. Penetrant testing, a sort of non-destructive testing, was conducted for inspection of crack status on welding zone. As a result of test, welding cracks were found on the point of start, center and end to fillet welding zone of 32 mm-thickness. The result of carbon equivalent composition of materials was 0.452%. According to welding specification, to preheat prevent welding crack, preheat temperature of $100{\sim}200^{\circ}C$ should be kept before welding execution. It was failed to keep preheat temperature because it had been executed on winter season and the structure of box girder had wide heat transfer area. As a result of examination of time varying preheating temperature of 32mm-thickness material, it was understood that preheat temperature of above $230^{\circ}C$ on both 130mm-long sides of welded joint can prevent welding crack.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 내후성강 박스거더 필렛용접부의 용접균열현황 및 원인분석을 통해 용접손상 예방방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서 강교용 박스거더의 용접손상원인 분석 및 시간에 따른 용접예열 온도의 변화를 시험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

교량, 철도, 차량, 선박, 항공, 화학플랜트 및 발전 설비 등의 구조물 제작과정에서 사용되는 각종 재질은 구조물이 요구하는 특성을 가져야 하므로 그 특성을 만족하기 위해서 합금원소를 첨가하도록 한다. 그러나 합금원소 첨가에 따라 탄소당량이 증가하는 등 용접성이 떨어지게 되며 이로 인해 용접손상이 발생되는데 이를 예방하기 위해서는 용접예열온도 관리에 세심한 주의가 필요하다.
용접 전 최소 용접예열 온도를 유지하기 위하여 용접예열 온도와 가열 폭에 대한 기준을 제시하기 위해 내후성강 박스거더의 용접예열온도 변화 측정 시험을 수행하였다. 시험에 적용된 필렛이음부의 두께는 12 mm와 32 mm이다.
5분 간격으로 측정하였다. 용접예열 온도는 두께 32 mm에 대해 용접시작부에서 100 mm, 용접중심선에서 50 mm 떨어진 각 위치에서 디지털 온도계를 이용하여 측정 하였다.
용접이음부 양쪽 폭 75 mm, 길이 1,000 mm를 200℃와 230℃의 온도로 예열하여 시험하였고, 용접이음부 양쪽 폭 130 mm, 길이 1,000 mm를 200℃와 230℃의 온도로 예열하여 시간에 따른 용접예열 온도의 변화를 1.5분 간격으로 측정하였다. 용접예열 온도는 두께 32 mm에 대해 용접시작부에서 100 mm, 용접중심선에서 50 mm 떨어진 각 위치에서 디지털 온도계를 이용하여 측정 하였다.
필렛이음은 두께 12 mm와 32 mm로 시공되었고 두께 12 mm의 규격은 폭 1,600 mm, 길이 8,959 mm이며 두께 32 mm의 규격은 폭 2,300 mm, 길이 8,959 mm이다. 용접자세는 수평자세로 단부 약 300 mm는 반자동용접을 실시하였고 나머지 용접부에 대해서는 자동용접을 실시하였다.

대상 데이터

용접 전 최소 용접예열 온도를 유지하기 위하여 용접예열 온도와 가열 폭에 대한 기준을 제시하기 위해 내후성강 박스거더의 용접예열온도 변화 측정 시험을 수행하였다. 시험에 적용된 필렛이음부의 두께는 12 mm와 32 mm이다. 두께 12 mm의 규격은 폭 1,600 mm, 길이 9,160 mm이며, 두께 32 mm의 규격은 폭 2,300 mm, 길이 9,160 mm로 두께와 폭은 용접균열이 발생된 부재와 동일하다.
두께 12 mm의 규격은 폭 1,600 mm, 길이 9,160 mm이며, 두께 32 mm의 규격은 폭 2,300 mm, 길이 9,160 mm로 두께와 폭은 용접균열이 발생된 부재와 동일하다. 예열을 위하여 화염토치를 사용하였으며, 화염토치에 공급되는 가스는 산소와 프로판가스(liquefied petroleum gas, LPG)이다. 시험당시 모재의 온도는 0.
Table 2에는 용접시공 당시 내후성강 박스거더 소재를 용접한 용접봉의 화학성분 구성을 나타내었다. 용접봉은 YFA-50W를 사용하였으며 내후성강에 적용되는 용접봉으로 내식성이 우수한 구리, 크롬 및 니켈 등으로 구성되어 있다.^[6]
용접균열은 반자동용접 플럭스 코어 아크용접(flux core arc welding)과 오토 케리지 용접(auto carriage welding)을 병행하여 시공한 두께 32 mm의 필렛용접(fillet weld)부에서 발생되었으며 용접시작부와 중간부 및 끝단부에 걸쳐 발생되었다. 필렛이음은 두께 12 mm와 32 mm로 시공되었고 두께 12 mm의 규격은 폭 1,600 mm, 길이 8,959 mm이며 두께 32 mm의 규격은 폭 2,300 mm, 길이 8,959 mm이다. 용접자세는 수평자세로 단부 약 300 mm는 반자동용접을 실시하였고 나머지 용접부에 대해서는 자동용접을 실시하였다.

이론/모형

용접시 전류는 280 ~ 300 A, 전압은 30 ~ 35 V이다. 용접속도는 35 ~ 40 cm/min, 용접기법은 직선운봉법을 이용하여 시공하였다. Table 2에는 용접시공 당시 내후성강 박스거더 소재를 용접한 용접봉의 화학성분 구성을 나타내었다.

성능/효과

또한 액화균열은 다층용접에서 재 가열된 이전 비드의 용접금속이 액화되어 고체 및 액체의 공존상태를 통과할 때 수축 변형이 한계 값을 초과하여 발생되며 연성저하균열은 액상이 존재하지 않는 조건에서 발생되는데 입계편석, 입계석출 및 입내석출 등에 의해 발생된다.^[3] 고온균열의 발생을 억제하기 위해서는 용접시 전류 및 전압을 낮추고 용접냉각속도를 빠르게 하여 입열량을 적게 시공하여야 한다. 그리고 박스거더 조립시 치수를 만족시키기 위해 체인블럭을 이용하여 강제로 용접이음부를 구속하지 않도록 하여 잔류응력이 저감되도록 하며, 용접전 개선면에 오일, 먼지 및 녹 등을 제거하여 용접금속에 저융점 개재물의 혼입을 방지하여야 한다.
Table 4에는 용접구조용강과 내후성강의 화학성분 구성을 나타내었다. 두 재질의 탄소, 망간, 실리콘, 인 및 황의 성분구성은 동일하나 크롬과 구리 니켈의 함유량에 차이가 있어 내후성강이 내식성이 우수함을 알 수 있다. 그러나 내후성강은 크롬증가에 따라 용접성이 떨어지고 합금원소 첨가에 따라 탄소당량이 커질 수 있으므로 용접예열 관리에 주의해야 한다.
용접시공조건을 검토한 결과 용접전류와 전압, 용접속도 및 용접봉은 용접절차서(welding procedure specification)에 의해 시공되었음을 확인하였다. 그러나 1 ~ 2월에 시공된 관계로 추운날씨에 작업이 되었고, 용접예열 후 용접시작 전까지 시간을 측정한 결과 약 3분이 소요됨에 따라 기준 용접예열 온도가 유지되지 못하고, 급냉에 의한 조직의 경화가 용접손상 발생에 주요한 원인인 것으로 사료된다.
5분에는 48℃로 온도가 변화되어, 위 세 가지 경우 모두 3분 이내에 최소예열온도이하로 온도가 낮아지는 것으로 나타났다. 용접이음부 양쪽 폭 130 mm를 230℃로 예열하였을 경우에는 1.5분에 177℃, 3분에는 112℃, 4.5분에는 71℃로 온도가 변화되는 것으로 나타나 예열 후 3분 이내에는 적정 용접예열 온도를 유지하고 있음을 알 수 있었다. 따라서 용접예열 후 용접을 시작하기 전까지 3분의 작업시간이 소요됨에 따라 용접 전 예열온도를 유지하여 용접균열을 예방하기 위해서는 용접이음부 양쪽을 폭 130 mm이상 가열하고 230℃이상으로 예열하여야 용접손상을 줄일 수 있는 적정예열 온도를 유지시킬 수 있다.
박스거더의 소재인 내후성강의 특성을 상대적으로 비교하기 위해 용접구조용강과 내후성강의 기계적 특성인 인장강도와 항복강도, 연신율 및 샤르피(Charpy)흡수에너지를 Table 3에 나타내었다. 인장강도와 샤르피 흡수에너지는 490 MPa 및 27 J로 동일하였으나 상온 연신율은 각각 19% 및 22%로서 내후성강이 더 적다는 것을 알 수 있었으며 항복 강도는 각각 355 MPa 및 315 MPa로 내후성강이 더 크다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	크롬이 함유된 강의 장단점은 무엇인가?	특히 강교용 박스거더에 적용되는 내후성강(SM490BW)은 부식이라는 강재의 큰 단점을 극복하고 공업재료로서의 강재의 경쟁력을 더욱 높이고자 일반강에 크롬, 니켈 및 구리 등 내식성이 우수한 합금원소를 첨가한 저합금강으로 일반강에 비해서는 4 ~ 8배 높은 내식성을 갖고 있는 강재이다.[1] 또한 크롬이 함유된 강은 내산화성이 우수하고 강도 및 내크리프성이 향상되는 경향이 있으며 수소에 대한 저항성이 우수하나 크롬 증가에 따라 탄소당량이 증가하여 용접성이 저하되므로 용접예열 온도 관리에 주의를 기울여야 하는 소재이다.
	강교용 박스거더에 적용되는 내후성강의 특징은 무엇인가?	특히 강교용 박스거더에 적용되는 내후성강(SM490BW)은 부식이라는 강재의 큰 단점을 극복하고 공업재료로서의 강재의 경쟁력을 더욱 높이고자 일반강에 크롬, 니켈 및 구리 등 내식성이 우수한 합금원소를 첨가한 저합금강으로 일반강에 비해서는 4 ~ 8배 높은 내식성을 갖고 있는 강재이다.[1] 또한 크롬이 함유된 강은 내산화성이 우수하고 강도 및 내크리프성이 향상되는 경향이 있으며 수소에 대한 저항성이 우수하나 크롬 증가에 따라 탄소당량이 증가하여 용접성이 저하되므로 용접예열 온도 관리에 주의를 기울여야 하는 소재이다.
	박스거더 용접부에서 용접균열이 발생하였을 경우, 균열의 원인을 분석하기 위해 우선적으로 균열의 종류를 파악해야 하는 이유는 무엇인가?	박스거더 용접부에서 용접균열이 발생하였을 경우, 균열의 원인을 분석하기 위해 우선적으로 균열의 종류를 파악해야 한다. 균열의 종류를 파악하는 것은 균열현상에 대한 이해를 보다 더 쉽게 알 수 있을 뿐만 아니라 균열 방지대책을 세울 수 있는 가장 기본적인 단계이므로 매우 중요하다. 박스거더 용접 시 발생될 수 있는 용접균열에는 고온균열과 저온균열이 있으며 각각에 대한 손상원인 및 방지를 위한 용접관리방안은 다음과 같다.

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