고품질 금속 용접 부품에 적용되는 시험 기준은 무엇인가요?

금속 용접 부품을 규제하는 핵심 용접 코드

ASME 섹션 IX 대 AWS D1.1: 목적, 범위 및 금속 용접 부품 적용

ASME 규격의 제9편은 용접 공정과 이를 수행하는 인력을 인증하기 위한 기본적인 규칙을 제시한다. 이는 가스를 운반하는 배관이나 증기 보일러와 같이 안전이 가장 중요한 시스템에서 일관된 품질을 유지하는 데 도움을 준다. AWS D1.1 규격은 이와는 다른 접근 방식을 취하며, 구조물이 응력을 받는 상황에서도 견고하게 유지되도록 보장하는 데 중점을 둔다. 이 규격은 접합부 설계 방법, 필요한 검사 항목, 그리고 교량 지지대나 건물 골조와 같은 구조물에 실제 적용할 때 용접 결함이 어느 정도까지 허용될 수 있는지 등을 다룬다. 용접이 필요한 금속 부품의 경우, 제9편은 용접부가 규격에 부합하는지 어떻게 시험해야 하는지를 알려주고, D1.1은 그러한 부품이 실제 운용에 투입되었을 때 어떤 수준이 '충분히 양호한' 것으로 간주될 수 있는지를 규정한다. 이 두 규격은 사실상 서로 보완적인 관계이다. 하나는 모든 사람이 올바른 절차를 단계별로 따르도록 보장하고, 다른 하나는 그러한 용접부가 실제 현장에서 작용하는 힘과 하중을 받을 때 실제로 견딜 수 있는지를 평가한다.

업종별 표준: API RP 2X(해양), CSA W47.1(캐나다), ISO 5817(글로벌 제조)

특수한 환경적 및 작동 조건을 충족해야 하는 중요 응용 분야에서는 맞춤형 표준이 요구됩니다.

• API RP 2X : 수중 압력, 반복 하중 및 저온 운전 환경에 노출되는 해양 금속 용접 부품에 대해 낙추시험 및 샤르피 V노치 시험을 포함한 인성 시험을 의무화합니다.
• CSA W47.1 : 캐나다의 구조물 프로젝트를 위해 공식적인 기업 인증을 요구하며, 문서화된 용접 절차 감사와 생산 용접 작업자에 대한 제3자 감시를 중점으로 합니다.
• ISO 5817 : 기공, 언더컷, 부정렬, 미융합 등의 불완전 결함에 대해 국제 제조 공급망 전반에서 통일된 평가 기준을 제공합니다.

이러한 계층화된 표준화는 금속 용접 부품이 부식성 해양 환경에서 지진 및 극저온 조건에 이르기까지 다양한 스트레스 하에서 신뢰성 있게 작동할 수 있도록 보장하면서도, 위험이 낮은 용도의 경우 과도한 사양을 적용하지 않도록 합니다.

금속 용접 부품의 비파괴 검사(NDT) 방법

비파괴 검사(NDT)는 구조적 무결성을 해치지 않으면서도 금속 용접 부품의 중대한 결함을 탐지할 수 있게 해줍니다. 이러한 방법들은 항공우주, 에너지 인프라, 중공업 분야 전반의 용접 품질 검증에 필수적이며, 고장으로 인한 결과가 막대한 가동 중단 손실에서부터 생명을 위협하는 사고에 이르기까지 다양합니다.

방사선(RT) 및 초음파(UT) 검사: 탐지 능력 및 ASTM E94/E164 요구사항

방사선 검사(RT)는 X선이나 감마선을 재료를 통해 쏘아 내부의 미세한 공기 주머니, 잔류 슬래그, 또는 금속이 제대로 융합되지 않은 부분 같은 결함을 찾아내는 방식이다. 이러한 문제들을 탐지하는 데 매우 효과적이지만, 방사선 노출과 관련된 엄격한 안전 요건이 필요하며, 때때로 재료 내부 깊은 곳에서 발생하는 현상을 명확하게 파악하기 어려울 수 있다. 반면 초음파 검사(UT)는 약 0.5mm 깊이까지의 아주 작은 결함도 감지할 수 있는 고주파 음파를 사용하므로 두꺼운 용접 부위를 점검할 때 특히 유리하다. 두 방법 모두 ASTM E164(UT) 및 ASTM E94(RT)와 같은 표준을 따를 경우 95% 이상의 정확도를 달성한다. 이 두 기술이 서로 보완되는 점은 각자의 강점에 있다: RT는 나중에 검사원이 다시 확인할 수 있는 영구적인 이미지를 생성하는 반면, UT는 부품의 두께와 결함의 정확한 위치를 실시간으로 피드백해 주기 때문에 많은 사람들이 정비 점검이나 자동 검사 시스템에서는 UT를 선호한다.

표면 검사: 시각적 검사(VT), 침투 검사(PT), 자기입자 검사(MT) 절차

표면 중심의 비파괴 검사 방법은 외부에서 접근 가능한 결함을 대상으로 하며, 각기 다른 물리 원리를 사용합니다:

시각 검사(VT)는 여전히 산업 전반에서 품질 검사의 주요 방법으로 간주되고 있습니다. 대부분의 시설은 AWS B1.11 지침에 따라 최소 500럭스 조명을 유지하는 기준을 따르며, 많은 곳에서 이를 정규 생산 교대의 일부로 포함하고 있습니다. 미세한 표면 균열을 탐지할 때는 액체 침투 검사가 상당히 효과적입니다. 이 방법은 액체가 결함 부위로 모세관 작용을 통해 스며드는 원리를 이용하지만, AMS 2647 표준에서 명시된 바와 같이 사전에 철저한 세정이 필요합니다. 자성 재료의 경우, MT 검사는 부품 주변에 자기장을 형성한 후 자기 흐름의 단절 지점에서 발광하는 형광 입자를 도포합니다. 이러한 세 가지 검사 기법은 단순히 권장되는 것을 넘어, ASNT 레벨 II 검사 자격을 갖춘 검사원의 인증을 요구합니다. 이들은 문제를 일관되게 식별하고 해석 오류를 줄일 수 있는 훈련을 받았습니다.

금속 용접 부품의 파괴 검사 및 기계적 검증

유도 굽힘 및 닉-파단 시험: AWS B4.0에 따른 융합부의 무결성 평가

유도 굽힘 시험은 재료가 파단되기 전까지 얼마나 잘 늘어나는지를 확인하고, 융합 영역 전체에 걸쳐 용접이 잘 이루어졌는지를 검증합니다. AWS B4.0 표준에 따르면, 표면 굽힘, 뿌리 굽힘 및 측면 굽힘을 평가할 때 열영향부 내 균열, 융착 불량 부위 또는 기포가 명확하게 드러납니다. 탄소강 및 저합금강의 경우 작은 결함이라도 나중에 큰 문제를 일으킬 수 있기 때문에 이 검사는 매우 중요합니다. 두께 19mm 시편에서 3.2mm보다 큰 균열이 하나라도 발견되면 해당 금속이 안전하게 사용하기에는 지나치게 취성 상태임을 의미합니다. 닉브레이크(nick-break) 시험은 이러한 검사와 보완적으로 수행됩니다. 용접부 중심에 노치(notch)를 만들고 망치로 타격하면, 용접 중 발생한 슬래그(slag)의 갇힘 또는 미세한 공기 주머니 같은 숨겨진 결함들을 확인할 수 있습니다. AWS B4.0 규격에서는 실제로 하중을 받는 부품의 경우 파단면에서의 전체 결함 크기가 1.6mm를 초과해서는 안 된다고 규정하고 있습니다. 이러한 파괴 시험은 고가의 비파괴 검사 기술보다 약 40% 비용이 적게 들지만, 여전히 모든 구조용 용접의 90% 이상에 대해 적절한 융합 여부를 확인할 수 있습니다. 최신 기술들이 등장했음에도 불구하고, 이러한 전통적인 방법들은 업계 전반에서 용접 절차를 인증하는 기준으로 계속 활용되고 있습니다.

인장, 충격 및 경도 시험: 데이터를 서비스 성능과 안전 마진에 연결

인장 시험은 재료의 최대 강도와 항복점을 알려주며, 이는 API 1104 기준에 따라 파이프라인 용접부가 규정을 준수하는지 확인할 때 매우 중요합니다. 이 가이드라인에 따르면, 용접부의 강도는 기본 금속에 비해 20% 이상 감소해서는 안 됩니다. 또한 샤피 V노치 시험은 다양한 온도에서 재료가 균열에 저항하는 인성( toughness)을 평가합니다. 해양용 부품의 경우, 혹독한 해양 환경에서 갑작스럽게 파손되지 않도록 섭씨 영하 40도에서 최소 27줄의 에너지를 견딜 수 있어야 합니다. HV10 측정을 사용하여 용접 부위 전반의 경도를 검사할 때, 금속이 국부적으로 과도하게 경화되는 부분이 없는지 확인합니다. NACE MR0175 요구사항에 명시된 것처럼, 산성 가스가 존재하는 환경에서 350 HV 값을 초과하는 영역에 마르텐사이트가 생성되면 균열 발생 가능성이 높아집니다. 이러한 수치들을 종합적으로 분석함으로써 엔지니어는 용접 이음부가 실제 현장 조건에서 어떻게 작동할지를 더 명확하게 파악할 수 있습니다.

• 모재 금속의 인장 강도와 일치하거나 초과하는 인장 강도는 과부하 보호 기능을 보장합니다
• 충격 에너지 >40 J는 고주기 피로 상황에서 균열 전파를 억제합니다
• 경도 기울기 <100 HV/mm는 취성 합금에서 수소 유발 균열을 완화시킵니다

검증된 기계적 특성은 측정 가능한 안전 마진을 확보하여 압력 용기, 리프팅 장비 및 회전 기계 지지대와 같은 고응력 응용 분야에서 현장 고장을 63% 감소시킵니다

금속 용접 부품에 대한 주요 표준별 용접 결함 허용 기준

국제 표준에서는 용접된 금속 부품의 결함 허용 기준에 대해 구체적인 규정을 정하고 있습니다. 예를 들어 ISO 5817은 품질 수준을 세 가지 주요 등급으로 나눕니다. 레벨 B는 최고 등급이며, 그 다음으로 보통 수준인 레벨 C, 그리고 가장 완화된 기준인 레벨 D가 있습니다. 각 등급은 금속 내 미세한 기포(porosity), 모서리 따라 생기는 작은 홈(undercut), 부재 간 정렬 오차(misalignment) 등의 허용 범위에 대해 서로 다른 규정을 두고 있습니다. 특히 레벨 B는 압력용기나 원자력 시설 부품과 같이 매우 중요한 용도에 적용되며, 거의 육안으로 확인하기 어려울 정도로 아주 작은 기포만을 허용하고, 응력이 가장 집중되는 부분에서는 undercut 깊이가 0.5mm를 초과할 수 없습니다. 반면 레벨 C는 직경 약 1mm 정도의 더 큰 기포 집합체와 일반 구조물에 적합한 다소 깊은 undercut을 허용합니다. 또한 AWS D1.1은 건설 대상에 따라 더욱 구체적인 요구사항을 제시하는 또 다른 표준입니다. 예를 들어 지진에 견딜 필요가 없는 일반 건물보다 교량 받침대에는 균열에 대한 기준이 훨씬 엄격하게 설정됩니다. 이러한 면밀히 고려된 가이드라인들은 재난을 방지하고 동시에 사소한 결함 때문에 양품이 폐기되는 일을 막아줍니다. 이를 통해 제조업체는 안전성에 실제로 중요한 요소, 법적 규제 요구사항, 제품 수명 주기 등을 고려하여 품질 검사를 적절히 조정할 수 있습니다.

일관된 금속 용접 부품 품질의 기반으로서의 용접 절차 적격성 평가(WPQ/PQR)

적격성 평가에서 생산까지: 검증된 절차가 현장 고장을 방지하는 방법

용접 절차 자격 기록(PQR) 및 용접 절차 지침서(WPS) 시스템은 금속 용접 부품 제조가 무너지는 것을 방지해주는 핵심 요소이다. 양산에 앞서 용접 작업자는 열 입력량, 사용된 필러 금속의 종류, 예열 온도, 실제 용접되는 이음부 형상 등 다양한 파라미터를 철저히 기록하면서 엄격한 조건 하에서 시험판을 용접해야 한다. 이러한 모든 세부 정보는 PQR 문서에 기록된다. 이후에는 AWS 표준에 따라 시료를 굽히고, 늘이며, 부식 처리하는 파괴 검사 과정을 거쳐 설계 사양에서 요구한 성능을 충족하는지 확인한다. 승인을 받으면 WPS는 이러한 성공적인 설정 조건들을 정규 생산 공정을 위한 단계별 지침서로 변환한다. 작년 ASM International의 연구에 따르면, 이 절차를 준수하면 현장에서 흔히 발생하는 일반적인 용접 문제의 약 72%를 제거할 수 있다. 예를 들어 불완전한 용입, 후에 발생하는 수소 균열, 냉각 중 과도한 왜곡 등의 문제를 말한다. 자격 인증 과정에서 확인된 예열 온도와 이동 속도를 철저히 준수하는 가공 업체들은 재작업이 필요한 기공(porosity) 문제를 거의 91%까지 줄일 수 있었으며, 이는 최종 수익 비용 측면에서 큰 차이를 만든다. 만들어지는 모든 용접 부위는 기록 내 어딘가에 존재하는 특정 테스트 설정을 반드시 추적 가능하게 해야 한다. 이를 통해 완전한 추적성이 확보되며 임기응변식 작업을 방지할 수 있다. 기업이 이러한 기초 절차를 생략할 경우, 무작위적인 열 변화나 잘못된 필러 재료 사용으로 인해 금속 내부에 숨겨진 약점이 생길 수 있다. 이러한 결함은 제품이 실제로 사용 중인 상태에서 파손될 때까지 드러나지 않을 수 있으며, 심각한 안전 위험을 초래하고 최근 Ponemon Institute의 조사 결과에서 나타났듯이 수십만 달러에 달하는 리콜 비용이 발생할 수 있다. 한 가지 분명히 하자: PQR/WPS는 단순한 서류상의 관료주의가 아니다. 이는 제품이 현장에 투입된 후 고장이 발생하는 것을 막기 위해 엔지니어들이 구축하는 첫 번째 실질적인 방어선이다.