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본 연구에서 사용한 재료는 용접구조용 압연강재(KS D 3515 SM355A)로 철강구조물, 선박, 교량, 철도차량 등에 사용되고 있다. 본 연구에서 판재를 이용하였으며 사용한 강재의 KS규격 기준 및 품질검사증명서(Mill Test Certificate)는 Table 1에 나타내었다. 원자재는 SM355A급의 기계적 물성^[12]을 갖고 있음을 확인하였다.

본 연구에서 사용한 용접구조물의 형상과 용접자세와 보호가스별 실제 용접한 구조물의 사진을 Fig. 1과 Fig. 2에 각각 나타내었다. 용접자세별로 용접을 실시하는 자세별 공시체의 크기는 475×200×25 mm이다. 45°각도로 일면 개선을 하였으며 루트페이스는 없이 모재를 가공하였다. 용가재는 현대종합금속 (SF-71, AWS A5.36 E71T-1C)∅1.4를 사용하였다. SF-71은 티타니아계 타입의 플럭스 코어드 와이어로서 전자세 용접용이며 비드 외관이 미려하다는 장점이 있다^[13]. 일반적으로 SF-71은 보호가스로 100% CO₂를 사용하지만, 본 연구에서는 보호가스로 탄산가스(CO₂ 100 %) 또는 혼합가스(Ar 80% + CO₂ 20 %)를 사용하였다(Fig. 3). 보호가스의 유량은 25 ℓ/min이고 캡 노즐 20 mm를 사용하였다. 용접자세는 1G, 2G, 3G 3가지 자세로 실험하였다. 시험편은 예열 없이 상온에서 용접을 수행하였으며, 최대 층간온도는 230 ℃ 이하로 하였다. 전류 형태는 정극성(Direct Current Electrode Negative ; DCEN)을 적용하였고, 토치를 지그재그로 움직이는 위빙(Weaving)을 적용하였다. 상세 용접 절차는 Table 2에 나타내었다.

Fig. 1. 
Specification of the welded structure

Fig. 2. 
Welded structures according to the shielding gas and welding positions

Fig. 3. 
Shielding gases

용접 자세는 아래보기(1G), 수평(2G), 수직(3G) 총 3가지를 고려하였으며 수직자세는 상향 용접방법으로 용접을 수행하였다. 용접 자세별로 비드 형상은 달라지게 되며 자세별 비드 형상과 용접패스는 Fig. 4에 나타내었다. 용접부 개선은 편측 45˚ 개선을 적용하여, 뒷댐재(backing plate)와 앤드탭(end tap)을 설치하고 용접을 실시하였다. 용접 자세별로 상세 용접조건은 Table 3에 나타내었다.

Fig. 4. 
Joint shapes according to welding positions (R:Root, F:Filler, C:Capping)

용접부의 기계적 특성을 평가하기 위한 시험을 시행하였다. Table 4는 기계적 특성 시험의 시험 내용 및 KS 규격을 나타내고, 각 시험은 규정된 절차에 따라서 시행하였다.

인장시험은 용접구조물의 압연방향으로 KS B 0801 (금속재료 인장시험편) 규격의 인장시험편 1A호 3개를 제작하여 실험하였다.

굽힘시험은 판두께에 따라 규정된 굽힘 반경으로 180°의 표면과 이면 굽힘, 측면 굽힘실험을 하였다. 시험편은 용접 구조물의 압연방향으로 용접 구조물의 두께방향의 가운데 위치에서 25 mm × 10 mm × 400 mm 크기로 자세별로 4개의 시편을 제작하여 실험하였다.

용접부의 경화의 정도를 측정하기 위해 경도시험을 수행하였다. 경도시험은 KS B 0893 (용접 열영향부의 최고경도 시험방법)와 KS B 0811 (금속재료 비커스 경도시험방법) 시험방법에 따라 실시하였고 10 kgf의 하중을 시험편에 부과하였다. 용접부, 열영향부, 모재에서 각각 3개의 시편을 채취하였으며 자세별 3개의 시험편으로 제작하여 실험하였다. 경도는 두께의 1/4 위치에서 모재는 1 mm 간격, 열영향부는 0.5 mm 간격, 용접부는 1 mm 간격으로 3곳에서 각각 측정하였다. 경도를 측정한 상세 위치는 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5. 
Locations of specimens for hardness test

용접부의 인성을 측정하기 위해서 충격시험을 수행하였다. 용접부, 열영향부, 모재부에서 각각 노치를 갖는 시험편을 제작하였으며 시험편은 10 mm × 10 mm × 55 mm 크기로 폭 두께의 1/4 위치에서 채취하였다. 노치는 시편의 가운데 위치하며 노치의 방향은 용접방향이 되도록 제작하였다. 시험편을 채취한 상세 위치는 Fig. 6에 나타내었다. 충격시험은 KS B 0809(금속재료 충격시험편)에 따라 실시하였다.

Fig. 6. 
Locations of specimens for impact test

용접부에서 용입의 상태, 다층 용접에 있어서 각층의 양상, 열 영향부의 범위, 결함의 유무 등을 알아보기 위해서 매크로 시험(KS D 0210) 또한 수행하였다.

용접부의 균열을 확인하기 위해서 비파괴 검사를 수행하였으며, 비파괴 검사 방법 중에서 위상배열 초음파 탐상검사(Phased Array Ultrasonic Testing; PAUT)를 수행하였다. 이 방법은 다양한 각도에서 여러 진폭을 갖는 초음파를 물체에 투과하여 2차원 영상을 실시간으로 제공하는 검사 기법^[14]으로 산업현장에서 많이 적용되고 있다. 위상배열 초음파 탐상검사는 OLYMPUS사의 OMNISCAM MX2제품을 이용하여 수행하였으며 실제 위상배열 초음파 탐상검사를 수행한 사진을 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7. 
Photos for phase array ultrasound testing

인장시험 결과와 시험편 사진을 Fig. 8과 Fig. 9에 각각 나타내었다. 시험편별로 매우 유사한 거동을 보이는 것을 알 수 있으며 파단의 위치나 인장강도 모두 유사함을 알 수 있다. 시험편 별로 인장강도는 Table 5에 비교를 하였다. 용접자세와 보호가스에 의한 인장강도의 차이는 1 % 미만인 것을 확인 하였으며 이는 용접구조용압연강재 규격(KS D 3515)의 인장강도(490 MPa–630 MPa)를 만족하는 것을 알 수 있다.

Fig. 8. 
Tensile test results

Fig. 9. 
Tensile test specimens

3.2 굽힘시험 결과

보호가스 종류 및 각 자세에 따른 굽힘시험 결과는 모두 양호한 결과를 얻었다. 표면 굽힘 시 Fig. 10과 같이 표면에 결함이 발견되지 않았으며, 이는 소성변형 후에도 충분한 연성이 있음을 확인하였다.

Fig. 10. 
Bending test result

3.5 매크로시험 결과

보호가스의 종류와 용접 자세별 매크로시험 결과를 Fig. 11에 나타내었다. 용접부의 단면, 표면, 열 영향부, 금속조직 모두 전체적으로 양호한 조직상태를 갖고 있음을 확인하였다.

Fig. 11. 
Macro test results