불활성가스를 이용한 용접 퍼징이해
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 김 환 태(htkimm@reseat.re.kr)
1. 서 론
○ 티타늄, 지르코늄 등의 활성금속과 초이상계 스테인리스강 등 고성능합금을 용접하는 경우, 그루브의 아래 부분에 해당되는 루트부에 대한 가스퍼징은 용접품질에 많은 영향을 준다.
○ 용접시 루트부를 보호하기 위해서는 가스퍼징을 실시할 수 있는 공간을 확보하여 가스퍼징의 효과를 충분히 발휘할 수 있어야 한다. 또한 불활성가스로서는 보통 아르곤가스와 헬륨가스를 사용하는데, 이에 대한 용접퍼징기술의 확립이 대단히 중요하다.
2.가스퍼징의 개요
○ 퍼징을 마친 후 퍼지 공간을 빠져 나가는 퍼지 가스의 이슬점을 정확하게 계측하고 모니터를 하면 가스퍼징의 효과와 품질의 신뢰성을 입증할 수 있다.
○ 가스퍼징으로 청결하게 된 용접 루트부에서 용접열에 의해 오염물질이 방출되는 경우가 있으며, 적절한 예열을 실시하면 이 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
○ 용접 루트부를 청결하게 만드는 가장 좋은 방법은 가스퍼징을 통해 용접부에 요구되는 수준의 청결을 확보한 후 퍼지 공간 외부로 방출되는오염물질이 다 씻겨 내려갈 때까지 퍼지가스를 계속 흐르게 하는 것이다.
○ 가스 억제
– 퍼지 가스는 실제적으로 적은 양이 포함되어야 한다.
모니터링분석 2
– 배관용접의 경우, 표준 파이프 크기에 맞도록 부풀게 할 수 있는 퍼지댐을 사용할 수 있다.
○ 퍼지 가스의 부피에 영향을 미치는 요소
– 이물질로부터 혼입된 수분은 확산하는 데 매우 오랜 시간이 소요되며 퍼지 공간으로부터 이 수분들을 씻어내어야 한다.
– 금속재료의 표면 온도는 이슬점보다 충분히 높아야 하며, 용접 구역에서 온도를 조정할 수 있도록 시간이 주어져야 한다.
– 퍼지 공간의 일반적인 형태는 중요한 고려사항이며, 모든 공간의 형태는 동일하지 않다.
– 대기를 성공적으로 교체하는 데 소요되는 가스의 부피는 가스를 퍼지 공간으로 유입하는 방법에 따라 많은 영향을 받는다.
– 낮은 공간에서 많은 양의 알곤을 사용할 경우에는 알곤이 용접부를 뒤덮을 수 있으므로 주의를 기울여야 한다.
3.가스퍼징의 요령
○ 일반 요령
– 가스퍼징된 공간의 표면에 공기 또는 수분을 흡수하는 먼지가 없어야 한다.
– 파이프의 끝부분과 같이 퍼지 공간이 개방되는 경우에는 금속 혹은 플라스틱판과 테이프를 사용하여 밀봉해야 한다.
– 퍼징가스의 유량속도는 퍼징 공간으로부터 휘발된 오염물질을 제거하는데 필요한 최소한의 유량속도보다 약간 높은 값을 유지하는 것이 좋다.
– 용접 길이가 긴 수평용접부나 수직용접부에 가스퍼징을 적용하는 경우,
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퍼징가스의 입구에서 퍼징가스의 출구 방향으로 용접을 진행해야 한다.
– 용접이 끝난 후 육안검사를 통해 가스퍼징의 결과를 확인해야 한다.
○ 보강판재 용접시 가스퍼징 요령
– 압력용기 또는 일반 구조물에 보강판재를 필릿용접한 경우, 보강판재 후면의 공간으로 가스나 이물질이 들어와 가스퍼징이 실패할 수 있으므로 특별한 주의가 요망된다.
– 보강판재에 가스퍼징용 구멍과 테스트용 구멍을 만들고 필릿이음부의 가장자리는 보호 테이프를 사용하여 봉합시킨다. 그리고 한쪽 구멍을 통해 퍼징가스를 공급하고 다른 구멍을 통해 배출시키면서 가스퍼징을 실시한다.
○ 이슬점 지시계
– 이슬점은 가스퍼징의 품질을 결정하는 우수한 기준이 된다.
– 초이상계 스테인리스강, 티타늄, 지르코늄, 기타 활성금속을 용접할때는 고품질의 이슬점 장비를 기준에 따라 사용해야 한다.
– 활성금속의 용접시 퍼지 공간의 배출구에서 최대 이슬점이 －40℃(－40℉)로 측정되면 가스퍼징이 충분한 것으로 인정된다.
– 산화알루미늄 감지 원소들을 이용하는 휴대용 이슬점(액체비중계) 기구는 험한 구조물에서도 퍼징가스를 간편하게 측정할 수 있다.
출처 : James A. Mcmaster, “Using Inert Gases for
Weld Purging”, Welding Journal, 87(5),
2008, pp.40~44
모니터링분석 4
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◁전문가 제언▷
○ 용접부의 루트 측면을 오염으로부터 보호하기 위해서는 가스퍼징을 실시해야 하며 용접작업 시 가스퍼징을 할 수 있는 공간이 필요하다. 그러나 가스퍼징이 요구되는 대부분의 용접부는 가스퍼징을 올바르게 시행했는지를 판별하기 위한 육안검사가 어렵거나 또는 불가능한 경우가 많기 때문에 용접 전에 가스퍼징 준비를 철저히 하고 요령을 충분히 숙지하는 것이 중요하다.
○ 유동중인 가스가 다른 가스와 혼합하지 않은 상태로 교체되는 경우 점화 흐름이 발생하게 된다. 퍼지가스는 높은 순도를 유지해야 하는데 실제 공기와의 혼합 흐름에서 가스가 어느 정도 혼합되고 이에 따라 점화 흐름의 경향이 다소 나타날 수 있다. 따라서 용접 중에 가스퍼징을 실시할 때는 이 점을 유의해야 한다.
○ 가스퍼징을 받은 공간은 청결을 유지하고 내부에 먼지나 이물질이 붙어있지 않아야 한다. 이를 위해 용접을 준비하는 과정에서 퍼징 공간을 보호 테이프로 밀폐하고, 퍼지 공간이 개방되는 부분에서는 금속 혹은 플라스틱판 과 테이프를 사용하여 밀봉시키는 것이 필요하다. 또한 용접부의 품질을 확보하기 위해서는 퍼징가스의 순도를 철저히 점검하는것이 필수적이며 가스퍼징 시간도 정확하게 유지하는 것이 중요하다.
○ 퍼징가스의 소모량은 용접구조물의 형태와 종류에 따라 많은 차이가나며 퍼지 공간의 청결상태의 영향도 받는다. 즉 구형 용접구조물이나 관상 용접구조물의 경우 퍼징가스의 소모량은 퍼지 공간 부피의 약 6배에 달하며,
불규칙한 형태의 용접구조물의 경우 퍼지 공간 부피의 약 12배에 달하는 퍼징가스를 소모하게 된다. 따라서 경제적인 가스퍼
징 작업을 위해서는 용접구조물의 형태에 따라 퍼징가스를 효율적으로 관리하고 퍼지 공간의 청결을 유지하는 것이 필요하다.
카본스틸 및 스테인레스틸 등 비철금속 퍼징에 대하여
카본스틸
카본스틸로 사용하는 모재는 내식 보다는 내열에(CS재질에 Cr , Mo , Ni 일부첨가 합금소재) 특히 고온에 많이 사용됩니다.그러나 CS재질 중에서도 Cr 이 4% 이상(API RP 582-2001, Para 7.3 은 4% Cr 함유 / AWS D10.1996.Para 4.2 4% Cr 함유된 모재 재질)이면 Purging 을 하여야 하고 미만이면 용접후 잔류하는 불필요한 가스를 제거 하지 않아도 됩니다.
스테인레스 ,티타늄 불활성가스 용접시에는
고온의 불활성개스( Ar , He 가스사용)를 사용함으로 용접모재에 많은 산화가 이루어 집니다.그러나 CS재질에는 가스용접시 Co2가스(Ar가스보다 용융온도가 낯음)를 사용함으로 모재의 산화율이 적습니다.
Stainless Steel(SS) 재질은
4%이상 다량의 Cr을 함유함으로 용접시에 CS 모재보다 열팽창계수가 크고 용접중에 열 사이클에 의하여 열피로가 올수 있고,급격한 온도 변화에 따라 용접시 입열량이 높아 모재에 좋지 않은 영향을 많이 미칩니다.특히 SS 용접은 Root Pass 용접시 앞에서 이야기되로 용접시 입열량이 높아 Gas Purging 이나 Back Gouging( Backing 재 :구리 또는 구리합금 사용) 을 하여 주어야 합니다. 다량의 Cr함유시 용접후 산화시에는Cr2O3로 되어 내식 및 내열에 영향을 미치게 됩니다.
티타늄(Titanium)은
Cr을 함유하지 않지만 Al , Ti 이 원소재로 차폐가스가 필요합니다.티타늄의 용접에는 스테인레스와 같이 차폐가스와 Backing을 사용합니다. 특히 티타늄 용접에서의 티타늄용접부의 변색이 은백색(TiO2) 일 경우 완전차폐 되어다고 합니다.또한 용접부의 색상이 은백색,금색,자색,청색일 경우 합격으로 간주 합니다..
Gas Purging 에는
1.불활성가스 ( Ar , He , / 가격이 고가) 가 사용되고
2.O2 ( 같은 전류 전압에서 높은 열량을 낸다 ), H2 , CO2
( 모재에 깊은 Penetration 을 만든다.) 가스와
3.N2 ( 질소퍼징을 많이 한다 )가스가 사용됩니다. 질소퍼징
을 많이하는 그 이유는
가.가연성 이 아니므로 Co2, H2. O2 에 비하여 인체에 해가
적고 안전하다.
나.무색무취이며 상온 고압에서 화학반응을 하지 않는다.
다,불활성가스에 비하여 가격이 싸다.
라.질소가 불연성이기 때문에 산화가 되지 않는다.그러므로
위험이 있는 용접시에는 관내부 용접시 질소를 퍼징하여
질소가 새어나와도 용접을 할수가 있다.
마지막으로 퍼징용접시에는
용접자격증이 있는 용접작업자에 의하여 승인절차에 따라 승인된 소모품을 사용하여 작업을 하여 합니다.
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