용접 조인트 유형 및 선택에 대한 최종 가이드

I. 용접 조인트의 구성

일반적으로 조인트라고 하는 용접 조인트는 용접 방법을 사용하여 두 개 이상의 공작물 또는 부품을 연결하여 형성됩니다. 용융 용접 조인트를 예로 들면 그림 2-8과 같이 용접 금속, 용융 영역 및 열 영향을 받는 영역으로 구성됩니다.

a) 엉덩이 관절
b) 무릎 관절
c) 코너 조인트
1-용접 금속
2-퓨전 영역
3-열 영향 구역
4-베이스 소재

II. 용접 조인트의 기능

용접 조인트의 기능은 크게 다음 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:

1. 작업 조인트

용접된 구조물의 작용력을 한 부품에서 다른 부품으로 전달할 수 있습니다. 작업 조인트에 대한 강도 계산을 수행하여 안전하고 신뢰할 수 있는지 확인해야 합니다.

2. 연결 조인트

두 개 이상의 부품을 전체로 연결하여 상대적인 위치를 유지합니다. 이러한 접합부를 연결하는 용접은 때때로 힘 전달에 참여하거나 일부 작용력을 견디기도 하지만, 주요 기능은 연결이므로 일반적으로 이러한 접합부에 대해서는 강도 계산을 수행하지 않습니다.

3. 씰링 조인트

용접을 통해 구조물의 기밀성 또는 수밀성을 보장하고 누출을 방지하는 것이 주요 임무입니다. 씰링 조인트는 작업 조인트 또는 연결 조인트가 될 수도 있습니다.

III. 용접 조인트의 분류

용접 조인트는 구조 구성 요소 사이의 연결 요소이며 구조적 힘을 전달하고 견디기도 합니다. 구조에서의 역할에 따라 분류됩니다, 용접 방법와 관절 구조 형태는 다음과 같습니다:

1. 구조에서 관절의 역할에 따른 분류

1) 접촉 용접: 용접은 하중을 전달하지 않거나 거의 전달하지 않으며 연결 역할만 합니다.

2) 하중을 견디는 용접: 용접부와 용접 중인 공작물은 직렬로 연결되어 전체 하중을 전달합니다.

2. 용접 방법에 따른 분류

그림 2-9와 같이 분류된 융착 용접 조인트, 압력 용접 조인트, 브레이징 조인트 등이 포함됩니다.

3. 관절의 구조적 형태에 따른 분류

조인트의 구조적 형태에 따라 그림 2-10과 같이 버트 조인트, T 조인트, 크로스 조인트, 랩 조인트, 코너 조인트, 엔드 조인트, 슬리브 조인트, 스큐드 버트 조인트, 플랜지 조인트, 잠금 버트 조인트 등 10가지 유형이 있습니다.

a) 엉덩이 관절
b) T-관절
c) 테논 조인트
d) 무릎 관절
e) 코너 조인트
f) 엔드 조인트
g) 베벨 버트 조인트
h) 플랜지 조인트
i) 슬리브 조인트
j) 하단 엉덩이 조인트 잠금

IV. 가장 널리 사용되는 4가지 용접 조인트 유형

1. 엉덩이 관절

맞대기 접합은 서로에 대해 동일한 평면에 있는 두 개의 공작물을 용접하는 데 사용되며, 응력 조건이 더 좋고 응력 집중이 적으며 용접 재료 소비가 적고 용접 변형이 적은 접합부를 형성합니다. 따라서 맞대기 접합은 비교적 이상적인 접합 형태입니다. 용접 품질을 보장하기 위해 그림 2-11과 같이 베벨 맞대기 용접이 종종 수행됩니다.

a) 단면 플랜지
b) 양면 플랜지
c) I자형
d) V자 모양
e) 단면 V자형
f) 가장자리가 뭉툭한 U자형
g) 가장자리가 뭉툭한 J자형
h) 더블 V자 모양
i) 무딘 가장자리 이중 U자형
j) 무딘 가장자리 더블 J 모양으로

2. T자형 및 교차 조인트

T자형 및 크로스 조인트는 필렛 용접을 사용하여 공작물을 서로 수직으로 연결하는 조인트로, 아크 용접 조인트의 일반적인 유형입니다. T자형 및 십자형 조인트는 완전히 관통되거나 그렇지 않을 수 있습니다. 홈이 없는 조인트는 일반적으로 완전히 관통되지 않으며 홈이 있는 조인트는 홈의 모양과 크기에 따라 완전히 관통되는지 여부가 결정됩니다.

완전히 관통되는 홈 조인트는 동적 하중을 견디는 능력이 더 강하며, 그 강도는 맞대기 조인트로 계산할 수 있습니다. T자형 및 크로스 조인트는 그림 2-12에 나와 있습니다.

a) 단면 V자형
b) 무딘 가장자리 단면 V자형
c) 이중 단면 V자형
d) 무딘 가장자리 이중 단면 V자형
e) 무딘 가장자리가 J 모양인 경우
f) 무딘 가장자리 더블 J 모양으로

3. 무릎 관절

랩 조인트는 필렛 용접, 플러그 용접 또는 그루브 용접을 사용하여 두 공작물을 부분적으로 겹치거나 특수 랩 피스를 추가하여 연결하는 조인트입니다. 랩 조인트는 사전 용접 준비 및 조립이 간단하기 때문에 널리 사용되며, 일반적인 형태는 그림 2-13에 나와 있습니다.

a) 전면 필렛 용접 연결
b) 측면 필렛 용접 연결
c) 결합된 필렛 용접 연결
d) 전면 필렛 용접 + 플러그 용접 연결
e) 전면 필렛 용접 + 홈 용접 연결

4. 코너 조인트

코너 조인트는 용접할 두 공작물의 끝면이 30° 이상 135° 미만의 각도를 형성하는 조인트입니다. 코너 조인트는 일반적으로 박스형 구성 요소에 사용되며 일반적인 연결 형태는 그림 2-14에 나와 있습니다.

a) 홈이 없는 단면 모서리 용접
b) 홈이 없는 양면 모서리 용접
c) 홈이 있는 관통형 모서리 조인트

V. 합리적인 용접 접합 형태 선택

1. 용접 조인트의 접근성

용접 구조물의 모든 용접부는 용접을 위해 쉽게 접근 할 수 있어야하므로 용접기가 자유롭게 작업 할 수 있도록 용접부 주변에 공간이 있는지 확인해야합니다. 용접 장비 가 정상적으로 작동해야 합니다. 다양한 용접 방식에 필요한 용접 조건에 대해 간략히 소개하면 다음과 같습니다.

(1) 차폐 금속 아크 용접

차폐 금속 아크 용접을 사용할 때는 용접자가 용접부에 접근하고 작업 중에 용접 부분을 명확하게 볼 수 있으며 전극을 편리하게 움직일 수 있는지 확인해야 합니다. 용접자는 정상적인 자세로 용접을 시도해야 합니다.

예를 들어 그림 2-15는 다양한 프로파일로 구성된 용접 구조물을 보여줍니다. 그림에서 화살표로 표시된 용접부는 용접할 수 없으며 그림의 가운데 또는 오른쪽에 있는 구조로 설계해야 합니다.

a) 불합리한
b) 개선됨
c) 최고

그림 2-16은 다양한 아크 용접 조인트의 합리적인 설계와 불합리한 설계를 보여줍니다. 그림 2-16a~e에서 화살표로 표시된 날카로운 각도는 용접이 어려우므로 오른쪽의 합리적인 설계로 변경하여 날카로운 각도를 형성하지 않도록 하고, 그림 2-16f는 맞대기 접합을 보여주는데, 위쪽은 불합리한 설계이므로 접합 간격을 늘린 아래쪽으로 변경하여 합리적인 설계로 용접이 불가능한 가능성을 방지합니다.

그림 2-17a는 두 개 이상의 평행 T 조인트가 있는 구조를 보여줍니다. 이 구조의 모서리 용접 품질을 보장하려면 전극이 특정 각도 α로 기울어지고 이동 공간이 있는지 확인하기 위해 두 수직 플레이트 사이의 거리 B와 높이 H를 고려해야 합니다. 기울기 각도 α는 평판과 수직판의 두께와 관련이 있습니다.

(B≤400mm인 경우 δ0 45°, δ2 = δ3, α=45°, δ2 > δ2, α400mm인 경우 H는 제한되지 않음).

그림 2-17b는 내부 용접 이음새에 접근할 수 있도록 공정 구멍을 시작합니다. 그림 2-17c는 원통형 용기의 플랜지 노즐과 실린더 사이의 환형 코너 조인트를 용접하는 데 필요한 작업 공간입니다.

그림 2-18은 비스듬한 T 조인트입니다. θ 각도가 90° 미만인 쪽의 공간은 작아 관찰 및 취급이 어렵습니다. 따라서 다양한 용접 위치에서 θ 각도가 너무 작아서는 안됩니다.

(평면 용접의 경우, θ≥60°, 수직 용접의 경우, θ≥70°, 오버헤드 용접의 경우, θ≥80°)

밀폐형 용접 구조의 경우 다음 두 가지 경우가 있습니다.

1) 내부에서 용접을 할 수 없는 구조물.

일반적으로 단면 베벨 용접 형태를 사용하여 단면 용접 조인트로 설계해야 합니다. 번스루를 방지하기 위해 그림 2-19a 및 b와 같이 영구 백킹 플레이트를 뒷면에 배치할 수 있으며, 플레이트 두께가 다른 경우 그림 2-19c와 같이 잠금 모서리가 있는 V자형 베벨 조인트를 설계할 수 있습니다.

a) 백킹 플레이트가 있는 맞대기 조인트
b) 스페이서가 있는 T자형 조인트
c) 잠긴 엉덩이 관절

그림 2-20a는 리브가 있는 이중벽 구조로, H 크기가 작아 용접이 불가능하며 그림 2-20의 구조 b, c, d, e로 변경하면 맞대기 용접, 플러그 용접 또는 홈 용접을 통해 외부에서 상부 벽판과 리브를 완성할 수 있습니다.

일부 용접 구조물은 구조물 자체의 라이트닝 홀을 활용하여 내부 용접을 수행할 수 있습니다. 예를 들어, 그림 2-21과 같이 이중 웹 플레이트 용접 기어 본체 내부의 두 개의 원주 이음새가 있습니다.

조인트를 양쪽에서 용접해야 하고 사용 가능한 라이트닝 홀이 없는 경우, 그림 2-22와 같이 내부 이음새 용접을 위해 중요하지 않은 위치에 기술 홀을 열고 용접이 완료된 후 밀봉할 수 있습니다. 기술 구멍의 크기는 그림 2-22b를 참조하여 슬롯 모양 또는 원형 구멍으로 만들 수 있지만 구멍 중심에서 용접 부분까지 약 250mm의 거리가 있는지 확인합니다.

a) 적용 사례
b) 기술적 구멍의 모양과 크기

2) 내부 용접이 가능한 구조물.

구조물 내부의 용접 조건이 열악하므로 내부가 얕고 외부가 깊은 비대칭 베벨을 사용하고, 연기 등의 농도를 줄이기 위해 내부 작업 공간을 최대한 넓히는 등 내부 용접 작업량을 최소화할 필요가 있습니다. 빈 상자 내부 용접을 위한 최소 공간 치수는 표 2-1에 나와 있습니다.

표 2-1 빈 상자 내부의 용접 작업 공간(단위: mm)

	l	500	800	900	1200	1200
	hxb	300 ×400	400 ×300	400 × 600	600×400	500 ×600

길이 L이 증가함에 따라 폭 B와 높이 H를 적절히 늘려야 합니다. 또한 합리적인 조립 순서를 채택하여 모든 내부 용접부를 용접한 후 닫힌 구조를 형성한 다음 마지막 남은 부품을 설치하고 외부에서 밀봉해야 합니다.

(2) 서브머지드 아크 용접

그 특징은 수평(하향) 위치에서 직선형 긴 용접 및 원형 용접에 가장 적합하며 필요한 보조 장치가 협력해야 한다는 것입니다. 따라서 서브머지드 아크 용접 조인트를 설계할 때는 서브머지드 아크 용접 헤드와 공작물 사이의 상대적인 동작 공간과 해당 보조 장치를 배치할 수 있는 위치를 고려해야 합니다.

(3) CO2 가스 차폐 용접

CO2 용접을 위한 구조물을 설계할 때 용접 건이 올바른 작동 위치와 공간을 확보해야 용접이 잘 형성된다는 점을 고려하세요. 용접 건의 위치는 용접의 형태, 용접 건의 모양과 크기(노즐의 외부 치수 등), 용접 와이어의 돌출 길이, 베벨 각도 α의 크기에 따라 결정됩니다. 여러 조인트에 필요한 용접 건의 위치는 그림 2-23에 나와 있습니다.

a) 필렛 용접
b) V자형 또는 U자형 그루브 맞대기 접합 평면 용접
c) 좁은 간격 맞대기 접합 플랫 용접
d) J형 그루브 맞대기 접합 플랫 용접 α- 그루브 각도 θ- 용접 건 경사각

2. 용접 품질 검사의 접근성

품질 검사가 필요한 용접 구조물의 용접부는 결함 검출에 적합한 조건을 갖추어야 하며, 각기 다른 결함 검출 방법에는 해당 요구 사항이 있습니다(표 2-2 참조).

표 2-2 다양한 결함 감지 방법에 필요한 조건

(1) 용접 조인트의 방사선 촬영 테스트에 적합

현재 X-선 검사에는 사진 촬영 방식을 이용한 방사선 촬영이 널리 사용되고 있습니다. 특정 투과 성능을 확보하고 필름의 결함 이미지 선명도를 향상시키기 위해 중간 두께 판의 초점 거리는 400~700mm 범위 내에서 조정됩니다. 이를 바탕으로 검사기 헤드에서 용접물의 검출 표면까지의 거리를 결정하여 용접물 주변에 작업 공간을 확보할 수 있습니다.

테스트하기 전에 용접부의 기하학적 모양과 접합 유형에 따라 노출 방향을 선택하고 이 방향에 다크 박스를 올바르게 배치(필름 부착)해야 합니다.

일반적으로 엉덩이 관절은 방사선 촬영 테스트에 가장 적합하며 한 번의 노출로 완료할 수 있습니다. T 조인트와 코너 조인트는 결함 누락을 방지하기 위해 여러 방향에서 여러 번 노출해야 하는 경우가 많습니다. 방사선 사진 테스트를 위한 다양한 융착 용접 조인트의 올바른 선택은 그림 2-24에 나와 있습니다. 그 중 그림 2-24a는 필름을 배치할 때 용접부를 평평하게 놓거나 구부릴 수 없는 인서트형 코너 조인트입니다.

그림 2-24b는 베이스와 단순화된 몸체 사이의 연결 조인트를 보여줍니다. 그림 2-24b ₁ 및 그림 2-24b ₂ 는 방사선 검사에 적합하지 않으며, 그림 2-24b ₃ 는 방사선 검사에 적합합니다. 그림 2-24c는 T 조인트를 보여줍니다. ₁ 는 방사선 검사에 적합하지 않으며, 그림 2-24c ₂ 는 대체 부품(단조 또는 주조, 절단 가공)을 통한 방사선 촬영으로만 검사할 수 있습니다.

그림 2-24d의 전환 ₁ 의 전환이 너무 갑작스러워서 검사하기 어렵습니다. ₂ 가 더 부드럽지만 벽 두께의 국부적 차이는 여전히 검사에 영향을 미칩니다. 그림 2-24d에서 조인트를 이동합니다. ₃ 전이 영역 외부가 방사선 검사에 가장 적합합니다. 그림 2-24e ₁ 는 방사선 촬영으로 검사할 수 없는 융착되지 않은 맞대기 용접을 보여줍니다(그림 2-4e만). ₂ 를 검사할 수 있습니다.

그림 2-24f의 조인트 디자인 ₂ 는 방사선 검사를 용이하게 합니다. 두께 차이와 공간 곡률로 인해 그림 2-24g ₁ 는 방사선 검사에 적합하지 않으며 그림 2-24g의 조인트 형태로 변경됩니다. ₂ 를 사용하면 훨씬 쉽게 검사할 수 있습니다. 그림 2-24의 코너 조인트를 버트 조인트로 변경하면 방사선 촬영으로 완전히 검사할 수 있습니다.

(2) 초음파 검사에 적합한 용접 조인트

초음파 검사 시 용접 조인트 내의 다양한 결함을 민감하게 감지하려면 프로브의 이동 영역이 충분해야 합니다. 맞대기 접합부의 초음파 검사를 위한 프로브의 이동 영역은 그림 2-25에 나와 있습니다. 프로브 이동 영역의 크기는 표 2-3의 공식에 따라 결정됩니다.

표 2-3 프로브 이동 영역 크기 결정

참고: l-프로브 이동 영역 크기(mm), δ-검사 대상 물체의 두께(mm), L-프로브 길이(일반적으로 50mm), 각진 프로브의 굴절각 β의 K-접선 값(판 두께에 따라 결정될 수 있음, 두께 8~25mm의 경우 k=2.0~3.0, 두께 25~46mm의 경우 k=1.5~2.5, 두께 46~120mm의 경우 k=1.0~2.0)을 나타냅니다.

두께가 다른 맞대기 접합부 용접의 초음파 결함 검출을 위한 프로브 이동 영역은 그림 2-26에 나와 있습니다. 프로브 이동 영역의 최소 크기 l은 표 2-4의 공식에 의해 결정됩니다.

표 2-4 두께가 다른 맞대기 접합부 용접의 초음파 결함 검출을 위한 프로브 이동 영역의 최소 크기

압력 용기 실린더의 용접 조인트의 초음파 결함 검출을 위한 프로브 이동 영역은 그림 2-27에 표시되어 있으며 최소 크기는 표 2-5에 나와 있습니다.

표 2-5 압력 용기 실린더 용접을 위한 초음파 검사 프로브 이동 영역의 최소 크기

3. 틈새 부식을 줄이기 위한 조인트 선택

부식성 매체가 금속 표면에 직접 닿으면 틈새와 날카로운 모서리에서 국부적으로 심한 부식이 발생하는 경우가 많습니다. 이는 이러한 부위에 정체된 액체와 침전물이 축적되어 발생합니다. 이러한 유형의 부식을 틈새 부식이라고 합니다.

틈새 부식을 방지하고 줄이는 방법은 다음과 같습니다:

1) 가급적 용접부가 완전히 관통하는 맞대기 용접을 사용하고, 단면이 관통하는 조인트는 사용하지 마세요.

2) 조인트 틈새와 날카로운 모서리를 피하고 액체 매체가 완전히 배수되고 쉽게 청소할 수 있는지 확인하며 구조물 바닥에 고체 물질이 쌓이는 것을 방지합니다.

3) 틈새 부식을 방지하기 위해 간헐적 용접, 단면 용접, 랩 용접 및 불완전 관통의 사용을 최소화하고 그림 2-28과 같이 불가피한 용접 틈새를 밀봉합니다.

a) 간헐적 용접, 단면 용접, 랩 용접 및 불완전한 관통(화살표로 표시)으로 인한 틈새를 피하십시오.
b) 용접되지 않은 간헐적 용접의 밀봉
c) 느슨하게 배치된 컨테이너와 새들 랙 사이에 틈이 생깁니다.
d) 스틸 스트립 용접 추가
e) 4점 용접 브래킷은 베어링 표면을 줄일 수 있습니다.

4. 라멜라 찢어짐을 방지하기 위한 조인트 선택

대형 또는 중장비의 용접 구조물에는 30~100mm 또는 그 이상의 두꺼운 압연 강판을 사용하여 용접 구조물을 형성하는 경우가 많습니다. 라멜라 찢어짐을 방지하는 데 특별한 주의를 기울여야 합니다.

라멜라 인열은 주로 모서리 용접 접합부, T 조인트 및 크로스 조인트의 열 영향 영역 또는 열 영향 영역에서 떨어진 모재에서 발생합니다. 라멜라 인열을 방지하려면 구조물에서 강판의 두께 방향으로 구속 응력 또는 변형을 줄이거나 피하고 합리적인 접합 형태를 선택해야 합니다(표 2-6 참조).

표 2-6 라멜라 찢어짐을 방지하는 조인트 형태

라멜라 파열이 발생하기 쉬운 관절	개선 가능한 조인트	설명
		화살표로 표시된 방향은 용접 중 구속 응력이 발생할 수 있는 방향 또는 부품이 작동 중일 때 힘이 작용하는 방향입니다.
		홈을 열거나 용접의 모양을 변경하여 두께 방향의 수축 응력을 줄이고 일반적으로 두께 방향의 응력을받는 쪽의 홈을 엽니 다. 일반적으로 두께 방향의 응력을 견디는 쪽의 홈을 엽니 다.
		판 두께 방향으로 용접 수축력의 영향을 피하십시오.
		판 두께 방향으로 노즐의 구속 응력을 줄입니다.
		완전한 침투를 보장한다는 전제하에 홈 각도는 가능한 한 작아야하며 홈 각도를 늘리지 않고 용접 토의 크기를 최대한 늘려 용접력 영역을 늘리고 두께 방향의 응력 값을 줄입니다.
		일반적으로 압연 프로파일을 사용하여 라멜라 찢김이 없는 인서트. 접합 형태가 개선되어 라멜라 찢어짐을 방지하고 지나치게 조밀한 용접을 방지하여 응력 집중을 줄입니다.
		이것은 압력 용기의 노즐과 쉘 사이의 연결로, 조인트의 구멍 보강을 위해 인서트를 사용하여 라멜라 찢김을 줄이고 용접부의 응력 집중을 줄일 수 있습니다.
		가소성이 좋은 연질 용접을 사용하여 모재의 두께 방향으로 응력을 완화합니다. 위 그림은 용접할 표면에 증착된 연성 금속 전이층이고, 아래 그림은 먼저 용접할 측면의 연성 금속 용접부입니다.