용접 기공(Porosity) 완벽 이해: 원인, 검출, 예방 및 수리 기법

용접 기공(Porosity)이란?

용접 기공은 질소, 산소, 수소 가스가 용융 용접 풀에 흡수되어 응고 과정에서 방출되면서 표면이나 비드 내부에 기포나 구멍을 만드는 용접 결함입니다. 기공은 용접 표면이나 비드 내부에서 발생할 수 있습니다.

용접 풀 내 질소와 산소 흡수는 보통 불량한 가스 차폐 때문입니다. 기공은 무작위적일 수 있습니다: 무작위 방향, 불균등한 거리. 고립적일 수도 있습니다: 모든 면에서 1인치(약 25mm) 간격.

기공은 용접 풀이 응고할 때 방출된 가스가 얼어붙어 용접 금속 내에 생성된 공동(cavities) 존재입니다. 기공은 여러 형태를 띨 수 있습니다:

• 분포 기공(Distributed Porosity) – 용접 전체에 분포된 기공
• 표면 개방 기공(Surface Breaking Pores) – 표면을 뚫고 나온 기공
• 웜홀(Wormhole) – 방사선 사진에서 청어뼈 무늬(헤링본 패턴)처럼 보이는 길쭉한 기공
• 크레이터 파이프(Crater Pipes) – 응고 중 수축으로 인한 용접 런 끝단의 수축 공동

용접 결함의 원인과 예방

1. 분포 기공과 표면 기공

분포 기공은 보통 용접 비드 전체에 고운 기공으로 나타납니다. 표면 개방 기공은 보통 다량의 분포 기공이 있음을 나타냅니다. 용융 용접 풀에 흡수된 질소, 산소, 수소가 응고 시 방출되어 용접 금속 내에 갇히면서 발생합니다.

용접 풀 내 질소와 산소 흡수는 보통 불량한 가스 차폐에서 기인합니다. 차폐 가스에 1%만 공기 유입돼도 분포 기공 발생하고, 1.5% 초과하면 심각한 표면 개방 기공 발생. 가스 라인 누출, 과도한 가스 유량, 통풍(드래프트), 용접 풀 과도 난류가 기공의 빈번한 원인입니다.

수소는 여러 소스에서 올 수 있습니다: 충분히 건조되지 않은 전극, 플럭스, 공작물 표면의 수분. 공작물이나 필러 와이어 표면의 그리스와 오일도 흔한 수소 소스입니다.

프라이머 페인트 같은 표면 코팅과 아연 도금 같은 표면 처리는 용접 시 다량 흄 발생. 특히 양면 필릿 용접 시 T-조인트가 맞대기 조인트보다 갇힌 가스 위험 더 큼.

소위 용접 가능(저아연) 프라이머 특별 언급 필요. 프라이머 두께가 제조사 권장 최대치 이하면 제거 불필요하지만, 권장 최대치 초과 시 MMA 외 용접 공정에서 기공 발생 가능성 높음.

분포 기공과 표면 기공 예방법

가스 소스를 파악하고 다음과 같이 제거:

공기 유입(Air Entrainment)

• 공기 누출 봉인
• 용접 풀 난류 방지
• 충분한 탈산제 함유 필러 사용
• 과도한 가스 유량 줄이기
• 통풍(드래프트) 피하기

수소(Hydrogen)

• 전극과 플럭스 건조
• 공작물 표면 세척 및 탈지

표면 코팅(Surface Coatings)

• 용접 직전 조인트 모서리 세척
• 용접 가능 프라이머가 권장 최대 두께 이하인지 확인

2. 웜홀(Wormholes)

웜홀은 특징적으로 길쭉한 기공으로 방사선 사진에서 헤링본(청어뼈) 모양 나타냄. 웜홀은 대량 가스 생성이 고체화되는 용접 금속 내에 갇혔음을 나타냄.

과도한 가스는 심각한 표면 오염이나 매우 두꺼운 페인트/프라이머 코팅에서 발생. 수평-수직 T-조인트에서 양면 필릿 용접 시 수직 부재 아래 간극 같은 틈새에 갇힐 가능성 높음.

프라이밍된 플레이트에서 T-조인트 용접 시 수직 부재 모서리 코팅 두께가 제조사 권장 최대치(보통 20µm) 이하인지, 과도 분사로 초과되지 않았는지 확인 필수.

웜홀 예방법

가스와 공동 생성을 제거해 웜홀 방지.

가스 생성(Gas Generation)

• 용접할 위치 및 인접 공작물 표면 세척
• 기름, 그리스, 녹, NDT 작업 잔여물 등 표면 오염물 제거
• 조인트 구역 표면 코팅 제거해 밝은 소재 노출
• 프라이머 두께가 제조사 최대치 이하인지 확인

조인트 형상(Joint Geometry)

• 공동 생성하는 조인트 형상 피하기

3. 크레이터 파이프(Crater Pipe)

크레이터 파이프는 용접 풀 최종 응고 시 형성되며 종종 가스 기공과 연관됨.

이 결함은 용접 풀 응고 시 수축 결과. 결과적으로 액체-고체 부피 변화를 과장하는 조건이 형성 촉진. 용접 아크 소멸로 용접 풀 급속 응고 발생.

TIG 용접에서 자율 기법(오토지너스)이나 용접 아크 소멸 전 용접 와이어 공급 중단 시 크레이터 형성에 영향, 파이프 결함 촉진 가능.

크레이터 파이프 예방법

크레이터 파이프 결함은 용접 아크 소멸 속도 제어나 용접사 기법으로 아크와 와이어 조작으로 방지 가능.

스톱 제거(Removal of Stop)

• 런오프 탭(run-off tab) 사용해 용접 아크를 용접 조인트 밖에서 소멸
• 다음 전극 사용이나 후속 용접 런 퇴적 전 용접 런 스톱 크레이터 그라인딩으로 제거

용접사 기법(Welder Technique)

• 용접 전류 점진적 감소로 용접 풀 크기 축소(슬로프다운 또는 크레이터 필 기능 사용)
• 필러 추가(TIG)로 용접 풀 수축 보상

용접 기공 수리 방법

기공 예방법이 다양해도 용접에 기공이 나타날 작은 가능성은 항상 있습니다. 다행히 특정 조건 하에 기공은 수리 가능.

먼저 침투 탐상이나 자분 탐상 같은 탐상 기법, 방사선 투과 검사나 초음파 검사(표면 하 결함용)로 기공 존재 탐지. 작은 기공, 특히 두꺼운 단면에서는 탐지 어려움.

기공 자체를 정확히 고칠 수는 없습니다. 대신 국부적 골아내기(gouging)나 그라인딩으로 제거해 용접을 수리. 단, 기공이 국소화된 경우만 해당. 광범위하면 용접 전체 제거, 조인트 재준비, 용접 절차서대로 재용접 필요.

용접에서 허용되는 기공량은?

이 질문에 일반적이고 절대적인 답은 없으며, 용접 구조 코드에 따라 다릅니다. 하지만 미국용접학회(AWS)는 다음을 규정: 가시 기공 직경은 용접 선형 인치당 3/8인치(9.4mm) 이하, 12인치(300mm) 길이 용접에서 3.4인치(19mm) 이하.

불확실하면 용접 구조 코드 확인하고 재용접하십시오.