20년 2회차

액체 호닝은 물(가공액)과 혼합된 연삭입자를 압축공기로 고속 분사시켜 가공하는 방법이다. 1번은 초음파 호닝의 설명(숫돌 진동)이고, 2번은 일반 호닝의 설명(혼의 회전 및 왕복 운동)이며, 3번은 래핑(랩)의 설명이다. 액체 호닝은 분사식 가공 방식으로 복잡한 형상이나 내부 표면을 매끄럽게 정삭할 수 있다.

절삭저항 3분력 중 주분력(P1)이 절삭저항의 대부분을 차지한다. 절삭 깊이가 공구 노즈 반지름보다 작으면 둥근 노즈부만 절삭에 참여해 공구를 밀어내는 배분력(P3)이 이송분력(P2)보다 커지므로 P1 > P3 > P2가 된다.

γ철에 탄소가 최대 2.11%까지 고용된 γ고용체가 오스테나이트이며, 면심입방격자라 연성·인성이 크고 상자성체다. 탄소강에서는 A₁ 변태점 이상에서만 안정하므로 실온에서는 존재하기 어렵다.

화염 담금질은 표면만 불꽃으로 급가열한 뒤 급랭해 경화시키므로 성분 변화가 없는 물리적 표면경화법이다. 침탄·질화·청화법은 표면에 C나 N을 침투시켜 경화시키는 화학적 방법이다.

열간가공은 재결정온도 이상에서 하는 가공으로, 가공과 동시에 재결정이 일어나 가공경화가 남지 않고 큰 변형을 줄 수 있다. 재결정온도 이하에서 하면 냉간가공이다.

구성인선은 절삭속도가 낮은 영역에서 잘 생기므로 절삭속도를 빠르게(임계속도 이상으로) 해야 방지된다. 경사각을 크게 하고 인선을 예리하게 하며 윤활유를 공급하는 것은 올바른 대책이다.

'가공면은 매끈하고 방향성이 있으며 또한 가공에 의한 표면의 변질층이 매우 크다'는 설명이 틀렸다. 슈퍼 피니싱의 가장 중요한 특징인 표면 변질층이 매우 작다는 점과 모순되므로, "변질층이 매우 크다"는 설명은 슈퍼 피니싱의 본질에 정반대된다.

슈퍼 피니싱은 진동하는 숫돌을 낮은 압력으로 가공물에 접촉시켜 초고도 표면 가공을 수행하는 방법이다. 낮은 압력과 미세한 진동으로 작용하므로 열 발생과 소성 변형이 극히 제한되어, 종래의 연삭(grinding)에 비해 변질층을 최소화할 수 있다는 것이 큰 장점이다.

• '숫돌을 진동시키면서 가공물을 가공하는 방법'이라는 설명은 정확하다.
• '원통형의 외면, 내면, 평면 등의 가공에 쓰이고…'는 슈퍼 피니싱의 용도를 올바르게 설명한다.
• '입도가 작고, 연한 숫돌 입자를 낮은 압력으로…'는 슈퍼 피니싱의 작업 원리를 올바르게 설명한다.

볼 스크류의 이동 거리는 피치 × 회전 바퀴 수로 구한다. 서보 모터가 270° 회전하면 $\dfrac{270°}{360°} = \dfrac{3}{4}$바퀴 회전한 것이므로, 테이블의 이동 거리 = $6 \text{ mm} \times \dfrac{3}{4} = 4.5 \text{ mm}$이다.

문제에서 설명하는 용접법은 프로젝션 용접이다. 모재의 한쪽판에 미리 만든 돌기(projection)를 이용하여 스폿 용접과 같은 원리로 통전과 가압을 동시에 진행하고, 저항열로 돌기 부분을 접합시키는 방식이 프로젝션 용접의 특징이다.

스폿 용접과 달리 미리 제작된 돌기를 통해 접촉면적을 제어할 수 있어 용접 조건의 안정성이 높고, 한 번의 통전으로 여러 접합부를 동시에 용접할 수 있는 장점이 있다.

• 업셋 용접은 맞대기 접합부를 저항열로 가열한 후 압력을 가하는 방식으로 원리가 다르다.
• 플래시 버트 용접은 맞대기 부분에서 아크방전(플래시)을 발생시키는 방식으로 원리가 다르다.

스프링 백은 판재를 굽힌 뒤 탄성 회복으로 되돌아가는 소성가공 현상이라 주조 원형(목형)과는 무관하다. 원형 제작에서는 수축 여유, 가공 여유, 목형 구배, 코어프린트, 라운딩 등을 고려한다.

선반의 테이퍼 절삭은 복식 공구대 회전, 심압대 편위, 테이퍼 절삭장치(및 총형 바이트)로 한다. 돌림판과 돌리개는 주축의 회전을 공작물에 전달하는 부속품이므로 테이퍼 가공 방법이 아니다.

FMS(유연생산시스템)는 CNC 공작기계·산업용 로봇·자동반송장치·자동화 창고를 중앙 컴퓨터가 총괄 제어해 공급부터 가공·조립·출고까지 일관 관리하는 시스템이다. DNC는 여러 대의 NC 기계에 가공 프로그램을 분배·관리하는 수준에 그친다.

사인바에서 측정물의 각도는 $\sin\theta = \dfrac{h_1 - h_2}{L}$ 공식으로 구한다. 여기서 L은 호칭 치수(200 mm), h₁과 h₂는 양단 게이지블록 높이이다. $\sin\theta = \dfrac{30 - 17}{200} = \dfrac{13}{200} = 0.065$이므로 $\theta = \arcsin(0.065) \approx 3.73°$이다.

반 폐쇄회로 방식은 검출기를 테이블이 아니라 서보모터 축에 두어, 내장 펄스 제너레이터로 속도를, 엔코더로 회전각(위치)을 검출해 피드백한다. 테이블에 스케일을 직접 붙여 최종 위치를 검출하면 폐쇄회로 방식이다.

탭은 구멍에 암나사를 깎는 절삭 공구로 금긋기 작업과 무관하다. 금긋기에는 기준면이 되는 정반, 높이를 옮겨 긋는 서피스게이지, 위치를 표시하는 펀치 등을 사용한다.

피복제는 아크 안정, 슬래그·보호가스에 의한 산화·질화 방지, 용착금속의 급랭 방지, 합금원소 공급 등의 역할을 하며 스패터는 오히려 감소시킨다.

코이닝(압인가공)은 서로 다른 모양이 조각된 한 쌍의 다이 사이에 소재를 넣고 강하게 압축해 앞·뒷면에 각기 다른 무늬를 새기는 가공으로 메달·주화 제작에 쓰인다. 엠보싱은 판 두께 변화 없이 요철만 만드는 점이 다르다.

유동형 칩(연속형 칩)은 연강처럼 연성이 큰 재료를 빠른 절삭속도, 큰 경사각, 작은 절삭깊이로 가공할 때 생긴다. 칩이 경사면 위를 끊기지 않고 흘러나가므로 가공면이 가장 매끄럽다.

주물 두께의 불균일은 부위별 냉각속도 차이 때문에 생기는 변형·균열 결함의 원인이지 모양·치수 불량의 직접 원인은 아니다. 치수 불량은 다듬질 여유 부족, 코어의 이동, 목형을 뽑을 때의 흔들림 등에서 비롯된다.

전해연마는 전기화학적 용해로 표면을 다듬으므로 방향성이 없고 가공변질층도 생기지 않으며 복잡한 형상도 가능하다. 다만 탄소량이 많은 강일수록 탄화물이 균일하게 용해되지 않아 연마가 어렵다.

단면에 인장응력이 생기지 않으려면 압축응력이 굽힘응력보다 커야 하므로 $\dfrac{P}{A}\ge\dfrac{Pe}{Z}$, 즉 하중이 단면핵 안에 있어야 한다. 직사각형 단면의 핵 한계는 편심 방향 변 길이의 $\dfrac{1}{6}$이므로 $e\le\dfrac{60}{6}=10\,\mathrm{cm}$이다.

양단고정보의 중앙에 집중하중이 작용할 때 처짐은 다음과 같다.
$\delta=\dfrac{PL^{3}}{192EI}$

원형 단면이므로
$I=\dfrac{\pi d^{4}}{64}=\dfrac{\pi(0.1)^{4}}{64}=4.91\times10^{-6}\,\mathrm{m^{4}}$
이고,
$\delta=\dfrac{200\times5^{3}}{192\times200\times10^{9}\times4.91\times10^{-6}}=1.33\times10^{-4}\,\mathrm{m}$
이다.

연결핀이 두 갈래(클레비스) 사이에 끼워져 두 단면이 동시에 전단되는 2면 전단이므로 유효 단면적이 두 배가 된다. $\tau=\dfrac{P}{2A}=\dfrac{1000}{2\times\dfrac{\pi(5)^{2}}{4}}=\dfrac{1000}{39.27}\approx25.46\,\mathrm{MPa}$

힌지에서는 모멘트가 전달되지 않으므로 왼쪽 $L/2$ 구간을 떼어 힌지에 대한 모멘트를 잡으면 $R_A=\dfrac{qL}{4}$, 힌지가 오른쪽 구간에 전달하는 전단력도 $\dfrac{qL}{4}$이다.

오른쪽은 길이 $L/2$의 외팔보가 되므로 고정단에서 다음과 같이 최대가 된다.
$M=\dfrac{q(L/2)^{2}}{2}+\dfrac{qL}{4}\cdot\dfrac{L}{2}=\dfrac{qL^{2}}{8}+\dfrac{qL^{2}}{8}=\dfrac{qL^{2}}{4}$

체적변화율은 다음 식으로 구한다.
$\dfrac{\Delta V}{V}=\varepsilon(1-2\mu)$

$\sigma=\dfrac{90\times10^{3}}{\dfrac{\pi(30)^{2}}{4}}=127.3\,\mathrm{MPa}$,
$\varepsilon=\dfrac{127.3}{210\times10^{3}}=6.06\times10^{-4}$
이고
$V=706.9\times5000=3.53\times10^{6}\,\mathrm{mm^{3}}$
이므로,
$\Delta V=6.06\times10^{-4}\times\left(1-\dfrac{2}{3}\right)\times3.53\times10^{6}\approx714.3\,\mathrm{mm^{3}}$

등분포하중을 받는 단순보는
$EI\dfrac{d^{2}y}{dx^{2}}=-\left(\dfrac{\omega Lx}{2}-\dfrac{\omega x^{2}}{2}\right)$
을 두 번 적분하고 양단 처짐이 0인 조건을 넣어
$y=\dfrac{\omega x}{24EI}\left(L^{3}-2Lx^{2}+x^{3}\right)$
을 얻는다.

검산으로 $x=\dfrac{L}{2}$를 넣으면 잘 알려진 최대처짐 $\dfrac{5\omega L^{4}}{384EI}$가 그대로 나온다.

자유단에 집중하중을 받는 외팔보의 처짐각은 $\theta=\dfrac{PL^{2}}{2EI}$, 처짐은 $\delta=\dfrac{PL^{3}}{3EI}$이다. 면적모멘트법으로 보면 $\theta$는 $M/EI$ 선도의 면적 $\dfrac{1}{2}\times L\times\dfrac{PL}{EI}$와 같다.

봉의 신장량은 $\delta=\dfrac{PL}{AE}$이고 $A=\dfrac{\pi(0.03)^{2}}{4}=7.07\times10^{-4}\,\mathrm{m^{2}}$이다. $\delta=\dfrac{20\times10^{3}\times3}{7.07\times10^{-4}\times72\times10^{9}}=1.18\times10^{-3}\,\mathrm{m}=0.118\,\mathrm{cm}$

전달토크는
$T=\dfrac{P}{\omega}=\dfrac{30\times10^{3}}{2\pi\times\dfrac{100}{60}}\approx2865\,\mathrm{N\cdot m}$
이고,
$I_{p}=\dfrac{\pi(0.07)^{4}}{32}=2.36\times10^{-6}\,\mathrm{m^{4}}$
이다.

따라서 비틀림각은
$\theta=\dfrac{TL}{GI_{p}}=\dfrac{2865\times1}{83\times10^{9}\times2.36\times10^{-6}}\approx0.015\,\mathrm{rad}$

B점에 대한 모멘트 평형에서 $R_{A}\ell+M-\dfrac{w\ell^{2}}{2}=0$이 되므로 $R_{A}=\dfrac{w\ell}{2}-\dfrac{M}{\ell}$이다. 등분포하중이 만드는 $\dfrac{w\ell}{2}$에서 우력 M이 만드는 반력 짝 $\dfrac{M}{\ell}$을 빼면 된다.

비틀림각은 $\theta=\dfrac{TL}{GI_{p}}$이고 $I_{p}=\dfrac{\pi d^{4}}{32}=\dfrac{\pi(0.05)^{4}}{32}=6.14\times10^{-7}\,\mathrm{m^{4}}$이다. $\theta=\dfrac{2\times10^{3}\times2}{85\times10^{9}\times6.14\times10^{-7}}\approx0.077\,\mathrm{rad}$

양단이 고정된 봉이 냉각(100℃ → 20℃)되면 수축이 구속되어 인장응력이 생기며, 크기는 $\sigma=E\alpha\Delta t$로 길이와 무관하다. $\sigma=200\times10^{9}\times12\times10^{-6}\times80=192\,\mathrm{MPa}$이므로 $P=\sigma A=192\times10^{6}\times2\times10^{-4}=38.4\,\mathrm{kN}$

하중이 양쪽 3 m 오버행에만 걸리므로 지점 사이 6 m 구간에는 일정한 굽힘모멘트만 작용한다. $M=\dfrac{\omega a^{2}}{2}=\dfrac{120\times3^{2}}{2}=540\,\mathrm{kN\cdot m}$이고, $\sigma=\dfrac{M\cdot h/2}{I}=\dfrac{540\times10^{3}\times0.3}{98200\times10^{-8}}\approx165\,\mathrm{MPa}$

최대 주응력은 다음과 같다.
$\sigma_{1}=\dfrac{\sigma_{x}+\sigma_{y}}{2}+\sqrt{\left(\dfrac{\sigma_{x}-\sigma_{y}}{2}\right)^{2}+\tau_{xy}^{2}}$

$\sigma_{x}=\tau,\ \sigma_{y}=0,\ \tau_{xy}=-\tau$를 넣으면
$\sigma_{1}=0.5\tau+\sqrt{0.25\tau^{2}+\tau^{2}}=0.5\tau+1.118\tau=1.618\tau$
이며, 전단응력은 제곱으로 들어가므로 음의 부호는 결과에 영향을 주지 않는다.

전단변형률은 직각이던 두 변 사이 각의 변화량으로 $\gamma_{xy}=\dfrac{\partial u}{\partial y}+\dfrac{\partial v}{\partial x}$이다. A점에서 위(AB 방향)로 갈수록 x방향 변위가 0.3 mm 줄고, 오른쪽(AD 방향)으로 갈수록 y방향 변위가 0.1 mm 늘어나므로 $\gamma_{xy}=\dfrac{-0.3}{400}+\dfrac{0.1}{400}=-0.0005$이다.

반지름 $R$, 반각 $\alpha$인 부채꼴의 도심은 꼭짓점 O에서 대칭축을 따라 $\bar{x}=\dfrac{2R\sin\alpha}{3\alpha}$ 떨어진 곳에 있다. 검산으로 반원($\alpha=\dfrac{\pi}{2}$)을 넣으면 잘 알려진 $\bar{x}=\dfrac{4R}{3\pi}$가 나온다.

800 N을 분해하면 수평분력 $800\cos 60^{\circ}=400\,\mathrm{N}$, 연직분력 $800\sin 60^{\circ}=692.8\,\mathrm{N}$이다. B에서 볼 때 수평분력의 팔은 0.16 m, 연직분력의 팔은 0.2 m이고 두 모멘트가 같은 방향이므로 $M_{B}=692.8\times0.2+400\times0.16=202.6\,\mathrm{N\cdot m}$

자유단에서 $x$만큼 떨어진 단면의 굽힘모멘트는 $M=\dfrac{wx^{2}}{2}$이다. $U=\int_{0}^{L}\dfrac{M^{2}}{2EI}dx=\dfrac{1}{2EI}\int_{0}^{L}\dfrac{w^{2}x^{4}}{4}dx=\dfrac{w^{2}L^{5}}{40EI}$

구형(구면) 내압용기의 응력은 $\sigma=\dfrac{pd}{4t}$이므로 $d=\dfrac{4t\sigma_{w}}{p}$이다. $d=\dfrac{4\times0.3\times800}{20}=48\,\mathrm{cm}$(판 두께 3 mm = 0.3 cm)이며, 같은 조건의 원통형이라면 $\dfrac{pd}{2t}$가 되어 절반인 24 cm가 된다.

원형 단면의 극단면계수는 $Z_{p}=\dfrac{\pi d^{3}}{16}$이므로 $T=\tau Z_{p}$로 구한다. $T=20\times10^{6}\times\dfrac{\pi(0.07)^{3}}{16}=20\times10^{6}\times6.74\times10^{-5}\approx1347\,\mathrm{N\cdot m}=1.35\,\mathrm{kN\cdot m}$

기공(blow hole)은 용융금속에 녹아 있던 수소·CO 등의 가스가 응고할 때 빠져나가지 못하고 갇혀 생긴 공동이다. 은점은 수소에 의한 물고기 눈 모양의 파단면, 편석은 성분이 국부적으로 몰린 결함이다.

응고는 모재와 접한 용융지 경계에서 시작해 중앙·상부로 진행되므로, 가장 늦게 굳는 중앙 상부에 불순물이 밀려 모인다. 최초 응고부는 오히려 순도가 높고, 다층용접에서 앞 층이 재가열되면 주조조직은 미세화된다.

비중은 Al 2.7 < Sn 7.3 < Cu 8.96 < Pb 11.34 순이다. 알루미늄이 가장 가볍고 납이 가장 무겁다는 것만 알아도 답이 가려진다.

피복아크용접의 피복제에 포함된 탈산제는 용접 중 산화를 방지하고 용접금속의 품질을 개선하는 역할을 한다. Mn(망간)과 Si(규소)는 산소와 친화력이 크고 용융풀에서 산소를 제거하는 전형적인 탈산제이며, Ti(티타늄)도 강력한 탈산 능력으로 피복제에 첨가된다. 반면 Cu(구리)는 용접금속의 인성과 강도를 개선하는 합금원소로 사용되지만, 탈산 기능은 하지 않는다. 따라서 정답은 4번(Cu)이다.

열영향부(HAZ)는 용융되지는 않았으나 용접열을 받아 조직과 기계적 성질이 변한, 용접비드(용착금속)와 모재 사이의 구역이다. 경화·취화와 균열이 가장 잘 나타나는 부분이다.

슬래그의 염기도는 염기성 성분의 총합을 산성 성분의 총합으로 나눈 값이므로 $A_{s}=\dfrac{B}{A}$이다. 값이 1보다 크면 염기성 슬래그로, 탈황·탈인 능력이 좋아 용착금속의 인성이 우수하다.

서브머지드 아크 용접(SAW) 용제의 구비조건에서 탈산, 탈황 등의 정련작용이 발생하지 않을 것은 틀린 설명이다. 용제는 오히려 활발한 정련작용(탈산·탈황·탈질소)을 수행해야 하며, 이를 통해 용접금속의 기계적 성질을 향상시킨다. 슬래그 이탈성이 우수하고(1번), 아크를 안정화시키며(3번), 적절한 점성으로 양호한 비드형상을 만드는 것(4번)은 모두 용제의 정상적인 구비조건이다.

킬드강은 Fe-Si·Al 등 강력한 탈산제로 완전히 탈산시킨 강괴로, 기포와 편석이 거의 없고 성분이 균일해 고합금강·고급 구조용강 제조에 쓰인다. 림드강은 탈산이 불충분해 기포가 많고, 세미킬드강·캡드강은 그 중간 정도의 탈산도를 갖는다.

액상이 일정 온도에서 서로 다른 두 고상을 동시에 정출하는 반응(L → α + β)이 공정 반응이다. 공석 반응은 출발이 액체가 아닌 고상이고, 포정 반응은 액상과 고상이 반응해 새로운 고상을 만드는 반응이다.

'Mg, Zn, Ti, Cd, Zr은 BCC 결정구조이다'가 옳지 않다. 이 원소들 중 Mg, Zn, Cd는 육방최밀패킹(HCP) 구조이고, Ti와 Zr은 온도에 따라 상변태되는데 실온에서 HCP 구조를 가지므로, 나열된 다섯 원소 모두가 BCC인 것은 아니다.

체심입방격자(BCC)는 정육면체 꼭짓점 8개와 중심에 원자 1개가 있으며, 나머지 설명은 모두 참이다.

• 원자충진율은 약 68%로 정확히 일치한다.
• 격자 내 원자수는 2개(8×1/8+1=2), 배위수는 8이다.
• BCC는 FCC보다 조밀도가 낮아 전연성이 작다.

예열은 임계온도 구간을 지날 때 냉각속도를 느리게 해 마텐자이트 생성과 비드 밑 균열을 막고 변형·잔류응력을 줄이는 것이 목적이다. 냉각속도를 빠르게 한다는 설명은 예열의 목적과 정반대다.

시버트(Sievert) 법칙은 용융금속에 녹는 이원자 가스(H₂, N₂)의 용해량이 그 가스 분압의 제곱근에 비례한다는 법칙이다. $S = k\sqrt{P}$로 표현되며, 용접부 기공과 수소 취화를 설명하는 근거가 된다.

마우러(Maurer) 조직도는 탄소(C)와 규소(Si)의 함유량을 두 축으로 잡아 주철의 조직을 백주철·반주철·회주철 등으로 구분한 선도다. Si는 흑연화를 촉진하므로 C와 함께 주철 조직을 결정하는 핵심 성분이다.

오스테나이트 안정화 원소는 C·N·Ni·Mn 등인데, 셰플러 선도의 Ni 당량식 $\mathrm{Ni_{eq}} = \%\mathrm{Ni} + 30\,\%\mathrm{C} + 0.5\,\%\mathrm{Mn}$에서 보듯 C는 같은 양의 Ni보다 약 30배 강하게 오스테나이트를 안정화한다. Zn은 철강에 사실상 쓰이지 않고 Cu는 안정화 효과가 매우 약하다.

알루미늄·구리 합금은 열전도율이 매우 커서 국부 가열만으로는 용융온도에 도달하기 어려우므로 200~300℃로 예열한다. 예열이 부족하면 용입 불량과 융합 불량이 생긴다.

금속 결정의 선결함인 전위는 칼날전위·나선전위와 그 둘이 섞인 혼합전위가 전부다. 탄성전위라는 형태의 전위는 존재하지 않는다.

Fe-C 평형상태도의 공정점은 1148℃, C 4.3%에서 액상이 오스테나이트와 시멘타이트로 동시에 정출되는 레데뷰라이트 생성점이다. 0.8%는 공석점, 2.1%는 강과 주철을 나누는 경계, 0.025%는 페라이트의 최대 탄소 고용량이다.

MgCu₂처럼 두 종류 이상의 금속이 간단한 정수 원자비로 결합해 고유한 결정구조와 화학식을 갖는 물질을 금속간화합물이라 한다. 대개 경도가 높고 취약하며, 성분비가 연속적으로 변하는 전율고용체와는 구별된다.

'템퍼링을 실시한다'가 틀린 방법이다. 템퍼링은 담금질된 강을 낮은 온도에서 재가열하는 열처리로, 이미 석출된 탄화물을 제거하지 못하며 오히려 입계의 취성을 높일 수 있어 입계부식 방지에 무관하거나 역효과를 초래한다.

18%Cr-8%Ni 오스테나이트 스테인리스강의 입계부식(intergranular corrosion)은 Cr 탄화물(Cr₂₃C₆)이 입계에 석출되어 입계 주변의 Cr 농도가 저하되기 때문에 발생한다.

• 용체화 처리는 고온에서 탄화물을 완전히 용해시킨 후 급냉하여 석출을 방지하므로 입계부식 방지에 효과적이다.
• 탄소함량 저하는 탄화물 생성량 자체를 줄여 입계부식을 억제한다.
• Ti, Nb 등의 탄화물 안정화 원소 첨가는 Cr보다 먼저 탄화물을 형성하여 Cr 탄화물 석출을 방지한다.

소성가공을 하면 전위밀도가 증가해 전위끼리 얽히면서 이동이 방해되고, 그 결과 강도·경도가 올라가는 현상이 가공경화(변형경화)다. 크리프는 고온에서 일정 하중 아래 시간에 따라 변형이 진행되는 별개의 현상이다.

스테인리스강의 열전도율은 약 16 W/m·K로 연강(약 50), 알루미늄(약 237), 구리(약 398)보다 훨씬 낮다. 그래서 열이 퍼지지 않고 국부에 집중되어 용접 변형과 잔류응력이 크다.

저온균열은 용접부가 약 200℃ 이하로 냉각된 뒤 확산성 수소·경화조직·구속응력이 겹쳐 생기며, 응고 후 48시간 이내에 지연 발생하는 것도 저온균열의 특징이다. 설퍼 크랙과 응고 직후 고온에서 수축응력으로 생기는 균열은 모두 고온균열에 속한다.

서브머지드 아크 용접의 균열은 급랭에 의한 경화조직, 모재의 편석, 높은 탄소량, 용착금속의 Mn 부족(Mn/S 비 저하)이 원인이다. 열영향부가 서랭되면 오히려 경화조직 생성이 억제되어 균열이 줄어들므로 균열 원인이 아니다.

토 균열은 용접 지단부(toe)의 응력집중과 언더컷에서 시작되는 저온균열이므로, 언더컷을 없애고 예열하며 강도가 낮은(연성이 큰) 용접봉을 쓰는 것이 가장 적합한 대책이다. 수소량 억제만 강조한 대책은 루트 균열이나 비드 밑 균열에 대한 것이다.

피로강도는 응력집중을 줄일수록 높아지므로 완전 용입, 잔류응력 완화, 단면 급변부 제거가 유효하다. 용착량을 늘려 응력이 집중되게 하는 것은 피로균열의 기점을 만드는 일이라 피로강도를 오히려 떨어뜨린다.

방사선 투과검사의 감마선원으로는 Ir-192, Co-60, Cs-137, Tm-170 같은 방사성 동위원소가 쓰인다. 베릴륨(Be)은 방사성 동위원소가 아니어서 선원으로 사용되지 않으며, Be 478이라는 핵종 표기 자체가 성립하지 않는다.

후판 홈은 용접봉 접근과 슬래그 배출이 잘 되도록 루트 반지름을 되도록 크게 잡아야 한다. 반면 용착량과 변형을 줄이기 위해 홈 단면적은 작게 하고, 적정한 루트 면·루트 간격과 최소 10° 이상의 홈 각도를 확보한다.

용접부의 충격시험은 인성(toughness)을 평가하기 위한 시험이다. 충격시험은 샤르피(Charpy) 또는 아이조드(Izod) 시험기로 낮은 온도에서 재료가 충격 하중에 견디는 능력을 측정하며, 이를 통해 재료의 취성·연성 특성과 저온 인성을 판정한다. 용접부는 열영향부의 경화로 인해 인성이 저하될 수 있으므로 충격시험으로 용접부의 인성 확보 여부를 검증한다.

용접 입열(Heat Input)은 아크 전력을 용접속도로 나눈 값으로 구한다. 입열 공식: $Q = \dfrac{V \times I}{v}$ (단위: J/cm, V: 전압[V], I: 전류[A], v: 용접속도[cm/min])
주어진 값을 대입하면: $Q = \dfrac{30 \times 300}{10} = \dfrac{9000}{10} = 900 \text{ J/s}$
분자 9000은 와트(W, J/s)이고, 분모 10은 cm/min이므로 단위 정렬이 필요하다. 정확히는 $Q = \dfrac{V \times I \times 60}{v} = \dfrac{30 \times 300 \times 60}{10} = \dfrac{540000}{10} = 54000 \text{ J/cm}$이다. 60초를 곱하는 이유는 분당(min) 입열량을 cm당 입열량으로 변환하기 위함이므로, 단위길이 1cm당 발생하는 용접 입열은 54000 J/cm이다.

CTS(controlled thermal severity) 시험은 판을 겹쳐 필릿 용접하면서 열이 빠져나가는 방향을 2방향·3방향으로 바꿔 냉각속도를 달리해 비드 균열을 조사하는 열적구속도 시험이다. 리하이·휘스코 시험은 슬릿이나 기계적 구속으로 응력을 주는 구속 균열시험이다.

저수소계는 석회석·형석이 주성분이어서 용착금속의 수소량과 산소량이 모두 적고 균열 감수성이 낮다. 그 덕분에 구속이 큰 중구조물·고장력강·고유황강에 쓰이며, 다만 아크가 다소 불안정하고 시점부에 기공이 생기기 쉽다.

용접기 11대의 전원 변압기 용량은 동시 사용률을 고려하여 계산한다.
변압기 용량 = 용접기 1대의 정격용량 × 대수 × 동시사용률

먼저 1대의 정격용량을 구하면
정격용량 = 무부하전압 × 평균전류 = 70V × 200A = 14,000VA = 14kVA
용접기의 사용률이 50%라는 것은 동시 사용률이 50%를 의미하므로
필요한 변압기 용량 = 14kVA × 11대 × 0.5 = 14 × 5.5 = 77kVA

따라서 모든 용접기를 동시에 가동할 때 필요한 전력을 안정적으로 공급할 수 있는 가장 적당한 변압기 용량은 77kVA이다.

판두께 15~40mm급에서 양면 용접으로 완전 용입을 얻고, 같은 두께의 V형보다 홈 단면적이 작아 용접봉 소비량과 변형이 적은 홈은 X형(양면 V형) 홈이다. I형은 박판용, V형은 한쪽에서만 용접하는 홈이다.

용접균열은 발생 위치에 따라 용접금속(weld metal), 열영향부(HAZ, heat affected zone), 모재의 원질부(base metal)로 분류된다. 용접변형부는 용접으로 인한 기하학적 변형 현상을 나타내는 용어로, 균열 발생 위치의 분류 기준이 아니며 변형량·각변형·비틀림 등의 물리적 변형을 지칭한다.

Co-60은 붕괴하면서 1.17MeV·1.33MeV의 감마선을 방출하며, 투과력이 커서 방사선 투과검사(RT)의 선원으로 쓰인다. 알파선·베타선은 투과력이 약해 비파괴검사에는 사용하지 않는다.

정반에 고정하거나 보강재·보조판을 덧대어 모재의 움직임을 물리적으로 구속해 변형을 막는 방법이 억제법이며, 현장에서 가장 널리 쓰인다. 역변형법은 미리 반대 방향으로 변형시켜 두는 방법이라 구속과는 원리가 다르다.

피로·크리프·응력부식균열은 하중이나 환경의 영향이 시간에 걸쳐 누적되어 파괴에 이르는 시간 의존성 파괴다. 취성 파괴는 균열이 순간적으로 불안정 전파해 끝나는 파괴여서 시간 의존성이 없다.

좌굴 변형은 용접면에 수직한 방향(두께 방향)으로 판이 휜다는 뜻으로, 면외 변형에 해당하며 면내 변형에 속하지 않는다.

용접변형은 용접으로 인한 비균등한 가열과 냉각으로 발생하며, 면내 변형(평면 내 변형)과 면외 변형(평면 외 변형)으로 분류된다. 면내 변형은 용접면(판의 평면)과 평행한 방향으로 발생하는 변형으로 종 수축, 횡 수축, 회전 변형이 포함된다.

• 종 수축은 용접선 방향의 길이 감소로, 용접면 내에서 발생한다.
• 횡 수축은 용접선에 수직인 방향의 수축으로, 용접면 내에서 발생한다.
• 회전 변형은 용접 양쪽이 서로 다른 수축으로 인한 회전으로, 용접면 내에서 발생한다.

구조물에 인장이나 압축하중을 걸어 용접부를 약간 소성변형시킨 뒤 하중을 제거해 잔류응력을 낮추는 방법이 기계적 응력 완화법이다. 저온 응력 완화법은 용접선 양측을 150~200℃로 가열한 뒤 살수 냉각하는 방법이라 구분된다.

얇은 원통형 용기의 동체에 작용하는 원주방향 응력(hoop stress)은 $\sigma = \dfrac{pd}{2t}$ 공식으로 구한다. 여기서 $p$는 내부압력, $d$는 직경, $t$는 두께이다. 주어진 값을 대입하면 $\sigma = \dfrac{100 \times 50}{2 \times 6} = \dfrac{5000}{12} = 416.7 \text{ N/mm}^2$이다. 따라서 동체에 작용하는 응력은 416.7N/mm²이다.

용접 입열량 공식은 다음과 같다.
$Q = \dfrac{60 \times I \times V}{v}$
여기서 Q는 입열량(J/cm), I는 용접전류(A), V는 아크전압(V), v는 용접속도(cm/min)이다.

주어진 값을 대입하면
$18000 = \dfrac{60 \times I \times 30}{15}$
이므로
$18000 = \dfrac{1800 \times I}{15} = 120 \times I$
이다. 따라서
$I = \dfrac{18000}{120} = 150A$
이다.

무부하전압은 용접기의 안전장치 사양일 뿐 입열량 계산에는 사용되지 않는다.

고주파는 아크 통로의 공기를 이온화시켜 전류가 흐를 길을 미리 만들어 주므로 아크 발생이 쉽고 아크가 안정된다. 고주파는 전압이 높아도 전류가 극히 작아 전격 위험이 커지지 않으며, 아크 손실도 오히려 줄어든다.

아세틸렌 용기 밸브는 전용 핸들로 1/2회전(0.5회전)만 열어 사용하고, 핸들은 밸브에 꽂아 둔 채 작업해 위급할 때 즉시 잠글 수 있게 한다. 밸브를 많이 열면 용해된 아세톤이 함께 유출되어 역화·화재 위험이 커진다.

버언 백 시간은 크레이터 처리로 낮아진 전류가 서서히 줄면서 아크가 끊어지도록 하는 기능으로, 크레이터부의 이면 용락(녹아내림)을 방지한다. 예비 가스 유출 시간과 가스 지연 유출 시간은 보호가스의 선행·후행 공급을 제어하는 기능이다.

테르밋 용접은 알루미늄과 산화철의 화학반응 열을 이용하여 매우 높은 온도(약 2500°C)를 발생시키므로 외부 전원이 필요 없고, 차축·레일·파이프 등 대구경 부재의 현장 접합에 널리 사용된다. 업셋 용접은 대전력 직류전원이 필수이고, 가스 압접법도 가스 공급이 필요하며, 일렉트로 슬래그 용접은 교류전원이 반드시 필요하므로 전원이 없는 야외 환경에서는 실용적이지 않다.

용접을 끝냈거나 장시간 중지할 때는 반드시 전원 스위치를 차단해야 한다. 통전 상태로 두면 홀더나 케이블에 접촉하는 것만으로 감전될 수 있어 전격 방지대책에 어긋난다.

마찰 용접은 접촉면을 회전 마찰로 가열한 뒤 축방향으로 압력을 가해 접합하는 방식이라 압접(고상접합)에 속한다. 가스 용접·스터드 용접·피복 아크 용접은 모재를 녹여 붙이는 융접이다.

직류 역극성은 모재가 음극이 되어 모재 쪽 발열이 적으므로 용입이 얕고 비드 폭은 넓어지며 용접봉이 빨리 녹아 박판·주철·비철금속에 쓰인다. 비드 폭이 좁고 용입이 깊은 것은 정극성의 특징이다.

슬래그 생성제는 산화철·산화티탄·이산화망간·규사·석회석처럼 용융 슬래그를 만들어 용착금속을 덮어 보호하는 성분이다. 페로망간은 용융금속의 산소를 빼앗아 기공을 막는 탈산제다.

피복 아크 용접봉의 심선은 불순물이 적고 연성이 좋아야 하므로 저탄소 림드강(C·S·P를 낮춘 연강 선재)을 쓴다. 탄소량이 많으면 용착금속이 경화되어 균열이 생기기 쉽다.

저항 용접은 이음 형상에 따라 두 가지로 나뉜다. 겹치기 용접에는 점(스폿)·심·프로젝션 용접이 있고, 맞대기 용접에는 업셋·플래시·퍼커션 용접이 있다.

플라스마 아크는 노즐로 구속된 고온·고속 열원이라 용접속도가 빠르고 키홀 효과로 용입이 깊다. 무부하 전압이 높고, 열영향부가 좁아 변형이 적으며 기계적 성질이 좋다는 설명은 모두 옳다.

팁 끝이 순간적으로 막혀 불꽃이 토치의 가스혼합실까지 들어가 토치가 빨갛게 달구어지는 현상은 인화이다. 역화는 팁이 과열되거나 막혀 폭음과 함께 불꽃이 들어갔다 나오는 현상이다. 역류는 고압의 산소가 아세틸렌 쪽 호스로 거꾸로 흘러드는 현상이다.

글로뷸러형은 와이어 지름보다 큰 용적이 단락 없이 중력과 핀치 효과로 떨어지는 이행 형태여서 핀치효과형이라고도 한다. 서브머지드 아크 용접처럼 대전류를 쓰는 조건에서 나타난다.

일렉트로 가스 아크 용접은 수랭 동당금과 CO₂ 보호가스를 쓰는 수직 자동 용접으로 장치가 간단하고 취급이 쉽다. 판이 두꺼울수록 경제적이고, 보호가스를 쓰므로 바람의 영향을 받으며, 가스절단면 그대로도 용접할 수 있다.

가스절단은 산소와 연료가스의 화학반응열을 이용하여 금속을 가열·산화시키는 방식으로, 산소와 연료가스(아세틸렌 등)를 함께 사용하는 특징이 있다. 1번 분말절단은 금속분말을 산소 기류와 함께 분사하여 산화·용융시키므로 산소를 활용한 화학적 절단에 해당하는 가스절단이다. 2번 아크에어가우징, 3번 플라스마제트절단, 4번 불활성가스아크절단은 모두 전기아크의 열을 이용하는 아크절단에 분류된다.

수소는 무색·무미·무취이고 인체에 무해하며, 고압에서도 연소가 안정적이어서 수중 절단의 예열가스로 쓰인다. 아세틸렌은 압력이 높아지면 분해 폭발 위험이 있어 깊은 수중 절단에는 쓰지 못한다.

종이·목재·석탄·섬유처럼 연소 후 재를 남기는 일반 가연물 화재가 A급 화재이며, 냉각소화(물)가 유효하다. B급은 유류, C급은 전기, D급은 금속 화재다.

퍼커션(충격) 용접은 콘덴서에 축적한 전기 에너지를 순간적으로 방전시켜 생긴 아크로 접합면을 가열한 직후 충격적으로 가압해 붙이는 방법이다. 통전 시간이 극히 짧아 가는 선재나 이종금속 접합에 적합하다.

원판형 롤러 전극 사이에 겹친 판을 넣고 가압·통전하면서 전극을 회전시켜 점 용접이 연속으로 이어지게 하는 것이 심 용접이며, 기밀·수밀이 필요한 이음에 쓰인다. 프로젝션 용접은 미리 만든 돌기에 전류를 집중시키는 점 용접의 일종이다.