[용접산업기사 필기] 16년 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

용접 변형과 잔류응력을 줄이는 대표적인 방법은 억제법·도열법·역변형법이며, 이 밖에 비석법(스킵법)·대칭법 등이 쓰인다.
'롤러에 거는법'은 이러한 변형·잔류응력 경감법으로 분류되는 기법이 아니다.

주철과 강은 탄소 함유량 약 2.0%를 기준으로 구분한다.
탄소 함량이 2.0% 미만이면 강(steel), 2.0%를 초과하면 주철(cast iron)로 분류하는 것이 Fe-C 상태도상의 일반적 기준이다.

강의 연화와 내부응력 제거를 목적으로 하는 열처리는 풀림(annealing)이다.
불림은 결정조직을 미세화·균일화하기 위한 열처리이고, 침탄법과 질화법은 표면을 경화시키는 표면경화 열처리이므로 목적이 다르다.

과냉도가 증가하면 결정핵 생성 속도가 커져 결정핵의 수는 오히려 증가한다.
냉각속도가 빠를수록 결정핵이 많이 생성되어 결정입자가 미세화되며, 응고점 바로 밑에서는 과냉도가 작아 결정핵 수가 비교적 적다는 설명은 타당하다.

수소 취성도는 $\dfrac{\delta_o-\delta_H}{\delta_H}$ 로 나타낸다.
수소의 영향을 받지 않은 시험편의 면적 δo에서 수소의 영향을 받은 시험편의 면적 δH를 뺀 수소에 의한 감소분을, 수소의 영향을 받은 시험편의 면적 δH로 나눈 비이므로 취화가 심할수록 값이 커진다.
분자를 δH − δo로 쓰면 부호가 반대인 음수가 되어 취성 정도를 나타낼 수 없다.
두 값을 곱한 뒤 그중 하나로 나눈 식은 정리하면 나머지 한 값 자체가 되어 버려 두 시험편의 차이를 전혀 반영하지 못한다.

시멘타이트($\mathrm{Fe_{3}C}$)는 철과 탄소가 간단한 원자비로 결합한 대표적인 금속간화합물이다.
금속간화합물은 경도가 매우 높고 취약하며 융점이 높은 특징을 가지는데, 시멘타이트 역시 이 특성을 그대로 보인다.

용접금속이 응고된 직후 결정입계를 따라 발생하며 대략 300℃ 이상의 고온에서 나타나는 균열을 고온균열이라 한다.
저온균열이나 수소균열은 상대적으로 낮은 온도 영역에서 발생하는 균열이므로 발생 온도대가 다르다.

$\mathrm{CaCO_{3}}$(탄산칼슘)는 피복제나 용제에서 슬래그 생성제로 사용되는 대표적인 배합제다.
Ni, Al, Mn은 슬래그 생성보다는 합금성분 첨가나 탈산제 등 다른 목적으로 배합되는 원소다.

온도 변화에 따라 체심입방격자인 α철이 면심입방격자인 γ철로, 다시 체심입방격자인 δ철로 결정구조가 바뀌는 현상을 동소변태라 한다.
같은 성분의 금속이 온도에 따라 서로 다른 결정구조를 갖는 것이 동소변태의 정의이며, A₃점과 A₄점이 각각 그 변태점이다.

피복아크용접봉 E4301은 일미나이트계 용접봉을 나타내는 규격이다.
E4301은 일미나이트계, E4311은 고셀룰로오스계, E4313은 고산화티탄계, E4316은 저수소계로 각각 피복제 계통이 다르다.

겹쳐진 부재(래핑된 이음)에서 홀(Hole) 대신 좁고 긴 홈을 만들어 용접하는 방식은 슬롯 용접(Slot Weld)이다. 슬롯 용접은 플러그 용접과 유사하지만, 구멍이 아닌 길쭉한 슬릿 형태의 홈을 통해 용접이 이루어지는 점에서 구분된다. 필릿 용접은 두 부재의 모서리를 접합하는 방식이고, 맞대기 용접은 부재를 일렬로 맞닿게 이음하는 방식이며, 플러그 용접은 원형 홀을 사용한다는 점에서 각각 다르다.

원뿔대의 옆모습(사다리꼴) 오른쪽에 두 동심원이 오는 것이 제1각법 기호, 두 동심원 오른쪽에 원뿔대 옆모습이 오는 것이 제3각법 기호다.
제1각법은 물체 뒤쪽 화면에 상을 맺으므로 어느 방향에서 본 모양이 그 반대쪽에 놓이고, 제3각법은 눈과 물체 사이 화면에 상을 맺으므로 본 방향과 같은 쪽에 놓인다. 두 기호에서 원과 사다리꼴의 좌우 위치가 서로 반대인 이유가 이것이다.
따라서 두 기호를 같은 배치로 그려 놓았거나 좌우 관계를 뒤바꿔 놓은 짝은 KS·ISO가 정한 투상법 대표 기호와 맞지 않는다.

핸들, 바퀴의 암·리브, 훅, 축, 구조물 부재처럼 가늘고 긴 부분의 단면 모양을 나타낼 때는 회전도시 단면도가 가장 적합하다.
절단할 부분을 90° 회전시켜 그 자리 또는 다른 곳에 겹쳐 그려 단면 형상을 명확히 보여주는 방식이기 때문이다.

가는 1점 쇄선은 중심선·기준선·피치선 등의 용도로 사용된다.
숨은선은 대상물의 보이지 않는 부분을 나타내는 선으로 가는 파선 또는 굵은 파선을 사용하므로, 가는 1점 쇄선의 용도에는 해당하지 않는다.

필릿 용접 기호인 삼각형에 완만한 곡선을 덧붙인 표기가 끝단부(토)를 매끄럽게 다듬질하라는 보조기호다.
이 곡선은 비드 지단부가 급격히 꺾여 응력이 집중되는 것을 막도록 모재와 용접부가 부드럽게 이어지게 다듬으라는 지시이며, 다듬질 방법을 특별히 지정하지 않을 때 쓴다.
나머지 표기는 용접부 표면을 평면으로 다듬질하라는 보조기호이거나 V형·양면 V(X)형처럼 홈 형상 자체를 나타내는 기호여서 끝단부 처리 지시가 아니다.

도면에서 원의 지름을 나타내는 치수 보조기호는 ø(파이)이다.
Sø는 구의 지름, SR은 구의 반지름, 괄호는 참고 치수를 나타내는 기호이므로 일반적인 지름 표기와는 구별된다.

KS 규격에서 일반 구조용 압연강재는 SS400과 같이 SS 기호로 표시한다.
SM45C는 기계구조용 탄소강재, SM400A는 용접구조용 압연강재, STKM은 기계구조용 탄소강관을 나타내는 기호로 각각 용도가 다르다.

도면의 내용에 따른 분류에는 부품도, 조립도, 배치도, 배선도, 기초도, 장치도, 스케치도 등이 있으며 계통도는 여기에 속하지 않는다.
계통도는 전기·배관 등의 접속 관계나 작동 순서를 선과 기호로 나타낸 것으로, 표현 형식에 따른 분류에 해당한다.
기초도·장치도는 구조물이나 설비의 배치·구성 내용을 담은 도면으로 내용에 따른 분류에 속한다.
스케치도는 실물을 보고 그린 도면으로 이 역시 내용에 따른 분류에 포함된다.

경사면의 실제 모양을 나타내기 위해 경사면과 마주 보는 방향에서 그린 것은 보조투상도다.
그림의 부품은 한쪽이 비스듬히 꺾인 브래킷이어서, 정면·평면 같은 기본 방향으로만 투상하면 경사부가 짧게 찌그러져 보인다. 그래서 경사면에 수직인 방향으로 화살표를 두고 그 방향에서 본 모양을 경사면과 나란히 배치해 구멍 위치와 실형이 그대로 드러나게 했다.
주투상도는 대상물의 특징이 가장 잘 나타나는 기본 방향의 투상도로, 경사면 실형을 얻기 위한 것이 아니다.
부분투상도는 필요한 일부분만 그리는 것이고, 회전투상도는 각도를 가진 부분을 회전시켜 펼쳐 그리는 것이어서 성격이 다르다.

도면에서 두 종류 이상의 선이 같은 위치에서 겹칠 때는 외형선을 가장 우선하여 그린다.
일반적인 우선순위는 외형선 → 숨은선 → 절단선 → 중심선 → 무게중심선 → 치수보조선 순이다.

용접 길이를 짧게 나누어 간격을 두고 띄엄띄엄 용접해 나가는 방법을 스킵법(비석법)이라 한다.
용접이 국부적으로 집중되지 않으므로 전체적인 변형과 잔류응력을 줄이는 데 효과적이다.

용접 구조물의 강도 설계에서 가장 주의해야 할 사항은 잔류응력이다.
용접 시 발생하는 국부적인 가열·냉각으로 인해 잔류응력이 남으면 취성파괴나 피로강도 저하, 응력부식균열 등의 원인이 되기 때문이다.

필요한 용접 길이는 20mm이다.
맞대기 이음의 인장응력은 $\sigma = \dfrac{P}{t \times L}$로 구하므로 $L = \dfrac{P}{t \times \sigma}$이다.
수치를 대입하면 $L = \dfrac{60000\,\mathrm{N}}{6\,\mathrm{mm} \times 500\,\mathrm{N/mm^{2}}} = 20\,\mathrm{mm}$이다.

연강판의 양면 필릿용접에서 목길이(각장)는 판 두께의 약 75% 정도로 하는 것이 가장 좋다.
필릿용접의 목두께는 각장의 약 0.7배이므로, 양면에서 각장을 판 두께의 75%로 잡으면 양쪽 목두께의 합이 판 두께와 비슷한 수준이 되어 모재와 동등한 강도를 확보할 수 있다.
이보다 크게 하면 과대 용접이 되어 용접량과 변형만 늘고, 지나치게 작으면 필요한 강도를 얻지 못한다.

맞대기 용접의 덧살(보강 덧붙임)은 과대할 경우 오히려 피로강도를 감소시킨다.
덧살 표면과 모재 사이의 경계부에서 응력집중이 발생하기 때문에, 덧살이 클수록 응력집중이 커지고 반복하중에 대한 피로강도는 낮아진다.

맞대기 용접 이음에 쓰이는 홈의 종류에는 I형·V형·U형·X형·H형 등이 있다.
T형 홈은 판을 T자 형태로 접합할 때 쓰는 필릿용접 관련 형상이므로 맞대기 용접 홈의 종류에 해당하지 않는다.

비드는 용접 시 정상적으로 생기는 용착금속의 띠 모양 자국으로, 용접 결함이 아니다.
기공, 융합 불량, 슬래그 섞임은 모두 용접부에서 발생하는 대표적인 결함 유형에 해당한다.

용접 결함은 크게 구조상 결함과 치수상 결함으로 나뉘는데, 형상 불량은 치수상 결함에 해당한다.
균열, 언더컷, 용입 불량은 용착금속의 구조·형상 자체에 생기는 문제이므로 구조상 결함으로 분류된다.

용접 이음 설계에서는 작업 능률과 품질을 위해 위보기 자세 용접을 가능한 한 피하도록 설계해야 한다.
강도상 중요한 이음은 완전 용입이 되게 하고, 이음이 한 곳에 집중되지 않도록 분산시키며, 맞대기 이음은 가능하면 양면 용접으로 용입 부족을 방지하는 것이 바람직한 설계 원칙이다.

단락형(short circuiting transfer) 용적이행은 표면장력의 작용으로 용적이 이행하는 형식이다.
와이어 끝의 용융금속이 용융지에 접촉해 단락되면서 표면장력에 의해 모재로 옮겨가는 방식으로, 낮은 전류·전압에서 박판 용접에 주로 쓰인다.

용접부의 피로강도를 높이려면 덧붙이 용접의 크기를 가능한 최소화해 응력집중을 줄여야 한다.
응력 집중부에 이음을 설계하거나 기계적 강도를 낮추는 방향은 오히려 피로강도를 저하시키므로 피해야 하며, 잔류응력은 강화가 아니라 피닝 등으로 완화해야 도움이 된다.

잔류응력이 남아 있으면 기계 부품이라 해도 사용 중에 변형이 발생할 수 있다.
잔류응력은 응력부식 발생, 박판 구조물의 국부 좌굴 촉진, 취성파괴의 원인 등 구조물 전반에 부정적인 영향을 미친다.

비드 바로 아래 용접선과 평행하게 열영향부에 생기는 균열을 비드 밑 균열이라 한다.
수소의 영향으로 열영향부에 잠재해 있다가 시간이 지나며 나타나는 저온균열의 일종으로, 육안으로는 발견하기 어려워 별도의 비파괴검사가 필요하다.

완전 용입된 평판 맞대기 이음의 굽힘응력은 $\sigma=\dfrac{6M}{\ell h^{2}}$ 이다.
완전 용입이면 힘을 받는 용접부 단면이 폭 ℓ, 높이 h인 직사각형이 되므로 단면계수는 $Z=\dfrac{\ell h^{2}}{6}$ 이고, 굽힘응력의 정의는 $\sigma=\dfrac{M}{Z}$ 이다.
두 식을 합치면 $\sigma=\dfrac{M}{\ell h^{2}/6}=\dfrac{6M}{\ell h^{2}}$ 로 정리된다.
계수를 4로 둔 식은 직사각형 단면계수와 맞지 않고, 두께를 세제곱한 식은 단면2차모멘트 $\dfrac{\ell h^{3}}{12}$ 와 혼동한 것이라 응력의 단위가 되지 않는다.

슬래그 혼입은 용접부 내부에 생기는 결함이어서 육안검사로 검출하기 어렵다.
피트, 언더컷, 오버랩은 모두 용접부 표면에 나타나는 결함이므로 육안으로도 비교적 쉽게 확인할 수 있다.

환산 용접 길이는 96m이다.
환산 길이는 실제 용접 길이에 자세별 환산계수를 곱해 구하므로 $20\,\mathrm{m} \times 4.8 = 96\,\mathrm{m}$이다.
위보기 자세는 작업 난이도가 높아 환산계수가 크게 적용되므로, 같은 길이라도 환산 길이가 크게 늘어난다.

I형 홈은 별도의 개선각 가공 없이 판 끝을 그대로 맞대는 형상으로, 홈 형상 중 가장 얇은 판에 적용한다.
V형·K형·H형은 판 두께가 두꺼워질수록 완전한 용입을 얻기 위해 순차적으로 적용하는 홈 형상이다.

고셀룰로스계(E4311) 용접봉은 가스 실드 아크로 스프레이형 용입을 얻는 대신, 비드 표면이 거칠고 스패터 발생이 많은 것이 특징이다.
따라서 "비드 표면이 양호하고 스패터 발생이 적다"는 설명은 실제 특성과 반대된다.
슬래그 생성량이 적은 것은 가스 실드 방식의 특징으로 맞는 설명이다.
아크가 스프레이 형상으로 용입이 양호한 것도 맞는 설명이다.
환원성 아크 분위기로 용착금속의 기계적 성질이 양호한 것도 맞는 설명이다.

피로 강도는 반복 하중을 받는 용접구조물이 파단에 이르기까지 견딜 수 있는 응력 수준을 나타내며, 구조물의 수명을 좌우하는 가장 직접적인 요소다.
작업률·아크 타임률·작업 태도는 용접 생산성이나 능률과 관련된 지표일 뿐, 완성된 구조물 자체의 수명과는 직접 관련이 없다.

크레이터는 비드가 끊어지거나 용접봉이 짧아져 용접이 중단될 때, 아크가 꺼지면서 비드 끝부분이 오목하게 파인 부분을 말한다.
크레이터 부분은 급냉으로 균열이 발생하기 쉬워 크레이터 처리(엔드탭 사용, 크레이터 채우기 등)가 필요하다.

피복 배합제 중 가스 발생제는 아크열로 분해되면서 환원성·중성 가스를 발생시켜 대기(산소·질소)로부터 용융금속을 보호하는 역할을 한다. 이때 발생한 가스가 용융지를 감싸므로 용착금속의 냉각속도는 오히려 느려진다.
따라서 "가스 발생제가 용착금속의 냉각속도를 빠르게 한다"는 설명은 틀린 내용이다.
아크 안정제가 아크를 안정시키는 것은 맞는 설명이다.
고착제가 피복제를 심선에 단단히 고착시키는 것도 맞는 설명이다.
합금제가 용강에 금속원소를 첨가해 용접금속의 성질을 개선하는 것도 맞는 설명이다.

직류정극성(모재 +극, 용접봉 –극)은 모재에 전자가 충돌하며 발열이 집중되어 모재의 용입이 깊어지는 방식이다.
따라서 "모재의 용입이 얕아진다"는 설명은 직류정극성의 실제 특성과 반대이며, 정극성은 용입이 깊어야 하는 두꺼운 판 용접에 적합하다.

전격방지기는 아크가 끊어진 순간 용접기의 무부하 전압을 낮추어 감전을 예방하는 장치로, 이때의 적정 무부하 전압은 25V 이하로 규정된다.

납땜에서 경납용 용제로는 붕사가 대표적으로 사용되며, 붕산·불화물·염화물 등이 함께 배합되기도 한다.
인산·염화아연·염화암모늄 등은 주로 저온에서 이루어지는 연납땜용 용제로 쓰인다.

브레이징(Brazing)은 모재를 녹이지 않고 용가재만 녹여 접합하는 방식으로, 450℃ 이상에서 용가재를 녹여 접합하는 것을 브레이징으로 정의한다.
450℃ 미만의 온도에서 용가재를 녹여 접합하는 것은 연납땜(솔더링)으로 구분한다.

피복아크용접봉 기호 중 E4324는 철분산화티탄계에 해당하며, 라임티탄계는 E4303으로 분류된다.
따라서 "E4324 – 라임 티탄계"라는 연결은 틀린 설명이다.
E4301은 일미나이트계로 옳게 연결되었다.
E4327은 철분산화철계로 옳게 연결되었다.
E4313은 고산화티탄계로 옳게 연결되었다.

서브머지드 아크 용접은 분말 플럭스를 용접부에 미리 살포하고 그 속에 전극 와이어를 연속적으로 송급하여, 플럭스에 묻힌 상태에서 와이어와 모재 사이에 아크를 발생시키는 용접법이다.
아크가 플럭스 속에 묻혀 보이지 않아 잠호용접이라고도 부르며, 능률이 높아 후판의 장대 용접에 널리 쓰인다.

탄산가스(CO₂) 아크 용접은 오픈 아크 방식이어서 용융지 상태를 육안으로 보면서 용접할 수 있어 용접 진행의 양·부 판단이 비교적 쉽다.
따라서 "용융지의 상태를 보면서 용접할 수 없다"는 설명은 CO₂ 용접의 특성과 반대된다.
용착금속의 수소량이 피복아크용접봉보다 적은 것은 맞는 설명이다.
단락이행 용접법으로 박판·전자세 용접이 가능한 것도 맞는 설명이다.
용접봉 교체 시간이 없어 생산성이 높은 것도 맞는 설명이다.

고장력강용 피복아크용접봉의 계통 분류에서 E5001은 일미나이트계, E5003은 라임티탄계, E5026은 철분저수소계에 해당하며, 이들과 별도로 구분되는 특수계 기호가 E5000이다.

TIG·MIG·CO₂ 아크 용접과 같이 전류가 크고 강한 아크광을 내는 용접에는 차광도 번호 12~13 정도의 차광렌즈를 사용하는 것이 적당하다.
차광도 번호가 낮을수록 밝은 작업(가스용접·경납땜)에, 높을수록 고전류 아크 용접에 사용한다.

MAG(Metal Active Gas) 용접은 CO₂나 CO₂-Ar 혼합가스처럼 아크 중에서 화학반응을 일으키는 활성가스를 보호가스로 사용하는 용접법이다.
MIG·TIG 용접은 아르곤·헬륨 같은 불활성가스를, 서브머지드 아크 용접은 가스 대신 분말 플럭스를 보호매체로 사용한다.

안전홀더는 용접봉을 잡는 부분을 절연 처리하여, 작업자가 홀더에 접촉하더라도 전격(감전)을 예방하기 위해 사용한다.

땀이 많이 나는 좁고 밀폐된 장소에서는 신체가 노출되면 감전 위험이 크게 높아지므로, 신체를 노출한 채 용접해서는 안 된다.
따라서 "신체를 노출시켜 용접해도 된다"는 설명은 전격방지 주의사항으로 틀린 내용이다.
장시간 작업을 중지할 때 스위치를 차단하는 것은 옳은 주의사항이다.
무부하 전압이 필요 이상 높은 용접기를 사용하지 않는 것도 옳은 주의사항이다.
가죽장갑·앞치마·발덮개 등 보호구를 착용하는 것도 옳은 주의사항이다.

용해 아세틸렌 용기에서 사용한 아세틸렌의 양(kg)은 충전 시 전체 무게에서 사용 후 빈병 무게를 뺀 값이다.
$65\ \mathrm{kgf} - 61\ \mathrm{kgf} = 4\ \mathrm{kgf}$
아세틸렌 1kg은 표준상태에서 약 $905\ \mathrm{L}$의 기체 부피를 가지므로, 사용한 아세틸렌 가스의 부피는 다음과 같다.
$4\ \mathrm{kg} \times 905\ \mathrm{L/kg} = 3620\ \mathrm{L}$

금속 원자 사이에 인력이 작용해 영구결합(금속결합)이 일어나려면 원자 간 거리가 원자 지름 정도인 $10^{-8}\ \mathrm{cm}$ 수준까지 접근해야 한다.

TIG 용접은 아크가 좁은 범위에 집중되는 국부 가열 방식이어서 가열범위가 좁고 용접 변형이 작은 것이 장점이다.
따라서 "가열범위가 넓어 변형이 크다"는 설명은 TIG 용접의 실제 특성과 반대된다.
보호가스가 투명해 가시용접이 가능한 것은 맞는 설명이다.
용제가 불필요하고 깨끗한 비드를 얻는 것도 맞는 설명이다.
피복아크용접보다 연성·강도가 우수한 것도 맞는 설명이다.

피복아크용접에서 용접부를 보호하는 방식은 가스 발생식·슬래그 생성식·반가스 발생식 세 가지로 분류되며, "스프레이 방생식"이라는 보호방식은 존재하지 않는다.

교류 아크 용접기의 용접전류 조정범위는 정격 2차 전류의 20~110% 정도로 규정되어 있어, 필요한 용접전류에 맞게 조정해 사용한다.

고주파 교류전원을 사용하면 전극을 모재에 접촉시키지 않아도 아크가 잘 발생하고, 아크가 안정되어 길이가 다소 길어져도 끊어지지 않으며, 텅스텐 전극봉이 받는 열이 줄어 수명이 길어지는 것이 장점이다.
따라서 "텅스텐 전극봉이 많은 열을 받는다"는 설명은 고주파 교류전원의 장점과 반대되는 내용이다.

페로 망간(Fe-Mn)은 피복 배합제 중 용강 속의 산소와 결합해 이를 제거하는 탈산제로 작용한다.
산성 백토와 규산 나트륨은 주로 고착제로, 산화티탄은 아크 안정제·슬래그 생성제로 쓰인다.