KR20220042597A - 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 강재 시험편(110) 표면에 평가를 위한 샵프라이머를 도포하여 도막(111)을 형성하는 도막형성단계와, NSS 테스트를 통해 강재 시험편(110)별로 시간경과에 따른 발청경향을 각각 정량화하는 제1정량화 단계(S120)와, 강재 시험편(110)별로 용접에 따른 기공발생경향을 각각 정량화하는 제2정량화 단계와, 발청경향과 기공발생경향을 조합하여 최적화 곡선을 각각 도출하는 최적화 곡선 도출단계와, 강재 시험편(110)에 해당하는 각 재료들의 최적화 곡선을 비교하여 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료를 선택하는 선정단계를 포함하여, 상충하는 발청발생인자와 기공발생인자를 동시에 고려하여 대형 강구조물 제작에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정할 수 있는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 개시한다.

Description

대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD OF EVALUATING PREFABRICATION SHOP PRIMERS FOR STEEL PLATES IN VESSEL'S HULL OR MARINE STRUCTURES AND COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM THEREOF}
본 발명은 상충하는 발청발생인자와 기공발생인자를 동시에 고려하여 체계적으로 정량화하여 평가하는 방법을 제시하여서, 각 샵프라이머별 최적화 곡선의 비교를 통해 대형 강구조물 제작현장에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
최근, 대형 강구조물 생산현장, 예컨대 조선소에서는 장기간의 선박 건조기간동안 발청을 방지하기 위해 초기 강재절단 단계부터 샵프라이머(shop primer)로 알려진 단기 방청도료를 강재에 발라 도포한다.
샵프라이머는 강재 표면의 산화를 방지하기 위한 도막으로써, 주로 희생양극 역할을 하는 Zn기반의 도료를 바인더로 강재 표면에 부착시키는 방식이다.
또한, 대부분의 대형 강구조물은 용접을 통해 조립하게 되는데, 모든 용접 개선면은 용접 전에 그라인딩에 의해 표면 클리닝을 수행하여 기공 내부 결함을 방지한다.
반면에, 필릿 용접의 경우, 샵프라이머가 도포된 플렌지 플레이트 위에 바로 웹 플레이트를 용접하는 것이 생산성을 향상시켜, 선급의 인증을 받은 기공이 거의 발생하지 않는 용접가능 프라이머 페인트(weldable primer paint)를 샵프라이머로서 사용한다.
한편, 샵프라이머는 도료 고유의 방청성능 외에도 용접이 가능해야 한다는 상충되는 조건을 만족해야 하므로, 성능 평가를 위해서는 방청성능 외에도 내기공성도 평가해야 하는데, 기존에는 체계적으로 샵프라이머의 방청성과 용접 내기공성을 평가하는 방법이 없다.
이에, 대형 강구조물을 이루는 강재 표면에 상이한 종류의 샵프라이머를 도포하고, 상이한 조건에서 방청성능 및 내기공성능 시험을 통해 발청 및 기공발생에 관한 수식을 모델화하여 일반식을 유도하여 상충하는 방청성능 및 내기공성능을 동시에 고려하여 최적의 샵프라이머 재료를 선정하는 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제시하고자 한다.
한국 등록특허공보 제10-0617948호 (필렛 용접부의 기공 저감을 위한 편면 하이브리드 용접방법, 2006.08.30) 한국 등록특허공보 제10-0775342호 (내식성과 용접성이 우수한 무기계 고내식성 도료, 2007.11.08)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 상충하는 발청발생인자와 기공발생인자를 동시에 고려하여 체계적으로 정량화하여 평가하는 방법을 제시하여서, 각 샵프라이머별 최적화 곡선의 비교를 통해 대형 강구조물 제작현장에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정하도록 할 수 있는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법, 및 동 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체를 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 강재 시험편 표면에 평가를 위한 샵프라이머를 도포하여 도막을 형성하는 도막형성단계; NSS 테스트를 통해 상기 강재 시험편별로 시간경과에 따른 발청경향을 각각 정량화하는 제1정량화 단계; 상기 강재 시험편별로 용접에 따른 기공발생경향을 각각 정량화하는 제2정량화 단계; 상기 발청경향과 상기 기공발생경향을 조합하여 최적화 곡선을 각각 도출하는 최적화 곡선 도출단계; 및 상기 강재 시험편에 해당하는 각 재료들의 상기 최적화 곡선을 비교하여 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료를 선택하는 선정단계;를 포함하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법을 제공한다.
또한, 상기 발청경향은 다음의 [수학식 1]에 의한 발청발생인자로 정의되고,
[수학식 1]
Figure pat00001
, 여기서, L은 상기 강재 시험편의 발청면적 100%, b는 발청면적 변화율, k는 발청증가율, t는 시간일 수 있다.
또한, 상기 기공발생경향은 다음의 [수학식 2]에 의한 기공발생인자로 정의되고,
[수학식 2]
Figure pat00002
, 여기서, S는 결함발생경향으로서, 초기 도막 부피에 대한 기공류 결함 부피의 비율인 기공발생률의 시간경과에 따른 기울기이고, t는 시간이고, C는 초기 기공발생률일 수 있다.
또한, 상기 최적화 곡선은 다음의 [수학식 3]에 의해 정의되고,
[수학식 3]
Figure pat00003
, 여기서, K(t)는 상기 발청발생인자와 상기 기공발생인자의 확률곱일 수 있다.
또한, 상기 최적화 곡선의 확률곱이 상대적으로 낮은 수치에 해당하는 상기 강재 시험편의 샵프라이머를 내발청성 및 내기공성 측면에서 최적의 재료로 판정하여, 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료로 선택할 수 있다.
또한, 상기 도막형성단계는, 상기 샵프라이머를 형성하는 단계와, 상기 강재 시험편의 표면에 전처리를 수행하는 단계와, 상기 강재 시험편 표면에 상기 샵프라이머를 도포하고 건조하여 미리 설정된 두께의 도막을 형성하는 단계와, 상기 도막의 두께를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 샵프라이머를 형성하는 단계는, 금속 파우더와 바인더와 시너를 일정함량비율로 혼합하여 형성할 수 있다.
또한, 상기 제1정량화 단계는, 미리 설정된 온도와 산도와 염분 농도 하에서, 염수 분무 기간에 따른 상기 강재 시험편의 전체면적에 대한 발청면적의 비율의 변화를 실험적으로 S자형 곡선으로 일반화하여 상기 발청발생인자를 도출할 수 있다.
또한, 상기 제2정량화 단계는, 저면이 전처리된 웹 플레이트를 상기 도막이 형성된 상기 강재 시험편 상부의 접합부에 가고정하는 단계와, 상기 접합부의 일측을 필릿 용접하여 이면구속 비드를 형성하는 단계와, 상기 접합부의 타측을 필릿 용접하여 시험 비드를 형성하는 단계와, 상기 이면구속 비드를 제거하는 단계와, 상기 시험 비드에 측방향 부하를 인가하여 강제 파단시키는 단계와, 상기 시험 비드의 파단면의 기공류의 수와 길이를 측정하여 상기 기공류 결함 부피를 산출하는 단계와, 상기 기공발생인자를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 가고정하는 단계는, 저면이 전처리된 웹 플레이트를 상기 도막이 형성된 상기 강재 시험편 상부의 접합부에 'ㅗ'자형으로 가고정할 수 있다.
또한, 상기 기공류는 핀홀과 블로홀과 웜홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 핀홀 및 상기 블로홀은 동일 단면적을 가진 원통형으로 가정하여 결함 부피를 산출하고, 상기 웜홀은 반으로 수직절단된 원통형으로 가정하고 상기 핀홀의 결함 부피에 가산할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는, 전술한 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법에 있어 상기 제1정량화 단계, 상기 제2정량화 단계, 상기 최적화 곡선 도출단계 및 상기 선정단계를 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록될 수 있다.
본 발명에 의하면, 상충하는 발청발생인자와 기공발생인자를 동시에 고려하여 체계적으로 정량화하여 평가하는 방법을 제시하여서, 각 샵프라이머별 최적화 곡선의 비교를 통해 대형 강구조물 제작현장에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정하도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 개략적인 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 NSS 테스트 결과를 예시한 것이다.
도 3은 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 용접부를 예시한 것이다.
도 4는 도 3의 용접부의 파단면의 기공류를 예시한 것이다.
도 5는 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예의 발청발생인자 그래프를 각각 도시한 것이다.
도 6은 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예의 인큐베이션 시간경과에 따른 기공 발생 면적을 그래프로 도시한 것이다.
도 7은 온도 증가에 따른 Zn과 Fe의 증기압 변화를 그래프로 도시한 것이다.
도 8은 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예의 기공발생인자 그래프를 각각 도시한 것이다.
도 9는 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 최적화 곡선의 도출을 예시한 것이다.
도 10은 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예에 적용되는 샵프라이머 샘플의 속성을 표로 예시한 것이다.
도 11은 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예에 적용되는 전처리 및 도장 세부 조건을 표로 예시한 것이다.
도 12는 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예에 적용되는 NSS 테스트의 시험편을 표로 예시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 실시예에 의한 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법은, 강재 시험편(110) 표면에 평가를 위한 샵프라이머를 도포하여 도막(111)을 형성하는 도막형성단계와, NSS 테스트를 통해 강재 시험편(110)별로 시간경과에 따른 발청경향을 각각 정량화하는 제1정량화 단계(S120)와, 강재 시험편(110)별로 용접에 따른 기공발생경향을 각각 정량화하는 제2정량화 단계와, 발청경향과 기공발생경향을 조합하여 최적화 곡선을 각각 도출하는 최적화 곡선 도출단계와, 강재 시험편(110)에 해당하는 각 재료들의 최적화 곡선을 비교하여 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료를 선택하는 선정단계를 포함하여, 상충하는 발청발생인자와 기공발생인자를 동시에 고려하여 대형 강구조물 제작에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정하는 것을 요지로 한다.
이하, 도 1 내지 도 12를 참조하여, 전술한 구성의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
조선소에서의 선박 건조를 위한 대형 강구조물의 장기간 건조기간동안 발청을 방지하기 위해 초기 강재 절단 단계부터 단기 방청도료인 샵프라이머를 도포하여 강재 표면에 산화방지도막을 형성하는데, 본 실시예는 샵프라이머 고유의 방청성능 이외에 용접에 의한 접합강도에 해당하는 내기공성도 동시에 체계적으로 정량화하여 평가하는 방법을 제시하여 대형 강구조물 제작현장에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정하고자 한다.
이를 위해, 우선, 평가대상인 상이한 성분조합의 샵프라이머를 각각 도포하고, 필릿 용접(fillet welding)을 수행할 수 있는 다수의 강재 시험편(steel plate)(110)을 준비한다.
여기서, 200mm(폭) × 500mm(길이) × 25mm(두께) 크기의 강재 시험편(110)을 사용하여 비교예시하나, 도포 및 필릿 용접이 가능한 최소 20mm 이상 두께의 강재라면 강제 시험편(110)으로서 무관하다.
이후, 도막형성단계에서는, 대형 강구조물로 치환될 수 있는 강재 시험편(110) 표면에 내발청성 및 내기공성 평가를 위한 샵프라이머(shop primer)를 도포하여 일정 두께의 도막(111)을 형성한다.
구체적으로, 도막형성단계는, 도 10에 제시된 <표 1>과 같이, 샵프라이머 샘플(A,B,C)별로 금속 파우더(P)와 바인더(B)와 시너(thinner)(T)를 일정함량비율로 혼합하여(mixing) 샵프라이머를 형성하는 단계(S111)와, 도 11에 제시된 <표 2>의 세부 조건과 같이, 강재 시험편(110)의 표면에 블래스팅하여(blasting) 전처리를 수행하는 단계(S112)와, 강재 시험편(110) 표면에 샵프라이머를 도포하고(painting), 지촉건조하여(set-to-touch) 미리 설정된 두께의 도막(111)을 형성하는 단계(S113)와, 도막(111)의 두께를 측정하는 단계(S114)로 이루어질 수 있다.
여기서, 샵프라이머의 비교예를 위한 샘플(A,B,C)은, 도 10에 제시된 <표 1>과 같이, 각각 다른 제조사에서 제작한 샘플로서 함유성분과 함량비율과 추천 도막 두께가 다른데, 예컨대 희생 양극 역할을 하는 금속 파우더(P;Pastes)와, 강재 시험편(110) 표면에 고착되어 붙게 하고 산화방지용 고분자막을 형성하는 바인더(B;Binders)와, 처음 표면에 도포할 때 잘 젖게 하여 균일하게 도포할 수 있게 하는 시너(T;Thinner)로 구성되고, 금속 파우더는 대표적으로 Zn(Zinc) 파우더를 함유하고, 바인더와 시너는 대부분은 H2O와 C-H-O로 이루어진 액상의 혼합물이고, A샘플과 B샘플과 C샘플의 금속(Mineral) : 액체(Liquid) : 시너의 각각 몰 함량비는 21.7 : 43.6 : 34.7, 20.9 : 44.7 : 34.4, 20.8 : 48.1 : 31.1이다.
또한, 강재 시험편(110)의 블래스팅 전처리는, 도 11에 제시된 <표 2>의 세부 조건과 같이, 샷볼(shot ball)의 연마제를 사용하여 Sa 21/2의 청결도(cleanliness)로, ISO 8503-2에 의거한 세그먼트 2 ~ 3의 표면 거칠기(surface profile)(Rz)(maximum roughness)로 수행한다.
또한, 샵프라이머 도포는, 도 11에 제시된 <표 2>의 세부 조건과 같이, 에어리스 스프레이(airless spray)로 강재 시험편(110) 표면에 도포하고, 지촉건조하여 도막(111)을 형성한다.
한편, 건조 기간에 따라 도막(111)의 두께는 달라지는데, 상선 선박의 경우 6 내지 10개월간 방청성능을 유지하기에 필요한 두께를 선급의 보증하에 적용하고, 제조사 및 브랜드에 따라 샵프라이머의 상세 성분은 앞서 언급한 바와 같이 다양하고, 추천 도막 두께도 다양한다. 본 실시예의 비교예 실험에서는, 제조사 추천 도막 두께(ST;Suggested Thickness)와 이의 2배에 해당하는 도막 두께(DT;Doubled Thickness)를 실험용으로, 도 12에 제시된 <표 3>과 같이 적용한다. 여기서, 복잡한 형상의 구조물에서 부재들의 겹치는 용접부에 따라 샵프라이머가 중첩되는 경우도 있어서 용접 중 추천 도막보다 더 많은 샵프라이머 도료 성분이 용접 비드에 녹아들어 갈 수 있어서 추천 도막 두께(ST)의 2배에 해당하는 도막 두께(DT)를 실험용으로 비교할 필요가 있다.
또한, 지촉건조된 도막(111)의 두께(DFT;Dry Film Thickness)는 제조사 추천 도막 두께(ST) 기준으로 -1μ 내지 +2μ의 범위 내의 도막 두께를 갖는 강재 시험편(110)만을 실험 시편으로 적용하고, 초음파 두께 측정기(112)로 두께 측정은 용접 예정 부위인 강제 시험편(110)과 웹 플레이트(web plate)(130)의 접합부에서 최소 50mm 간격으로 다중 측정한다.
이후, 제1정량화 단계(S120)에서는, NSS(Natural Salt Spray) 테스트, 즉 한국 표준 KS D 9502:2009에 준한 중성염수분무실험을 통해 샵프라이머의 방청성을 시험하여, 도막(111)이 형성된 강재 시험편(110)별로 시간경과에 따른 발청경향을 각각 정량화한다.
한편, 도 5는 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예의 발청발생인자 그래프를 각각 도시한 것으로서, 각 샵프라이머 샘플(A,B,C)별, 특정 조건하의 NSS 테스트에서 분무시간(NSS Period)에 따른 발청율(Rust Ratio, %)의 실험적 결과를 제시한 것이다.
예컨대, 제1정량화 단계(S120)는, 미리 설정된 35±1°의 온도와, pH 6.5 내지 7.2의 산도와, 50g/L의 염분 농도 하에 일정시간 유지한 후 발청 상태를 확인하여서, 240, 480, 720시간의 염수 분무 기간에 따른 총 10개의 제조사 추천 도막(ST A1, ST A2, ST A3)이 형성된 강재 시험편(110)의 전체면적에 대한 발청면적의 비율의 변화를 실험적으로 S자형 곡선으로 일반화하여 발청발생인자를 도출할 수 있다. 한편, 도 2를 참고하면, 위의 설정된 실험조건에 따른 강재 시험편(110) 중 도 12의 <표 3>의 ID NSS ST C2의 NSS 테스트 결과 및 이미지 애널라이저로 분석한 발청 면적(rust area)이 예시되어 있다.
즉, 분무시간경과에 따라 강재 시험편(110)의 단위면적 당 발생하는 발청면적이 증가하지만 기존에 이에 대해 이론적으로 정립된 정량화된 식이 부재하다. 비교예의 실험결과에 의하면 경험적으로 초기에 녹(rust)이 미소량으로 발생한 후 발생 속도가 점증적으로(cumulatively) 증가하다가, 이론상 강재 시험편(110)의 전체 면적 대비 발청면적이 1/2이 되는 변곡점을 넘어서 발청면적 증가율이 점감적으로(decreasingly) 줄어드는 로지스틱 곡선(logistic curve)을 보여서, S자형 곡선(sigmoidal curve)을 도입하여 발청경향을 실험적으로 다음의 [수학식 1]과 같이 일반화할 수 있다.
발청경향은 [수학식 1]에 의한 발청발생인자로 정의되고,
Figure pat00004
이와 같이, 분무시간경과에 따른 발청 진행 비율을 일반식으로 정량화하고, 도 5와 같이 각 샵프라이머 샘플(A,B,C)별 분무시간과 발청율의 관계를 그래프로 표시할 수 있다.
이후, 제2정량화 단계에서는, 강재 시험편(110)별로 필릿 용접에 따른 필릿 용접부의 기공발생경향을 각각 정량화한다. 여기서, 샵프라이머가 도포된 강재 시험편(110)의 일부는 NSS 테스트를 위해 사용되고, 나머지 강재 시험편(110)은 필릿 용접부 내기공성 실험의 플렌지 플레이트(flange plate)로써 사용된다.
구체적으로, 제2정량화 단계는, 용접시 다른 영향을 받지 않도록 저면이 블래스팅 전처리된 무도장 웹 플레이트(130)를 도막(111)이 형성된 강재 시험편(110) 상부의 접합부에 'ㅗ'자형으로 가고정하는(fit-up) 단계(S131)와, 접합부의 일측을 용접하여 이면구속 비드(fix-bead)(a)를 형성하는 단계(S132)와, 접합부의 타측을 용접하여 시험 비드(test-bead)(b)를 형성하는 단계(S133)와, 이면구속 비드(a)를 에어 아크 가우징(air arc gouging) 또는 그라인딩에 의해 제거하는 단계(S134)와, 시험 비드(b)에 측방향 부하를 인가하여 강제 파단시키는 단계(S135)와, 시험 비드(b)의 파단면의 기공 발생 성향을 분석하고 기공류의 수와 길이를 측정하여 기공류 결함 부피를 산출하는 단계(S136)와, 다음의 [수학식 2]에 의한 기공발생인자를 도출하는 단계로 이루어질 수 있다.
예컨대, 필릿 용접부 내기공성 실험을 위해, 플렌지 플레이트(110) 상에 웹 플레이트(130)를 'ㅗ'자형으로 취부하면 웹 플레이트(130)의 하단 양면에 2개의 필릿 접합부(joint)가 생기고, 필릿 접합부의 일측에는 강재 시험편(110)을 구속하고 용접시 기체화되는 샵프라이머가 외부로 나가지 않고 시험 비드(b)로 전부 향하도록 밀폐하는 이면구속 비드(a)를 먼저 형성하고, 이후 필릿 접합부의 타측에는 시험 비드(b)를 형성한다.
여기서, 필릿 용접부 내기공성 시험은, 도 12의 <표 3>에 제시된 바와 같이, 각 샵프라이머 샘플(A,B,C)이 각각 도포된 도막 두께(ST,DT)별 및 도포 후 지촉건조시간(24,48,168hr)별 강재 시험편(110)에 대해 진행한다.
위와 같은 조건하의 실험에 의하여, 필렛 용접부의 강재 시험편(110) 표면에 존재하던 도막 물질이 용접 도중에 고열에 의하여 기화되거나 용융지(weld pool)에 녹아 들어가게 되고, 기 형성된 반대편 이면구속 비드(a)에 의하여 빠져나갈 통로가 없어진 기체상 물질들이 용융지에 녹아들어 가는 양이 더 많아지게 되며, 녹아들어간 물질들은 용접부의 냉각에 따라 분압이 증가하여 결국 높은 분압의 기체상이 된다.
한편, 용융지의 표면에 가까웠던 기체상은 용융지 내에서 강재 시험편(110)인 금속과의 밀도차에 의하여 용융지 외부로 빠져나가지만, 일부는 기포 형태로 용융지 내에 갇혀 있다가, 용접부 중앙에서 고체상이 되기 전인 액상을 통로로써 뚫고 표면으로 빠져나가면 용접부 표면에서 기공으로써 관찰할 수 있는 핀홀(pin-hole)이 되거나, 빠져나가는 도중에 표면 근처의 용융지 냉각이 먼저 이루어지면 용접부 내부에 길게 남아 있는 블로홀(blow-hole)이 되기도 한다.
예컨대, 도 3은 필릿 용접부 내기공 시험 도중 발생하는 시험 비드(b) 내의 각종 기공 결함을 모사한 것으로서, 용접이 우에서 좌로 진행되면서, 용융지의 루트부(root)에서 발생한 기공은 냉각이 진행됨에 따라 표면으로 길게 터널을 이루면서 진행한다.
도 4의 (a)는 파단되기 전의 시험 비드(b) 표면에서 발견된 핀홀과 웜홀의 사례이고, 도 4의 (b)는 파단된 시험 비드(b) 내부에서 발견된 핀홀과 블로홀의 사례이다. 여기서, 강재 시험편(110)의 1% 내지 2%의 극소수에서 표면에 웜홀이 발견되기도 하고, 파단면 상에서 구분된 핀홀 및 웜홀들은 일정한 용접장에서의 개수 및 길이를 0.1mm 단위까지 측정가능한 버니어 캘리퍼스(vernier calipers)로 측정한다. 이후, 측정된 결과값은 샵프라이머 도포 후 용접부의 기공 발생율에 관한 수치 분석에 적용한다.
즉, 기공류는 핀홀과 블로홀과 웜홀을 포함하고, 핀홀 및 블로홀은 동일 단면적을 가진 원통형으로 가정하여 결함 부피를 산출하고, 웜홀은 반으로 수직절단된 원통형으로 가정하고 핀홀의 결함 부피에 가산할 수 있다.
한편, 도 6에는 각 샵프라이머 샘플(A,B,C)별 및 도막 두께(ST,DT)별 샵프라이머 도포 후 24 인큐베이션시간(incubation time)(도료 도포 후 장기간 방치 시간 또는 유지시간), 72 인큐베이션시간, 168 인큐베이션시간 동안 유지시킨 각 강재 시험편(110)에 대한 필릿 용접부의 내기공성 시험 평가결과가 예시되어 있는데, 각 강재 시험편(110)의 조건에 따라 기공율 정도가 다르지만, 공통적으로 인큐베이션시간이 짧을수록 기공율이 높다. 이는 인큐베이션시간이 짧을수록 도료를 최대한 넓게 바르기 위해 젖음성을 높이기 위해 혼합한 휘발성 재료인 시너가 잔존하여 기공을 발생시키는 기체 성분의 절대량을 높이기 때문이다.
참고로, 용융지의 냉각에 따라 용융지 내 용해도 한계가 감소하면서 용융지 내의 기체상들이 융융지 안에서 뭉치게 되고, 기타 용제(solvent)를 이루는 화학성분들(C,H,O)은 그대로 녹아 있거나 산화물(oxides)로써 안정된 석출상이 되는데 비해, Zn 파우더는 용융지에 녹아 있는 금속(minerals) 중 가장 낮은 융점을 갖고 있어 가장 먼저 기체상으로써 용융지에서 분리된다.
한편, 도 7은 온도 증가에 따른 샵프라이머의 Zn과 강재 시험편의 Fe의 증기압 변화를 그래프로 도시한 것으로서, 이에 의하면, Fe는 융점(1808K)에서 증기압 17kPa임에 비해, 기화하는 Zn(g)는 1808K에서 9995kPa로써 600배에 달하는 것으로 추정된다. 또한, 인큐베이션시간이 충분하지 못한 24시간, 72시간의 경우, 휘발성 용제(solvents)인 시너가 대체적으로 마른 상태인 168시간에 비하면, Zn(g)뿐만 아니라 필릿 용접부의 루트부에서 용접시 발생한 고열로 인해 생성된 C, H, O로 이루어진 기체상들이 루트부에서 용접부 표면 방향으로 진행하는 Zn(g)의 터너링(tunneling)에 추가적인 압력을 부가하게 된다. 즉, 냉각과정에서 Zn(g)만으로도 Fe(l) 내에서 기체상으로 석출되는데, C-H-O로 이루어진 용제의 기체상도 기체에 의한 용융지 내에서의 터너링에 기여하게 된다.
이와 같은 과정을 통해, 도 6에 인큐베이션시간에 따른 총 기공 부피(블로홀, 핀홀, 웜홀)의 경향은 샵프라이머 샘플에 따라 정도의 차이는 있으나 공통적으로 인큐베이션시간에 비례하여 발생한 기공의 총 부피는 감소한다.
또한, 도 8은 도 1의 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 비교예의 기공발생인자 그래프를 각각 도시한 것으로서, 종속변수는 모든 기공 결함들을 부피로 환산한 값의 각 강재 시험편(110)들의 초기 도막 부피에 대한 비율인 기공발생인자(VPOROSITY/VINITIAL COATING)이고, 독립변수는 인큐베이션시간(TINCUBATI0N)이다.
즉, 용융지가 지나가면서 필릿 용접부 표면에 존재하던 모든 샵프라이머는 녹거나 흄(fume)이나 기체 상태로 날라가고, 기화되는 부피가 (비드폭 × 도막 두께)라고 하면, 모든 비드폭이 동일하다고 가정하에, 용접으로 인해 발생하는 샵프라이머의 기체 생성에 영향을 주는 인자는 초기 도막 부피(VINITIAL COATING)가 되고, 비드 내 녹아 있던 기체상이 기상으로 나오면서 기공류 결함으로 형성되는 부피(VPOROSITY)에 비례하게 된다. 즉, 모든 기공류 결함의 부피(VPOROSITY)를 초기 도막 부피(VINITIAL COATING)로 나눠주면, 각 샵프라이머 재료별 인큐베이션시간에 따른 결함 발생 경향을 도출하게 된다.
여기서, 기공 발생률은 %단위를 가지고, 결함 발생 경향(S, 기울기)은 [1/s]단위를 가지고, 도포 후 인큐베이션시간에 따라 감소하는 경향을 보인다.
도 10의 <표 1>의 샵프라이머 도료 성분비를 보면, 샘플A가 가장 금속 파우더 함량이 높고 샘플B, 샘플C는 비슷하고, 샘플C에서 바인더 함량이 가장 높고 시너 함량이 가장 낮다. 즉, 용접시 도막에서 발생하는 Zn 기체는 샘플A가 가장 높을 것으로 예상되고, 초기에는 시너 함량이 가장 낮은 샘플C가 가장 낮은 기공률을 보였으나, 인큐베이션시간의 증가에 따라 휘발성이 높은 시너가 자연증발되면서 샘플B와 샘플C 는 비슷한 기공률을 보인다.
도 8의 각 샵프라이머(A,B,C)별 직선 형태로 표시되는, 기공류의 기공발생경향은 [수학식 2]에 의한 기공발생인자로 정의되고,
Figure pat00005
여기서, S는 결함발생경향으로서, 초기 도막 부피(VINITIAL COATING)에 대한 기공류 결함 부피(VPOROSITY)의 비율인 기공 발생률(VPOROSITY/VINITIAL COATING)의 인큐베이션시간경과에 따른 기울기이고, t는 시간이고, C는 초기 기공 발생률이다.
이후, 최적화 곡선 도출단계에서는, 상호 독립 변수인 발청경향과 기공발생경향을 조합하여 최적화 곡선을 각각 도출한다.
즉, 최적화 곡선은 다음의 [수학식 3]에 의해 정의되고,
Figure pat00006
도 9의 (a)는 발청발생인자 I(t)는 3개의 샵프라이머 샘플(A,B,C)에 대하여 도료를 칠한 후 시간의 흐름에 따라 증가하는 발청량의 일반화 곡선을 그래프로 표시한 것으로, 앞서 언급한 바와 같이 로지스틱 곡선으로 일반화된 모델에서 재료 변수인 발청면적 변화율(b)에 따라 각 샘플의 증가량에 차이가 보인다.
여기서, 공통적으로 3개 샘플 모두 시간에 따라 I(t)(It, Rust Parameter)가 증가하는데, C샘플의 증가율이 매우 높고, A샘플이 가장 낮았으며, B샘플은 A샘플보다 소폭 높았다. 즉, 방청성 측면에서 샘플A가 가장 좋고, 샘플B는 다음으로 좋았지만, 샘플C는 다른 두 샘플과 큰 차이를 보이면서 좋지 않은 결과를 보인다.
도 9의 (b)에서, 기공발생인자 J(t)는 3개 샘플에 대하여, 초기 도막 및 인큐베이션시간에 따라 용접시 발생하는 기공량의 일반화 직선을 그래프로 표시한 것으로, 기공발생량은 3개 샘플 모두 인큐베이션시간이 길어질수록 감소하고 있으며, 기공발생량이 0보다 작을 수는 없으므로, 0에 도달한 이후는 모두 0으로 처리한다.
또한, 샘플A는 초기 기공발생량이 매우 높았지만 인큐베이션시간에 따라 급감하고, 샘플C는 초기 기공발생량이 적었지만 인큐베이션시간에 따라 기공 발생의 감소율은 가장 완만하고, 샘플B는 초기에는 샘플C보다 소폭 높았지만, 인큐베이션시간에 따라 점점 감소하여 10일(240 hrs) 이후부터는 샘플C보다 낮은 기공감소율을 보인다.
여기서, 기공발생인자 J(t)의 그래프는 실제 발생한 기공의 부피를 측정한 수치에서와 비슷한 경향을 보이고 있고, 경험적 수치에 의한 일반화이지만 정성적인 경향이 일치하고 정량적인 수치로도 활용 가능하다.
도 9의 (c)에서는, 방청성과 내기공성을 조합하는데, 발청발생인자는 초기 도막을 유지한 상태 그대로 두었을 때 시간에 따라 발생하는 발청량의 변화이고, 기공발생인자는 초기 도막 두께 및 인큐베이션시간에 따라 용접시 발생한 기공 부피의 변화이다.
여기서, 특정 시간에 따라 발청발생인자 I(t)와 기공발생인자 J(t)는 각각 시간에 따라 변화지만, 두 인자들은 상호 독립 사건들(도료 완성 후 장기간 방치 및 용접)로서, 두 독립인자가 모두 일어날 확률은 I(t) × J(t)가 된다.
이후, 선정단계에서는, 강재 시험편(110)에 해당하는 각 재료들의 최적화 곡선을 비교하여 내발청성 및 내기공성 측면에서 대형 강구조물의 제작에 가장 적합한 샵프라이머 재료를 선택한다.
즉, 최적화 곡선의 확률곱이 상대적으로 낮은 수치에 해당하는 강재 시험편(110)을 내발청성 및 내기공성 측면에서 최적의 재료로 판정하여, 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료로 선택할 수 있다.
예컨대, 적합한 샵프라이머 재료를 선정하기 위하여 두 독립인자들을 동시에 고려한 K(t)에서 가장 낮은 수치를 보이는 삽프라이머 재료가 내발청성 및 내기공성 측면에서 가장 적합한 것이라고 판정할 수 있다.
샘플C의 경우 초기부터 높은 수치로 시작하고 급증하다가 168시간(7 일차) 인큐베이션시간을 넘어선 후부터 감소하기 시작하고, 308시간(13 일차)부터 0에 수렴하고, 샘플A는 초기부터 낮은 수치에서 시작하였고, 96시간(4 일차)에서 최대치를 보이다가 감소하고, 192시간(8 일차)에서부터 0에 수렴하고, 샘플B는 샘플A보다 다소 높은 수치에서 시작하다가 168시간(7 일차)에서부터 감소하여 298시간(12 일차)부터는 0에 수렴한다.
정리하자면, 3개 샵프라이머 샘플에서, 방청성과 내기공성을 동시에 고려한 조합인자 K(t)의 시간에 따른 경향을 분석해본 결과, 샘플A가 가장 적합하고, 샘플B가 샘플A보다 소폭 낮고, 샘플C는 가장 좋지 않은 조합인자를 가지는 것으로 판단된다.
따라서, 전술한 바와 같은 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법의 구성에 의하면, 상충하는 발청발생인자와 기공발생인자를 동시에 고려하여 체계적으로 정량화하여 평가하는 방법을 제시하여서, 각 샵프라이머별 최적화 곡선의 비교를 통해 대형 강구조물 제작현장에 적합한 최적의 샵프라이머 재료를 선정하도록 할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 강제 시험편 111 : 도막
112 : 초음파 두께 측정기 130 : 웹 플레이트
S120 : 제1정량화 단계

Claims (13)

  1. 강재 시험편 표면에 평가를 위한 샵프라이머를 도포하여 도막을 형성하는 도막형성단계;
    NSS 테스트를 통해 상기 강재 시험편별로 시간경과에 따른 발청경향을 각각 정량화하는 제1정량화 단계;
    상기 강재 시험편별로 용접에 따른 기공발생경향을 각각 정량화하는 제2정량화 단계;
    상기 발청경향과 상기 기공발생경향을 조합하여 최적화 곡선을 각각 도출하는 최적화 곡선 도출단계; 및
    상기 강재 시험편에 해당하는 각 재료들의 상기 최적화 곡선을 비교하여 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료를 선택하는 선정단계;를 포함하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발청경향은 다음의 [수학식 1]에 의한 발청발생인자로 정의되고,
    [수학식 1]
    Figure pat00007

    여기서, L은 상기 강재 시험편의 발청면적 100%, b는 발청면적 변화율, k는 발청증가율, t는 시간인 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기공발생경향은 다음의 [수학식 2]에 의한 기공발생인자로 정의되고,
    [수학식 2]
    Figure pat00008

    여기서, S는 결함발생경향으로서, 초기 도막 부피에 대한 기공류 결함 부피의 비율인 기공발생률의 시간경과에 따른 기울기이고, t는 시간이고, C는 초기 기공발생률인 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 최적화 곡선은 다음의 [수학식 3]에 의해 정의되고,
    [수학식 3]
    Figure pat00009

    여기서, K(t)는 상기 발청발생인자와 상기 기공발생인자의 확률곱인 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 최적화 곡선의 확률곱이 상대적으로 낮은 수치에 해당하는 상기 강재 시험편의 샵프라이머를 내발청성 및 내기공성 측면에서 최적의 재료로 판정하여, 대형 강구조물의 제작에 적합한 샵프라이머 재료로 선택하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 도막형성단계는,
    상기 샵프라이머를 형성하는 단계와, 상기 강재 시험편의 표면에 전처리를 수행하는 단계와, 상기 강재 시험편 표면에 상기 샵프라이머를 도포하고 건조하여 미리 설정된 두께의 도막을 형성하는 단계와, 상기 도막의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 샵프라이머를 형성하는 단계는, 금속 파우더와 바인더와 시너를 일정함량비율로 혼합하여 형성하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1정량화 단계는, 미리 설정된 온도와 산도와 염분 농도 하에서, 염수 분무 기간에 따른 상기 강재 시험편의 전체면적에 대한 발청면적의 비율의 변화를 실험적으로 S자형 곡선으로 일반화하여 상기 발청발생인자를 도출하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2정량화 단계는,
    저면이 전처리된 웹 플레이트를 상기 도막이 형성된 상기 강재 시험편 상부의 접합부에 가고정하는 단계와, 상기 접합부의 일측을 필릿 용접하여 이면구속 비드를 형성하는 단계와, 상기 접합부의 타측을 필릿 용접하여 시험 비드를 형성하는 단계와, 상기 이면구속 비드를 제거하는 단계와, 상기 시험 비드에 측방향 부하를 인가하여 강제 파단시키는 단계와, 상기 시험 비드의 파단면의 기공류의 수와 길이를 측정하여 상기 기공류 결함 부피를 산출하는 단계와, 상기 기공발생인자를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가고정하는 단계는,
    저면이 전처리된 웹 플레이트를 상기 도막이 형성된 상기 강재 시험편 상부의 접합부에 'ㅗ'자형으로 가고정하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 기공류는 핀홀과 블로홀과 웜홀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 핀홀 및 상기 블로홀은 동일 단면적을 가진 원통형으로 가정하여 결함 부피를 산출하고, 상기 웜홀은 반으로 수직절단된 원통형으로 가정하고 상기 핀홀의 결함 부피에 가산하는 것을 특징으로 하는, 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 대형 강구조물의 용접용 샵프라이머 평가 방법에 있어 상기 제1정량화 단계, 상기 제2정량화 단계, 상기 최적화 곡선 도출단계 및 상기 선정단계를 컴퓨터에서 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
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