용착량 계산해서 용접봉 아껴보자(Feat.개선)

오늘의 포스팅은 용착량 계산에 대한 이야기 입니다.

용접의 효율을 따지다 보면 이래저래 흘러오게 됩니다. 하루에 몇 Kg 씩 용접을 하고 용접사를 관리하고 Filler 혹은 Electrode를 공급하면, 생각이 듭니다. 이 양을 줄이면 원가절감이 될거 같은데 그러면 여기서 출발합니다. 어떻게 구해야 하지? 오늘은 그 이야기를 해볼까 합니다. 아래의 식이나 Scheme이 틀릴수도 있습니다. 물론 용접봉 제작에 종사하시는 분들이 관련 자료도 많고 관련 경험도 많으시니 내용이 좀 상이할 수 는 있겠지만 저는 지금까지 해본 사항으로 기술드리도록 하겠습니다. 추가로 관련 계산 excel도 하나 정도 붙일 수 있으면 좋겠네요. 

 

1.소요량의 계산방법

소요량의 계산의 몇가지 factor는 측정 혹은 확인하여야 합니다. 

기본적으로 개선(Groove)에 대한 Detail을 확보해야 합니다. 개선에 따라 또한 Root Gap의 크기가 따라 들어가는 용착금속의 양이 좌우되기 때문입니다. 미리 개선각에 대한 도면이 확보되어 있으면 사용하거나 용접전이라면 용접품질과 용착금속의 양을 잘 고려하여 개선을 취사 선택 혹은 optimization하면 됩니다. 

 

상세한 요인들은 다음과 같습니다.

1) 개선내의 단면적

2) 덧살 Reinforcement의 단면적(측정은 어려우니 개선내 단면적의 20% 정도로 가정)

3) 용접길이

4) 용착금속의 비중

5) 용착효율

이런 5개의 factor들을 위주로 계산을 하면 됩니다. 

여기서 효율과 비중은 금속이나 용접 Process별로 상이하게 때문에 아래와 같은 표를 참조하셔서 계산하시면 쉬울거 같습니다. 

 

-효율

용접 프로세스(Welding processes)	효율(Deposit Efficiency)
SAW	99%
GMAW(98%Ar, 2%O2)	98%
GMAW(75%Ar, 25%Co2)	96%
GMAW(Co2)	93%
Metal Cored Wires	93%
Gas Shielded Flux Cored Wires	85%
Self Shielded Flux Cored Wires	82%
SMAW	55%(Holder부 50mm제외)

-비중

연강 : 7.85

스테인레스강(304) : 8.02

스테인레스강(316) : 7.94

 

a) 표준이음과 용접재료 소요량의

각장에 따른 FCAW의 용접시 소요량에 대한 계산식에 따른 표입니다. 간편하게 각장에 따라 소요량을 예측할 수 있습니다. 참조용으로 계산하여 FCAW 용접봉 발주내실 때 사용하셔도 됩니다. 혹은 용접봉 회사마다 관련 자료가 있으니 관련 자료 참조하셔도 될 거 같습니다. 그게 좀더 정확할 수 있습니다. 

b) 계산 

계산이라고 하면 거창하시면 결국에는 중학교 과정에서 배운 부피를 구하는 과정입니다. 거기에 용접 효율과 타입별 비중을 곱해주는 과정입니다. 

실제 계산은 첨부한 Excel 파일을 참조하시면 됩니다. 다른 식은 간단하게 Excel을 이용해서 구현하시면 됩니다. 

용접봉물량산출(맞대기배관).xls

0.04MB

실제 용접봉을 계산하기보다는 개선각에 따른 용접봉 효율 및 Root gap을 narrow gap으로 바꾸거나 무 gap으로 바꾸셔야 실제적인 절감효과가 있습니다. 다만, 협개선의 경우에는 파이프 등의 자동용접등에서 적용하여야 동일한 품질을 보장할 수 있으므로, 긴 배관 라인에 사용하시는 것이 더 효과적입니다. 

 

일반적인 용접사를 사용하는 수동, 반자동의 경우 협개선을 할 경우 Imcompleted fusion, penetration 문제등을 유발할 수 있습니다. 

 

2.용착량 관련 다른 사항은?

1. 용착속도 

용접 Process당 시간당 용착가능속도에 대하여 알아보겠습니다. 이건 좀 고려할 사항이 많은 데요. 일단은 용접사의 Position도 많은 요소를 차지하고 진행 방향(상진, 하진)등 여러가지 현장에서 고려할 요소가 많은데 일단 무작위로 적어보겠습니다. 

용착속도는 단위 시간당 각 용접 조건에서 모재에 용착된 무게를 뜻하는데
1)SMAW(E7016, 4.0Ø, 160A사용) :1.2 ~ 1.5kg/hr(분당은 20g에서 25g 정도겠네요) 
2)FCAW(E70C-6C, 1.2 Ø, 250A사용) : 3.63kg/hr 정도라고 보고 있습니다. 

 

2. 자세 

5G보다 더 간단한 용접자세가 배관 같은 경우는 통상의 경우 상진으로 Qualification하는데 하진으로 하는 것이 25% 이상 빠르다고 할 수 있습니다. 같은 4~5파이를 사용하고 전류를 높이는 기준으로 하는데도 빠릅니다.

 

상진	하진

* 상진하진의 차이는 비드는 모양을 보면 알 수 있습니다. 

추가적으로 좀 설명을 드리면, 빠르시만 용입이 좀 얕고 슬래그가 선행해서 혼입이나 용착불량이 나타날 수 있습니다. 물론 사용이 안되는 것은 아니지만, ASME 기준으로 상진,하진 2 position으로 Qualification을 해야 사용할 수 있습니다. 일부 JIS에서는 하진도 허용을 한다고 하는데 저는 JIS 전문가는 아니라 패스

 

3.작업 인자(Operating factor)
작업 인자는 하루 중 용접 작업자가 순수하게 용접하는 시간을 %로 나타낸 수치임.
1)SMAW : 약 30%(피복봉 교체 시간, slag 제거, grinding등등에 많은 시간 소요)
2)FCAW  : 약 50%(와이어 교체 시간, slag 제거, grinding등에서 많은 시간 절약)

사실 위의 수치는 절대적이라기보다 용접사분들의 기량 혹은 양심(?)에 따라 많이 좌우가 됩니다. 국내공사는 8시간중에 용접하시는 시간이 2-3시간도 안되는시는 분들도 많더군요. 위에 올라가서 내려와서 담배한대 피고 올라가면 30-40분, 점심 시간 맞춰서 내려와서 담배 한대에 점심먹고 올라가면 1시간은 그냥 까먹죠. 그래서 국내 용접사 관리가 더 힘든거 같습니다. 해외는 사실 교육부터 시작하고 저기량자들이 많고 말 안듣는다 싶으면 바로 layoff주면 되서 관리적인 측면에서는 더 낫긴 합니다.(기량은 좀 딸리지만)

4.용착 효율
용착 효율이란 용접부의 무게를 사용된 총 용접재료의 중량으로 나눈 100분율
1)SMAW(E7016, 4.0Ø, 160A사용)    : 63.9%
2)FCAW(E70C-6C, 1.2 Ø, 225A사용) : 90%

5.전력비(큰 의미는 없습니다)
1)SMAW(E7016, 4.0Ø, 160A사용)

용착금속 1kg당 전력비 : (kwh 전력비x전압x전류)/(1000x용착속도)=(55x16x160)/(1000x1.5)=93.9￦/kg
총 전력비 : 2.32 x 93.9 = 218￦

2)FCAW(E70C-6C, 1.2 Ø, 250A사용)
용착금속 1kg당 전력비 : (kwh 전력비x전압x전류)/(1000x용착속도)=(55x26x250)/(1000x3.63)=98.5￦/kg
총 전력비 : 2.32 x 98.5 = 229￦

 

대략적인 용접비용 비교1.SMAW

재료비(용접재료 및 가스) + 인건비 + 전력비 = 4,670 + 51,555 + 218 = 56,443￦
2.FCAW
재료비(용접재료 및 가스) + 인건비 + 전력비 = 5,188 + 12,783 + 229 = 18,200￦
결론적으로 이거 저거 따져도 FCAW가 싸긴 합니다. 빠르고, 계약서에 별도의 Heat Input으로 인한 제약사항만 없다면 자유롭게 혹은 현장에서 사용하는게 더 추천되기 합니다(Heat Input은 줄인 FCAW가 이미 몇년전에 발표된것으로 알고 있는데 확인이 필요합니다. AWS 학회지에서 본거 같아서요)

 

또한 FCAW중에 Metal계 FCW를 사용하면 Slag 제거가 필요없어 더 많은 인건비가 절약될 것으로 판단됩니다. 다만 여러가지 현장의 변수들은 고려하지 못하였습니다. 

속도는 대략 현장 시험한 결과, 2.5배 정도 빠른거 같습니다 Welding plan 잡을 때 참조하시면 되겠습니다. 

그럼 용접하시는 많은 분들 참조하시면 좋겠네요. 추가자료 있거나 comment있으신 분들은 달아 주시면

감사하겠습니다. 

 

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