건축구조용친환경/고강도 철강소재와용접기술동향 -...

2005. 12

건축구조용친환경/고강도철강소재와용접기술동향

머 리 말

현대의 초고층, 초대형 철골조 건축구조물을 건설하고 유지하

기 위해서는 건설용으로 사용되는 철강 건축 부재들의 기계적 특

성과 용접기술의 확보가 필수적이다. 현재 일본의 건축구조용 형

강재의 경우 탄소당량과 항복비가 낮으면서도 대입열 용접을 할

수 있는 6 5 0 M P a급 강재를 개발하고 있는데 비해 우리나라의 경

우는 5 5 0 M P a급 강재의 수준에 머물러 있어 고강도 강재의 개발

이 시급하다. 또한 거대구조물의 구조화에 있어서 용접기술은 다

양한 형태와 재질의 철강소재를 모듈형태의 철구조물로 제작하

고 조립하는 가장 경제적이고 핵심적인 생산가공기술로서 건축

토목산업에서 철강구조의 거대화와 고기능화에 대응할 수 있도

록 용접기술의 고도화가 절실히 요구된다.

본고에서는 초고층, 초대형 철골조 건축구조물을 건설할 때 생

산성이 뛰어나고 용접부의 품질이 건축구조용 친환경/고강도 철

강소재와 용접기술을 범위로 하여 미국, 유럽, 일본과 우리나라에

서 수행되는 기술개발동향을 조사하고 분석하였다.

본 연구의 결과는 국내의 건설산업계, 한국건설기술연구원, 포

항산업과학연구원의 용접센터, 한국생산기술연구원 등에 대한 건

축구조용 친환경/고강도 철강소재와 용접기술에 대한 연구개발

의 효율성을 높일 수 있도록 선진 기술국의 기술개발 동향과 특

허 동향에 관한 자료를 제공한다.

2 0 0 5년 1 2월

한국과학기술정보연구원

원 장

제1장기술의개요 ……………………………………………………………1

1. 기술개발의 배경 ……………………………………………………………1

2. 건축구조용 친환경/고강도 소재의 종류와 특성 ………………………2

3. 건축구조용 친환경/고강도 소재의 용접기술……………………………8

제2장기술개발동향…………………………………………………………1 5

1. 해외의 기술개발 동향 ……………………………………………………1 5

2. 국내의 기술개발 동향 ……………………………………………………3 1

제3장기술정보분석 ………………………………………………………3 5

1. 정보조사 ……………………………………………………………………3 5

2. 정보분석 ……………………………………………………………………3 6

제4장전 망 ………………………………………………………………4 3

참고문헌 ……………………………………………………………………4 5

i

목 차

표 목차

<표 1-1> 차세대 초대형 구조물용 강재의 개발현황 …………………………6

<표 1-2> 일본의 최근 1 0년간의 용접재료 생산 추이 ………………………1 0

<표 1-3> 일본 Kobe Steel의 건축구조용 용접재료……………………………1 1

<표 1-4> 최근 용접재료 국내시장 규모 ………………………………………1 1

<표 2-1> 최대 개재물의 크기를 계산하는 방법들의 비교 …………………1 9

<표 2-2> 건축구조용 스테인리스강 용접재료의 종류 ………………………2 3

<표 2-3> MAG 용접열영향부 인성지표 ………………………………………2 5

<표 2-4> JIS Z 3312 철골조 건축물에서 용접와이어의 사용구분 ………2 6

<표 2-5> 종래 시스템과의 시간비교( 6 0 0□3 2t×6이음) ……………………2 8

<표 2-6> 연구개발 목표 …………………………………………………………3 2

<표 3-1> Compendex 검색식 ……………………………………………………3 6

그림목차

<그림 2-1> 초미세립강 용접이음부의 강도 …………………………………1 6

<그림 2-2> 초미세립강의 응력-변형률선도……………………………………1 7

<그림 2-3> SEV법과 G P D법에 의한 C I S M의 비교 …………………………2 0

<그림 3-1> 정보 형태 현황………………………………………………………3 7

<그림 3-2> 기사 구분 현황………………………………………………………3 7

<그림 3-3> 연도별 발표 현황……………………………………………………3 8

<그림 3-4> 국가별 발표 현황……………………………………………………3 8

<그림 3-5> 연구자 현황 …………………………………………………………3 9

<그림 3-6> 연구기관 현황 ………………………………………………………4 0

<그림 3-7> 연구기관의 연도별 현황……………………………………………4 0

<그림 3-8> 기술별 현황 …………………………………………………………4 1

<그림 3-9> 분야별 현황 …………………………………………………………4 2

i i

1. 기술개발의배경

○ 국토 공간의 활용성을 높이고 미래 사회의 인구증가에 따른

인간 활동의 공간 확보 및 공간 활용성 제고를 위해서는 지하

거대 구조물과 대공간구조물, 해양 물류기지 건설을 위한 거대

해양 구조물의 개발, 그리고 물류의 고속화를 위해 영종도와

송도경제 자유구역간에 건설되는 인천대교와 같은 도서간 장

대 연육교의 건설이 필요하다.

○ 이와 같은 거대한 철골조 건축 구조물의 건설과 유지의 효율

성을 극대화시키기 위해서는 건설용 강재로 사용되는 압연형

강, 철근, 후판, 강선 케이블 등과 같은 주요 철강 건축 부재들

의 기계적 특성을 차세대 구조용 후판 강재 수준으로 개발하

는 동시에 이들 건축구조용 철강 재료의 용접기술을 필수적으

로 뒷받침되어야 한다.

○ 스테인리스강은 내식성과 내구성 및 의장성이 우수하여 건

1

제1장

기술의 개요

축·토목 분야에서 사용량이 증가하고 있다. 일본은 2 0 0 0년 6

월에 시행된 건축기준법 및 시행령에서 JIS G 4321 「건축구조

용 스테인리스 강재」(SUS304A, SUS316A, SUS304N2A,

S C S 1 3 A A - C F )를 건축용 구조용 스테인리스 강재로 새로 추가

하였다. 건축구조용 스테인리스 강재의 인장강도와 항복강도의

규격치는 일반 스테인리스 강재에 비해 높게 설정되었다.

○ 건축 구조물을 용접으로 제작하는 과정에서 동종재료 이음부

(스테인리스강＋스테인리스강)와 이종재료 이음부(스테인리스

강＋탄소강)의 용접제작에 기존의 일반 스테인리스 강재용 용

접재료를 사용하는 경우에는 용접이음부의 강도 조합이 언더

매칭(under-matcing) 상태로 되어 용접부의 성능이 떨어진다.

따라서 건축구조물의 용도와 사용 환경을 면밀히 검토하여 용

접재료와 용접조건을 선정하는 것이 중요하다.

2. 건축구조용친환경/고강도소재의종류와특성

○ 현대 강구조물의 특성은 초고층화 및 초대형화이므로 이를 효

율적으로 건축하기 위하여 고강도 강재는 인장강도 4 9 0 M P a급

용접용 탄소강재가 전체 사용 강재의 약 9 0 %를 구성하여 주

종을 이루며, 건물이 초대형화 및 초고층화에 따라 인장강도

5 7 0 M P a급 이상의 고장력 강재 및 두께 100mm 이상의 후판

강재의 적용도 증대될 추세에 있다.

2 건축구조용 친환경/고강도 철강소재와 용접기술동향

○ 이러한 소재는 고강도화 및 고인성화를 목적으로 합금원소의

첨가량이 증가한다. 그러나 합금원소의 첨가로 인하여 용접열

변형, 균열, 용융부족 등 용접결함을 유발하게 된다. 그러므로

용접에 필수적으로 사용되는 용접재료도 요구특성에 맞는 특

성을 확보해야 할 뿐만 아니라 모재와의 상호 결합성이 양호

해야 한다.

○ 일본에서는 지질학적 특성으로 인하여 지진을 고려한 강재 즉,

S N재료(JIN G3136)를 건축용으로 사용한다.

- 이 강재는 용접성능, 소성 변형능력 및 강재 두께 방향의

집중 인장력에 대한 성능 등을 확보한 것으로, 인장강도와

인성요구에 따라 SN400A, SN400B, SN400C와 SN 490B,

S N 4 9 0 C로 분류된다.

- 용접성을 향상시키기 위하여 Ceq. 및 P c m의 최대치를, 소성

변형능력 확보를 위하여 두께 방향의 최저 R.A 및 불순물

특히 S의 함량을 크게 규정한다.

- 화재시 강도를 유지할 수 있도록 C r - M o - V을 소량 첨가하

여 지진시 대형사고를 방지하도록 강재를 개발하였다.

- 현재 일본에서 사용되는 강재는 주로 TMCP 공정에 의하여

제조되며 5 9 0 M P a (인장강도)급까지 실용화되었다.

○ 일본의 경우 건축구조용 강재로 HT590 및 H T 7 8 0급의 고장력

강재의 적용이 건설 분야에서 일반화되었으며 교량부문에서도

교량 스팬의 장대화 H T 7 8 0급 고장력 강재의 적용이 가속화되

었다. 철공교량은 신구조형식 및 일반교량의 합리화가 추진되

제1장 기술의 개요 3

어 강 교량 구조의 단순화 미 설계의 표준화로 인하여 가공공

수의 감소 및 경제적인 강 교량 구조로 건설되었다.

○ 물자수송을 위한 선박, 해저의 석유와 천연 가스 채굴을 위한

해양구조물, 해협 및 만을 연결하는 해양교나 횡단도로, 해상

공항에 사용되는 해양구조물(BMP) 등은 철강으로 제작된다.

- 선박의 중량을 점하는 강재 중량은 선체외곽 기준하여

8 0 ~ 9 0 %이며, 연료 중량, 항해속도인 선박 기본성능을 향상

시키기 위해 사용 강재의 고강도화에 의한 경량화를 위해

T M C P강을 개발하여 인성, 용접성, 가공성을 해하지 않고

고강도화 달성이 가능하다.

- 석유굴착용 해양 구조물은 해역의 깊이에 따라 대형화되고

북해와 북극해 등 사용 환경의 가혹화, 설계, 시공, 보수의

각 단계에 있어서 사용 강재의 재질 요구도 엄격해졌으며,

최근 해양구조물 강재로서 항복점이 4 2 0∼4 6 0 M P a급이 사용

되는 추세이다. 교량용으로서는 인천 신공항교, 광안대교 등

은 1 . 5 k m를 넘는 장대교로서 1 , 7 0 0 M P a급의 고강도 강선이

이용되었다.

- 바다와 관련된 강구조물에 있어서 방식, 방청은 공통과제로

서 도장, 전기방식, 중방식 등의 대책을 취한다.

○ 주요 구조 부재로 일반 강재를 사용하면 부재의 두께가 너무

두꺼워져 용접시공이 어려울 뿐만 아니라 라메라테어가 발생

될 가능성이 매우 커진다. 만일 고강도 TMCP 강재를 사용하

면 부재 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 탄소당량이 낮아


예열 없이도 쉽게 용접을 할 수 있고, 판 두께 방향의 단면 수

축률을 보증하므로 라메라테어가 발생될 가능성도 매우 낮아

진다.

○ A S T M이나 EN 규격의 강재를 살펴보면 탄소당량의 규제가

거의 없거나 또는 그 제한치가 한국이나 일본에 비해 높으며,

이것은 용접시공에 많은 어려움이 야기될 수 있음을 의미한다.

또한 ASTM A992나 ASTM A913을 재외하고는 항복비에 대

한 규제도 없다.

○ 일반적으로 강재 두께가 두꺼워지면 강도 확보차원에서 합금

원소량을 증가할 필요가 있으며, 그 결과 합금원소 증가에 따

른 용접성의 열화에 의해 용접시 예열이 수반되어 용접시공비

용이 증가할 뿐만 아니라 용접저온균열 등과 같은 용접결함이

발생하기 쉽다.

- 근래에 초고층 빌딩에 사용되는 고강도강은 주로 H T 5 7 0급

강재로서 최하층부의 주기둥 단면적이 증대되어 거주성과

유효면적의 효율성을 해치는 단점이 있다.

- 특히 기둥의 제작 시에는 200~300mm 두께의 강재를 사용

해야 하기 때문에 시공상 매우 어려운 점이 많은 실정이다.

- 따라서 효율을 높이고 시공상의 문제점을 해결하기 위해서

는 지금까지 사용되는 구조용 강재보다 강도가 우수한 초고

장력 강재의 적용이 필연적인 과제이다.

○ 차세대 초대형 구조물용 강재(Mega Structure Steel)란 대형


건물, 대형 지하구조물, 대형 해양부체 강구조물 등을 포함하

는 개념으로 도시의 급진전에 따라 건물이 고층화, 대형화되

고, 지하공간으로의 생활공간 확대와 해양공간의 활용성이 증

대된다. 이에 따라 향후 차세대 구조물의 철강소재는 경량화,

고강도화 건축부재의 사용이 필수적이고 중국과 일본 사이에

서의 기술경쟁력 우위를 확보하기 위한 고부가가치 철강제품

개발이 강력히 요구된다.

○ 국내 육상 구조물에 사용되는 강재는 KS SWS 계열로 강재의

인장강도 및 인성으로 분류된다. <표 1 - 1 >은 선진국과 우리나

라의‘차세대 초대형 구조물용 강재’의 연구개발 현황으로서

선진국에 비해 우리나라의 수준이 뒤떨어져 있음을 보여준다.

이들 제품의 제조 기술력은 최선진 기술력을 보유한 일본과


<표 1-1> 차세대 초대형 구조물용 강재의 개발현황

자료 : 한국신철강기술연구조합

구 분개발 현황 선진국대비

기술 수준선 진 국 한 국

형강490, 550MPa 600MPa 상용화

650MPa 연구진행550MPa 상용화

동등

6 5 0 M P a 부족

철근400, 500MPa

685MPa 실용화 500MPa 상용화동등

6 8 5 M P a 부족

강선1 , 8 0 0 M P a 2,000MPa 상용화

2,400MPa 연구진행1,800MPa 상용화

동등

2 , 0 0 0 M P a 부족

강봉6 5 0 M P a 800MPa 상용화

1,350MPa 연구진행650MPa 상용화

동등

8 0 0 M P a 부족

강관5 0 0 M P a 650MPa 상용화

저YR(0.80) 상용화

500MPa 상용화

0.85YR 상용화

동등

6 5 0 M P a 부족

비교하여 다소 열세이며 확보된 원천 기술은 거의 전무한 실

정이다.

○ 특히 합금설계 및 제품 특성 분석 기술은 일본에 비해 매우

부족한 것으로 판단되며 이는 국내 철강 산업에서 철강 관련

기초연구인력 양성 및 첨단 분석기기 개발·응용 기술에 대한

중장기 계획 및 투자가 부족한 것이 가장 큰 원인이다. 특히

‘산업기술혁신 5개년 사업’의 조선 분야에서 추진되는 거대

해양구조물(Mega Float) 사업에서 요구되는 고내식성·고진동

감쇄능 철강소재의 개발이 선행되어야 국가기간산업간 균형

있는 발전이 이루어질 수 있다.

○ 우리나라와 일본에서는 기존의 S M강재를 TMCP 처리하여 탄

소당량과 항복비가 낮으면서도 대입열 용접을 할 수 있도록

판 두께 방향의 단면 수축률이 우수한 강재를 건축 구조용으

로 개발해 사용한다.

- 대표적인 국내의 TMCP 강재로는 1 9 9 6년부터 사용되기 시

작한 4 9 0 M P a급의 PILAC BT33, 1999년부터 사용이 허용된

5 2 0 M P a급의 PILAV BT45 강재 등이 있다.

- 특히, PILAC BT45강재는 지금까지 사용된 강재들에 비해

서 강도와 충격 인성이 훨씬 높을 뿐만 아니라 탄소당량도

매우 낮아서 그 용도가 다양해질 것으로 예상된다.

○ 이러한 추세에 부응하여 한국신철강기술연구조합에서 산학연

공동으로‘차세대 초대형 구조물용 강재개발’을 2 0 0 4년도 산


업자원부 중기거점기술개발사업 신규과제로 선정되어 2 0 0 4년

9월부터 2 0 0 9년 8월까지 향후 5년간 연구를 진행 중이다.

3. 건축구조용친환경/고강도소재의용접기술

○ 철강 재료를 사용하는 거대구조물의 구조화에 있어서 용접기

술은 형강, 강판, 강관 등 다양한 형태와 재질의 소재를 모듈

형태의 철 구조물로 제작하고 조립하는 가장 경제적이고 핵심

적인 생산가공기술이다. 하지만 건축토목산업에서 용접공정은

타 산업분야에 비하여 용접부 품질 및 생산성이 낮은 실정이

며 철강구조의 거대화와 고기능화에 대응할 수 있도록 용접기

술의 고도화가 절실히 요구된다.

○ 초대형 철강구조물의 구조화를 위해서는 구조용 강의 고급화

에 대응한 용접시공, 설계 등 요소기술의 패키지화는 물론 독

자적 원천기술로서 새로운 개념의 고효율, 고품위 용접공정,

그리고 저입열, 고생산성, 고품질의 새로운 용접기술의 개발이

필요하며 용접재료의 개발도 동시에 추진되어야 한다.

가. 용접재료

○ 건축 토목산업에서 이용되는 용접재료는 피복아크 용접봉, 가

스실드 용접 와이어(솔리드 와이어, 플럭스 코어드 와이어) 서


브머지드 아크 용접재료 등이 있는데 현재 가스실드 용접재료

의 사용량이 피복아크 용접봉을 대체하여 약 7 0 %를 점하고

있다. 최근에는 플럭스 코어드 와이어의 사용이 상당히 늘어났

다.

- 로봇용접용 와이어는 용접공정의 효율화라는 관점에서 고능

률성·고속성과 함께 스패터 발생량, 와이어 거칠기, 와이어

송급성, 재아크성 등에 대한 요구가 높아졌다.

- 가스실드 용접용 플럭스 코어드 와이어는 C O2 분위기 하에

서 사용되지만 스패터 저감이 필요한 경우 A r - C O2 혼합가

스를 사용한다. 또한 고능률성·고속성과 함께 스패터 저감,

흄(fume) 저감, 내기공성, 와이어 송급성, 다층용접 등이 요

구된다.

○ 일본의 최근 1 0년간 용접재료 생산 추이는 <표 1 - 2 >와 같다.

- 피복아크 용접용의 경우 1 9 9 2년의 생산량이 7 9 , 0 2 3톤에 달하

였으나 2 0 0 1년의 생산량은 6 7 , 9 5 9톤으로 약 30% 정도 감소

하였다.

- 서브머지드 아크 용접재료와 가스실드 용접재료의 경우는

1 9 9 2년과 2 0 0 1년 생산량이 유사하며, 가스실드 용접 재료의

비중이 절대적으로 높은 수준을 유지한다.

- 이러한 경향은 현장에서 적용되는 용접기술이 수동에서 자

동 또는 반자동화가 되었기 때문이다.

○ 일본은 고베 대지진 이후 건축철골 용접부의 품질을 높이기


위해 대입열과 높은 층간온도에서도 용접부 품질이 확보되는

5 4 0 N·m m2급 강용 가스실드 용접와이어를 건축구조용 JIS 규

격으로 정하여 사용한다.

- C O2 용접용 솔리드 와이어인 Y G W 8 1 8은 종전의 Y G W 1 1에

비해 0,4% 이하의 M o를 첨가하는 등 와이어 화학조성의 최

적화에 의해 대입열/높은 층간온도에 있어서도 매우 양호한

기계적 특성(인장강도와 인성)을 보유한다.

- 또한 YGW818 와이어는 판 두께가 2 0 m m인 건축구조 부재

의 용접에 소요되는 시간이 약 1/2 수준으로 단축된다.

- 이밖에 A r - C O2 용접용 와이어인 YGW 19 와이어, 플럭스

코어드 와이어인 YFW-C55DX 와이어, YFW-A55DX 와이

어 등도 JIS 규격으로 정해졌다.

○ 일본의 대표적인 용접재료 생산업체중의 하나인 Kobe Steel에

서 제조하여 판매하는 건축구조용 용접재료는 <표 1 - 3 >과 같

다.

1 0 건축구조용 친환경/고강도 철강소재와 용접기술동향

<표 1-2> 일본의 최근 1 0년간의 용접재료 생산 추이( 1 )

(단위：톤)

연 도

종 류1 9 9 2년 1 9 9 5년 1 9 9 8년 2 0 0 0년 2 0 0 1년

피복아크 용접봉 7 9 , 0 2 3 7 7 , 3 2 2 6 3 , 0 2 2 5 8 , 7 0 5 5 6 , 9 5 9

서브머지드 아크 용접

재료4 5 , 6 4 2 4 2 , 3 6 0 2 9 , 9 9 1 3 4 , 6 6 3 4 2 , 5 3 3

가스실드 용접재료 2 3 9 , 9 9 1 2 3 6 , 7 0 8 2 1 4 , 8 0 3 2 1 0 , 4 4 6 2 2 3 , 9 3 8

기 타 6 2 4 3 3 0 3 8 6 6

합 계 3 6 4 , 7 1 8 3 5 6 , 4 3 3 3 0 7 , 8 4 6 3 0 3 , 8 5 2 3 2 3 , 4 9 6

○ 국내 용접재료 시장은 연간 약 4 , 3 0 0억 규모로 그동안 국가의

중화학공업 육성정책에 힘입어 순조로운 성장을 하였으며, 현

재 6개 업체로 각사마다 특징 있는 제품을 생산한다.

○ <표 1 - 4 >는 국내의 최근 용접재료의 생산과 수출 및 국내 판

매의 통계를 나타낸 것으로 생산량의 약 6 0 %가 내수용으로

판매되고 약 40% 정도가 수출된다. 주요 수출 품목은 탄산가

스 용접용 솔리드 와이어이며 향후 플럭스 코어드 와이어의

수출도 신장될 것으로 예상된다.

나. 용접공정

○ 건축구조물의 대형화 및 고장력 강재의 사용량이 급증함에 따

제1장 기술의 개요 1 1

<표 1-3> 일본 Kobe Steel의 건축구조용 용접재료( 1 )

<표 1-4> 최근 용접재료 국내시장 규모( 1 )

(단위：톤)

구 분 종 류

1 6 6 0 M P a급 가스실드용 솔리드 와이어

2 5 9 0 M P a급 가스실드용 플럭스코어드 와이어

3 5 0 M P a급 서브머지드 아크 용접용 솔리드 와이어

4 고강도, 고품위의 건축/토목용 용접와이어

5 고층간 온도를 갖는 용접재료 개발

생산 물량수 출 내수 판매

물량 구성비 물량 구성비

2 0 0 0년 전체 2 3 0 , 9 4 4 9 9 , 2 7 3 4 2 . 9 % 1 3 1 , 6 7 1 5 7 . 1 %

2 0 0 1년( 1 ~ 9월) 1 9 0 , 0 2 2 7 7 , 0 6 9 4 0 . 6 1 1 2 , 9 5 3 5 9 . 4

라 건설비용의 저감을 위한 용접능률의 향상 대책이 적극적으

로 추진하며 대형 용접구조물의 안전성 확보를 위한 용접이음

부의 높은 기계적 성질(인장/항복강도, 인성)이 요구된다.

- 건축철골이나 교량의 용접은 과거에는 대부분 피복아크용접

과 서브머지드 아크용접이 주를 이루었지만 용접의 자동화

와 용접 인력의 감소에 따라 플럭스 코어드 와이어를 사용

하는 가스실드 아크용접이 급속히 증가하였다.

- 용접능률의 향상을 위하여 단면 일층의 서브머지드 아크용

접, 일렉트로 가스용접, 소모노즐식 일렉트로 슬래그 용접

등의 대입열 용접법을 5 0 0 M P a급 이상의 고장력 강재에 적

용하는 경우에는 용접열영향부의 인성이 저하되지 않도록

용접시공시 용접 입열량을 제한해야 한다.

○ 일본의 경우 철골 교량의 제작에 있어 용접기술은 자동, 반자

동 용접을 통하여 용접능률 향상을 도모하며 공장용접의 자동

화와 탈기능화를 위하여 다전극 자동용접장치 개발, 직교형

NC 로봇화, CAD/CAM 다관절 용접 로봇 시스템의 개발 등

과 같은 용접 자동화와 용접 로봇화가 적극적으로 추진되었다.

또한 현장용접에서는 숙련 용접기능자의 부족과 3D 대책의 일

환으로 용접 로봇을 이용하여 무인화 용접과 야간 자동화 용

접도 가능하게 하는 전천후 자동화 용접시공을 적용하였다.

○ 건축구조물의 용접 생산성을 향상시키고 작업환경을 개선할

목적으로 개발되는 건축구조용 최신 용접공정으로는 두 대의

용접기를 동시에 사용하여 용착률이 상당히 높은 템덤 아크용


접, 레이저 빔 용접과 가스실드 아크용접을 복합적으로 사용하

는 laser-arc 하이브리드 용접, 마그네틱 펄스 용접 등이 있다.

○ 가장 최근에 상용화를 목적으로 개발하고 있는 laser-arc 하이

브리드 용접 프로세스는 건축구조물 분야에서 시너지 효과를

제공할 수 있는 새로운 용접기술로서 투자비용의 감소, 짧은

용접시간, 적은 건설비용, 높은 생산성이 기대된다.

제1장 기술의 개요 1 3

1. 해외의기술개발동향

가. 건축구조용친환경/고강도소재의기술개발동향

1) 철강재료 결정의 초세립화( 2 )

○ 1 9 8 0년대에 실용화한 TMCP(Thermo-Mechanical Control

Process) 가공기술은 합금원소의 첨가를 억제하고 결정립의 크

기를 작게 하여 철강 재료의 강도와 인성을 향상시켰다. 그러

나 TMCP 가공기술만으로는 페라이트 결정립의 크기를 5㎛

이하로 미세화시키는데는 한계가 있기 때문에 일본에서는 재

료연구개발센타(JRCM), Kobe Steel, Nippon Steel 등이 중심이

되어 철강의 초세립화를 위한“철계 특수 메탈”프로젝트를

수행하였다.

○ 결정립의 미세화를 통해 얻어지는 초미세립강의 높은 강도는

용접시공시 용접열영향과 급속 가열/냉각으로 인해 미세조직

이 조대화되면서 용접이음부의 강도가 떨어진다.

1 5

제2장

기술개발동향

○ 초미세립강을 불활성 TIG 용접, 피복아크용접, 레이저 빔 용

접, 마찰교반용접으로 제작한 용접이음부의 인장강도와 항복

강도는〈그림 2 - 1〉과 같다.

- 레이저 빔 용접부는 아크용접에 비해 냉각속도가 빨라서 용

접부에 연화역이 나타나지 않으며 용접부의 인장강도는 모

재와 거의 같다.

- 마찰교반용접은 결정립이 조대화되는 고온영역에 머무르는

시간이 아크용접보다 짧으며 용접이음부의 강도 저하가 아

크용접에 비해 작게 나타났다.

2) 높은 변형가공을 통한 초미세립강의 개발( 3 )

○ 철강 재료의 결정립을 1㎛ 이하의 수준까지 초미세화하면 기


〈그림 2 - 1〉초미세립강 용접이음부의 강도( 2 )

계적 성질이 높아지며 급랭과 뜨임 열처리 없이도 8 0 0 M P a급

이 가능하다. 이 방법으로 개발된 용접구조용 강은 합금원소가

첨가되지 않아 균열감수성조성( Pc m)이 낮기 때문에 용접시 예

열을 하지 않고도 건전한 용접이음부를 얻을 수 있다.

○ 일본의 철강재료센터(National Institute for Materials Science

Steel Research Center)는 오스테나이트·페라이트 변태를 이용

하는‘상변태 방법’과 페라이트를 강하게 가공하여 변태를 거

치지 않고도 초미세립 결정을 만드는‘재결정 방법’을 이용하

여 1㎛ 이하의 초미세립 페라이트강을 개발하였다.

○ 초미세립강의 응력-변형률 곡선(〈그림 2 - 2〉참조)을 보면 초미

세립 봉강과 판재의 항복강도는 SM490 강재의 항복강도에 비

해 2배 정도 높은 값을 나타낸다.

제2장 기술개발동향 1 7

〈그림 2 - 2〉초미세립강의 응력-변형률선도( 3 )

○ 충격시험에서 얻어지는 초미세립강의 연성-취성 천이온도는

－1 5 0℃, SM490 강재의 연성-취성 천이온도는 －5 0℃로서 초

미세립강의 충격인성이 SM490 강재보다 우수하다.

3) 철강 재료에 존재하는 개재물의 관리( 4 )

○ 철강 재료에서 기지조직과는 상이한 형태와 결정구조를 갖고

존재하는 단단하고 취약한 산화물, 황화물, 탄화물, 질화물 등

과 같은 개재물은 철강의 성질에 나쁜 영향을 미치므로 철강

재료의 품질을 확보하기 위해서는 개재물의 크기, 분포, 최대

크기 상태를 정밀하게 관리하는 것이 중요하다. 특히 용접구조

물의 충격인성과 피로/파괴강도는 표면과 표층 하에 존재하는

용접개재물에 민감하게 의존하므로 이러한 용접결함들의 크기

와 분포를 정밀하게 파악해야 한다.

○ 영국의 Sheffield University는 철강 재료에 존재하는 개재물의

분석을 위한 비파괴 검사, 개재물 농축 검사, 화학적 분석, 그

리고 통계학적 예측기술 등의 고급화 개발에 주력하였다.

○ 건축구조용 강재를 포함한 고품질 강재의 청정기술이 많이 발

전함에 따라 광학현미경이나 초음파 검사와 같은 기존의 검사

방법으로는 낮은 양의 개재물을 검사하는 것이 매우 어렵다.

○ 철강 재료와 용접구조물의 용착금속에 존재하는 개재물의 분

석결과에 대한 객관성과 신뢰성의 확보는 용접이음부의 품질

을 판정하는데 매우 중요한 요소로서 이러한 개재물을 검사하


기 위해 통계역학을 포함하는 새로운 측정/분석법의 개발이

중요하다.

○ 철강 재료에 존재하는 개재물을 측정하고 이런 개재물들이 철

강 재료의 피로와 파괴성질에 미치는 영향을 분석하기 위하여

비파괴 검사법, 개재물 농도법, 화학적 추출법, 파괴 검사법,

스파크 방출 분광기법 등이 사용된다.

○ 통계학적으로 개재물의 최대 크기를 예측하는 방법으로는 <표

2 - 1 >과 같이 로그 분포의 외삽법, SEV(Statistics of Extreme

V a l u e s )법, 그리고 GPD(Generalized Pareto Distribution)법 등이

개발되어 있으며 이중에서 S E V법과 G P D법를 통해 <그림 2 -

3 >과 같이 최대 개재물의 특성화 크기(CISM, characteristic size

of the maximum inclusion)를 비교하였다.


<표 2-1> 최대 개재물의 크기를 계산하는 방법들의 비교( 4 )

로그-표준 외삽법 S E V법 G P D법

찾아낼 수 있는 모든

개재물을 측정함

S o내에서 최대의 개재물을

측정함

주어진 크기 이상의 개재물을 무작

위로 측정함

가정된(assumed) 분

포형을 보임

가정된(assumed) 분포형을

보임

비가정(no assumed)의 분포형을 보

임

다수의 개재물을 측

정해야 함

작은 개재물을 측정하는

어려움을 피함.

작은 개재물을 측정하는 어려움을

피함

개재물의 크기에서

상부의 제한이 없음

개재물의 크기에서 상부의

제한이 없음

개재물의 크기에서 상부의 제한이

있음

-최대의 개재물만 사용하며

나머지는 무시함

가정( a s s u m p t i o n )이 거의 없고 자료

가 많아서 계산에 신뢰성이 많음

4) 건축구조용 스테인리스 강재의 고강도화( 6 )

○ 일본용접협회는 2 0 0 1년부터 2 0 0 3년까지 건축구조물에 사용하

는 건축구조용 스테인리스 강재의 기계적 성질을 높이기 위한

기술적인 검토를 실시하였다.

○ JIS G 4321「건축구조용 스테인리스 강재」에는 건축구조용

SUS304A 강재, 건축구조용 SUS316A 강재, 건축구조용

SUS304N2A 강재, 그리고 건축구조용 SCS13AA-CF 강재의 4

종류가 규정되었다.

○ 건축구조용 스테인리스 강재의 기계적 성질은 0.2% offset 항


〈그림 2 - 3〉S E V법과 G P D법에 의한 C I S M의 비교( 4 )

복강도 대신에 0.1% offset 항복강도를 적용한다.

○ 건축구조용 SUS304A 강재와 건축구조용 SUS316A 강재에서

는 항복응력의 하한값이 높게 설정된다.

- 이와 함께 새로운 개념의 항복비가 규정되어 추가된 것이

종래의 규격과 큰 차이점이다.

나. 건축구조용친환경/고강도소재의용접기술

1) 용접재료

가) 대입열－높은층간온도에대응하는C O2 용접용 솔리드 와이어( 5 )

○ 중고층 건축물에 수요가 많은 4 9 0 N /㎟급 건축구조용 강재를

용접할 때 기둥－보 용접이음부와 같이 용접 길이가 비교적

짧은 용접부위에서 다층 쌓기 용접을 하는 경우는 층간온도를

유지할 수 있는 시간적인 여유가 없기 때문에 용접능률의 관

점에서 기존의 YGW18 와이어는 충분하지 않다.

○ 일본의 Nippon Steel & Sumikin Welding Co.는 높은 용접입열

과 층간온도 조건에서 용접을 할 수 있는 새로운 건축구조용

강재인「EzWELD 강재」와 여기에 대응하는 C O2 용접용

「EzWELD 와이어」를 개발하였다.

○「EzWELD 와이어」는「용접입열량 15~70kJ/cm, 층간온도 5 5 0℃

이하」또는「용접입열량 15~50kJ/cm, 층간온도 6 0 0℃ 이하」


인 용접조건에서 사용이 가능한 C O2 용접재료이다.

○「EzWELD 와이어」는 Si, Mn, Mo 등과 같은 첨가 합금원소를

조절하는 미세화 합금(microalloying) 기술을 활용하여 용접금

속의 응고조직과 다층용접시 재가열되는 용접금속의 미세조직

이 조대화되는 것을 방지함으로서 강도와 인성의 향상을 실현

하였다.

○ 판 두께가 4 0 m m인 4 9 0 N급 강재를 사용한 기둥－보 용접부

(보의 폭 : 250mm)의 용접시간은「EzWELD 와이어」가 1 , 0 0 0

초, 기존의 YGW18 와이어가 2 , 5 0 0초로서 개발된「EzWELD 와

이어」가 기존의 YGW18 와이어에 비해 용접공수가 약 5 0 %

정도 감소하였다.

나) 건축구조용 스테인리스강 용접재료의 동향( 6 )

○ 건축구조물의 내진 성능을 확보하기 위해서는 용접부 대신 모

재부에서 파단이 일어나도록 용접이음부의 강도와 연성이 높

아야 한다. 이를 위해서는 연성이 우수한 건축구조용 스테인리

스 강재의 기계적 성질을 많이 활용할 수 있도록 용접재료의

고강도화가 필요하다.

○ 일본용접협회는 건축구조용 SUS304A 강재와 건축구조용

SUS304N2A 강재와 같은 스테인리스 강재에 사용하도록 지정

된 건축구조용 스테인리스강 용접재료( <표 2-2> 참조)에 대하

여 고강도화를 실행하였다.


○ 건축구조용 SUS304A 강재 용접재료의 고강도화

- 플럭스 코어드 와이어인 FCAW308 와이어, FCAW309MoL

와이어, FCAW308N2 와이어를 사용하여 용접부의 인장강

도를 비교한 결과 FCAW308N2 와이어는 건축구조용

SUS304A 강재보다 인장강도가 높게 나타났다.

- FCAW308N2 와이어와 건축구조용 SUS304A 강재를 사용

하여 제조된 용접이음부는 용접금속의 강도가 모재의 강도

보다 높은 오버매칭(over-matching) 구조로서 용접부의 파

단강도가 모재보다 높다. 그리고 모재의 연신율이 높아 지

진과 같은 재해를 받는 경우에 용접이음부가 많은 에너지를

흡수하기 때문에 용접이음부의 파단을 막아줌으로써 용접부

의 신뢰성을 높일 수 있다.

○ 건축구조용 SUS304N2A 강재 용접재료의 고강도화

- 플럭스 코어드 와이어인 FCAW329J3L2 와이어와 건축구조

용 SUS304A 강재를 사용하여 제조된 용접이음부는 용접금

속의 강도가 모재의 강도보다 높은 오버매칭( o v e r -


<표 2-2> 건축구조용 스테인리스강 용접재료의 종류( 6 )

구 분 규 격 종 류

피복아크 용접봉 JIS Z 3221 308, 308L,

308N2,

309, 309L,

309Mo, 309MoL,

316, 316L

( 3 2 9 J 3 L )

가스실드 용접용 플럭스 코어드 와이어 JIS Z 3223

TIG 용접용 용가봉 및 솔리드 와이어 JIS Z 3321

MIG 용접용 솔리드 와이어 JIS Z 3321

서브머지드 아크용접용 솔리드 와이어 JIS Z 3224

matching) 구조가 된다. 그러나 2상 스테인리스강 계통인

FCAW329J3L 용접재료는 높은 열에 대해 취성을 보이므로

내열성이 요구되는 경우에는 주의가 필요하다.

- FCAW308N2 와이어는 건축구조용 SUS304N2A 강재보다

인장강도가 낮지만 용착금속 중의 δ-ferrite 양과 N 양의 성

분조정에 의해 용접금속의 강도를 높일 수가 있다. 따라서

FCAW308N2 와이어를 고강도화하여 건축구조용

SUS304N2A 강재에 사용하는 것이 적합하다.

2) 용접공정

가) 건축철골 용접부의 품질확보( 7 )

○ 초고층 건축물의 경우는 대단면 부재가 많이 사용되는데 용접

조립시 H형강의 플랜지－웨브의 용접, 용접조립 상자형 단면

부재의 각용접에는 서브머지드 아크용접을 사용하고, 용접조

립 상자형 단면부재의 다이어프램 용접에는 일랙트로슬래그

용접을 사용한다.

○ 건축철골의 용접부에 요구되는 품질 중에서 용접열영향부의

인성을 예측하는 지표로서 <표 2 - 3 >과 같이「M A G용접열영향

부 인성지표( fH A Z)」를 제안하였다.

○ 상자형 단면 기둥의 각용접에 사용하는 서브머지드 아크용접

과 일랙트로슬래그 용접은 최대입열량이 1 , 0 0 0 k J / c m에 달하여

모재 열영향부에 미치는 영향이 크다.


나) 철골조 건축물의 용접시공에 관한 법령( 8 )

○ 철골조 건축물의 용접부의 기준에 관한 법령 제 9 2조에서 용

접부의 허용응력도의 변천에 관한 내용을 보면, 2000년까지는

작업방법을 구분하여 적용기준율을 1.0 또는 0 . 9로 구분하였다.

즉 자동용접 장치를 사용하는 경우나 고도의 품질을 확보한

것으로 인정되는 경우에는 기준치의 1 . 0배를 적용하고 그 외의

경우에는 0 . 9를 적용하는 것으로 구분하였다.

○ 2 0 0 0년 6월의 건축기준법 개정에 따라「공사 중의 건축건물이

건축기준 관계규정에 적합함을 검사하는」중간검사 제도가 도

입되었다. 중간검사 제도는 대지진을 겪으면서 건축물의 안정

을 확보해야 할 필요성에 따른 것이다. 이를 구체적으로 보면,

일정한 구조와 용도를 갖는 건축물의 공사과정에서 중간검사

를 받아야 할 공정을 지정하고, 검사대상으로 지정된 건축물은

반드시 지정확인 검사기관의 중간검사를 받아야만 공사를 계

속할 수 있도록 되어 있다.

다) 건축철골 용접부의 요구품질과 제작관리의 현상( 9 )

○ 건축구조물의 내진성능이 주로 기둥－보 용접부에 의해 결정


<표 2-3> MAG 용접열영향부 인성지표( fH A Z)( 7 )

f H A Z 화학성분의 규정

vEact ≥ 7 0 J C ＋ Mn/8 ＋ 6(P ＋S) ＋ 12 － 4Ti ≤ 0 . 5 7 7

vEact ≥ 2 7 J C ＋ Mn/8 ＋ 6(P ＋S) ＋ 12 － 4Ti ≤ 0 . 6 3 2

되기 때문에 이 부위의 용접품질의 확보가 중요하다. 일본의

Kawasaki Heavy Ind Ltd는 철골 제작회사에서의 제작관리를

중심으로 시공자에 의한 시공 관리기술, 설계자와 공사감리자

에 의한 공사 감리기술을 발표하였다

○ 기둥－보 용접부는 기둥재를 사이에 두고 다이아프램의 십자

이음으로 하여 기둥재의 판 두께 방향의 강도와 용접부의 잔

류응력, 구속도를 낮추어야 한다.

- 기둥－보의 용접은 가스실드 아크용접의 반자동 용접과

로봇을 사용하는 자동 용접장치가 사용되며 용접재료는

YGW11 와이어보다 YGW18 와이어의 사용량이 증가하

였다.

- YGW18 와이어는 고입열, 높은 층간온도에서도 소정의 용

접부 강도와 인성을 얻을 수 있으며 이를 위해서는 아크 타

임의 비율을 적절하게 유지하고 예열과 층간온도를 관리해

야 한다.


<표 2-4> JIS Z 3312 철골조 건축물에서 용접와이어의 사용구분( 9 )

용접조건 적용 강재의 인장강도

입열량

( K J / c m )

층간온도

(℃)4 0 0 N /㎟급 4 9 0 N /㎟급 5 2 0 N /㎟급

1 1 5 ~ 2 0 ≤ 1 5 0 Y G W - 1 1 , 1 5 , 1 8 , 1 9 Y G W - 1 1 , 1 5 , 1 8 , 1 9 Y G W - 1 8 , 1 9

2 1 5 ~ 3 0 ≤ 2 5 0 Y G W - 1 1 , 1 5 , 1 8 , 1 9 Y G W - 1 1 , 1 5 , 1 8 , 1 9 Y G W - 1 8 , 1 9

3 1 5 ~ 4 0 ≤ 3 5 0 Y G W - 1 1 , 1 5 , 1 8 , 1 9 Y G W - 1 8 , 1 9 -

라) 건축철골에서 로봇의 수직 용접( 1 0 )

○ 보를 관통하는 기둥과 보를 아래보기 용접자세에서 수직 용접

자세로 바꾸면 기둥－보 용접부를 뒤집는 작업이 필요치 않고

용접작업의 무인화가 가능하며 용접품질과 가동률을 향상시킬

수 있다. Kobelco 등은 로봇을 이용한 건축철골의 수직용접 시

공기술을 개발하였다.

○ 로봇의 수직용접은 Ar80% + CO220% 가스실드 아크용접법으

로 실시하며 굵기가 1 . 2φ인 JIS Z 3312 YGW18 와이어를 사용

하였다. 용접모재는 SN490B 강재(판 두께 1 9 m m )와 S N 4 9 0 C

강재(판 두께 3 2 m m )이며, 용접이음부는 베벨형 개선의 맞대

기 이음부를 선택하였다. 한편 용접중 비드와 비드사이의 층간

온도는 1 5 0℃를 유지하였다.

○ 수직 용접에 있어서 철골공사 기술지침에서 권장하는 4 0 k J /㎝

을 초과하는 용접입열량 조건에서 용접시공된 용접금속의

0.2% offset 항복응력과 인장강도는 일본공업규격( J I S )에서 지

시하는 용접금속의 기계적 성질의 하한값을 상회하는 결과를

보였다. 한편 동일한 용접입열량의 조건하에서 수직 용접부의

8 0 0℃에서 5 0 0℃까지의 냉각시간은 아래보기 용접부의 냉각시

간보다 짧게 나타난다.

마) 철골용접 로봇의 고능률화( 1 1 )

○ 철골제작 공장에서 로봇 용접이 차지하는 비중이 매우 높아서


용접공정이 전체의 4 0∼9 0 %를 차지한다. 그런데 일반적인 크

기를 갖는 기둥의 경우(판 두께 22mm, 500□) 로봇이 관련되

는 약 7 . 3시간의 공정중 용접작업이 약 7 0 %인 5 . 2시간을 차지

하고 있으므로 철골용접 로봇의 고능률화는 용접시간의 단축

에 달려있다고 볼 수 있다. 일본의 Kobe Steel Ltd은 철골용접

시 로봇의 고능률화를 위해 1개의 기둥을 2대의 로봇으로 동

시에 용접하는「2 아크 용접시스템」을 개발하였다.

○ 용착량이 다른 2개의 이음부를 동일한 용접시간에서 용접하기

위하여 Kobe Steel Ltd가 독자적으로「용접조건 생성 알고리

즘」을 개발하였으며, 이에 따라 각 용접층을 동일한 시간에서

용접하고 용접전류를 적정범위에서 유지하는 용접조건을 실현

하였다.

○ 2 아크 용접시스템의 효과는 고능률화와 용접품질의 향상을

얻는다.

- 2대의 로봇이 동시에 작동되므로 노즐 청소와 같은 용접이

외의 작업시간도 종전에 비해 5 0 %까지 단축되었다( <표 2 -

5> 참조) .


<표 2-5> 종래 시스템과의 시간비교( 6 0 0□3 2t×6이음)( 1 1 )

구 분종래의 시스템

2 아크 용접시스템저입열 조건 대전류화 조건

아크타임(분) 6 3 8 . 6 5 5 4 . 5 3 1 0 . 8

비아크타임(분) 2 2 4 . 2 2 2 4 . 2 1 1 3 . 0

총타임(분) 8 6 2 . 4 7 7 8 . 7 4 2 3 . 8

- 중간다이어프램의양측을동시에용접하여굽힘을방지하였다.

- 코너반경이 작고 판 두께가 얇은 원주 코너부 비드외관을

향상시켰다.

- 비드이음부의 처리를 개선하여 크레이터부의 비드 외관을

향상시켰다.

바) 고주파 유도가열에 의한 용접부 조직의 미세화 효과( 1 2 )

○ 강판의 표면에 레이저 광선을 조사시키면 가열된 부분의 페라

이트 결정립이 미세화되어 피로수명이 연장되는 사실을

Kyushu Institute of Technology에서 보고하였다. 일본의

Netsusan Heat Co는 이와 같은 레이저 광선의 조사에 의한 피

로수명 연장기술을 현장에서 사용할 수 있도록 하기 위하여

레이저 장치보다도 가격이 낮고 위험성이 적은 고주파 유도가

열 장치를 이용한 연구결과를 발표하였다.

○ 고주파 유도가열을 실시하면 결정립이 미세화되며 그 효과는

레이저 빔 조사에 의한 미세화보다 효과가 더 높다. 또한 T형

필릿이음부와 맞대기이음부도 고주파 유도가열을 실시함으로

서 결정립이 미세화되어 피로수명이 향상된다.

3) 용접부의 특성

가) 용접부 미세조직과 계산에 대한 신뢰성( 1 3 )

○ 철강 재료의 용접재료 개발을 위해서는 용접시험편 제작을 위


한 용접시 모재와 희석을 일으키지 않은 순수한 전용착금속

이음부의 제조기술과 이에 대한 시험평가 기술의 개발이 필요

하다. 영국의 University of Cambridge는 매년 많은 양이 소비

되는 페라이트 강재의 용접재료와 용접금속의 미세조직에 관

한 연구 내용들을 발표하였다.

○ 용가제와 같은 합금을 개발하기 위해서는 모델 합금에 대한

수학적인 계산을 토대로 하는 설계 과정이 포함된 개발 공정

이 필요하다. 합금의 개발 중에 실시하는 실험과 관련된 데이

터들이 발표되어 모델이 높은 신뢰성을 갖고 조절된다면

(modified) 관련 분야에 대해 장기적으로 유익함을 가져다 줄

것이다.

나) 철강용접부의 조직형성과 제어( 1 4 )

○ 용융용접으로 제작된 강구조물 용접부의 기계적 성질을 포함

하는 용접품질을 가공열처리로 제조된 모재와 동등한 수준으

로 높이는 것이 강구조물의 안전성과 신뢰성을 확보하는데 매

우 중요하며 이를 위해서는 철강용접부의 조직을 제어하는 기

술개발이 필수적이다.

○ 용접부에서 입내 페라이트를 이용하여 용접금속과 용접열영향

부를 고인성화하기 위해서는 결정립계로부터의 변태를 억제하

여 입내 페라이트의 분률을 높여야 하며, 이를 위해서 강재의

조성을 제어할 필요가 있다. 또한 용접부의 인성을 향상시키기

위해서는 조직제어와 더불어 상변태와 조직형성을 지배하는


열이력, 용접성과 같은 강재의 성능, 그리고 모재 희석과 같은

개념들을 활용해야 한다.

○ 용접금속과 강재 용접열영향부 모두 개재물을 핵으로 하여 입

내 페라이트를 생성시키는 것이 조대한 오스테나이트의 입내

조직을 미세화하는데 매우 효과적이다. 또한 입내 페라이트의

분률을 높이기 위해서는 유효한 이물질 핵과 동시에 결정립계

로부터의 페라이트 생성을 최소화하는 것이 중요하다.

2. 국내의개발동향

가. 차세대초대형구조물용강재와강재구조화기술

○ 한국신철강기술연구조합에서 포항산업과학연구원이 주관기관

으로서 동국제강, 고려제강, INI스틸, 세아베스틸 등 1 2개사의

참여기업과 서울대학교, 연세대학교 등 4개 대학교가 위탁기관

으로 참여하여 산학연공동으로‘차세대 초대형 구조물용 강재

개발( <표 2-6> 참조)’를 2 0 0 4년도 산업자원부 중기거점기술개

발사업 신규과제로 선정하여 2 0 0 4년 9월부터 2 0 0 9년 8월까지

향후 5년간 연구를 진행 중이다.

○ 이중에서 용접기술분야인‘초대형 구조물용 강재구조화 기술

개발’은 다음과 같은 내용을 포함한다.

- 고강도 구조용 강 구조화를 위한 소재이용 기술의 패키지화


- 고강도 복합기능 구조용 강관 제조 기술 개발

- 저 Y R형 6 0 0 M P a급 구조용 강관 제조 기술 개발

- 600MPa급 강재용 고효율 용접재료 개발

- 800MPa급 강재용 고강도 고인성 용접재료 개발

- 고효율, 고품위 연속화 복합열원 용접기술 개발

나. 용접재료, 기타

○ 현재 국내에서 생산되는 용접재료의 종류는 피복아크 용접봉

1 1 0품종을 포함하여 2 3 0여 종이며, 일본의 5 8 0여 품종과 비교


<표 2-6> 연구개발 목표( 1 )

단위 : 인장강도/항복강도(MPa), 충격치(Joule), 용접속도( m / m i n )

자료 : 한국신철강기술연구조합,

구 분 평가항목 선진국 수준 국내수준 연구개발 목표

초고장력

H형강 및

철근개발

형 강

인장강도 600 5 5 0 6 5 0

항복강도 440 3 6 5 4 7 0

충격치 4 7 ( - 5℃) 2 7 ( 0℃) 4 7

철 근인장강도 6 8 5 5 0 0 7 5 0

항복강도 5 2 0 4 0 0 6 0 0

초대형 구조

물용 고강도

강선 및 고강

도 봉 개발

현수교용

와이어인장강도 2 , 0 0 0 1 , 8 0 0 2 , 2 0 0

강봉인장강도 8 0 0 6 5 0 1 , 1 0 0

항복강도 6 9 0 5 6 0 9 3 0

초대형구조물

용 강재구조

화 기술개발

용접재료 인장강도 8 0 0 5 4 0 8 0 0

신용접공정 용접속도 2 1 . 5 2 . 5

고강도강

교량 설계-

고강도강 교량

설계방안 확립

저강도강 교량

설계 수준

고강도강 교량 설

계방안 확립

차세대 구조용 강재

표준화

K S규격

ISO 규격- -

K S규격 제·개정

ISO 규격화

할 때 상당한 차이가 있는데 많은 차이를 보인다. 그 중에서

많은 차이를 보이는 품종은 6 0 K g f / m m2급 이상의 고장력강용,

저합금 내열강용, 저온용강용, 수퍼알로이 등의 고합금용, 니켈

및 니켈 합금용, Cu와 Al 및 그 합금용 등이다.

○ 건축구조용 스테인리스 강재를 포함하여 용접구조용 강재의

용접성과 강도를 개선하는 방향으로 개발하면 용접모재의 균

열저항성과 기계적 성질이 많이 향상되고 용접조건도 많이 개

선된다. 그러나 새로 개발된 강재를 용접할 때 종전의 용접재

료(conventional welding material)를 사용하면 이것들은 종전의

강재(conventional steel)에 맞게 용접조건이 설정되어 있어서

실제 용접구조물을 제작할 때 많은 어려움을 겪게 된다.

○ 새로이 개발되는 차세대 구조용 강재에 기존의 용접재료를 사

용하면 용접시공에 필요로 하는 예열온도가 너무 높기 때문에

시공자측 또는 구조물 설계자측에서는 차세대 구조용 강재를

쉽게 채택하기가 어렵게 된다. 따라서 차세대 구조용 강재를

적극적으로 상업화시키기 위해서는 예열 작업을 생략하는 용

접공정과 용접재료를 개발할 필요가 있다.

○ 국내 용접기술 분야의 전문 학술지인‘대한용접학회지’에는

2 0 0 3년 포항산업과학연구원에서“건축·토목 분야 용접기술의

최근 개발 동향”에 관한 기술 해설을 소개하였다.( 1 5 ) 또한 포

항산업과학연구원은「RIST 연구논문집」에“Application of the

Fine Grained Structural Steel to the Building Structure”의 학술

자료를 발표하였다.( 1 6 )


1. 정보조사

○ Elsevier Engineering Information Inc.에서 운영하는 E n g i n e e r i n g

Village 2(http://www.engineeringvillage2.org)의 C o m p e n d e x1 )을

사용하여 건축구조용 친환경/고강도 철강소재와 용접기술에

관한 학술정보를 조사하였다.

○ <표 3 - 1 >의 검색식으로 조사( 2 0 0 5년 1 1일 1 0일 검색 실시)한

학술정보 1 , 8 1 0편을 분석 효율을 높이기 위해 관련이 없는 자

료를 제거하는 작업을 거쳐 최종 2 8 9편을 최종 분석 대상으로

하였다.

3 5

제3장

기술정보분석

1) C o m p e n d e x는 Elsevier Engineering Information, Inc(http://www.ei.org)에서 제작한 데

이터베이스로서 COMPuterized Engineering InDEX와 EI Engineering Meeting

D a t a b a s e를 합한 공학과 기술에 관한 세계 중의 문헌을 수록한다. 수록내용은 기계공

학, 금속공학, 식품공학, 열역학 등 공학 및 기술 전반을 수록하며, 2003년 4월 기준으

로 5 , 3 0 0 , 0 0 0건 이상이 수록되었고, 매주 약 3 , 5 0 0건의 새로운 정보가 추가된다.

2. 정보분석

가. 분석방법

○ 건축구조용 친환경/고강도 철강소재와 용접기술 관련 학술정

보 2 8 9편을 KITAS 2004를 활용하여 분석하였다.

- 첫 번째 저자 소속기관을 연구기관으로 하되, 같은 국가 내

여러 도시에 분산된 기관은 하나의 기관으로 하였다. 단 국

가가 상이한 경우는 별도의 기관으로 하였다.

- 국가는 연구기관이 소속된 국가로 하였다.

- 기술 분류는 Subject Heading을 사용하여 분석하였다.

나. 정보형태및기사구분분석



<표 3-1> Compendex 검색식

검 색 식

#1 ((welded steel structure*) WN ALL) AND (1990-2006 WN YR)

#2 ((building* or hous* or architectur*) WN ALL) AND (1990-2006 WN YR)

#3 ((steel*) WN ALL) AND (1990-2006 WN YR)

#4 ((weld* or join*) WN ALL) AND (1990-2006 WN YR)

#5 ((538.2*) WN CL) AND (1990-2006 WN YR)

#6 ((402* or 403*) WN CL) AND (1990-2006 WN YR)

#7 ((545.3*) WN CL) AND (1990-2006 WN YR)

#8 (#4 or #5) and (#3 or #7)

#9 (#2 or #6) and (#1 or #8)

보는 Journal article(220편)으로서 가장 많이 발표되었으며, 그

다음이 Conference article로서 6 2편이 발표되었고, Report

r e v i e w s가 7편이 발표되었다.


보는 T h e o r e t i c a l이 1 2 6편으로 가장 많이 발표되었고 그 다음이

R e v i e w ( 6 5편), Application(46편), Experimental(45편) 순서로

발표되었다.

제3장 기술정보분석 3 7

<그림 3-1> 정보 형태 현황

<그림 3-2> 기사 구분 현황

다. 연도및국별발표현황

○ 1 9 9 1년 1 0편으로 시작하여 감소와 증가를 반복하면서 증가하

여 2 0 0 4년도 3 2편으로 가장 많은 학술정보가 발표되었다.

○ 미국이 8 4편으로 가장 많은 학술정보를 발표하였고, 그 다음이


<그림 3-3> 연도별 발표 현황

<그림 3-4> 국가별 발표 현황

6 3편의 일본, 15편의 중국, 13건의 독일의 순서로 학술정보를

발표하였으며, 한국은 5편의 학술정보를 발표하여 8편의 캐나

다 다음으로 7위를 기록하였다.

라. 연구자및연구기관현황

○ 일본 Osaka Univ.의 K. Horikawa, 미국의 Johns Hopkins Univ.

의 J. Song, 캐나다 McGill Univ.의 R. Tremblay가 각각 5편씩

의 학술정보를 발표하였으며, 영국의 F. M. Burdekin 등 7명이

각각 4편씩의 학술정보를 발표하였다.

○ 미국의 Elstner Associates, Inc, 일본의 Osaka Univ., 일본의

Shimizu Corp, 미국의 Univ. of California가 각각 9편의 학술정

보를 발표하여 가장 활발한 연구개발을 실시한 것으로 나타났


<그림 3-5> 연구자 현황

으며, 그 다음이 5편을 발표한 미국의 Johns Hopkins Univ.로

나타났다.


<그림 3-6> 연구기관 현황

<그림 3-7> 연구기관의 연도별 현황

○ Elstner Associates, Inc와 Osaka Univ. 간헐적이지만 1편 이상

의 학술정보를 지속적으로 발표한 반면, Shimizu Corp는 1 9 9 8

년 이전, Univ. of California는 1 9 9 7년부터 2 0 0 0년 사이, Johns

Hopkins Univ,는 1 9 9 9년과 2 0 0 1년에만 학술정보를 발표한 것으

로 나타났다.

마. 기술분야별현황

○ Welded steel structure가 3 1편으로 가장 많았으며, 그 다음이

steel, Welds, Steel structure, Steel construction 등의 순서 학술

정보가 발표되었다.

○ 5 4 5 . 3분야( S t e e l )가 2 2 3편으로 가장 많았으며, 다음이 1 9 1편의

5 3 8 . 2분야(Welding), 167편의 4 0 8 . 2분야(Structural members &

shapes), 148편의 4 2 1분야(Strength of building material;

mechanical properties), 113편의 4 0 8 . 1분야(Structural design;


<그림 3-8> 기술별 현황

general) 등의 순서로 나타났다.


<그림 3-9> 분야별 현황

○ 앞으로 건축물의 대형화, 초고층화와 함께 건축물에 대한 요구

사항이 다양해짐에 따라 성능이 우수한 건축구조용 친환경/고

강도 강재가 요구된다. 또한 건축구조용 강재의 개발에 맞추어

용접기술을 포함한 구조시스템 기술의 개발이 동시에 개발되

어야 할 것이다.

○ 새로이 개발되는 건축구조용 친환경/고강도 강재가 신뢰성이

높은 용접품질과 용접생산성을 확보하기 위해서는 그에 상응

하는 새로운 용접재료의 개발이 필수적이다. 또한 많은 수요가

예상되는 건축구조용 스테인리스 강재의 국산화 개발 시에도

기계적 성질이 높은 용접재료를 동시에 개발해야 하며 이를

위해 국내 철강업계와 용접재료 제조업계간에 긴밀한 협력이

요망된다.

○ 고밀도 열원을 갖는 레이저 빔 용접과 기존의 아크용접을 동

시에 사용하여 두 용접법의 장점을 최대로 발휘하는 L a s e r·

Arc 하이브리드 용접기술과 용접중 흄의 발생이 없고 차폐 가

스가 필요 없으며 용접에 따른 변형이 없는 고상용접인 마찰

4 3

제4장

전 망

교반용접은 기존의 용접법에 비하여 용접생산성이 높고 용접

부 품질이 우수하며 용접비용은 낮기 때문에 가까운 장래에

건축구조물의 용접분야로 급속히 보급되고 폭넓게 사용될 것

으로 전망된다.

○ 산학연관이 공동으로 추진하고 있는‘차세대 초대형 구조물용

강재개발’을 통해 건축구조용 철강소재의 친환경화와 고강도

화를 달성함으로써 건축구조물 전반에 걸친 경쟁력의 향상이

기대된다.


참고문헌

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건축구조용 친환경/고강도철강소재와 용접기술동향

2 0 0 5년 1 2월 1 5일 인쇄

2 0 0 5년 1 2월 2 0일 발행

발 행 처

서울특별시 동대문구 청량리동 2 0 6 - 9

◯우 1 3 0 - 7 4 2

전화 : 3299-6114

등록: 1991년2월 1 2일 제5 - 2 5 8호

발 행 인

조 영 화

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이룸출판사

BA527 김환태·길상철

저자소개

김 환 태

•한국기계연구원 용접기술연구부 책임연구원•Welding Engineer(9363803/51), EWF•CSWIP Welding Inspector(WON1793), TWI, Cambridge, UK•European Welding Inspector(EWI14/GB/01014), EWF•한국공인시험검사기관(KOLAS) 품질책임자, 국립품질기술원•중소기업청 경영·기술지도사(기술분야, 제 3 8 7 3호) •현, 한국과학기술정보연구원 전문연구위원•저서：Laser - GMAW 복합용접기술개발동향 등

길 상 철

•산업연구원 책임연구원•산업기술정보원 책임연구원•한국과학기술연구원 부연구위원•현, 한국과학기술정보연구원 선임연구원•저서：마그네슘합금의 가공 및 개발동향 등

건축구조용친환경/고강도 철강소재와용접기술동향 -...

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