용접된 C45 브래킷: 왜 파우더 코팅이 부풀어 오를까?

용접된 C45 브래킷은 지지 프레임 도면에서 가장 단순해 보이는 부품이지만, 바로 그 때문에 결함이 늦게 드러난다. 2025년 8월, 덕트워크 지지 프레임 제조사로부터 작업 번호 260627004가 우리에게 접수되었다. 이 제조사의 이전 공급업체는 벤치에서는 양호한 측정 결과를 보였으나 실제 프레임에 장착했을 때는 실패한 암 부품을 납품했다. 바(bar)는 용접 벤치에서 약 0.6 mm 정도 휘어져 나왔고, 소켓 면(socket face)은 직각을 이루지 못해 암이 평평하게 자리 잡지 못했다. 또한, 얇은 회색 파우더 코팅은 사용 시작 후 처음 몇 주 안에 모든 용접 부위를 따라 가늘게 벗겨졌다.

사진 속 용접된 C45 브래킷은 다음 주문에서 제작된 실물 부품이다. 즉, 400 mm 길이의 바에 동일한 간격으로 세 개의 고정 구멍을 뚫고, 한쪽 끝에는 50 mm 정사각형 소켓을 용접했으며, 바와 소켓이 만나는 부분은 45도 미터 조인트로 가공하여 표면을 매끄럽게 연마한 후 밝은 회색 코팅을 입혔다. 용접이나 코팅 자체는 별다른 난이도가 없다. 문제는 이 두 공정이 서로 충돌한다는 점이며, 이 충돌은 최종 코팅 완성면에서 가장 먼저 눈에 띄게 나타난다.

이 브래킷이 수행해야 할 기능은 무엇인가?

세 가지 역할을 맡지만, 그중 하나만 강도와 관련 있다.

소켓은 위치 결정 기능을 담당한다. 맞물리는 정사각형 부재가 이 소켓 안으로 삽입되면 암(arm)이 프레임에 대해 고정된 관계를 유지하게 되므로, 소켓은 정확하고 직각을 이루며 코팅된 면을 제공해야 한다. 본 부품의 소켓은 중공 정사각형 단면으로, 가로·세로·깊이 모두 50 mm이며, 바의 끝단에 용접되어 있다.

바는 고정 기능을 수행한다. 바에 균등한 간격으로 배치된 세 개의 구멍은 암을 프레임에 고정하는 체결부품을 위한 것이다. 따라서 이 구멍들은 바 자체의 위치와 일직선이 되는 것만으로는 충분하지 않고, 소켓과 정확히 일직선이 되어야 한다.

접합부는 구조적 기능뿐 아니라 외관상 기능도 수행한다. 마이터 접합은 용접 라인을 더 길게 분산시켜 하중을 넓은 영역에 전달하며, 용접 후 연마 및 코팅 작업을 거치면 바에서 소켓으로의 전환이 매끄럽고 연속적으로 보이도록 해준다. 바로 이러한 외관상 요구사항 때문에 용접 문제에서 코팅 문제로 상황이 전환된다. 즉, 밀봉되지 않은 표면은 절대 무결함처럼 보이게 만들 수 없으며, 용접 내부에 남아 있는 잔류 가스는 코팅된 표면을 통해 유출될 수밖에 없다.

동시에 발생하는 두 가지 결함

용접 과정에서 바가 당겨지며, 이 인장력은 눈에 띄지 않게 남아 있다.

용접은 소량의 강재에 집중된 열을 공급한다. 용접 풀과 그 주변 영역은 차가운 금속에 대해 냉각 및 수축되며, 이때 변형을 겪는 금속은 소성 변형을 한다. 한쪽 면만 용접된 암의 경우, 수축이 암을 용접면 쪽으로 당기게 되고, 가벼운 단면을 가진 400mm 길이의 부재는 약간의 구속 조건에서도 눈에 띄게 휘어진다.

이 현상은 듣는 것보다 더 심각한데, 그 이유는 두 가지이다. 첫째, 부재의 길이에 비해 세로비가 작아 작은 수축량이라도 자유단에서 큰 처짐으로 나타난다. 둘째, 자연 냉각은 대칭적이지 않으므로 접합부 양측면의 수축량이 달라지고, 이로 인해 소켓면이 기울어진다. 실제 파손된 암들은 직진도 허용치 0.2mm를 초과하여 약 0.6mm 정도 휘었으며, 프레임에서 허용하는 소켓면의 직각 편차 한계인 0.15mm를 넘어서 기울어졌다.

이 결함이 잘 드러나지 않는 이유는 측정 방식에 있다. 용접공은 이음부를 보지만, 고객은 전체 암을 측정한다. 부품이 냉각된 후에는 바의 전체 길이에 걸쳐 평면판 위에서 다이얼 인디케이터를 사용해 직진도를 확인해야 하며, 같은 기준면과 동일한 세팅에서 소켓 면의 직각도도 함께 검사해야 한다. 검사가 이음부에만 국한되면, 암을 볼트로 조이기 전까지 휨 현상은 전혀 관찰되지 않는다.

코팅이 용접 부위 정확히 일직선으로 벌집 모양으로 부풀어 오른다

파우더 코팅은 밀봉된 막이며, 용접부 위에 형성된 밀봉막은 용기 뚜껑처럼 작용한다.

아크 용접은 용접 부위 내부 및 주변에 기공을 남기며, 이러한 기공들은 얇은 산화막과 슬래그 막 아래에 위치한다. 샌드블라스팅은 이 막을 제거하고 표면의 기공을 열어주지만, 기공 내부를 비우지는 못한다. 기공 안에 있던 것은 그대로 남는다: 공기, 대기 중 수분, 경질 탄화수소, 그리고 샌드블라스팅 공정 자체에서 유입된 수분 등이다. 경화 과정 중 부품과 코팅막 모두 가열되며, 막은 가교결합이 일어나기 전에 먼저 연화된다. 이 시점에 막 아래에서 팽창하는 기체는 막을 뚫고 나가게 되고, 그 결과 용접선 상에 핀홀 또는 작은 물집이 생기거나, 혹은 이들로 이루어진 고리 모양 결함이 형성된다.

따라서 이 결함은 무작위로 나타나지 않고 선 형태로 나타나는 것이다: 용접선을 따라 발생하기 때문이다. 용접 부위만이 표면 아래에 공극을 가지는 유일한 부분이기 때문이다. 또한 이 때문에 분말 코팅 브랜드를 변경하는 다른 공급업체를 선정한다고 해서 문제를 해결할 수 없다. 코팅막 자체가 원인이 아니며, 막 아래에 존재하는 기체가 진짜 원인이다.

이 문제를 제대로 해결하기 위해 두 가지 조치를 취합니다. 용접 부위는 코팅 전에 베이크 처리하여 용접 내부에 갇힌 수분과 경질 탄화수소가 표면이 아직 베어 스틸 상태일 때 부품에서 제거되도록 하고, 가장 다공성인 용접 라인에는 파우더 코팅을 추가로 한 차례 더 적용하여 필름 두께를 명목상 두께보다 두껍게 형성합니다. 이보다 미흡한 조치는 결함을 한 배치에서 다음 배치로 옮기는 것뿐입니다.

암을 제작하는 과정을 단계별로 설명

단계 1 — 바를 절단하고 조인트를 마이터 컷

바는 양쪽 끝이 직각이 되도록 400mm 길이로 절단하고, 조인트 쪽 끝은 45도 각도로 마이터 컷합니다. 깔끔한 마이터 면이 다음 단계를 가능하게 합니다. 불일치하는 두 면을 용접 열로 맞물리게 해야 하는데, 바로 그 열이 부품을 뒤틀게 만듭니다.

단계 2 — 교정 지그에서 탭 용접

두 부품을 모두 바가 곧게 유지되고 소켓이 정확히 직각을 이루도록 고정하는 지그에 위치시킨 후 조인트를 탭 용접합니다. 탭 용접은 조인트 양쪽에 실시하고, 부품을 지그에서 꺼내기 전에 충분히 냉각시킵니다. 따라서 본격적인 완전 용접을 시행하기 전에 기하학적 형상이 확정됩니다.

3단계 - 균형 잡힌 순서로 용접

이음부는 부품 주위를 한 번에 이어가며 용접하는 대신, 양쪽 면을 번갈아가며 용접한다. 이러한 균형 잡힌 용접 순서는 수축을 대체로 대칭적으로 유지하여 소켓면을 직각으로, 바를 곧게 만든다. 마이터 부분에서는 완전 관통 용접을 실시하는데, 이는 가시 면만 용접한 이음부가 하중을 받을 때 벌어질 수 있기 때문이다.

4단계 - 냉각 후 곧게 섰는지와 직각인지 확인

부품이 따뜻할 때는 어떤 측정도 수행하지 않는다. 각 암은 실온까지 식은 후 표면 플레이트 위에 올려져 바를 따라 곧게 섰는지, 소켓면을 가로질러 직각인지 점검한다. 곧게 섰는 허용 오차가 0.2 mm를 초과하거나 소켓면의 직각 허용 오차가 0.15 mm를 초과하는 부품은 이 단계에서 재가공되거나 폐기된다. 이때는 아직 베어 스틸 상태이므로 재가공 비용은 1분 분량일 뿐, 전체 부품 비용은 아니다.

5단계 - 용접부를 평탄하게 연마

용접부는 인접한 표면과 동일한 높이로 연마되며, 이음새의 모서리는 매끄럽게 처리되고 코팅된 영역에서 튀어나온 용접 비드는 모두 제거된다. 연마는 단순히 외관상의 작업이 아니다: 돌출된 용접 비드는 그 근원부에 공기를 가두게 되며, 이러한 돌출부를 덮으려는 도료 필름은 가장자리에서는 얇아지고 오목한 부분에서는 두꺼워진다.

단계 6 - Sa 2.5 등급으로 샌드블라스팅

전체 부품을 Sa 2.5 등급으로 샌드블라스팅한다. 이를 통해 압연 산화피막, 녹, 용접 산화물이 제거되며, 용접부 표면의 기공이 열려 다음 공정이 이 기공에 효과적으로 작용할 수 있도록 한다.

단계 7 - 180도 섭씨에서 20분간 사전 베이킹

샌드블라스팅된 부품은 분체 코팅을 적용하기 전에 180도 섭씨에서 20분간 베이킹한다. 이 열처리 과정은 아직 코팅되지 않은 상태에서 용접부 기공 내의 수분과 경질 탄화수소를 제거함으로써, 기포 발생 원인을 근본적으로 차단한다. 또한 이 베이킹 공정은 반드시 샌드블라스팅 후에 이루어져야 하는데, 그 이유는 샌드블라스팅 과정에서 표면에 다시 수분이 유입되고, 이전 베이킹으로 비워졌던 기공이 재차 열리기 때문이다.

8단계 - 코팅 후 190°C에서 15분간 경화, 용접부에 두 번째 코팅

분체 코팅은 밝은 회색 RAL 7035에 65~80 µm 두께로 도포되며, 190°C에서 15분간 경화된다. 용접선 부위는 다공성 영역이 가장 높은 두께 범위 상한까지 도달하도록 하기 위해 두 번째 코팅을 실시한다.

최종 검사에서는 도막 두께, ISO 2409 기준 접착력, 그리고 각 용접부를 따라 핀홀과 블리스터 유무를 면밀히 점검한다. 검사를 통과한 부품은 운송 중 코팅면이 서로 마찰되지 않도록 포장한다.

600개 생산 로트에서 측정된 결과

확인	사양	600개의 암 부위 전체에서 유지됨
바 길이 방향 직진도	0.2mm	냉각 후 한 개의 부품도 허용 한계를 초과하지 않음
소켓 표면의 직각도	0.15mm(0.15mm)	모든 암 부위를 표면 플레이트 위에서 측정하여 유지됨
맞물림 이음부의 용접	완전 침투, 바닥면과 동일한 높이	바닥면과 동일한 높이로 도장된 부위에 베드가 보이지 않음
샌드블라스팅 청결도	Sa 2.5	각 배치가 오븐에 들어가기 전에 확인됨
프리베이크	180°C에서 20분간	코팅 전 각 암에 적용됨
필름 두께	65~80 µm	밴드 내부, 용접부의 두 번째 패스 포함
접착력	ISO 2409 기준 Gt0	용접 라인에서의 십자 절단 시험에서 달성됨
염수 분무	중성 조건 480시간, 부풀음 없음	용접 라인에서 부풀음 보고 없음
용접부를 따라 핀홀 발생	허용되지 않음	최종 검사에서 발견된 결함 없음

위 공정으로 제조된 암 600개 출하. 고객은 암이 프레임 위에 평평하게 안착되었으며, 사용 중 용접부에 코팅 결함이 나타나지 않았다고 보고함.

자체 시험 운전에서 발견한 결함

50개 시험 생산에서 용접 형상으로 인한 실패는 없었으나, 공정 순서로 인해 실패함. 해당 공정 순서는 당사에서 설정함.

50개 암 중 9개가 경화 후 희미한 선 형태의 미세한 부풀음이 정확히 용접부 위에 나타남. 분말 코팅, 필름 두께, 오븐 온도에는 이상이 없었음. 탈피 전 열처리(디가스)를 실시하였는데, 이는 열처리를 용접 공정의 일환으로 간주하고 다른 용접 단계와 함께 배치했기 때문임. 그러나 이후 탈피 과정에서 방금 비운 기공과 표면에 다시 수분이 흡수되었고, 이로 인해 경화 공정 중 부풀음이 발생함.

해결책은 블라스팅 후에 디가스 베이크 공정을 이동시키고, 블라스팅된 부품을 코팅할 때까지 작업장 공기로부터 차단된 상태로 보관하는 것이었다. 시험 생산과 양산 사이에 이 결함 유형은 완전히 사라졌으며, 분말 재료, 도막 두께, 경화 조건에는 어떤 변경도 가하지 않았다.

이 공정을 지정하는 모든 사람에게 유용한 교훈은 바로 용접과 코팅이 동일한 공장 내에서 일어나는 두 개의 독립된 작업이 아니라는 점이다. 이 둘은 하나의 공유 변수를 갖는데, 바로 도막이 용접 부위 위를 덮을 때 그 용접 영역 내부에 남아 있는 물질이다.

코팅을 위한 용접 강재 준비: 네 가지 옵션 비교

준비	제거하는 것	용접 부위에서의 핀홀 위험도	접착력	적용 분야
탈지 후 코팅	오일 및 취급 과정에서 생긴 오염물만 제거	높음. 기공 내부는 계속해서 기체와 수분으로 가득 차 있음	용접 부위에서는 성능이 낮으며, 도막이 용접선에서 들뜨는 경향이 있음	코팅 영역에 용접이 없는 매끄러운 부품
Sa 2.5로 샌드블라스팅 후 코팅	밀 스케일, 녹, 용접 산화물; 표면 기공 개방	중간에서 높은 수준, 개방된 기공이 여전히 가스를 보유	양호한 금속 표면에는 적합하나, 기공 부위에는 얇게 형성됨	건조한 실내 환경에서 사용하는 단순 용접 부품
샌드블라스팅, 탈기 베이크(180°C), 이후 코팅	위와 동일하며, 기공 내 습기 및 경질 탄화수소도 제거됨	낮음	용접선을 포함하여 전반적으로 양호함	습하거나 야외 환경에서 사용하는 용접 부품, 본 절차 적용
샌드블라스팅, 인산염 처리, 탈기 베이크 후 코팅	위와 같으며, 강철 위에 변환 층이 추가됨	낮음	최고 수준이며 절단된 가장자리를 보호함	염분 분무, 응결 또는 가장자리 마모가 발생하는 부품

네 번째 선택지는 부품당 비용이 더 높으며, 암이 실외 또는 세척 구역에서 사용될 경우 적절한 해답임. 실내 프레임 작업의 경우 일반적으로 세 번째 선택지로 충분하며, 두 선택 모두 베이크 공정이 공정 순서에서 올바른 위치에 있어야 함.

자주 묻는 질문

왜 파우더 코팅이 용접선을 따라 줄 모양으로 벌집처럼 부풀어 오를까?

용접부만이 표면 아래에 공극이 있는 유일한 부분이기 때문임. 용접 시 공기, 습기 및 경질 탄화수소가 포함된 다공성이 남고, 경화 온도에 도달하기 전에 코팅막이 이 위를 덮어버림. 막은 가교 결합이 일어나기 전에 먼저 연화되므로, 팽창하는 기체가 막을 뚫고 나가 용접선을 따라 무작위가 아닌 정렬된 핀홀 또는 벌집 모양의 부풀음 현상을 유발함.

코팅 후에도 용접 왜곡을 제거할 수 있을까?

아니요. 코팅된 부품을 교정하면 고객이 가장 주의 깊게 보는 부분의 필름이 손상됩니다. 또한 교정에 사용하는 열은 필름과 그 아래의 접착력을 손상시킵니다. 왜곡은 코팅 전에 제거해야 하며, 이는 균형 잡힌 순서로 지그에서 용접하고, 부품이 상온으로 냉각된 후 평탄도와 직각도를 점검함으로써 이루어집니다.

분체 코팅 전에 용접부를 연마해야 하나요?

기능적으로는 항상 필요하지는 않지만, 가시적인 이음새의 경우 연마해야 합니다. 연마하지 않은 용접 비드는 돌출되어 그 근원부에 공기를 갇히게 하여 코팅 필름의 가장자리가 얇아지고 중공 현상이 발생합니다. 또한 비드는 구매자에게 해당 이음새가 용접 후 그대로 방치되었다는 인상을 줍니다. 이 부품의 경우, 마이터 이음새가 코팅 아래에서 하나의 연속된 표면처럼 보이도록 하기 위해 용접부를 평면에 맞추어 연마했습니다.

용접 부품의 코팅 접착력을 어떻게 점검하나요?

필름을 용접부 및 인접한 강재를 가로질러 십자형으로 절단한 후, ISO 2409에 따라 테이프 인장 시험을 실시하고 결과를 평가한다. 평평한 금속이 아니라 용접부에서 시험하는 것이 핵심이다: 평탄한 부위는 거의 어떤 표면 처리 상태에서도 시험을 통과하지만, 용접선은 접착력 결함이 가장 먼저 나타나는 위치이기 때문이다. 본 주문에서는 용접선의 등급이 Gt0로 평가되었다.

도면에 기재할 사항

도면에 다음 여섯 가지 항목을 명시하면 대부분의 논쟁을 방지할 수 있다.

1. 바의 전체 길이에 대해 기준면을 설정한 후, 직진도를 수치로 명시한다. 단순히 ‘정밀 가공’이라는 주석으로 대체해서는 안 된다.

2. 소켓 면의 직각도를 수치로 명시하며, 이때 직진도와 동일한 기준면을 사용한다.

3. 접합부 용접부를 반드시 연마하여 평탄하게 해야 하는지, 또는 어느 부위는 용접 후 그대로 유지해야 하는지를 명시한다.

4. 샌드블라스팅 등급을 명시하고, 코팅 전에 탈기 베이크가 필요한지 여부를 명시한다.

5. 색상 기준, 도막 두께 범위, 그리고 허용할 접착력 등급을 명시한다.

6. 소켓 내부에도 외부와 동일한 필름 두께로 코팅해야 하는지 여부를 명시하세요. 내부를 전체 두께로 코팅하면 소켓에 끼워지는 부품의 맞춤도가 달라집니다.

용접 암은 관절, 열처리, 코팅이 서로 겹쳐진 구조입니다. 각 층이 아래층의 특성을 무효화할 수 있습니다. 이들을 하나의 연속 공정으로 명시하면 해당 부품은 일반적인 작업이 됩니다. 즉, 곧게 유지되는 바(bar), 평평하게 안착되는 소켓(socket), 용접 부위를 따라 수년간 매끄러움을 유지하는 코팅입니다.