P1-1625분
용접 열 사이클과 조직
냉각속도, 응고조직, 균열 메커니즘
🔵Reviewed — 교차 검증 완료
🔵 Reviewed
용접 열 사이클(Welding Thermal Cycle)이란 용접 시 특정 지점이 경험하는 온도-시간 곡선입니다. 급격한 가열과 냉각으로 인해 모재의 미세 조직이 변화하며, 이 변화가 용접부의 기계적 성질과 균열 발생에 직접적인 영향을 미칩니다.
🔵 Reviewed
열 사이클의 주요 파라미터
| 파라미터 | 설명 | 영향 |
|---|---|---|
| 최고 도달 온도(Tp) | 해당 지점이 도달하는 최고 온도 | Tp가 높을수록 결정립 조대화 |
| 고온 체류 시간 | A₃ 이상에 머무르는 시간 | 결정립 성장에 영향 |
| 냉각 속도 | 800→500°C 냉각 시간(Δt₈/₅) | 생성 조직 결정 (핵심!) |
| 예열 온도(Tp₀) | 용접 전 모재 초기 온도 | Δt₈/₅ 증가 → 냉각 느려짐 |
> Δt₈/₅ (8-5 냉각 시간): 800°C에서 500°C까지 냉각되는 데 걸리는 시간(초). 이 구간에서 오스테나이트 변태가 일어나므로 최종 조직을 결정하는 가장 중요한 파라미터입니다.
🔵 Reviewed
Δt₈/₅와 생성 조직
| Δt₈/₅ (초) | 생성 조직 | 특성 |
|---|---|---|
| < 5 | 마르텐사이트 | 극경질, 균열 위험 高 |
| 5~15 | 마르텐사이트 + 베이나이트 혼합 | 경질, 균열 위험 有 |
| 15~30 | 베이나이트 | 강도와 인성의 균형 |
| 30~60 | 미세 펄라이트 + 베이나이트 | 양호한 기계적 성질 |
| > 60 | 조대 펄라이트 + 페라이트 | 연질, 강도 저하 가능 |
예열은 Δt₈/₅를 증가시켜 마르텐사이트 생성을 방지하는 가장 효과적인 방법입니다.
시험 핵심: "냉각 속도가 빠르면 마르텐사이트가 생성되어 저온 균열 위험이 증가한다" — 이 한 문장이 용접 야금의 핵심 원리입니다.
🔵 Reviewed
용접금속의 응고 조직
용접금속이 액상에서 응고할 때 다음 순서로 조직이 형성됩니다:
1. 에피택시 성장(Epitaxial Growth): 용융선(Fusion Line)에서 모재 결정립 위에 같은 방위로 성장 시작
2. 주상정(Columnar Dendrite): 열 방출 방향(중심 → 표면)으로 기둥 모양 성장 — 용접금속의 대표적 조직
3. 등축정(Equiaxed): 냉각이 빠르거나 합금 원소가 많으면 비드 중심부에 등축정 형성 가능
편석(Segregation): 응고 시 합금 원소(S, P, Si 등)가 수지상 사이 또는 비드 중심선에 농축되는 현상. 중심선 편석은 고온 균열의 원인이 됩니다.
🔵 Reviewed
용접 균열의 분류
| 구분 | 저온 균열 (Cold Crack) | 고온 균열 (Hot Crack) |
|---|---|---|
| 발생 온도 | 300°C 이하 (보통 상온) | 응고점 부근 (고온) |
| 발생 시기 | 용접 후 수 시간~수 일 | 용접 중 또는 직후 |
| 주요 원인 | 수소 + 경화 조직 + 구속 | 저융점 화합물(S,P) + 인장 응력 |
| 별칭 | 수소 유기 균열, 지연 균열 | 응고 균열, 액화 균열, 재열 균열 |
| 발생 위치 | HAZ(주로), 용접금속 | 용접금속 중심선, HAZ |
| 방지법 | 예열, 저수소 용접봉, 후열 | 저S/P 모재, 용접 순서 조절 |
🔵 Reviewed
저온 균열(수소 유기 균열)의 3대 조건
저온 균열이 발생하려면 다음 세 가지가 동시에 존재해야 합니다:
1. 경화 조직(마르텐사이트): 높은 CE(탄소당량), 빠른 냉각 → 예열로 방지
2. 수소: 수분, 기름, 용접봉 흡습 → 저수소 용접봉(E7018), 건조, 청결
3. 구속 응력: 이음의 구속도, 잔류 응력 → 적절한 용접 순서, 응력 제거
> 세 가지 중 하나만 제거해도 저온 균열을 방지할 수 있습니다.
시험 빈출: "저온 균열(수소 유기 균열)의 3대 발생 조건" — 경화 조직, 확산성 수소, 구속 응력. "고온 균열의 주원인" — 저융점 불순물(S, P)의 편석.
🔵 Reviewed
탄소당량(CE)과 용접성
탄소당량(Carbon Equivalent)은 합금 원소의 영향을 탄소로 환산한 값으로, 용접성(경화 경향)을 평가하는 지표입니다.
IIW 공식 (가장 널리 사용):
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
| CE 범위 | 용접성 | 예열 필요성 |
|---|---|---|
| < 0.40% | 양호 | 일반적으로 불필요 |
| 0.40~0.60% | 보통 | 예열 필요 (50~200°C) |
| > 0.60% | 불량 | 고온 예열 + 특별 관리 필요 |
> 다른 CE 공식: Pcm (일본식, 저합금 고강도강에 적합) = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
1
CE(탄소당량) 계산
IIW 공식으로 CE 계산: CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. CE>0.40이면 예열 필요.
2
예열 온도 결정
CE와 두께에 따라 예열 온도 결정. 예열로 Δt₈/₅를 늘려 마르텐사이트 생성을 방지합니다.
3
저수소 용접 관리
저수소 용접봉(E7018) 사용, 건조 관리(300~350°C), 모재 청결 유지로 수소를 최소화합니다.
4
균열 방지 확인
저온균열 3조건(경화조직+수소+구속응력) 중 하나를 제거. 필요 시 후열/PWHT를 적용합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 9
Δt₈/₅가 의미하는 것은?