P1-2425분
용접 열사이클과 조직 변화
TTT/CCT 다이어그램, 냉각속도와 미세조직
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용접은 국부적으로 매우 빠른 가열과 냉각을 수반합니다. 이 열적 이력을 용접 열사이클(Weld Thermal Cycle)이라 하며, 최종 미세조직과 기계적 성질을 결정하는 핵심 인자입니다. P1-23에서 배운 Fe-C 평형 상태도만으로는 실제 용접부 조직을 예측할 수 없으며, 시간-온도-변태(TTT) 및 연속냉각변태(CCT) 다이어그램이 필요합니다.
용접 열사이클의 3단계:
| 단계 | 특징 | 시간 스케일 |
|---|---|---|
| 급가열(Rapid Heating) | 아크 직하에서 수천°C/s 속도로 가열 | 수 초 이내 |
| 최고온도 유지(Peak Temperature) | 용융선 ~1500°C, HAZ ~700~1400°C | 수 초 |
| 냉각(Cooling) | 열전도에 의한 자기냉각(self-quenching) | 수 초~수 분 |
열사이클에서 가장 중요한 파라미터는 최고온도(Peak Temperature)와 냉각속도(Cooling Rate)입니다. 특히 800°C → 500°C 구간의 냉각 시간을 Δt₈₋₅(또는 t₈/₅)라 하며, 이것이 최종 조직을 결정하는 핵심 지표입니다.
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Rosenthal 열전도 방정식 — 정성적 이해
Rosenthal(1946)은 이동 점열원 모델로 용접 시 온도 분포를 수학적으로 기술했습니다.
핵심 관계식(2차원, 박판):
Δt₈₋₅ ∝ (Q/v)² / (t · k · ρ · c · (1/500-1/800)²)
여기서:
- Q = 아크 출력(전류 × 전압 × 효율), 단위: J/s
- v = 용접 속도, 단위: mm/s
- Q/v = 단위 길이당 입열량(Heat Input), 단위: J/mm
- t = 판 두께
- k, ρ, c = 열전도율, 밀도, 비열
실무적 의미:
| 인자 변화 | Δt₈₋₅ 영향 | 냉각속도 영향 | 조직 경향 |
|---|---|---|---|
| 입열량(Q/v) 증가 | 증가 (느린 냉각) | 감소 | 펄라이트·베이나이트 쪽 |
| 입열량(Q/v) 감소 | 감소 (빠른 냉각) | 증가 | 마르텐사이트 쪽 |
| 예열 온도 증가 | 증가 (느린 냉각) | 감소 | 연질 조직 쪽 |
| 판 두께 증가 | 감소 (빠른 냉각) | 증가 | 경화 조직 쪽 |
> 입열량 증가 → 냉각속도 감소 → 연질 조직. 단, 과도한 입열은 결정립 조대화로 인성 저하를 유발합니다. 최적 입열 범위를 찾는 것이 핵심입니다.
입열량(Heat Input) 계산: HI = (60 × V × I × η) / (v × 1000) [kJ/mm]. 여기서 V=전압(V), I=전류(A), η=열효율(SMAW≈0.8, GMAW≈0.8, SAW≈0.9, GTAW≈0.6), v=용접속도(mm/min). 예: SMAW, 25V, 150A, η=0.8, v=200mm/min → HI = 60×25×150×0.8/(200×1000) = 0.9 kJ/mm
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TTT(Time-Temperature-Transformation) 다이어그램
TTT 다이어그램은 오스테나이트를 일정 온도에서 등온 유지(Isothermal Hold)했을 때 변태가 시작되고 완료되는 시간을 나타냅니다.
TTT 다이어그램의 구성 요소:
| 요소 | 설명 |
|---|---|
| 변태 시작선(Ps, Bs) | 각 변태가 시작되는 시간-온도 곡선 |
| 변태 완료선(Pf, Bf) | 각 변태가 완료되는 시간-온도 곡선 |
| 코(Nose) | C 곡선의 가장 왼쪽 돌출부 (~550°C, 탄소강) |
| Ms (Martensite Start) | 마르텐사이트 변태 시작 온도 (시간 무관) |
| Mf (Martensite Finish) | 마르텐사이트 변태 완료 온도 |
온도 영역별 변태 생성물:
| 등온 유지 온도 | 변태 생성물 | 조직 특성 |
|---|---|---|
| A1(727°C) 바로 아래 | 조대 펄라이트(Coarse Pearlite) | 층간격 크고 연질, HV ~200 |
| 600~650°C | 미세 펄라이트(Fine Pearlite) | 층간격 작고 약간 경질, HV ~300 |
| 550°C 부근 (코) | 변태 가장 빠름 | 확산 구동력과 원자 이동도 최적 |
| 350~550°C | 베이나이트(Bainite) | 침상 페라이트 + 탄화물, HV 300~450 |
| Ms 이하 (~350°C) | 마르텐사이트(Martensite) | 무확산 전단 변태, HV 500~700 |
임계냉각속도(Critical Cooling Rate): 코(Nose)를 피해 Ms까지 도달하는 최소 냉각속도. 이보다 빠르면 100% 마르텐사이트 형성.
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CCT(Continuous Cooling Transformation) 다이어그램
TTT는 등온 유지 조건이지만, 실제 용접 냉각은 연속적입니다. 따라서 실무에서는 CCT 다이어그램을 사용합니다.
TTT vs CCT 차이:
| 항목 | TTT | CCT |
|---|---|---|
| 냉각 방식 | 등온 유지(Isothermal) | 연속 냉각(Continuous) |
| 곡선 위치 | 기준 | 오른쪽·아래로 이동 |
| 변태 온도 | 높음 | TTT보다 낮음 |
| 펄라이트 영역 | 넓음 | 좁아짐 (또는 소멸) |
| 실무 적용 | 이론적 기초 | 실제 용접에 직접 적용 |
CCT에서 냉각속도별 경로와 조직:
| 냉각 속도 (Δt₈₋₅) | 대표 용접 조건 | 예상 조직 | 경도 (HV) |
|---|---|---|---|
| Δt₈₋₅ > 100s (매우 느림) | 대입열 SAW, 예열 충분 | 펄라이트 + 페라이트 | 150~250 |
| Δt₈₋₅ = 30~100s (중간) | 일반 SMAW, GMAW | 베이나이트 + 페라이트 | 250~350 |
| Δt₈₋₅ = 10~30s (빠름) | 소입열, 두꺼운 판 | 베이나이트 + 마르텐사이트 | 350~450 |
| Δt₈₋₅ < 10s (매우 빠름) | 극소입열, 예열 없음 | 마르텐사이트 | 450~700+ |
> WPS(용접절차서) 작성 시 허용 Δt₈₋₅ 범위를 지정하여 원하는 조직·경도 범위를 확보합니다.
시험 핵심: "냉각속도가 빠를수록 ___한 조직이 생성된다" → 마르텐사이트. "CCT 다이어그램은 TTT에 비해 곡선이 ___으로 이동한다" → 오른쪽 아래. "Δt₈₋₅가 클수록 냉각속도가 ___" → 느리다. 이 세 가지는 거의 매 회 출제됩니다.
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마르텐사이트와 수소 균열 — 경화성의 위험
마르텐사이트(Martensite)는 오스테나이트가 Ms 이하로 급냉될 때 무확산 전단 변태(Diffusionless Shear Transformation)로 형성됩니다.
| 특성 | 내용 |
|---|---|
| 결정 구조 | BCT (체심정방, BCC가 탄소에 의해 찌그러진 형태) |
| 경도 | HV 500~700 (탄소량에 비례) |
| 인성 | 매우 낮음 (취성) |
| 변태 특징 | 시간 무관, 온도만의 함수 (Ms~Mf) |
| 체적 변화 | 팽창 (약 4%) → 잔류응력 발생 |
수소 유기 균열(Hydrogen Induced Cracking, HIC)의 3요소:
| 요소 | 내용 | 대책 |
|---|---|---|
| 경화 조직(마르텐사이트) | HAZ 경도 > HV 350 | 예열, 입열량 증가, 후열처리 |
| 확산성 수소 | 수분, 피복제, 대기로부터 | 저수소계 용접봉(E7016, E7018), 건조 |
| 구속 응력(인장응력) | 용접 수축, 외부 하중 | 이음 설계, 용접 순서, 응력 제거 |
이 세 요소가 동시에 존재할 때 저온 균열(Cold Cracking, 지연 균열)이 발생합니다. 하나라도 제거하면 균열을 방지할 수 있습니다.
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냉각속도 제어 방법과 탄소당량(CE)
예열(Preheating)의 효과:
| 예열 효과 | 메커니즘 |
|---|---|
| 냉각속도 감소 | 모재-용접부 온도차 감소 → Δt₈₋₅ 증가 |
| 수소 확산 촉진 | 고온에서 수소 확산 속도 증가 → 수소 방출 |
| 잔류응력 완화 | 온도 구배 감소 → 열응력 감소 |
| 마르텐사이트 방지 | 느린 냉각 → 베이나이트·펄라이트 형성 |
탄소당량(Carbon Equivalent, CE):
IIW 공식: CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
| CE 값 | 경화성 | 예열 필요성 |
|---|---|---|
| CE < 0.40 | 낮음 | 일반적으로 불필요 |
| 0.40 ≤ CE < 0.55 | 중간 | 조건부 예열 (두께·구속도에 따라) |
| CE ≥ 0.55 | 높음 | 예열 필수 (150~300°C) |
예열 온도 추정 (간이법):
| CE | 판 두께 ≤ 25mm | 판 두께 25~50mm | 판 두께 > 50mm |
|---|---|---|---|
| 0.40~0.45 | 예열 불필요 | 50~100°C | 100~150°C |
| 0.45~0.55 | 50~100°C | 100~200°C | 200~250°C |
| 0.55~0.65 | 100~200°C | 200~300°C | 250~350°C |
층간온도(Interpass Temperature): 다층 용접 시 다음 패스 전 온도. 보통 예열 온도 이상, 최대 250~350°C 제한 (과도한 입열 방지).
CE 계산 예제: SM490 강재(C=0.16, Mn=1.40, Cr=0.02, Mo=0.01, V=0.01, Ni=0.02, Cu=0.02) → CE = 0.16 + 1.40/6 + (0.02+0.01+0.01)/5 + (0.02+0.02)/15 = 0.16 + 0.233 + 0.008 + 0.003 = 0.404. CE ≈ 0.40이므로 두꺼운 판에서는 예열을 고려해야 합니다.
1
탄소당량(CE) 계산
강재의 화학 성분표에서 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu 값을 읽어 CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15를 계산합니다.
2
TTT/CCT 다이어그램 확인
해당 강종의 CCT 다이어그램에서 냉각속도별 생성 조직과 경도를 확인합니다. 허용 경도(보통 HV 350 이하)를 만족하는 Δt₈₋₅ 범위를 결정합니다.
3
예열 온도 결정
CE 값, 판 두께, 구속도, 수소량을 종합하여 예열 온도를 결정합니다. AWS D1.1 Annex H 또는 EN 1011-2 Method B를 참조합니다.
4
냉각속도 제어 및 검증
입열량(kJ/mm), 예열/층간온도를 조합하여 적정 Δt₈₋₅를 확보합니다. 용접 후 경도 시험(HV)으로 HAZ 경화 여부를 검증합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
TTT 다이어그램에서 "코(Nose)" 부분을 빠르게 통과하면 생성되는 조직은?