N3-0225분
경화능과 용접성 평가
탄소당량(CE)·Pcm·Graville도
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
용접성(Weldability)이란 주어진 조건에서 양호한 용접부를 얻을 수 있는 재료의 능력입니다. 이를 정량적으로 평가하는 핵심 지표가 탄소당량(Carbon Equivalent, CE)입니다.
탄소당량이 높을수록 용접 HAZ에서 경화 조직(마르텐사이트)이 형성되기 쉬워 균열 위험이 증가합니다.
🟡 Referenced
IIW 탄소당량(CE_IIW)
가장 널리 사용되는 공식으로, C > 0.18% 이상의 중·고탄소강에 적합합니다.
CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
- CE ≤ 0.40: 예열 불필요 (양호한 용접성)
- 0.40 < CE ≤ 0.60: 예열 필요 가능성. 판 두께·구속도에 따라 결정
- CE > 0.60: 예열 필수. 저수소 용접재료 + 엄격한 입열관리 필요
🟡 Referenced
Pcm (Ito-Bessyo 식)
저탄소강(C ≤ 0.22%)에 적합하며, 일본 및 한국에서 많이 사용됩니다.
Pcm = C + Si/30 + Mn/20 + Cu/20 + Ni/60 + Cr/20 + Mo/15 + V/10 + 5B
- Pcm ≤ 0.20: 일반적으로 예열 불필요
- 0.20 < Pcm ≤ 0.25: 판 두께에 따라 예열 검토
- Pcm > 0.25: 예열 필수
CEN (Carbon Equivalent Number)
CEN 공식은 CE_IIW와 Pcm의 장점을 결합한 것으로, 탄소 함량 전 범위에서 적용 가능합니다. 탄소 함량이 높으면 CE_IIW에, 낮으면 Pcm에 가까운 값을 산출합니다.
시험 빈출: CE 공식에서 각 원소의 분모를 정확히 기억해야 합니다. Mn은 6, (Cr+Mo+V)는 5, (Ni+Cu)는 15입니다. Pcm에서 B(보론)의 계수는 5로, 다른 원소와 달리 곱하기입니다.
🟡 Referenced
Graville Diagram (그라빌 도표)
Graville 도표는 탄소 함량(C%)을 X축, 탄소당량(CE)을 Y축으로 하여 용접성을 3개 구역으로 분류합니다.
- Zone I (좌측 하단): 낮은 C, 낮은 CE → 예열 불필요, 균열 위험 매우 낮음
- Zone II (중앙): 낮은 C, 높은 CE → 입열 제어(Controlled Heat Input)가 핵심. 적절한 입열로 냉각 속도 조절
- Zone III (우측 상단): 높은 C, 높은 CE → 예열 필수, 저수소 용접재료 사용, PWHT 검토
🟡 Referenced
실무 적용: CE에 따른 예열 온도 결정
예열 온도 결정 시 고려사항:
1. 탄소당량(CE 또는 Pcm) — 가장 중요한 인자
2. 판 두께 — 두꺼울수록 냉각 속도 빨라져 예열 온도 상승
3. 구속도 — 구속이 클수록 잔류응력 증가, 예열 온도 상승
4. 수소량 — 고수소 환경이면 예열 온도 추가 상승
일반적 가이드: CE 0.45, 판 두께 25mm → 예열 약 100~150°C. CE 0.55, 판 두께 50mm → 예열 약 200~250°C.
실무에서 가장 많이 쓰이는 조합: IIW CE 공식 + AWS D1.1 Annex I의 예열 차트. 시험에서는 CE 계산 문제가 거의 매회 출제되므로, 공식을 반드시 암기하세요.
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입열량 계산 (Q = EI/v)
용접 전압(E), 전류(I), 용접 속도(v)로부터 입열량 Q(kJ/mm)를 계산합니다. Q = (E × I × 60) / (v × 1000)으로 산출하며, 프로세스별 열효율 계수(SMAW 0.8, GMAW 0.8, SAW 1.0, GTAW 0.6)를 곱하여 순입열량(net heat input)을 구합니다.
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냉각 속도 산정 (Δt₈₋₅)
800°C에서 500°C까지의 냉각 시간(Δt₈₋₅)을 입열량, 판 두께, 예열 온도로부터 산정합니다. Δt₈₋₅가 길수록(냉각이 느릴수록) 연질 조직(페라이트+펄라이트)이, 짧을수록(냉각이 빠를수록) 경질 조직(베이나이트, 마르텐사이트)이 형성됩니다.
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CCT 도표에서 조직 예측
해당 강종의 CCT(Continuous Cooling Transformation) 도표에서 산정된 Δt₈₋₅에 해당하는 냉각 곡선을 추적합니다. 냉각 곡선이 통과하는 변태 영역에 따라 최종 미세조직(페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트)의 비율을 예측합니다.
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경도·인성 추정·예열 필요성 판단
예측된 조직으로부터 HAZ 경도와 인성을 추정합니다. 마르텐사이트 비율이 높으면 경도가 상승하고 인성이 저하됩니다. 최대 경도가 허용값(예: 350HV)을 초과할 경우, 예열 온도를 높여 냉각 속도를 낮추거나 PWHT를 검토합니다.
경화능·용접성 시험 함정 4종 1. "탄소당량 CE(IIW) 공식?" → CE = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15. Mn 분모 6이 빈출. 2. "CE < 0.41 의미?" → 예열 일반적으로 불요. 0.41~0.45는 예열 50~100°C, > 0.45는 예열 100°C 이상 + 저수소봉 필수. 3. "Pcm vs CE의 차이?" → Pcm은 고강도강(HSLA)·저C 강에 적합. CE는 일반 탄소강. Pcm = C + Si/30 + (Mn+Cu+Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B. 4. "Graville 도표 3영역?" → ① 안전(저Ceq+저C), ② 경화 가능(고Ceq), ③ 균열 위험(고Ceq+고C). 영역 II·III에서 예열·저수소 필수.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 5
IIW 탄소당량(CE) 공식에서 Mn의 분모는 얼마인가?