N4-0525분
고온균열 (응고·액화균열)
응고균열과 HAZ 액화균열의 메커니즘
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
고온균열(Hot Cracking)은 용접 금속이 응고하는 과정이나 HAZ가 고온 상태에 있을 때 발생하는 균열입니다. 용접 중 또는 직후에 발생하므로 "열간 균열"이라고도 합니다.
고온균열은 크게 응고균열(Solidification Cracking)과 액화균열(Liquation Cracking)으로 나뉩니다.
🟡 Referenced
응고균열(Solidification Cracking)
용접 금속이 액체에서 고체로 응고하는 과정에서 발생합니다.
메커니즘:
1. 용융풀이 응고할 때 수지상(Dendrite) 조직이 성장
2. 최종 응고 부위(비드 중심부)에 저융점 공정(Eutectic) 액상이 잔류
3. 응고 수축에 의한 인장응력이 작용
4. 잔류 액상 필름이 수축 응력을 견디지 못하고 균열 발생
핵심 불순물: S(황), P(인)
- FeS의 녹는점: 약 988°C (순철 1,538°C 대비 매우 낮음)
- S, P는 최종 응고부에 편석되어 저융점 필름을 형성
- 이 필름이 균열 경로를 제공
🟡 Referenced
액화균열(Liquation Cracking)
HAZ(열영향부)의 결정립계에서 부분 재용융(Partial Re-melting)이 일어나 균열이 발생합니다.
메커니즘:
1. 용접 열로 HAZ의 결정립계 온도가 상승
2. 입계에 편석된 저융점 상(phase)이 부분적으로 용융
3. 냉각 수축 시 액화된 입계가 열려 균열 발생
취약 재료: Ni합금, 오스테나이트계 STS, 일부 Al합금. 특히 Ni합금(Inconel 등)은 Nb, Ti 등의 탄화물이 입계에서 액화되기 쉬워 액화균열에 매우 민감합니다.
고온균열 방지의 핵심 원칙: ① 저S/저P 재료 사용 (S ≤ 0.015%, P ≤ 0.015%) ② 구속도(Restraint) 최소화 — 용접 순서 최적화 ③ 볼록한(Convex) 비드 형상 유지 — 오목한 비드는 수축응력 집중 ④ 입열 제어 — 과대 입열은 응고 범위를 넓혀 위험 증가
🟡 Referenced
용접성 시험: Varestraint / Transvarestraint Test
고온균열 감수성을 정량적으로 평가하는 대표적 시험법입니다.
Varestraint Test:
- 시험편 위에 용접하면서 동시에 강제로 굽힘 변형을 가함
- 균열 발생 여부, 균열 총 길이(TCL), 최대 균열 길이(MCL)를 측정
- 변형량(Augmented Strain %)을 변화시켜 임계 변형률 결정
Transvarestraint Test:
- 용접선에 수직 방향으로 변형을 가하여 응고균열을 주로 평가
이 시험을 통해 재료·용가재 조합의 고온균열 민감도를 비교하고, 안전한 용접 조건을 설정합니다.
시험 포인트: 응고균열은 용접 금속(Weld Metal)에서, 액화균열은 HAZ에서 발생합니다. 둘 다 "고온균열"이지만 발생 위치와 메커니즘이 다릅니다. 또한 비드가 볼록(Convex)하면 수축응력이 분산되어 균열 위험이 감소하고, 오목(Concave)하면 중심에 응력이 집중되어 위험합니다.
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재료 화학성분 확인
모재와 용가재의 S, P 함량을 MTR(Mill Test Report)에서 확인합니다. S ≤ 0.015%, P ≤ 0.015%를 권장하며, 초과 시 고온균열 위험이 큽니다.
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비드 형상·입열 관리
볼록한(Convex) 비드를 유지하여 최종 응고부의 수축응력을 분산시킵니다. 오목한 비드는 중심에 응력이 집중되어 균열 위험이 증가합니다.
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구속도 관리
용접 순서를 최적화하여 구속 응력을 최소화합니다. 강한 구속이 불가피한 경우 예열을 실시하고, 다층 용접 시 패스 간 냉각을 관리합니다.
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균열 검사 (VT/PT)
용접 직후 VT와 PT로 비드 표면과 크레이터(Crater)의 균열을 검사합니다. 크레이터 균열은 아크를 서서히 끊는 기법이나 백스텝(Backstep)으로 방지합니다.
고온균열 시험 함정 5종 1. "응고균열 vs 액화균열 위치?" → 응고균열=용착금속(WM) 중심, 액화균열=HAZ. 둘 다 응고/응고 직후 발생. 2. "응고균열의 3대 요인?" → ① S·P 불순물 (저융점 액막) ② 고응력·구속 ③ 부적절한 비드 형상(폭/깊이 비 < 1). 3. "응고균열을 방지하는 가장 효과적 방법?" → ① 저S 모재 ② 폭/깊이 비 ≥ 1 ③ 다층 분할 비드 ④ Mn/S 비 ≥ 20. 4. "스테인리스강 응고균열 방지 — 페라이트 수(FN)?" → 3~10 FN 유지. δ-페라이트가 S·P 액막을 흡수. 5. "왜 오스테나이트계 STS는 고온균열에 취약?" → 응고 시 일차 오스테나이트 → 입계에 S·P 농축. δ-페라이트 확보로 회피.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 5
고온균열(Hot Cracking)의 핵심 불순물 원소는?