용접 이론의 기본 이해 - 2. 용접부의 금속과 예열의 이해

1. 탄소강의 용접
• 탄소강의 종류

- 저탄소강: 탄소 함유량이 0.3%이하 / 용접성이 우수하나 노치^[각주:1] 취성^[각주:2]과 용접터짐^[각주:3]에 주의 / 후판의 경우 불림처리^[각주:4]를 하여 노치 취성과 구속 터짐을 방지 / 판 두께가 25㎜이상의 경우 예열을 하여 급랭을 방지하고 용접봉을 신중하게 선택 / 일반적으로 저수소계 용접봉 사용하고 용접방법은 피복 아크 용접 외에 서브머지드, 이산화탄소 용접을 사용 가능

- 중탄소강: 탄소 함유량이 0.3~0.5% / 저온 균열 발생 위험성이 커지기 때문에 100~200℃로 예열이 필요 / 탄소량이 0.4% 이상인 강재에서는 후열처리도 고려

- 고탄소강: 탄소 함유량이 0.5~1.3% / 용접부의 경화가 현저하여 용접균열이 발생 될 위험성이 매우 높아 용접하기 어려움 / 일반적으로 저수소계 용접봉 사용하고, 용접 금속의 강도가 문제되지 않을 경우에는 오스테나이트계 용접봉이 적용되기도 함
• 탄소강에서 생기는 취성(메짐)

- 청열 취성: 강이 200~300℃로 가열되면 경도, 강도가 최대 / 연신율, 단면 수축률은 줄어들게 되어 메지게 되는 것 / 인(P)에 의하여 표면에 청색의 산화 피막이 생성

- 적열 취성: 고온 900℃이상에서 물체가 빨갛게 되어 메지는 것 / 황(S)이 원인

• 탄소강에 따른 예열온도

탄소량(%)	0.2이하	0.20~0.30	0.30~0.45	0.45~0.80
예열온도(℃)	90이하	90~150	150~260	260~420

 

2. 고장력강의 용접
• 연강의 강도를 높이기 위하여 연강에 적당한 합금 원소를 첨가하여 만든 강
• 일반적으로 구조물의 중량 경감 등을 위하여 사용
• 용접용 고장력강은 교량, 차량, 수압철관, 가스저장탱크, 압력용기, 크레인등에 널리 쓰이고 있음
• 일반 고장력강의 용접

- HT 50~60 고장력강은 연강에 Mn(망간), Si(규소)를 첨가시켜 강도를 높인 것

- 담금질 경화성이 크고 열 영향부의 연성 저하로 용접균열에 주의

• 조질 고장력강의 용접

- 일반 고장력강보다 높은 항복점, 인장 강도를 얻기 위해 저탄소강에 담금질, 뜨임^[각주:5] 등을 행하여 노치 인성을 저하시키지 않고 높은 인장 강도를 갖는 강

- 용접 중에 용착 금속이 모재에 대응할 수 있는 용접봉이 필요

- 60kgf/㎟급 고장력강에서는 열 영향부의 취화 현상이 별로 문제가 되지 않으므로 예열이 필요없고 연강과 같은 용접조건으로 용접이 가능

- 70kgf/㎟급 이상에서는 열 영향부의 취성과 용접균열을 막기 위해 용접입열^[각주:6]을 최대한 줄여야 하면 다층 용접에서는 150~200℃의 예열을 하는 것이 좋음

- 얇은 판에서는 저항용접도 가능하며 저항용접에서는 용접 후 열 영향부에 2차 경화가 일어나지 않을 정도로 전류를 통해서 후열처리를 하는 것이 좋음

• 고장력강의 용접시 주의사항

- 용접봉은 저수소계를 사용

- 용접 개시 전에 이음부 내부 또는 용접할 부분을 청소할 것

- 아크 길이는 가능한 짧게 유지할 것

- 위빙 폭을 크게 하지 말 것, 위빙 폭이 크면 인장 강도가 저하되고, 기공 발생이 많아지므로 용접봉 지름의 3배이하가 좋음

- 저수소계 용접봉에 의한 용접시, 비드 시작점에 기공 발생의 위험이 있으므로 용접 시작점보다 20~30㎜ 앞에서 아크를 발생하여 아크열에 의한 예열 후 용접시작점으로 후퇴하여 시작점부터 용접을 시작

• 고장력강과 인장강도에 따른 종류 

명칭	인장강도(kgf/㎟)
HT 50	50~60	일반 고장력강
HT 55	55~65
HT 60	60~70
HT 70	70~80	초 고장력강
HT 80	80~90

3. 스테인리스강의 용접
• 0.8㎜까지도 피복아크 용접 이용 가능
• MIG용접^[각주:7]이 주로 이용
• 스테인리스강 용접에서는 용입이 쉽게 이루어지도록 하는 것이 중요
• 크롬니켈스테인리스강의 용접(18-8 스테인리스강 또는 오스테나이트계)

- 탄화물이 석출하여 입계 부식을 일으켜 용접 쇠약을 일으키므로 냉각속도를 빠르게 하든지, 용접 후에 용체화처리^[각주:8]를 하는 것이 중요

- 고온균열을 주의하여야 함

- 예열을 하지 않음

- 층간 온도가 320℃이상을 넘어서는 안 됨

- 용접봉은 모재와 같은 것을 사용하며, 될수록 가는 것을 사용

- 낮은 전류 치로 용접하여 용접 입열을 억제

- 짧은 아크 길이 유지(길면 카바이드^[각주:9] 석출)

- 크레이터를 처리

• 스테인리스강의 종류 

종류	개략성분			내식성	가공성	용접성	자성
	Cr(크롬)	Ni(니켈)	C(탄소)
오스테나이트계	16이상	7이상	0.25이하	우수	우수	우수	없다
마르텐사이트계	11~15		1.20이하	가능	가능	불가능	있다
페라이트계	16~27		0.35이하	양호	약간양호	약간가능	있다
석출경화형	14~18	4~8	0.12이하	양호	양호	양호	없음

 

4. 알루미늄과 그 합금의 용접
• 비열과 열전도가 커서 단시간 내에 용융온도까지 이르기가 힘듦
• 용융점은 660℃로 낮아 가열 색으로 온도를 판정하기는 어려움
• 산화알루미늄의 용융점은 2050℃정도로 Al의 용융점보다 높아 용접성이 나쁨
• Al의 비중은 산화알루미늄 즉 알루미나의 비중보다 가벼워 알루미나가 용융되어 표면으로 떠오르기 어려움
• 용접후 변형이 크며 균열이 생기기 쉬우며, 용융 응고시에 수소가스를 흡수하여 기공 발생 우려

 

5. 구리와 구리 합금의 용접
• 용접성에 영향을 주는 것은 열전도도, 열팽창계수, 용융온도, 재결정온도 등이 있음
• 순수 구리의 열전도는 연강의 8배 이상이므로 국부적 가열이 어려워 충분히 용입된 용접부를 얻으려면 예열을 해야함
• 구리의 열팽창 계수는 연강보다 50% 이상커서 용접 후 응고 수축시 변형 발생 가능
• 황동의 용접의 경우 아연 증발로 인한 중독 발생 가능
• 산소를 함유한 정련구리를 용접할 때에는 수소의 존재에 의해 수소 취성을 일으킬 수 있음
• 순수 구리의 경우 산소와 납이 불순물로 존재하여 균열 등의 결함 발생 가능

• 피복 아크 용접

- 예열 없이는 작업이 불가능

- 슬래그 잠입과 기공 발생의 우려

• 불활성 가스 아크 용접

- 판 두께 6mm이하 에서는 TIG용접, 전극봉은 토륨이 들어있는 봉을 사용

- 판 두께 6mm이상 에서는 MIG용접이 효과

- TIG용접의 경우 500℃정도, MIG용접의 경우 300~500℃정도 예열

- TIG용접^[각주:10]: 직류 정극성을 사용, 용기재는 탈산된 용가봉 사용

- MIG용접: 구리, 규소청동, 알루미늄청동의 용접에 가장 적합

• 가스 용접

- 황동 용접은 산화불꽃^[각주:11]으로 작업

- 순동의 경우 중성불꽃^[각주:12]으로 작업

- 용접 전에는 예열 필요

- 기공을 없애기 위하여 용접후 피닝^[각주:13] 작업 실시

- 용접시 용제로는 붕사 또는 붕산 등을 사용

 

6. 주철의 용접

• 연강에 비해 여리며 주철의 급랭으로 인한 백선화로 기계가공이 곤란할 뿐 아니라 수축이 많아 균열이 생기기 쉬움

• 모재 전체를 500~600℃의 고온에서 예열 및 후열을 할 수 있는 설비가 필요

 

7. 예열의 목적
• 주로 저온균열이 일어나기 쉬운 재료에 대하여 용접 전에 피용접물의 전체 또는 이음부 부근의 온도를 올리고 용접하여 용접부의 냉각속도를 늦춤

• 열영향부의 경도를 낮추고 인성을 증가시킴과 동시에 수소의 방출을 용이하게 하여 저온균열을 방지
• 용접부의 기계적 성질을 향상시키고 경화조직의 석출을 방지시키며, 변형과 잔류응력의 완화에도 큰 목적을 가짐

 

8. 예열의 효과
• 예열에 의해 용접부의 온도분포, 최고 도달 온도및 냉각속도가 변함
• 예열하면 온도분포가 완만하게 되어 열응력의 감소로 변형과 잔류응력의 발생이 적음
• 냉각속도는 예열로 느리지만, 비교적 저온에서 큰 영향을 줌
• 냉각시간이 길 경우 수소의 방출, 경도저하, 구속력 저하로 균열발생이 적게 됨

 

9. 용접후 열처리 정의
• 용접을 하면 바로 용접된 그 자리보다는 그 주변이 용접열에 의해 구조적으로 약해지는 현상이 발생
• 열에 의해 약해진 부위를 HAZ(Heat Affected Zone)라 함
• 이 부분에 대해 잔류응력의 제거, 응력집중의 완화 조치, 조직 안정화와 같은 용접후 처리가 필요

 

10. 용접후 열처리 제반조건
• 가열, 냉각조건

- 최고 가열 속도 및 최고 냉각 속도의 규정은 규격에 따른 실질적인 변화는 없으며, 노입, 노출시의 온도도 마찬가지 임
• 유지온도

- 설계 조건을 고려해서 적절한 온도를 선택할 필요가 있음

- 일반적으로 압력용기 등에서는 강도, 크리프 고려하여 낮은 쪽의 온도를 택하며, 배관에서는 연화에 중점을 두어 높은 쪽의 온도를 택하는 것이 보통 임
• 유지시간

- 두께 25mm당 1시간 정도로하고 두께의 증가에 따라, 줄어드는 시간은 재료에 따라 정해짐

- 영국규격 BS에는 재료의 종류에 따라 긴 쪽의 유지시간이 규정되어 있음

- JIS(일본공업규격)·ASME(미국기계학회)에서는 유지온도를 내릴 때의 유지시간이 규정되어 있음

 

[각주]

1. 작은 흠집, 결집이나 결함이 있는 부분 [본문으로]
2. 외력에 의하여 재료가 극히 일부가 영구변형을 하고 나머지는 파괴되는 성질. 취성이 큰 대표적인 재료가 유리. [본문으로]
3. 용접한 후 땜질한 부분에 생긴 금 [본문으로]
4. 강(綱)의 조직을 표준상태로 미세화하기 위해 변태점 이상 적당한 온도로 가열한 후 대기 중에서 냉각하는 열처리. 거친 조직이 미세화하고, 강 중에 존재하는 변형도 제거된다. [본문으로]
5. 담금질한 강은 강도와 경도가 커지나 내부응력으로 깨지기 쉽기 때문에 담금질한 강을 적당한 온도로 가열하였다가 공기중에 냉각시켜 조직을 무르게 하는 과정. [본문으로]
6. 용접부위에 외부로부터 주어지는 열량 [본문으로]
7. 이너트가스 아크 용접의 한 가지. 불활성가스 금속아크용접. 전류밀도가 크기 때문에 TIG용접보다 더 능률적. 현재는 다양한 분야에 응용되고 있음. [본문으로]
8. 고용체 열처리, 동 알루미늄 합금 등에 있어서 합금원소를 고용체로 용해하는 온도 이상으로 가열하여 충분한 시간 동안 유지하고 급랭하여 과포화 고용체로 만들어 합금원소의 석출을 지지하는 조작. [본문으로]
9. 탄화칼슘. 단단한 결정성의 백색고체. 물과 화합하여 아세틸렌을 발생한다. [본문으로]
10. 이너트 가스(불활성 가스) 실드하에서 텅스텐 등 잘 소모되지 않는 금속을 전극으로 하여 행하는 용접을 말한다. 스테인리스강이나 비철금속의 용접에 사용되고 있다. [본문으로]
11. 겉불꽃. 중성불꽃보다 산소의 양이 많은 가스 불꽃(산소 과잉 불꽃). 금속을 산화시키는 성질이 있다. [본문으로]
12. 산소와 아세틸렌 양이 거의 1:1로 완전 연소되고 있는 불꽃. 내부는 백색, 바깥불꽃은 투명청색을 나타낸다. [본문으로]
13. 용접부위를 연속적으로 해머로 두드려서 표면층에 소성 변형을 주는 조작으로 용접부의 인장 잔류응력을 완화시키는 효과가 있다. [본문으로]