1. 수소의 영향
용접 금속 내에는 일반강재에 비해 수소량이 10³~ 10⁴배로 존재하고 이들 수소는
여러 가지 문제점들을 만들어 낸다.
(1) 수소 취성
철이 수소를 용해하면 취화하여 연성이 저하하고 단면 수축률의 감소 등을 일으켜, 그 기계적 성질을 저하한다. 그러나, 극저온 혹은 급속 부하의 경우에는 수소의 확산 속도가 늦기 때문에 취성이 나타나지 않는 경우도 있다. 용접 금속중의 수소는 시간이 경과(응고가 진행됨)함에 따라 농도가 낮은 쪽으로 확산하여 간다.
용융선상의 HAZ부가 가장 경화도가 높고 수소 취화를 일으키므로 파단 강도는 저하하고 용접부에 가해지는
인장 잔류 응력에 따라 어느 정도의 잠복기간을 거쳐 균열이 일어난다.
Fig. 1 강중의 수소 용해도 (1 atm, H2)
이 수소 취화는 다음과 같은 특성을 보인다.
- 약 -150℃ ~ 150℃사이에서 일어나며, 실온보다 약간 낮은 온도에서 취화의 정도가 제일 현저하다.
- 견고하고 강한 재질일수록 취화의 정도가 현저하다.
- 잠복기간을 거쳐서 용접 균열이 일어난다,
이러한 수소 취성은 전기 도금을 실시한 고장력 강재의 경우에도 심각한 문제를 일으킬 수 있다.
도금 과정에서 침입된 수소에 의해 강재의 파단 강도가 약 1/5정도가 되기도 한다.
아래에 설명될 Under Bead Cracking이나 Root Cracking은 모두 수소 취성의 한 종류로 분류할 수 있다.
(2) Under Bead Cracking
용접 Bead직하의 열 영향부에서 발생하는 균열로 이것은 용접 금속으로부터 확산된 수소가 주요 원인이다.
급냉 상태의 용접 조직에서 수소가 외부로 방출 되지 못하고 모재 쪽으로 향한 수소는 Bond인접부 까지 확산하여 Bond부분에서 수소가 집중하게 된다. 집중된 수소는 수소 취화를 일으키고 내부 응력과의 상호 작용에 의해 균열을 발생시킨다. 이 균열은 열 영향부가 경화된 경우 쉽게 발생하며, 용접부의 Ms점 근방의 냉각 속도에 영향을
크게 받는다. 이와 같은 수소 취성을 방지 하기 위해서는 기본적으로 수소의 방출 시간을 가능한 길게 하고,
수소의 용해량을 작게 하는 것이다. 즉, Arc용접에서 입열을 크게 하여 용융금속의 고온 유지 시간을 길게 함으로서 수소의 방출을 촉진시킬 수 있으며, 수소 균열을 일으킬 수 있는 마르텐사이트 조직의 석출을 저지할 수 있다. 또한 용접 전후에 예열과 후열을 실시하여 같은 효과를 기대한다.
(3) Fish Eye (銀点)
용접부를 파단한 경우 파단면에 Fish Eye상의 점으로 수소가 존재하는 경우에 잘 발생된다. 이것은 수소가 용접 금속내의 공공 및 비금속 개재물 주변에 집중되어 취화를 일으켜 시험편을 파단하면 국부적인 취화 파면으로 관찰 된다. 파단면에 고기의 눈과 같이 원형으로 수소가 집중 (석출)되어 있기 때문에 Fish Eye라고 불린다.
(4) 미소 균열
수소를 만이 함유한 용접금속 내부에는 0.01 ~ 0.1 mm 정도의 미소 균열이 다수 발생하여 용접 금속의 굽힘 강도를 저하시키는 경우가 있다. 이 미소균열은 비 금속 개재물의 주변 및 결정 입계의 열간 미소 균열등에 수소가 집적되어 발생된다. 이로 인해 용착 금속의 연성이 저하되고 피로강도 및 굽힘 강도가 저하 한다.
(5) 선상 조직 (Ice Flow Like Structure)
이것도 수소가 국부적으로 집중하여 존재하는 현상으로 Fish Eye에 비해 가늘고 긴 선상으로 석출하여 용착 금속중의 SiO2 등의 개재물 및 기포 주변에 많이 집중되어 전술한 각 현상과 마찬가지로 용접 금속의 연성을 저하시켜 취성 파괴의 원인이 된다.