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용접 야금학
I. 서론
용접성(Weldability)란 용접을 대하는 엔지니어나 기술자들에게 있어서 일상용어로 자주
사용되고있으나 한마디로 정의하기는 매우 어려운 용어이다.
이는 용접부 외관, 기계적 성질, 결함 발생의 정도 등 접합의 난이도 외에 용접 비용까지
고려하는 Total 개념의 용어로 사용되기 때문이다.
그러나 일반적으로 용접엔지니어의 측면에서는 용접결함의 발생 없이 최초에 설계한 품질의
용접부가 얼마나 잘 얻어지느냐가 용접성의 기준으로 사용되고있다.
용접부는 단시간에 용융, 응고, 냉각에 이르는 급격한 열 Cycle을 거치므로 그 조직이
모재와는 판이하게 다른 경우가 많다.
용접부의 조직은 용접부의 기계적 성질, 균열발생, 취화, 내식성열화 등 여러 가지 특성과
밀접하게 관련되어 있으므로 용접야금학에 대한 구체적인 이해가 없이는 우수한 용접설계나
시공을 기대하기 어렵다.
본 과정에서는 철강재료를 위주로
- 용접 금속 및 열영향부의 야금학적 조직 (분류 및 특징)
- 용접 중에 일어나는 용접부의 재료 거동 (회복 및 재결정, 결정립 조대화, 석출, 상변태 등)
- 각종 용접 결함의 생성 기구 및 방지 대책
등에 대한 기초과정을 취급함으로써 용접설계 또는 시공시에 필요한 기본적인 이해를
돕고자한다.
II. 용접부의 조직의 특징과 분류
1. 용접부의 조직
1.1 용접부 조직의 특징
1) 용접부 조직의 특징은 실온 ? 융점 이상의 최고가열온도(Peak Temperature) ? 실온으로의
시간에 따른 급격한 용접 열사이클 과정에 의해 발생한다.
따라서 최고 가열온도, 가열속도 및 냉각속도가 용접부 각 영역의 조직 및 특징을 결정하는
중요한 지배인자가 된다.
그림1은 용접과정에서 용접부에 발생하는 재료의 조직변화 및 이에 관련된 용접결함,
특성의 변화 등을 모식적으로 나타낸 것이다. 융점이상으로 가열된 영역은 용융 후 응고하여, 용접금속을 형성하며 용접금속은 응고과정에서 고상-액상간의 원소분배에 기인한 원소의
불균일 분포(응고편석)가 발생한다.
2) 가열과정에서는 석출물의 고용이나 고온상으로의 변태가 이루어지며 냉각과정에서는
역변태나 석출물의 재석출, 가공강화된 재료는 회복/ 재결정에 의한 연화 등이 발생한다.
3) 이들 재료거동이 모두 단시간의 용접 열사이클과정에서 이루어지므로, 평형상태에
도달하지 않은 중간단계(비평형상태)에 머무르는 경우가 대부분이다.
따라서 용접부의 조직변화를 파악하기 위해서는 온도가 변화하는 비등온과정임에 대한 해석이 필요하며, 현상의 중간단계를 알기 위해서는 속도론적인 해석이 필요하다.
그림 1. 용접중 재료의 거동과 이에 관련된 용접결함
1.2 용접열영향부의 분류
그림2은 일반적인 탄소강에 있어서 용접열영향부(Heat Affected Zone, HAZ)의 최고
도달온도와 철-탄소 평형상태도를 비교한 그림으로 용접부의 위치에 따라 다음과 같이
세분화 할 수 있다.
그러나 이러한 분류는 소재의 조성에 따라 다소의 변화가 있을 수도 있다.
표1은 이러한 분류를 그림1과 비교해 요약, 설명한 것이다.
1) 粗粒域
- 가열과정에서 A3 변태점을 넘어 Austenite로 변태한 영역.
- Bond 부에 근접하고 있어 가장 온도가 높으므로 Austenite 결정립이 성장하여
결정립 조대화가 매우 현저하다.
- 냉각과정에서 Austenite 입계로부터 Ferrite가 석출하고, 잔류 Austenite가 냉각속도에 따라서 Pearlite, Bainite 또는 Martensite로 변태한다.
- 결정립이 조대 할 뿐 아니라 Bainite 또는 Martensite의 생성에 따른 경화에 의해 균열이나
인성열화 등의 문제를 일으키기 쉽다
2) 混粒域
- 조직 및 경도의 관점에서 1) 및 3) 의 중간적인 영역.
3) 細粒域
- 가열과정에서 A3 변태점을 넘어 Austenite로 변태하지만, 최고 가열온도가 낮아 Austenite
결정립이 성장하지 않고, 조직이 미세화되는 영역이다.
- 냉각과정에서 Austenite 결정립이 미세하기 때문에 Pearlite 변태가 쉽게 일어나고, Bainite
또는 Martensite 변태가 억제되어 경화하지 않는다.
4) 구상 Pearlite역
- 최고 가열온도가 A1변태점과 A3변태점의 중간.
- Pearlite의 일부가 Austenite로 변태한 후, 냉각과정에서 다시 Pearlite로 변태하여, 그 형상이 구상화되는 영역
5) 취화역
- 현저한 조직변화가 일어나는 위치 1) ~ 3) 영역의 바깥측에 있어, 명확한 조직변화가
나타나지 않으나 인성이 열화하는 영역
- 이 영역보다 더 모재측으로 벗어나 거의 조직변화가 나타나지 않지만, 인성 등의
기계적성질이 변화하는 영역을 포함하여 넓은 의미의 열영향부로 부르는 경우도 있다
명 칭 |
가열온도범위 |
특 성 |
위치 |
용착강 |
용융온도(1,500℃) 이상 |
용융 후 응고한 부분 |
|
조립역 |
> 1,250℃ |
조대화된 부분, 경화되기 쉬워 균열 등을 발생 |
1 |
혼립역(중간립역) |
1,250 ~ 1,100℃ |
조립과 세립의 중간으로, 특성도 그 중간정도 |
2 |
세립역 |
1,100 ~ 900℃ |
재결정으로 미세화 되어, 인성 등 기계적성질 양호 |
3 |
구상 Pearlite역 |
900 ~ 750℃ |
Pearlite만으로 변태 또는 구상화,서냉할 때는 인성이 양호하지만,급냉할 때는 간혹 Martensite를 생성하여 인성 열화 |
4 |
취화역 |
750 ~ 300℃ |
열응력 및 석출에 의한 취화를 나타낸다현미경 조직상으로 변화는 없음 |
5 |
모재원조직 |
300℃ ~ 실온 |
열영향을 받지 않는 모재부분 |
6 |
그림 2. 탄소강 열영향부의 최고도달 온도와 조직
1.3 용접 Bond부
용접 Bond부는 용접금속과 열영향부의 경계부를 지칭하는 용어로 사용되어왔으나 최근
이분에 대한 새로운 저의와 용어가 제안 되어지고 있다.
그림3은 이 부분의 상세한 모식도를 나타낸 것이며 아래의 표2는 각 세부영역의 특징 및
정의를 나타낸 것이다.
그림 3. 용접금속과 열영향부의 상세 조직 모식도
표2. 용접 Bond에 대한 새로운 용어의 제안과 정의
2. 용접금속 중의 Gas 원소
수소, 질소, 산소 등의 가스원소는 용해도가 높은 용융금속에 다량 용해되어 혼입된 후 응고 및 냉각시 기공을 생성하거나 과포화 상태로 고용하여 저온균열 등의 용접결함을 유발하는
유해원소로 작용한다. 따라서 가스의 혼입방지, 결함의 방지 등을 위해 이러한 가스원소에
대한 이해는 반드시 필요하다.
2.1 수소
1) 주로 용접 Flux로부터 혼입되며, 대기 및 차폐 Gas중의 수분의 해리, 용접재료중의
고용수소 등으로부터도 유입된다.
2) 그림4는 온도에 따른 강 중의 수소용해도를 나타낸 것으로 각 변태점에서 용해도의
극단적인 불연속점을 나타낸다.
3) 저온균열(Delayed Fracture), 수소취성(Hydrogen Embrittlement), Micro 균열, Fish Eye,
기공 등의 원인이되므로 가능한 한 수소의 저감에 노력하여야한다.
4) 그림5는 용접방법과 용접자재의 건조절차에 따른 용접부의 실재 수소량 변화를 나타낸 것이다. 일단 혼입된 수소도 원자반경이 극히 작아 확산속도가 빠르므로 수소제거 후열처리(Dehydrogen Heat Treatment, DHT) 에 의해 쉽게 확산방출이 가능하다.
그림 4. 금속의 수소 용해도
그림5 용접방법과 용접자재 건조절차에 따른 용접부의 실재 수소량 변화
2.2 질소
1) 대부분 대기중의 질소로부터 혼입되며 일부는 차폐 Gas중의 불순물로서 혼입될 수도 있다.
2) 그림6은 온도에 따른 질소의 용해도변화를 나타낸 것으로 fcc에서 현저히 높은 용해도를
나타낸다.
3) 기공발생의 주 원인이며 시효취화 (과포화고용 후 시효에 의해 질화물로 석출), 청열취성,
변형시효, 등의 직간접적인 원인이 되며 스테인리스 강의 경우 Austenite 상의 안정화 등의
긍정적인 영향을 미칠 경우도 있다.
2.3 산소
1) Flux, 대기, 차폐 Gas중의 수분의 해리, 대기중의 산소 등으로부터 혼입된다.
2) 확산속도가 느려 응고가 끝나면 대부분 산화물의 형태로 용접금속내에 잔류한다.
3. 용접금속의 응고
용접금속은 용접재료가 일단 용융상태에 도달한 후 급속히 응고된 조직으로 모재와는
현저히 다른 조직을 나타낸다. 따라서 응고의 원리 및 기구에 대한 이해는 결함의 방지 뿐
아니라 용접금속의 특징을 이해하기 위한 필수적인 기초지식이라 할 수 있다.
3.1 용접과 주조와의 차이점
1) 용융 Pool이 극히 작아, 용융과 응고가 근접하여 동시 또는 연속적으로 일어난다.
2) 용융 Pool의 온도가 극히 높아 용융금속의 대류 등에 의한 교반이 심하다
3) 용융금속의 양에 비해 Mold 역할을 하는 모재의 질량이 상대적으로 커 응고속도가 극히
빠르다.
4) 응고금속은 모재와 특정한 결정학적 상관관계를 가지고 성장한다.
3.2 응고조직을 결정 짖는 주인자
1) 결정의 성장속도, 온도구배, 용질의 농도
2) 용접금속의 주상결정의 발생과 성장형태
- 주상결정 : 용융 경계부의 모재측의 미용융 결정립과 동일한 방위관계로 Epitaxial Growth. 그림6은 박판의 저속아크용접시 주상 결정의 성장 모습을 스케치한 그림이다.
- Stray 결정 : 주상정 중에서 <100>방향과 등온도선이 직교하는 것만이 선택적으로 성장
- 등축정 : Bead 중앙부 근처에서 생성되는 등축적인 입상정
3) 조성적 과냉과 결정성장 계면의 형태 변화
- 용접시의 응고의 경우 응고속도가 빨라 상태도상에서와 같이 평형응고가 이루어지지 않고
비평형 응고가 이루어진다. 더욱이 용질원자를 포함하고있으므로 용질원자의 비평형 분배에 의한 조성적과냉이 발생하며 이의 정도에 따라 응고 전면의 계면의 형태는 크게 달라진다.
- 일반적으로 용융금속중의 온도구배가 작고 조성적 과냉의 정도가 클수록 평활계면성장 ? Cell상계면성장 ? Cell상수지상계면성장 ? 주상수지상계면성장 ? 등축수지상성장으로 응고계면의 형태가 변화하게 된다. 그림 7은 Cell상수지상계면성장의 계면형상 모식도와 응고조직을
나타낸 것이다.
3.3 이종재질용접부의 희석
1) 원자력 압력용기, 석유정제용 화공압력용기, Tube Sheet 등에서는 Cr-Mo계 내열강 또는
탄소강에 Austenite계 Stainless 강을 Overlay 용접하여 사용하는 경우가 많다.
2) 이 경우 모재에의 용입에 의해 모재의 일부가 용융되어 용접금속과 섞임으로써 용접금속의 화학조성을 변화시키는 경우가 있다.
3) 이러한 현상을 희석 (Dilution) 이라고 한다. 그림8은 Cr당량과 Ni당량을 변수로 스테인리스 강의 조직을 나타낸 Schaeffler Diagram으로 이종재질간의 희석률에 의한 최종조직의 예측에
대단히 유용하게 사용된다.
4) 이의 방지를 위해서는 Double Layer Welding 또는 희석을 고려해 화학조성을 높인 용가재를 선택한다
그림 7. Cell 수지상 계면의 성장모식도와 응고 조직사진.
그림 8. Schaeffler Diagram에서의 -ferrite 및 Dilution의 추정
3.4 용접금속의 편석 (Segregation)
1) Micro 편석
- 응고시 용질원자의 분배계수에 따른 짧은 거리의 편석. 그림9는 용접속도에 따른 Micro편석 형태의 변화를 모식적으로 나타낸 그림이다.
- 저속용접 : 용접방향과 평행한 형태로 정렬
- 고속용접 : 직교 또는 Bead 중앙부에 집적
2) Macro 편석
- 용융경계부에서 Bead 중앙부로의 점진적인 조성의 변화
- Spot 용접부나 Crater에서 관찰되며 그 외에는 거의 발생하지 않음
- 청강의 경우 S의 편석이 Crater 중심부 등에 발생하여 Crater균열로 이어지는 경우가 있다.
3) Ripple 편석
- 용융 Pool 내의 액상의 응고속도 및 온도구배의 Fluctuation에 의해 주기적인 Ripple의 형태로 발생되는 편석
- 즉 용융금속의 불연속 응고에 따른 주기적인 성분변화에 따른 선상의 편석으로 그림10에
나타낸 것과 같이 용융금속의 응고선과 동일한 편석선을 나타낸다.
그림9. 용접속도에 따른 Micro편석 형태의 변화
그림 10. Ripple편석의 편석 형상
4. 용접 중 열영향부의 재료거동
4.1 회복 / 재결정 (Recovery and Recrystallization)
1) 냉연강판 등 가공경화에 의해 강화된 금속재료의 용접 시 열영향부에서 회복 및 재결정에
의한 강도 저하가 발생한다. 이러한 현상은 조질처리강(Quench and Temper에 의해 강도와
인성을 조절한 강)에서도 HAZ의 특정 부위에서 강도저하를 초래할 우려가 있으므로 주의를
필요로한다.
2) 재결정의 속도는 원자의 확산과 같이 온도에 따라 K = Ko exp(-Q/RT)로 표현되는
Arrhenius 방정식에 따르므로 온도의 증가에 따라 지수적으로 증가한다.
3) 재결정에 선행하여 전위(Dislocation)의 소멸 등의 회복과정이 진행된다
4.2 결정립 조대화 (Grain Growth)
1) 고온에서 가열되는 Bond부 부근에서 현저하게 발생한다.
2) 철강에 있어서 연성-취성 파면천이온도를 상승시켜 취화의 중요한 원인으로 작용하므로
특히 주의를 요한다.
3) 철강 외에 있어서도 항복강도 및 피로강도의 저하, 응력부식균열감수성의 증대의 원인이 되는 경우가 있다.
4) 재결정과 마찬가지로 결정립조대화의 속도정수는 온도에 따라 Arrhenius식에 따른다.
5) Ferrite계(TP430 등) 또는 Austenite계(TP304, 309 등) 스테인리스 강의 경우 냉각 시 변태를 동반하지 않아 일단 조대화한 결정립은 다시 미세화 시키기가 극히 어려우므로 결정립 조대화에 특히 유의해야 한다.
4.3 석출 (Precipitation)
1) 열영향부의 용접가열에 의해 과포화된 용질 원자가 탄화물, 질화물 등의 형태로 응집,
석출하는 현상.
2) 인성을 감소시켜 취화균열 등을 유발한다.
3) Austenite계 Stainless강의 경우 예민화(Sensitization)반응에 의한 내식성의 열화가 발생할
우려가 있으므로 특히 주의를 필요로 한다.
그림11은 스테인리스강의 탄화물 석출에 미치는 탄소함량과 온도와의 관계를 나타낸 것으로
탄소함량의 증가에 따라 석출의 Nose가 현저히 고온, 단시간 측으로 이동한다.
이와 같이 스테인리스 강을 500 ~ 800oC 부근에서 가열함으로써 크롬탄화물(Cr23C6) 형성에
의해 부식에 민감해지는 현상을 예민화라하며 입계부식, Weld Decay 등의 원인이 되므로
용접 설계, 시공 또는 용접재료의 선정시에 충분한 고려가 필요하다.
4) 입계부식(Inter-granular Corrosion) : 예민화 반응에 의해 스테인리스 강의 입계에 크롬탄화물이 형성되면 입계근방에 크롬의 결핍층이 생성되어 입계를 따른 부식이 발생하기 쉬워진다.
이러한 현상을 입계부식이라하며 그 모식도를 그림12에 나타내었다.
5) Weld Decay : 그림 13과 같이 스테인리스 강의 다층용접 시 냉각과정에서 900oC에서
550oC 구간을 반복해서 통과함으로써 예민화현상이 발생하여 용접 Bond부에서 일정한 거리를 두고 용접선을 따라 부식이 발생하는 현상.
그림 11. Stainless강의 탄화물 석출에 미치는 탄소함량과 온도의 영향
그림 12. 예민화 현상에 의해 형성된 Cr 결핍층
그림 13. 304 Stainless강의 용접중의 시간에 따른 온도 분표
5. 상변태 및 열영향부 최고 경도의 추정
5.1 연속냉각변태 (Continuous Cooling Transformation, CCT)
1) Ferrite계 또는 Austenite계 스테인리스 강과 같이 고온에서 상온까지 단상을 나타내는 강의 경우 냉각 시 변태를 동반하지 않으나 탄소강, Cr-Mo계 내열강 등 대부분의 강에서는
Austenite영역으로 가열된 후 냉각 시 냉각속도에 따라 Martensite,Bainite, Ferrite, Pearlite 등
여러 상으로 변태한다.
2) 이러한 상변태의 예측수단으로 그림14와 같은 연속냉각곡선(CCT Diagram)이 사용된다.
그림 14. 탄소함량 0.18% 연강의 CCT diagram
5.2 HAZ 최고경도의 추정
1) 그림15는 HT80강의 일반적인 용접부 경도분포곡선을 나타낸 것으로 상변태를 동반하는
강의 경우 HAZ의 경도는 모재나 용접금속에 비해 급열급냉에 의해 경화되어 현저히 높은
경도를 나타낸다. HAZ의 경화는 상변태에 의해 이루어지며 HAZ의 최고경도는 강도, 인성 등의 기계적 성질 뿐 아니라 용접균열 발생과도 밀접한 관련을 가지므로 HAZ의 최고경도값을
추정하기 위한 많은 연구가 이루어져왔다.
2) 경화능을 추정하는 가장 일반적인 척도로서 탄소당량식이 널리 이용되고있으며 다양한
수식이 제안되어있다. 그 중 가장 널리 이용되는 IIW(International Institute of Welding)의
추장식은 다음과 같다.
CEIIW = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15
3) 탄소당량에 의한 추정은 화학조성에만 의존하나 실재 연속냉각변태에는 냉각속도가 중요한 역할을 하므로 이에 대한 Factor를 고려해 실험결과를 기초로 한 대표적인 추정식의 예는
다음과 같다. 냉각속도는 실제 용접시 측정할 수 있으나 그림16과 같이 용접재의 두께,
예열온도, 용접입열량 등을 고려한 Nomogram에 의해 간단히 냉각속도의 예측이 가능하다.
H = (Hm - Ho) exp {-0.05 (? / ?m)1.5} + Ho
단, Hm = 812C + 293
Ho = 293C + 47Mn + 48Si + 44Cr + 9Mo + 8Ni + 165V
+ Cu + 95Nb + 794B + 87
log (?m) = 0.83arct(8C) + 0.64Mn + 0.38Ni + 0.73Cr
+ 0.76Mo + 0.65Cu + 150B -1.505
t : 800 →500oC의 냉각속도
그림 15. HT80강 용접부의 경도 분포도
그림 16. 800에서 500oC까지의 냉각속도 추정을 위한 Nomograph(SMAW, SAW)
6. 용접부의 잔류응력 (Residual Stress in Welds)
용접부의 급격한 가열과 냉각 Cycle은 높은 응력과 변형을 유발한다. 더욱이 일반적으로 변형의 방지하기 위하여 강력한 구속조건 하에서 용접이 이루어지므로 변형이 억제되어 큰 잔류응력이 존재하게 된다. 이러한 응력은 용접부 균열 발생 또는 변형과 직접 관련되므로 잔류응력에 대한 세심한 배려가 필요하다. 잔류응력은 크게 가열/냉각에 따른 재료의 선팽창/수축에 기인하는 응력과 냉각시의 상변태에 기인하는 응력이 복합적으로 작용하므로 대단히
복잡하다. 일반적으로 부재의 두께가 두꺼울수록, 구속도가 클수록, 냉각속도가 빠를수록,
소재의 경화능이 클수록 잔류응력이 증가한다.
6.1 열팽창에 의한 응력
용접열에 의해 온도가 증가하면 열에 의한 팽창이 열원으로부터 멀리 떨어져 온도가 상승하지않는 부분에 의해 자체적으로 구속되거나 외부적인 구속에 의해 압축응력이 발생한다.
반대로 냉각과정에서는 열수축이 구속되어 인장잔류응력이 발생한다. 이러한 응력의 분포는 매우 복잡하나 단층용접의 경우 거시적인 잔류응력의 분포는 그림17에서와 같이 용접선에
직교하는 방향으로는 용접금속에서는 인장, 모재에서는 압축잔류응력이 남게 된다.
다층용접부의 경우 잔류응력 분포는 일반적으로 더욱 복잡한 형태를 나타내나 거시적으로
그림18과 같은 분포를 나타낸다.
6.2 fcc에서 bcc/bct로의 변태에 따른 응력
철의 고온상인 Austenite(?, fcc) 에서 저온상인 Ferrite(?, bcc)로의 변태는 약 4%의 체적팽창을 동반한다. 이는 약 1.4%의 선팽창에 해당되는 것으로 대단히 큰 잔류응력을 유발한다.
특히 급냉시 발생하는 Martensite변태(bct)의 경우 더욱 큰 체적팽창을 동반할 뿐 아니라 용접부가 경화되어 소성변형이 어려워지므로 더욱 큰 잔류응력이 발생된다. 이러한 변태에 의한
응력은 소재의 화학조성과 냉각속도에 따라 달라지므로 적절한 용접재료의 선정 및 예열 및
후열에 의해 냉각속도를 조절함으로써 효과적으로 제어할 수 있다.
그림 17. 단층용접의 잔류응력 분포
그림 18. 다층 X-groove 용접부의 응력분포