Preheating for weld

[Kim byoungil]

1. 목적 : 저온 균열 방지를 목적으로 용접전에 피용접물의 전체 또는 이음부 부근의 온도를 올리고 용접하여 용접부의 냉각 속도를 늦추어 줌으로써 열열향부의 경도를 낮추고 인성을 증가시켜서 저온 균열을 예방한다. 

1) 용접부와 인접 모재의 수축응력 감소를 위해 특히 구속 된 이음의 경우에는 꼭 필요하다.

2) 모재가 가열 된 후 임계온도(연강 871oC~719oC)를 지나 냉각 될 떄 냉각 속도를 느리게해서 모재의 열 영향부와 융착금속의 경화를 방지하고 연성을 높여 준다.

3) 약 200oC 범위를 통과하는 시간을 지연시켜 용융금속의 수소성분이 달아날 여유를 줌으로써 비드 및 균열을 방지한다.

예열은 모재의 화학성분이나 뚜께, 구속여부,용접입열, 주위온도 등에 따라 다르게 준다.

2. 용잡 균열의 발생

1) 재료의 뚜께가 통상 25mm이상으로 뚜꺼울때 용접 시작 Point가 열 팽창되고 냉각되면서 다시 수축되는 과정에서 팽창부위와 수축부위간의 입자간에 균열이 발생한다.

2) 특히 용접부 주위의 온도가 0oC 이하인 경우에 용접 아아크의 고열에 의해 군열발생 확율이 높아진다.

3)재료의 성분이 경화성이 높은 성분인 Cr, Ni, Mo, Mn등이 많거나 탄소 포함율이 0.3%를 초과하는 경우에 용접경화로 인한 균열 발생이 쉽게 일어난다.

4)용접부의 용접에 의한 가열 및 냉각 과정에서 용접부가 팽창과 수축을 하는데 이 부위가 구속되어 있으면 crack 발생 가능성이 높다.

3. 예열의 효과

1) 예열에 의한 용접부의 온도 분포, 최고도달 온도 및 냉각속도가 변화한다.

2) 예열을 하면 재료의 온도분포가 완만해져서 열응력의 감소로 변형이나 잔류응력이 적어진다.

3) 냉각시간이 길어져 수소의 방출,경도저하, 구속력 저하로  crack 발생이 줄어 든다.

4. 예열방법

1) 연강인 경우도 뚜께가 25mm이상이고 0oC이하에서 하는 용접이면 이음부 양쪽 끝의 약 100mm를 50~75oC 로 가열한 후에 저수소계 용접봉으로 용접한다.

2) 다층 용정을 하는 경우에는 1층 용접시만 예열을 하고 2층 용접부터는 예열을 생략할 수 있다.

3) 주물, 내열합금 등은 용접 균열을 방지하기 위한 예열을 하는데, 뚜꺼운 후판이나 알루미늄 합금, 구리, 구리합금과 같이 열전도도가 높은 경우는 열집중이 저하되어 융합불량이 나타날 수 있으므로 200~400oC로 예열한다.

4) 25mm이상의 연강판이나 저합금강, 강인강, 마르텐사이트계 스테인레스 강은 열영향부가 급냉경화하여 비드나 crack생기기 쉬우므로 재질에 따라 50~350oC로  용접홈을 예열 한 후에 용접한다.

5) 탄소 당량(Carbon Equivalent) 에 따른 예열온도

   -. 탄소강의 탄소당량  Ceq : C + Mn/4 + Ni/20 + Cr/10 + Cu/40 + Mo/50 +V/10(미국기준)

   - 주철의 탄소 당량 Ceq = C + Mn/6 + (Si + P)/3

Ceq	예열온도(oC)	Remark
Ceq  <  0.45%	임의
0.45 < Ceq  < 0.6	100~200
0.6% < Ceq	200~350

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1. Pre-heating은 용접작업의 선행공정으로 용접 중에 용접금속이 융착되되는 모재면은 일정 온도 이상으로 가열하여 용접부 및 용접 열 영향부(Heating Affected Zone,HAZ)에서의 Crack 발생을 예방하는 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.

1).열손실을 감소시켜서 용접부의 냉각속도를 늦추어 줌으로써 용접후에 재료가 급 경화되는 것을 감소시킨다.

2). Crack을 유발시키는 원인이 되는 불순물의 편석을 억제한다.

3). 용접으로 인한 열적 변형량을 감소 시켜 준다.

4). 수소방출을 하여 수소로 인한 취성 및 Crack발생을 예방해 준다.

5). 용접모재에 융착되어 있을 수 있는 수분을 사전에 없애주므로 용접 작업에서 수소가 혼입되는 것을 예방한다.

6). 용접 금속의 융착을 용이하게 해 준다.

7). 용접 모재 표면의 불순물 제거에도 도움이 된다. 

8). 모재 전면의 온도를 높여줌으로 용접후에 용접부가 급냉되어 Crack이 발생되는 것을 예방하는 열할을 한다.

2. Interpass temperature : 층간온도라고 하여 여러번의 Pass로 작업이 되어지는 경우에 바로 이전의 용접에 의한 용접부 모재가 예열되어져 있는 온도를 의미한다. 이 IT가 200oC이상이면 입열량의 과다로 인한 강도나 경도가 저하될수 있고,  Stainless steel에서는 Weld Decay 유발 요인될 수 있으므로 그 이하의 온도 유의하여야 한다. 

따라서 제시 된 최소의 예열온도나 최대의 층간 온도는 본 용접작업뿐만 아니라 가접용접, 보수용접, Gouging작업에서도 유의하여 준수하여야 한다.

3. Post heating : 용접 후열은 용접완료 후에도 용접 부를 일정 온도로 일정시간동안 유지하는 것으로 용접 후처리 또는 용접 후 가열이라고도 한다.  이 작업은 융착금속 내에 잔존할 수 있는 수소 제거를 목적으로 100~200oC정도로 약 1~5hr를 유지하는 저온 후열방법을 주로 사용한다. 압력용기의 경우에는 예열온도 120~150oC에서 1~2hr을 유지한다.

4. PWHT(용접후 열처리) : 용접부의 성능개선을 위하여 잔류응력을 제거목적으로 금속의 변태점 이하의 온도에서 용접부 및 열 영향부를 1) 규정된 속도로 가열한 후에 2) 일정시간을 유지하고 이후에 3)규정속도로 냉각하는 것으로 다음과 같은 목적을 가진다.

  1) 용접에 의한 잔류 응력을 제거하거나 줄여준다.

 2) 열영향부의 연성을 높여준다

 3) 모재의 형상이나 치수를 기계가공 등으로 부터 안정화 시킨다.

 4)  금속의 파괴인성을 증가 시킨다.

 5) 함유되어 있는 가스를 배출 시킨다.

 6) CREEP특성을 개선 시킨다.

 7) 피로 강도는 높여준다.

 8) 내 부식성을 향상시킨다.

5. PWHT를 위한 규정사항으로 열처리 작업자와 협의하여 WPS를 작성하고 PQR에 반영하여 시고하도록 규제하여야 한다.

    O  :  필수 규정 사항.        C : 필요시에만 규정.     X : 필요 않음

항목	예열(PIPING & VESSEL)	용접후열처리(PIPING & VESSEL)
Loading/ Unloading온도	O	O
가열 속도(Max., Min.)	O	O
가열방법	C	C
가열시 허용 온도편차	C	O
유지온도(Max., Min.)	O	O
유지시간(Max., Min.)	X	O
Pass 간 온도(Max.)	O	X
후열온도까지의 가열속도	O	X
후열온도(Max., Min.)	O	X
후열온도에서의 유지 시간(Max., Min.)	O	X
냉각속도(Max., Min.)	O	O
냉각방법	C	C
냉각시의 허용온도편차	C	O
T.C부착 수량 및 위치	O	O
T.C부착방법	O	O
예열.열처리 할 범위	C	C
가열폭/군열폭(Heater설치 폭)	C	C
온도범위	C	C
보온재의 종류	C	C
보온 방법 및 뚜께	C	C
각 부위간의 온도 구배(가열,유지,냉각 시)	C	C