스크랩 용접결함 발생원인 및 방지책

[바보아빠]

발생원인에 따른 분류

1) 고온균열(Hot cracking)
- 응고균열(solidification cracking)
- 액화균열(liquation cracking)
- 연성저하 균열(ductility dip cracking)

2) 저온균열(Cold cracking)

3) 라멜라티어링(Lamellar tearing)

4) 재열균열(Re-heat cracking)

발생 장소에 따른 분류

5) 용착금속 균열(Weld metal cracking)

6) 열 영향부 균열(HAZ cracking)

Weld bead에 대한 방향에 따른 분류

7) 가로균열(Longitudinal cracking)

8) 세로균열(Transverse cracking)

발생 형태에 따른 분류
9) Root crack
10) Toe crack
11) Under bead crack
12) Crater crack

고온균열
용착금속 및 용착금속에 가까운 열영향부에서 용접 직후 충분히 고온일 때 발생. 고온균열을 발생하기 쉬운 금속으로는 저융점 화합물을 형성하는 S와 P가 비교적 많은 일반 구조용강, 고장력강, Ni을 함유하는 저합금강, 스텐레스강등이 있다.
- 발생원인
a. 불순물 및 비금속 개재물의 편석
: S, P 등 저융점 개재물 ←구속응력
: Sulphur crack ? FeS → MnS 처리.
b. 응고형태
: 용착금속의 용입 깊이가 폭에 비해 지나치게 클 경우 발생. 용착금속의 결정립이 용착금속의 중앙선으로 성장하게되어 이 부분에서 편석이 일어나기 쉽고 구속응력이 집중하기 쉽기때문.
c. 용접구속응력
: 용접은 국부적으로 금속가열, 냉각되기 때문에 용접부는 항상 구속응력이 발생. 편석부위에 쉽게 작용.

- 방지대책
a. S.P 함량이 적은 재료선정, Mn 함유재료 선정 → MnS
b. 용입이 너무 깊지 않게 설정.
입열량 제어 ← 결정립 조대화 방지
c. 구속응력이 적게 걸리도록 설계

- 응고균열(solidification cracking)
응고과정에서 성장하는 주상정의 경계면에 잔류하는 용액이 용접금속의 응고완료 직전에서의 수축응력에 의해 개구 됨으로써 발생.

- 액화균열(liquation cracking)
HAZ 조립역의 고온으로 가열된 입계가 저융점 화합물 또는 공정의 생성, 성분 편석 등으로 국부적으로 용융하여 수축 시에 개구됨으로 발생. 다층용접에서는 차층의 용접 열에 의하여 전층의 용접금속이 고온으로 가열되어 발생하기도 함.

- 연성저하 균열(ductility dip cracking)
응고균열과 액화균열보다 낮은 온도에서 용접금속 HAZ에서 발생, 용접금속에서는 응고후의 냉각 중에 발생하는 경우와 후속 pass에 의한 재 가열 시 발생. 연성저하 균열은 일반적으로 탄화물의 입계석출과 불순물원소의 입계편석에 의해 발생된다고 함.

저온균열
주로 고장력강에서 발생. 약 300℃이하에서 주로 발생, 용접부에 잔류하고 있는 수소가 주요 발생원인. 마르텐사이트계나 일부 마르텐사이트 조직을 갖는 페라이트 및 2상의 스텐레스강에서도 발생.
저온균열의 본질은 용접부 내의 수소가 응력 집중부나 비금속 개재물의 주위에 집중함으로써 발생하는 지연균열(delayed cracking)현상.
- 발생원인
용접후 HAZ의 경화조직
: 용접시 재료의 화학성분과 냉각속도에 의해 결정
탄소당량- 경화에 미치는 영향- 정량적 표현
Ceq = C%+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15 --- IIW
Ceq = C%+Mn/4+Ni/20+Cr/10+Cu/40-Mo/50-V/10 -AWS
용접시 칩입하는 수소확산
: 피복재(Flux)중의 수분이나 대기중의 습기해리.
용접이음부에서 발생하는 구속응력
: 국부적인 가열 및 냉각에 의한 구속응력 발생
- 방지대책
a. 열영향부 경도를 낮춤- 탄소당량 0.4%이하 재료선정, 예열 또는 입열조건 조정하여 냉각속도 느리게.
b. 피복용접봉, flux 건조하여 사용, 저수소계 용접봉 사용, 예열 및 층간온도 유지, 용접직후 Post heating 실시.
c. 균열에 대한 저항력이 구속응력보다 크게 설계

라멜라티어링
개요: 재료의 두께방향(through thickness, short transverse or Z direction)으로 길게 늘어난 비금속 개재물이 용접 열영향 주기에 의해 열적 변형 및 용접이음의 구속 때문에 모재와 비금속 개재물 사이의 분리에 의해서 발생, 열영향 인접한 모재에 존재.
탄소강, C-Mn, Quenched & Tempered 강, 해양구조물, 교량, 압력용기등의 구속응력이 유발하기 쉬운 용접이음설계(모서리, T형상)에 나타남.
인자: 1) 재료의 두께방향은 낮은 영성과 이방성으로 용접에 의해 부과되는 높은 변형에 의해 발생.
- 낮은연성: 비금속 개재물, 모재 재질 및 취성기구
- 변형: 용접이음중 구속력, 용접에 의한 열적 변형, 금속의 상 변태에따른 변형.
2) 비금속 개재물의 영향
 MnS, Silicate, 알루미나 및 산화물
3) 재료상의 이유 --- 재료의 이방성
X>Y>Z
4) 기타 금속적인 인자
    편석, 수소, 산소, 인, 유황, 가공시효, 철강의 두께, ferrite-pearlite bend미세조직존재.
 발생기구(메커니즘)
        3단계로 구성
         1단계: void formation
  2단계: terrace linkage
  3단계: shear wall 로 진행

방지책: 고려사항
1) 재료: rolled steel 사용배제: 구속력이 큰 용접이음에서는 Vacuum degassing 공정으로 제조된 cleaning steel을 사용하며, 큰 구속이 부과되는 중요이음부는 주조강 또는 단조강을 사용한다.
2) 강판의 층상 개재물(MnS)감소. 구상화 처리 ? CaS.
3) 설계: 두께방향으로 최소한의 용접변형부는 구속을 최소로 받도록 균형잡힌 용접이음설계, RA>25% 확보.
4) 시공: 예열, buttering, 저입열 용접
검사방법: UT, MT/PT.

재열균열(Re-heat cracking, SR cracking)
개요: 용접 후열처리 과정 혹은 용접구조물을 고온에서 사용하는 도중에 발생하는 것으로 Cr-Mo, Cr-Mo-V강 및 Ni계 내열 alloy에서 주로 발생.
특징:
용접 후열처리 온도로 가열중이거나 유지중 혹은 용접구조물은 고온에서 사용중에 발생.
구속도가 크고 잔류응력이 높은 용접부에서 발생.
Low alloy의 경우 450 ~650℃온도 부근에서 발생하기 쉽다.
HAZ의 조립역에서 발생(1100~1500℃ 부근)
HAZ의 세립역에서는 발생하지 않고 오히려 정지하는 경우도 있다.
파면조직은 대단히 평탄한 입계파면과 입계 dimple 파면 조직을 나타내는 경우도 있다.
발생기구
잔류응력이 존재하는 용접부를 크립변형이 생길정도의 고온까지 가열하엿을 때 응력 완화와 더불어 발생한 소성 strain이 응력집중부에 집적함으로 생기는 crack으로
Toe, 융합 불량부, crack등이 응력집중의 원인이되고 야금학적으로는 조대 결정입계가 응력집중의 원인이 된다.
PWHT시 재료의 종류, 두께에 따라 열처리조건 즉, heating rate, Holding temperature, time 및 cooling rate를 달리하는것도 SR crack의 발생방지 목적.
학설의 관점에서
입내강화설: 강의 석출강화 원소로 첨가되는 V, Mo등이 미세 탄화물을 형성하고 입내에 균일하게 분산하여 matrix(기지)를 강화한 결과로 보는 설.
입계취약설: 입계혹은 입계석출물(MnS)과 matrix계면으로 P, S, Sb등의 불순물원소가 편석하여 입계강도를 저하시킨 결과로 발생한다는 설.

방지대책
역학적 측면
- PWHT 과정에서 잔류응력의 완화와 함께 발생하는 소성 strain양을 가능한대로 억제.
- 소성 strain의 집중도를 완화시키기 위해 응력집중원을 제거 ? 각종 결함 제거.
야금학적 측면
- 입내 석출강화원소의 적정배합 ? Mo, V
- 입계 취약원소 저감 ? P, S, Sb
- HAZ의 입자 미세화

응력부식균열(Stress corrosion cracking)
잔류응력이 존재하는 용접부는 재료의 부식이 촉진되기 쉽다. 이것을
응력 부식이라 하는데 용접부에 존재하는 잔류응력에서는 항복점에
가까운 높은 인장응력이 존재하여 이것이 원인이 되어서 응력부식이
일어나는 것이다.  응력 부식은 재질, 부식매질, 응력의 크기, 유지시간 및 온도등에 따라 다르며 응력부식이 생기기 쉬운 재질로는 알루미늄, 마그네슘 합금, 오스테나이트계 스텐레스강 및 연강등이 있다.
응력 부식이 생기는 과정을 보면 금속재료에 인장응력이 가해지면 노치부분에 응력이 집중하여 노치 끝부분에 작은 균열이 생기고 이 균열의 끝이 다시 선택적으로 부식되어 어느정도 약해지면 응력집중으로 다시 새로운 균열이 진행되어 파괴를 일으키게 된다. 연강 및 저 합금강은 알카리성 분위기에서 특히 응력부식이 생기기 쉬우며 균열은 입계에 연하여 일어나게 된다. 스텐레스강의 경우 염소산이나 희염산 분위기에서 응력부식이 생기기 쉬우며 Ni, Cr량이 많아지면 응력부식이 강해지는며 18-8 Cr-Nir 계보다 페라이트계의 고 Cr강 쪽이 응력부식이 일어나기 힘들다.
- IGSCC: Inter Granular Stress Corrosion cracking
- TGSCC: Trans Granular Stress Corrosion Cracking