열영향부(HAZ)

왜 배우는가: 용접 열영향부는 용접 후 이음부의 강도, 인성, 균열 저항이 모재와 달라지는 이유를 설명하는 기본 개념이다. 예열과 입열량 관리가 이 부분의 균열을 막는 핵심 수단이므로 실무 시공 관리에서 빠뜨릴 수 없다. 시험에서도 용접 결함, 재료 성질, 조직 변화를 묻는 문제로 자주 출제된다.

출제 이력: 제126회 2교시 3번, 제110회 1교시 10번, 제108회 2교시 6번, 제102회 1교시 13번, 제92회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 열영향부(HAZ)는 용융되지 않은 모재가 용접 열과 그 후의 냉각으로 조직과 성질이 변한 부분이다.

답안의 첫 줄은 이 정의 문장으로 시작한다. 정의의 핵심은 두 가지이다. 첫째, 열영향부는 용접금속(용착금속)이 아니라 모재의 일부이며 녹지 않는다. 둘째, 녹지 않았더라도 열 사이클로 조직과 기계적 성질이 바뀐다. 영문 Heat-Affected Zone의 약어가 HAZ이며, 변화의 정도는 모재, 용접재료, 입열량에 따라 달라진다.

• 용접 열영향부(HAZ): 용융되지 않았으나 열 사이클로 조직과 성질이 변한 모재 영역이다.
• 입열량: 용접 중 단위 길이당 모재에 공급되는 열량이다.
• 열확산율: 열이 재료 안에서 퍼져 나가는 속도를 나타내는 물성치이다.
• 냉각속도: 용접 후 온도가 떨어지는 속도로, 열영향부의 경도와 조직을 좌우한다.
• 마르텐사이트: 강을 빠르게 냉각할 때 생기는 단단하고 취약한 조직이다.
• 취화: 조직 변화로 인성이 떨어져 충격에 쉽게 깨지게 되는 현상이다.
• 저온균열: 용접부가 낮은 온도로 냉각될 때 생기는 균열이다.

2. 개념 풀이

용접 열영향부는 용융선에 인접한 모재 중 최고가열온도가 조직 변태를 일으킬 정도로 높았던 영역이다. 용접금속과 달리 용융되지 않아 모재의 화학 조성은 유지되지만, 가열과 냉각의 열 사이클로 결정립 크기, 상의 분포, 경도가 바뀐 상태이다.

열영향부의 조직 변화는 최고가열온도와 냉각속도가 결정한다. 최고가열온도가 높은 용융선 가까운 쪽은 결정립이 크게 자라 인성이 떨어지고, 멀어질수록 가열 온도가 낮아 원래 조직에 가까워진다. 냉각속도가 빠르면 마르텐사이트 조직이 생겨 경도가 높아지고 취성이 커진다. 반대로 냉각이 느리면 조직이 연해지는 연화가 일어날 수 있다.

열영향부의 폭은 재료와 입열량에 따라 달라진다. 열확산율이 큰 재료는 열이 빨리 빠져 냉각속도가 높아지고 열영향부가 작아진다. 열확산율이 작은 재료는 냉각이 느려 열영향부가 커진다. 산소아세틸렌 용접처럼 열이 넓게 퍼지는 공정은 열영향부를 키우고, 레이저빔 용접처럼 열이 집중되는 공정은 열영향부를 작게 만든다. 아크 용접은 이 두 극단 사이에 놓이며 공정마다 입열량 차이가 있다.

입열량은 전압, 전류, 용접 속도로 정하는 값이다. 식으로 쓰면 아래와 같다.

$H = \frac{60EI}{1000S}$

여기서 H는 입열량(kJ/mm), E는 전압(V), I는 전류(A), S는 용접 속도(mm/min)이다. 입열량이 커질수록 냉각시간이 길어져 열영향부의 폭이 넓어진다.

열영향부는 최고가열온도 차이에 따라 용융선 쪽의 조립역(과열역), 결정립이 미세하게 재결정된 세립역(정상역), 일부만 변태한 부분변태역으로 나눈다. 이 세 구분은 수험서와 설계 교재에서 널리 쓰는 분류이다. 답안에는 영역별 조직 특성과 성질 변화를 쓰는 것이 기본이다.

• 조립역(과열역): 용융선에 가장 가까워 최고가열온도가 높고 결정립이 조대해지는 영역이다.
• 세립역(정상역): 결정립이 미세하게 재결정되어 기계적 성질이 상대적으로 양호한 영역이다.
• 부분변태역: 최고가열온도가 변태 범위에만 미쳐 원래 조직과 변태 조직이 섞여 있는 영역이다.
• 연화: 냉각이 느려 열영향부의 경도가 모재보다 낮아지는 현상이다.

열영향부 가운데 인성이 가장 낮아지기 쉬운 곳은 대개 조립역이다. 경화된 조직과 조대 결정립이 겹치기 때문이다. 이 부분의 충격치 저하는 샤르피 충격시험으로 확인하는 것이 일반적이다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 금속을 국부적으로 가열하고 녹여 접합하는 공정이므로 접합부 주변의 모재도 열 사이클을 피할 수 없다. 용접금속은 응고하면서 새로 만들어진 조직이지만 열영향부는 원래 재료가 열을 받아 바뀐 조직이다. 그래서 설계 강도는 모재 기준으로 잡더라도, 열영향부의 성질 저하를 따로 평가해야 하는 필요가 생겼다.

강재 용접에서 열영향부가 문제가 되는 이유는 경화와 취화이다. 용접열로 강철은 국부적으로 경화되고 여리게 되며, 그 결과 충격과 피로에 약한 결점이 생긴다. 이 결점은 응력이 집중되는 이음에서 특히 치명적이다.

열영향부는 경화된 조직이 생기기 쉬워 저온균열 민감 영역이 된다. 저온균열은 용접부가 약 300℃ 이하로 냉각될 때 발생하기 쉬운 균열이다. 원인은 용접봉의 흡습에 따른 수소, 모재의 탄소당량이 높은 것, 구속이 큰 이음, 급격한 가열과 급냉 등으로 알려져 있다. 구속이 큰 이음일수록 열영향부에 잔류응력이 쌓여 균열 위험이 커진다.