강재 저온·고온균열

왜 배우는가: 강재 용접부의 고온균열과 저온균열은 구조물 용접 품질과 안전을 직접 좌우하는 결함이다. 건설안전기술사 시험에서 발생 시점, 원인, 방지 대책을 구분해 묻는 문항으로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제109회 1교시 11번, 제95회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 고온균열은 용접금속이 고온에서 응고 직후 수축응력을 받아 결정입계에서 발생하는 균열이고, 저온균열은 약 300℃ 이하로 냉각되면서 수소·구속응력·경화조직이 겹쳐 지연되어 발생하는 균열이다.

핵심 키워드

• 고온균열(hot cracking, solidification cracking)
• 저온균열(cold cracking, delayed cracking)
• 응고균열(solidification cracking)
• 액화균열(liquation cracking)
• 수소유기균열(hydrogen-assisted cracking)
• 탄소당량(carbon equivalent, Ceq)
• 예열(preheating)
• 저수소계 용접봉(low hydrogen electrode)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 용접하는 동안 쇳물이 굳는 순간 생기는 금이 고온균열이다. 식은 뒤 수소가 강 속에 갇혀 시간이 지나 생기는 금이 저온균열이다. 두 균열은 발생 온도와 원인이 다르므로 대책도 다르다.

정식 정의는 다음과 같다. 고온균열은 용접금속의 응고 과정에서 최종 응고부에 저융점 공정물(S, P 등 불순물의 편석)이 남고, 수축응력이 작용하여 결정입계를 따라 생기는 균열이다. 고온균열은 약 1,000℃ 이상의 고온에서 발생하며 연성이 거의 없어 입계를 따라 전파하는 특징이 있다.

저온균열은 용접 후 냉각 과정에서 생기는 균열이다. 용접금속 기준으로 약 300℃ 이하에서 발생하고, 열영향부(HAZ)에서 주로 나타난다. 확산성 수소, 구속응력, 마르텐사이트 같은 경화조직이 동시에 존재할 때 생긴다. 발생이 지연되어 냉각 후 수 시간에서 24시간 뒤에 나타날 수 있다.

응고균열은 고온균열의 대표 형태다. 액화균열은 다층 용접 때 이전 용접층이나 열영향부의 저융점 상이 재용융되어 생기는 균열이다. 두 용어 모두 고온균열 계열에 속한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 모재를 국부적으로 가열·용융시켜 접합하므로 급격한 가열과 냉각이 반복된다. 이 과정에서 수축응력과 잔류응력이 생기고, 금속 조직이 변한다. 용접 기술이 고강도 강재와 두꺼운 후판에 쓰이면서 균열 문제가 구조 안전의 핵심 과제가 되었다.

균열은 용접 결함 중 가장 위험한 결함으로 분류된다. 용접부의 강도와 인성을 떨어뜨려 취성파괴의 시발점이 될 수 있다. 특히 저온균열은 표면에서 발견하기 어려워 비파괴검사 없이는 놓치기 쉽다. 따라서 발생 기구를 이해하고 예열, 저수소계 용접봉, 탄소당량 관리 같은 예방 대책을 설계 단계부터 적용하는 것이 필요하다.

고온균열과 저온균열을 구분해야 하는 이유는 대책이 다르기 때문이다. 고온균열은 불순물 관리와 용접 조건(전류, 속도, 개선형상)으로 막는다. 저온균열은 수소 관리와 예열·후열처리로 막는다. 두 균열을 혼동하면 잘못된 대책이 적용되어 결함이 재발한다.

300℃ 이하에서 발생 약 1,000℃ 이상에서 발생

4. 구성요소·원리·절차

고온균열과 저온균열은 발생 온도와 원인 인자가 다르다. 고온균열은 응고 직후 응고온도범위에서 생기고, 저온균열은 용접부가 식은 뒤 수소와 경화조직이 함께 있을 때 생긴다. 두 균열은 같은 '균열'이라도 원인과 대책이 달라서 답안에서 구분해 써야 한다.

고온균열은 응고 과정에서 최종 응고부에 남은 저융점 액상막(P, S 등 불순물의 편석)이 수축응력으로 인장되어 결정입계에서 떨어지는 현상이다. 용접금속에서는 응고균열, 열영향부에서는 액화균열로 나뉜다. 이 균열은 연성이 거의 없는 상태에서 입계를 따라 전파한다.

저온균열은 용접금속이 약 300℃ 이하로 냉각된 뒤 확산성 수소가 열영향부의 경화조직(마르텐사이트)에 모여 취화되고, 잔류 인장응력과 함께 작용해 생긴다. 발생 시점이 늦어서 지연균열이라고도 하며, 표면에서 보이지 않는 경우가 많다.

위 표는 두 균열의 차이를 보인다. 고온균열은 재료 조성과 응고 형태가 핵심이고, 저온균열은 수소량과 강재의 경화성이 핵심이다. 강재의 저온균열 감수성은 탄소당량으로 판단한다. 탄소당량식은 다음과 같다.

$C_{eq} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$

C_{eq}는 탄소당량(%), C·Mn·Cr·Mo·V·Ni·Cu는 각 원소의 질량 함량(%)이다. 탄소당량이 높을수록 경화 경향이 커져 저온균열 위험이 증가한다. 따라서 탄소당량이 높은 강재는 예열과 저수소 조건이 함께 필요하다.

저온균열 방지 절차는 다음과 같다.

• 용접봉과 모재 표면의 수분·유분·녹을 제거하고 용접봉을 건조한다.
• 저수소계 용접봉을 사용해 확산성 수소의 유입을 줄인다.
• 강재의 탄소당량을 계산해 경화 경향을 판정한다.
• 탄소당량에 따라 예열을 실시해 냉각속도를 늦추고 수소 방출을 돕는다.
• 다층 용접에서는 층간온도를 상한 이하로 관리한다.
• 용접 후 급냉을 피하고 서냉하며, 일정 시간 뒤 비파괴검사로 지연균열을 확인한다.

고온균열 방지 절차는 용접 속도와 전류, 이음부 설계, 과도한 구속 제거, 적정 용접재료 선택이 중심이다. 두 절차를 함께 쓰면 고온균열과 저온균열을 모두 막을 수 있다.

위 흐름도는 저온균열이 세 원인의 결합으로 생긴다는 점을 보인다. 답안에서는 수소, 경화조직, 잔류응력을 빠짐없이 적는다.

5. 관련 법령·기준·표준

강재 용접 균열의 직접적인 법정 수치는 건설 관련 법령에 따로 정해져 있지 않다. 실무에서는 설계도서와 용접시방서, 건축·토목 구조 설계기준의 강구조 연결부 규정, 한국산업표준(KS)과 국제 용접 표준을 따른다. 용접 자격과 검사 체계는 강구조물 시공 기준에 따른다.

위 표의 값은 기준값의 대략이다. 예열 온도는 강종, 판 두께, 입열량에 따라 달라지므로 해당 공사의 시방서 값을 우선한다. 층간 온도 상한 200℃는 초과 시 입열 과다로 강도와 충격치가 떨어질 수 있다는 근거에서 나온 값이다.

고온균열과 저온균열은 KS나 국제 표준에서 시험 방법과 등급을 따로 다룬다. 지연균열 시험은 Y형 홈 구속 균열시험으로 평가하며, 이 시험에서 얻은 결과를 예열 조건 설정에 쓴다. 실무 답안에서는 시험 명칭과 목적을 적고, 구체 번호는 확실한 경우에만 쓴다.

현행 기준의 개정 연혁은 본 자료로 확인되지 않으므로 답안에 쓰지 않는다. 답안에서는 원인, 대책, 기준 수치의 대략을 중심으로 쓴다.

6. 유형과 비교

강재 용접부의 고온균열과 저온균열은 발생 온도, 발생 위치, 원인 인자가 다르다. 두 균열을 아래 표로 나누어 비교하면 답안에서 원인과 대책을 짝지어 쓰기 쉽다.