탄소당량

왜 배우는가: 탄소당량은 강재 성분표(Mill Sheet)만으로 용접 난이도와 저온균열 위험을 판단하는 기준이다. 현장에서 강재 반입 검수와 예열 조건 결정에 바로 쓰이므로 실무 필수 개념이다. 1교시 용어 문제와 3교시 설명 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제111회 1교시 6번, 제102회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

탄소당량(Ceq)은 강재의 탄소와 기타 합금원소 함량을 탄소 한 원소의 양으로 환산한 지수로, 용접성과 열영향부 경화·저온균열 민감도를 판단하는 기준이다.

• 탄소당량
• 합금원소
• 용접성
• 열영향부
• 수소유기 저온균열
• 경화성
• Mill Sheet
• IIW 식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 강재는 탄소가 많을수록 강도가 커지지만 용접하면 쉽게 굳고 깨진다. 탄소당량은 탄소 외 원소들이 이 현상에 미치는 영향을 탄소 기준으로 환산해 한 숫자로 나타낸 값이다. 같은 강도의 강재라도 합금 조성이 다르면 용접 거동이 다르므로, 두 강재를 같은 척도로 비교하려고 쓴다.

정식으로는 강재에 들어 있는 각 원소의 질량 백분율에 가중치를 곱해 더한 값이다. 가장 널리 쓰는 식은 IIW(International Institute of Welding) 식이며, 1967년 IIW가 채택한 Dearden과 O'Neill 식이다. 원소 농도는 중량 백분율(wt%)로 대입한다.

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

여기서 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 각 원소의 함량(wt%)이다. 식의 분모는 각 원소가 경화에 기여하는 상대적 크기를 나타낸다. 탄소 계수가 1이고 망간이 1/6이므로, 탄소의 영향이 가장 크고 망간이 그다음이다.

열영향부는 용접열로 조직이 변한 모재 부분이다. 탄소당량이 높으면 이 부분이 단단해지고, 용접 후 냉각 중 수소가 갇히면 수소유기 저온균열이 생긴다. 이 균열은 용접 결함 중 가장 흔한 형태다. 따라서 탄소당량은 곧 경화성과 균열 민감도의 간접 지표가 된다.

AWS(미국용접협회) 식도 있으나 구조용 강재 판정에 주로 권장된다. 두 식은 계수 구성이 달라 같은 강재라도 값이 다르게 나온다. 답안에는 어느 식을 썼는지 밝혀 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

용접이 구조 접합의 중심이 되면서, 강재마다 용접 후 경화와 균열이 얼마나 생기는지 미리 알아야 할 필요가 커졌다. 강재의 종류와 합금 조성이 다양해지자 원소별 영향을 하나의 척도로 묶는 방법이 필요했다. 탄소당량은 이 요구에서 나온 실험적 지수다.

시험 기준이 없던 시기에는 강재 성분을 보고 용접 조건을 정하기 어려웠다. 탄소당량 식은 성분 분석값에서 바로 계산할 수 있어, 용접 전 예열 온도와 용접봉 선정을 합리적으로 정하는 근거가 된다. 특히 실무에서는 제강사가 발행하는 Mill Sheet에 화학성분이 기재되어 있어, 현장에서 반입 강재의 탄소당량을 바로 계산해 검토할 수 있다.

고강도강의 사용이 늘면서 이 개념의 중요성이 더 커졌다. 일부 고강도강은 탄소당량이 0.50%를 넘어 취성 파괴 사례가 보고되었다. 그래서 최근에는 탄소당량만으로 판단하지 않고, 허용 합금원소의 상한을 직접 규정하는 방식과 병행하기도 한다. 탄소당량은 강재 선정과 용접 시공 계획을 잇는 첫 단계의 지표다.

탄소당량 0.40% 이상이면 열영향부 균열 가능성이 있음 이 기준은 AWS의 판단이며, 답안에서 용접 예열 필요성을 설명할 때 출발점으로 쓴다.

4. 구성요소·원리·절차

탄소당량(Ceq)은 강재의 화학성분 중 탄소 외 합금원소가 용접부 경화성에 미치는 영향을 탄소 하나의 값으로 환산한 지수다. 구성요소는 탄소(C), 망간(Mn), 그리고 Cr·Mo·V, Ni·Cu 같은 보조 합금원소다. 각 원소는 경화에 기여하는 정도가 다르므로 원소별 계수로 가중해 더한다.

설명: 탄소당량은 원소 함량이 많을수록 값이 커진다. 값이 커지면 용접 열영향부(HAZ)의 최고경도가 높아져 저온균열 위험이 커진다. 따라서 탄소당량은 강재의 용접성을 판단하는 기준으로 쓰인다.

원리: 용접 시 용접금속과 HAZ는 급랭되어 마르텐사이트 같은 경화조직이 생긴다. 이 조직에 확산성 수소와 잔류응력이 겹치면 저온균열(수소유기균열)이 발생한다. 탄소당량이 높을수록 경화조직이 쉽게 생기므로 예열·입열 관리가 필요해진다.

절차: 탄소당량 확인과 적용 절차는 다음과 같다.

• Mill Sheet에서 C, Mn, Si, Cr, Mo, V, Ni, Cu 등 화학성분 값을 확인한다.
• 적용 계산식(IIW 식 또는 AWS 식)을 선택한다.
• 원소 함량을 식에 대입해 Ceq 값을 구한다.
• Ceq 구간에 따라 예열 온도와 용접 조건을 정한다.
• 결과를 용접시공계획서와 용접 절차서(WPS)에 반영한다.

식: IIW 탄소당량은 다음과 같다.

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

여기서 C, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu는 각 원소의 질량비(%)다.

도식:

5. 관련 법령·기준·표준

탄소당량 자체를 정한 법령 조항은 없다. 실무 기준은 용접 시공 기준과 강재 규격에 따른다. 대표적인 계산식은 IIW 식과 AWS 식이다. IIW 식은 일반 탄소강과 탄소-망간강에 적합하다. AWS 식은 구조용 강재에 권장된다. 고강도 강이나 저합금 Cr-Mo강에는 IIW 식의 예측 정확도가 떨어질 수 있다.

국내 구조용 강재는 한국산업표준(KS)으로 분류된다. 첫 문자 S는 강재(Steel)를 나타낸다. 두 번째 문자는 형상·용도를 나타낸다. 예를 들어 SS는 일반구조용 압연강재, SWS는 용접구조용 강재다. 숫자는 항복강도(MPa)다. 2016년 11차 KS 개정으로 기준이 인장강도에서 항복강도로 바뀌었다. 2017년 1월 1일부터 12월 31일까지는 병용기간이었다. 마지막 알파벳(B, C, D 등)은 충격흡수 에너지 등급이며, D로 갈수록 충격 특성이 좋아진다.

개정 연혁: 2016년 KS 개정으로 강재 기준이 항복강도 기준으로 바뀌었다. 탄소당량 계산식 자체는 오랫동안 같은 형태가 쓰였다.

6. 유형과 비교

탄소당량은 합금원소마다 경화 영향이 다르다는 점을 반영하려고 여러 산정식이 쓰인다. 대표 식은 IIW 식, 일본 Pcm 식, AWS 계열 식이다. 식마다 가중치가 달라 같은 강재라도 계산값이 다르게 나온다. 시험에서는 어느 식을 쓰는지 밝히고 값을 비교해야 한다.

표의 IIW 식은 1967년 IIW가 채택한 Dearden과 O'Neill 식이다. 이 식은 일반 탄소강과 탄소-망간강의 경화성 예측에 적합하다고 알려져 있다. 반면 마이크로 합금 고강도 저합금강과 저합금 Cr-Mo강에는 맞지 않는다. 따라서 고강도 강재에는 Pcm 식이나 실험값을 함께 본다.

그래프로 보는 분류는 Graville 도표가 대표적이다. 탄소 함량에 따라 강재를 세 구역으로 나누어 저온균열 거동을 본다.