철골용접 예열

왜 배우는가: 철골용접 예열은 용접부의 급랭에 따른 경화와 수소 균열을 막는 기본 조치라서 시공 현장 품질관리의 출발점이다. 기술사 시험에서도 용접 결함 원인과 대책을 묻는 문제의 공통 근거로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제136회 1교시 13번, 제108회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철골용접 예열은 용접 전에 모재를 일정 온도 이상으로 가열하여 용접부와 열영향부의 냉각속도를 늦추고 균열을 방지하는 조작이다.

핵심 키워드

• 예열(Preheat)
• 층간온도(Interpass Temperature)
• 냉각속도
• 열영향부(HAZ)
• 수소 균열
• 탄소당량(CE)
• 경화성

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 용접하기 전에 강재를 미리 따뜻하게 데워 두는 것이다. 차가운 강재에 용접하면 용접부가 순식간에 식어 단단해지고 금이 가기 쉽다. 예열은 이 식는 속도를 늦추는 가장 단순한 방법이다.

정식 정의는 다음과 같다. 예열은 용접작업의 부속 공정으로서, 용접 전 및 용접 중 용접금속이 용착되는 모재면을 일정 온도 이상으로 가열하는 조작을 말한다. 실시하는 근본 목적은 용접부 및 열영향부(HAZ)의 균열 방지다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 예열(Preheat): 용접 시작 전 모재를 가열하는 작업이다. 용접 중에도 같은 온도를 유지한다.
• 층간온도(Interpass Temperature): 다층 용접에서 다음 패스를 놓기 직전 용접부 모재의 온도다. 최고 온도로 제한하고, 최소 예열 온도도 함께 지켜야 한다.
• 열영향부(Heat Affected Zone, HAZ): 용접열로 조직이 변하지만 용융되지는 않은 모재 부분이다. 경화와 균열이 가장 잘 생기는 곳이다.
• 수소 균열(Hydrogen Cracking): 용접금속 속 수소가 냉각 중 확산하지 못해 생기는 지연 균열이다.

3. 등장 배경과 필요성

강재는 열전도율이 높아서 용접열이 모재 전체로 빠르게 퍼진다. 이 때문에 용접부가 짧은 시간에 급랭한다. 급랭하면 마르텐사이트 같은 단단하고 취약한 조직이 생긴다. 탄소와 합금원소가 많은 강재일수록 이 경향이 크다.

두께가 두꺼운 부재일수록 열이 빠르게 전도되어 냉각이 더 빨라진다. 그래서 후판 용접과 구조용 강재의 현장 용접에서 예열이 필요해진다. 철골 기둥과 보의 현장 맞대기·필렛 용접은 이런 조건이 겹치는 대표적인 곳이다.

또한 용접 중 모재 표면의 수분이나 유분이 수소원이 된다. 예열은 이 수분을 증발시켜 용접금속 속 수소 혼입을 줄인다. 수소 확산을 도와 지연 균열을 막는 효과도 있다. 시험에서 예열의 필요성을 물으면 이 세 가지 원리를 함께 제시하면 된다.

예열의 효과는 여섯 가지로 정리된다. 냉각속도를 늦춰 경화를 줄이고, 불순물 편석을 억제하며, 열변형을 줄인다. 또 수소 방출을 쉽게 하고, 모재 수분을 제거하며, 용착을 쉽게 한다.

4. 구성요소·원리·절차

철골용접 예열은 용접 전에 모재를 일정 온도 이상으로 가열해 용접부와 열영향부(HAZ)의 냉각속도를 늦추는 조작이다. 냉각속도가 빠르면 경화조직(마르텐사이트)이 생기고 수소 균열이 발생하기 쉬우므로, 예열은 이를 막는 핵심 수단이다. 예열의 효과는 열손실 감소, 경화 감소, 용접 변형 감소, 수소 방출 촉진, 모재 수분 제거 등으로 정리된다.

예열 구성요소는 가열 대상과 가열 수단으로 나눈다. 가열 대상은 용접 이음부 양측 일정 범위의 모재이고, 가열 수단은 가스 토치, 전기 저항 히터, 유도 가열 장치 등이다. 측정 수단은 접촉식 온도계, 온도 표시 크레용, 열전대가 쓰인다.

가열 수단과 측정 수단을 함께 갖춰야 예열이 성립한다. 측정 없이 가열만 하면 목표 온도 도달을 확인할 수 없다.

예열 원리는 열전도에 따른 급랭을 막는 것이다. 강재 두께가 두꺼울수록 열이 빠르게 빠져나가므로 예열 필요성이 커진다. 탄소당량이 높은 강재일수록 경화성이 커서 예열 온도가 높아진다.

예열 절차는 다음과 같다.

• 용접 대상 강재의 탄소당량과 두께를 확인하고 예열 온도를 정한다.
• 이음부 양측의 정해진 폭 범위를 가열 수단으로 균일하게 가열한다.
• 접촉식 온도계나 온도 표시 크레용으로 용접 직전 모재 온도를 측정한다.
• 목표 온도 도달을 확인한 후 용접을 시작한다.
• 다층 용접 중 층간 온도를 최대 한도 이하로 유지한다.
• 용접 종료 후 필요 시 보온하여 수소가 빠져나갈 시간을 준다.

층간 온도는 직전 패스의 잔열로 데워진 모재 온도다. 층간 온도가 지나치게 높으면 입열량 과다로 강도와 충격치가 떨어진다. 그래서 층간 온도는 최대 값으로 제시하고, 최소 예열 온도도 함께 지켜야 한다.

예열 방법은 대상 범위에 따라 국부 예열과 전체 예열로 나뉜다. 국부 예열은 이음부 주변만 가열하고, 전체 예열은 부재 전체를 로(爐)나 대형 가열 장치로 가열한다. 철골 현장에서는 국부 예열이 주로 쓰인다.

도식으로 예열 흐름을 그린다.

5. 관련 법령·기준·표준

철골용접 예열 자체를 직접 규정한 법령은 「산업안전보건법」 계열의 철골공사표준안전작업지침에서 찾기 어렵다. 이 지침은 현장용접의 계획과 용접기·용접봉 보관 등 설비 측면을 규정한다(제15조). 따라서 예열 온도는 용접 규격과 강재 제조사 기준, 그리고 용접 시방서에 따른다.

예열 관련 기준값은 다음과 같다.

위 표의 값은 탄소당량과 층간 온도에 대한 일반 기준이다. 실제 시공에서는 강종과 두께에 따른 시방 값을 우선한다.

탄소당량은 강재의 경화성과 균열 민감도를 나타내는 지표다. 탄소당량 값이 올라갈수록 예열 온도를 높여야 한다.

지침의 관련 조항은 다음과 같다. 제15조 제2호는 현장용접 시 용접량, 용접방법, 용접규격, 용접기 대수를 계획하도록 정한다. 제15조 제3호는 용접기와 용접봉, 건조기의 보관소를 따로 두도록 정한다. 용접봉 건조는 수소 혼입 방지와 직결되므로 예열과 함께 관리한다.

개정 연혁에 대해서는 근거에 명시된 개정 사실이 없으므로 본 절에서 단정하지 않는다. 지침 제17조는 재검토기한만 규정한다.

용접 관련 주요 개념 정리

예열과 층간 온도, 보온은 서로 다른 개념이다. 예열은 용접 시작 전 가열이고, 층간 온도는 다층 용접 중 패스 사이 온도다. 보온은 용접 후 서냉을 막는 조작이다.

6. 유형과 비교

철골용접 예열은 강재의 종류, 판두께, 용접 방법, 수소 함량에 따라 필요 여부와 온도가 달라진다. 아래 표는 용접 방법별 예열 특성을 비교한 것이다.