용접 열영향부 조직

왜 배우는가: 용접 열영향부 조직은 용접 이음부의 성질을 가장 크게 제한하는 영역이므로, 입열과 냉각 조건을 정하는 실무에서 필요하다. Fe-Fe3C 상태도와 직접 연결되어 시험에서 반복해 묻는 기초 개념이다.

출제 이력: 제135회 4교시 3번, 제126회 4교시 1번, 제125회 2교시 1번, 제117회 3교시 3번, 제101회 2교시 4번, 제87회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 열영향부 조직은 용융되지 않은 모재가 용접 열사이클을 받아 조직과 성질이 변한 영역의 조직이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 열영향부(HAZ): 용접금속과 모재 사이에서 용융되지는 않았으나 열의 영향으로 조직이 바뀐 모재 영역이다.
• 조립역: 용융선에 가까워 최고 가열온도가 가장 높고 결정립이 크게 성장한 영역이다.
• 세립역: 오스테나이트 온도 이상으로 가열되어 재결정으로 결정립이 미세해진 영역이다.
• 부분변태역: A1과 A3 사이로 가열되어 페라이트 일부만 오스테나이트로 변태한 영역이다.
• 입열량: 단위 길이당 용접부에 공급되는 열량으로, 열영향부 폭과 냉각속도를 결정하는 변수이다.
• 냉각속도: 열영향부의 경화 정도와 저온 균열 발생 가능성을 좌우하는 변수이다.
• Fe-Fe3C 상태도: 탄소강의 상 변화 온도와 상의 종류를 나타내는 준안정 상태도이다.

용융선은 용접금속과 열영향부의 경계선이며, 용융선에서 멀어지는 순서로 조립역, 세립역, 부분변태역이 차례로 배치된다. 그 바깥의 모재는 열의 영향이 거의 없어 원래 조직을 유지한다. 열영향부는 이 세 영역을 합한 띠 모양의 구역을 뜻하며, 탄소강의 용접성을 판단할 때 가장 먼저 검토하는 부분이다.

2. 개념 풀이

열영향부 조직의 정식 정의는 용접 열사이클의 최고 가열온도와 냉각속도에 따라 Fe-Fe3C 상태도상의 상 변화 구간별로 형성되는 조직군이다. 최고 가열온도는 열영향부의 각 위치가 상태도의 어느 온도 구간에 도달했는지를 정하고, 냉각속도는 그 구간에서 생긴 오스테나이트가 페라이트와 펄라이트, 또는 마르텐사이트 중 무엇으로 바뀔지를 정한다. 따라서 같은 강재라도 용접선으로부터의 거리에 따라 조직이 달라지며, 이 차이는 상태도의 온도 구간으로 설명하는 것이 기본이다.

열영향부 조직은 최고 가열온도와 냉각속도로 결정된다.

원리는 Fe-Fe3C 상태도의 상 변화에 있다. 순철은 910℃ 이하에서 체심입방격자인 α철이고, 910℃ 이상 1390℃ 까지는 면심입방격자인 γ철이다. 탄소가 함유되면 변태온도가 낮아지고, 변태가 단일 온도에서 일어나지 않고 온도 범위에 걸쳐 일어난다.

탄소강의 공석 변태는 723℃ 에서 일어나며, 이 온도가 A1 변태점이다. 아공석강은 탄소량이 증가할수록 A3 변태점이 낮아지므로, 같은 가열온도에서도 오스테나이트로 변하는 비율이 달라진다.

가열 구간별 조직은 다음과 같이 나뉜다.

• 최고온도가 용융점 가까운 고온이면 오스테나이트 결정립이 급격히 성장하여 조립역이 된다.
• 최고온도가 A3 이상이고 조립역보다 낮으면 재결정으로 결정립이 미세해져 세립역이 된다.
• 최고온도가 A1과 A3 사이이면 오스테나이트와 페라이트가 공존하여 부분변태역이 된다.
• 최고온도가 A1 이하이면 오스테나이트가 생기지 않아 상변태 없이 기존 조직이 템퍼링되는 정도의 변화만 나타난다.

위 구간은 상태도의 온도선을 열영향부 각 위치의 최고온도에 대응시킨 것이다. 이 대응 관계를 알면 용접 단면의 조직 변화를 상태도로 설명할 수 있다.

준안정 상태도는 Fe3C가 실질적으로 안정하여 평형상으로 간주하는 상태도를 뜻한다. 변태점은 상이 바뀌는 온도이며, 가열 때는 A 기호를 쓰고 냉각 때는 Ar 기호를 쓴다. 이 구분을 알고 있어야 열영향부의 온도 구간을 상태도에 대응시킬 수 있다.

냉각속도는 오스테나이트가 어떤 조직으로 바뀔지를 정한다. 서랭되면 페라이트와 펄라이트가 생기고 연성이 유지되지만, 급랭되면 마르텐사이트가 생겨 경도가 크게 올라가고 취성이 커진다. 탄소량이 많을수록 같은 냉각속도에서도 경화가 커지므로, 탄소강의 열영향부 경화는 탄소량과 냉각속도를 함께 고려해야 한다.

열사이클은 최고온도에 도달한 뒤 냉각되는 곡선으로 표현된다. 같은 최고온도라도 고온 체류 시간과 냉각 곡선이 다르면 조직이 달라지므로, 열영향부 조직은 온도 한 점이 아니라 가열과 냉각을 포함한 열사이클 전체로 해석해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 접합 부위를 용융시켜 결합하는 공정이므로 용접부 주변의 모재도 필연적으로 열사이클을 받는다. 용접금속은 용접봉의 성분으로 다시 응고되어 성분과 조직을 설계 의도에 맞게 관리할 수 있다. 반면 열영향부는 모재의 성분을 그대로 가진 채 조직만 열에 의해 바뀌므로, 모재의 설계 성질과 다른 성질이 나타날 수 있다. 이 때문에 열영향부는 용접 이음부의 성질을 결정하는 취약 영역으로 다뤄진다.