용접 입열량

왜 배우는가: 용접 입열량은 열영향부의 인성과 강도, 균열 발생을 좌우하므로 용접 시공 기준의 핵심이다. 시험에서는 계산 문제와 관리 목적 설명으로 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제131회 1교시 12번, 제129회 1교시 7번, 제114회 2교시 3번, 제113회 1교시 5번, 제108회 1교시 3번, 제101회 1교시 3번, 제99회 3교시 3번, 제95회 2교시 5번, 제90회 1교시 10번, 제87회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접 입열량은 용접부에 외부에서 주어지는 열량이다. 입열량은 아크가 용접선을 따라 공급한 에너지를 단위 길이당으로 나타낸 값이며, 식에서 보듯 전압·전류·속도의 조합으로 정해진다. 실제 모재가 흡수한 열과는 구분해서 쓴다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접 입열량: 용접부에 외부에서 주어지는 열량이며 kJ/cm 등으로 나타낸다.
• 아크 전압: 용접 아크 양단의 전압으로 입열량 식의 E에 해당한다.
• 아크 전류: 아크를 흐르는 전류로 입열량 식의 I에 해당한다.
• 용접 속도: 아크가 용접선을 따라 이동하는 속도로 입열량 식의 v에 해당한다.
• 열영향부: 용접열로 조직과 성질이 변한 모재 영역이다.
• 입열 관리: 입열량을 강재별 허용 범위 안에 두도록 용접 조건을 조정하는 일이다.

입열량은 열원의 출력을 용접 속도로 나눈 값으로 이해하면 된다. 같은 출력이라도 이동이 느리면 한 점에 머무는 시간이 길어져 단위 길이에 쌓이는 열이 많아진다.

2. 개념 풀이

용접 입열량은 용접 아크가 용접선 단위 길이에 공급하는 열에너지를 정량화한 값이다. 아크 용접에서 전기 에너지는 아크 전압과 아크 전류의 곱, 즉 전력에 비례하고, 용접 속도가 느릴수록 같은 길이를 지나는 데 걸리는 시간이 길어져 쌓이는 에너지가 많아진다. 이 관계를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$H = 60EI / v$

여기서 H는 입열량(J/cm), E는 아크 전압(V), I는 아크 전류(A), v는 용접 속도(cm/min)이다. 식의 60은 분을 초로 바꾸는 상수이다. 관리 기준은 보통 kJ/cm로 나타내므로 계산값을 1000으로 나눠 환산한다.

$H_kJ/cm = 60EI / (1000v)$

원리를 항목별로 보면 전류는 입열량에 정비례하는 인자이다. 전류가 커지면 같은 시간에 공급되는 전기 에너지가 커져 용융 속도와 용입 깊이가 함께 커진다. 전압은 아크 길이와 연결되어 전압이 높아지면 아크가 길어지고 열이 넓게 퍼진다. 속도는 입열량과 반비례하므로 속도를 낮추면 입열량이 커지고 용접부의 냉각 속도는 느려진다.

입열량은 전압·전류에 비례하고 용접 속도에 반비례한다.

용접 방식이 달라도 계산 식은 같지만 전압·전류·속도의 범위가 방식마다 달라 입열량도 달라진다. 서브머지드 아크 용접은 전류가 크기 때문에 한 패스의 입열량이 특히 커진다. 열원 출력은 전압과 전류의 곱으로 나타내는 단위 시간의 에너지이다. 입열량은 이를 속도로 나눈 단위 길이당 에너지이므로, 같은 출력이라도 속도에 따라 입열량이 달라진다. 입열량 계산은 용접 절차의 사전 검토와 시공 후 기록에 모두 쓰인다.

식의 값은 아크가 공급한 전기 에너지의 계산값이다. 실제로는 용접봉이 녹는 데 쓰이는 열, 용착 금속을 형성하는 열, 모재를 가열하는 열, 피복제의 분해열과 복사·대류 손실이 함께 작용하므로 모재가 흡수하는 열은 계산값과 차이가 난다. 따라서 계산값은 조건을 비교하고 관리하는 지표로 쓰고, 열효율은 방식과 조건에 따라 별도로 본다.

3. 등장 배경과 필요성

용접 입열량 관리가 필요한 이유는 입열량의 크기에 따라 용접부의 성질이 크게 달라지기 때문이다. 용접 품질은 강재의 화학 성분과 함께 입열량으로 좌우된다. 입열량이 과대하면 열영향부가 과열되어 결정립이 굵어지고 인성이 떨어지며, 조질 강재는 열처리로 얻은 강도와 인성이 손상될 수 있다. 반대로 입열량이 과소하면 용접부가 빠르게 냉각되어 경화 조직이 생기고 수소 유기 균열이 발생하기 쉽다.

구조물의 안전을 확보하려면 강재별 입열량 상한을 설계와 제작 기준으로 정한다. 교량 같은 대형 구조물에서는 조질 고장력강의 입열량과 층간온도를 제작 기준에서 제한한다. 이 제한은 전류, 전압, 용접 속도를 정하는 기준이 되므로, 입열량 계산은 현장 용접 조건을 점검하는 기본 절차이다.

입열량은 냉각 속도와 연결되어 열영향부의 조직을 결정한다. 입열량이 커지면 고온 구간에 머무는 시간이 길어져 냉각이 느려지고, 입열량이 작으면 급랭되어 경화가 심해진다. 그래서 시공에서는 예열과 후열, 패스 간 온도와 함께 입열량을 묶어 관리한다.