용접금속 희석률

왜 배우는가: 희석률은 오버레이 용접과 클래드재 제작에서 덧살의 합금 성분을 결정하는 기본 개념이다. 실무에서는 용가재 선택과 용접 조건 설정의 근거가 되고, 시험에서는 정의와 변수 관계, 감소 방안을 묻는 형태로 자주 나온다.

출제 이력: 제129회 1교시 3번, 제117회 3교시 6번, 제111회 1교시 5번, 제102회 2교시 6번, 제98회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

희석률은 용접 금속 가운데 모재가 용융되어 섞여 든 비율이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 희석률: 용접 금속의 화학 조성이 모재 혼입으로 달라지는 정도이다.
• 모재: 용접 중 녹아 용접 금속에 들어가는 기초 금속이다.
• 용가재: 외부에서 공급되어 녹아 용접 금속을 이루는 금속이다.
• 용융풀: 모재와 용가재가 함께 녹아 고인 액체 금속 부분이다.
• 용입: 용접열로 모재가 녹아 들어간 깊이이다.
• 오버레이 용접: 모재 표면에 내식·내마모 합금을 덧살로 입히는 용접이다.
• 클래드재: 기초 금속 표면에 다른 합금층을 접합한 재료이다.

2. 개념 풀이

희석률(Dilution)은 용접 금속 안에서 모재가 차지하는 비율이다. 용접 과정에서는 모재와 용가재가 모두 녹아 용융풀에서 섞인 뒤 응고하므로, 최종 용접 금속의 성분은 두 금속이 섞인 비율로 정해진다. 용가재의 설계 성분이 모재 성분에 의해 묽어지는 현상을 희석이라 하고, 그 정도를 백분율로 나타낸 값이 희석률이다.

희석률은 모재 용융 중량을 용접 금속 전체 중량으로 나눈 값이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$희석률(\%) = \frac{W_b}{W_b + W_f} \times 100$

여기서 W_b는 용융되어 용접 금속에 들어간 모재 중량(kg), W_f는 용융되어 들어간 용가재 중량(kg)이다. 분모 W_b + W_f는 용접 금속 전체 중량이다. 예를 들어 희석률이 0.40이면 용가재에서 온 금속의 비율은 0.60이며, 두 비율의 합은 1이다.

용가재를 쓰지 않는 자가융합 용접에서는 희석률이 100%이다. 용가재를 사용하는 일반 용접에서는 희석률이 조인트 설계, 용접 공정, 공정 변수, 금속 조합에 따라 달라진다. 희석률이 높을수록 용접 금속의 성분은 모재 쪽에 가까워지고, 낮을수록 용가재가 설계한 성분을 많이 유지한다. 따라서 덧살 용접에서는 희석률을 낮게 관리해야 합금층의 성분과 성능을 확보할 수 있다.

희석률에 영향을 주는 요인은 세 가지로 정리된다.

• 조인트 형태: 홈, 모서리 용접, 표면 덧댐 용접의 형태와 정사각형 또는 V형 홈 같은 가장자리 준비가 모재가 녹는 양을 바꾼다.
• 용접 공정과 공정 변수: SMAW, TIG, MIG/MAG 같은 공정과 전류 모드, 보호가스, 전극 각도, 용접 위치가 용융 양을 결정한다.
• 금속학적 조합: 동일 또는 이질 금속의 조합과 과매칭 용가재의 사용 여부가 용접 금속의 성분 변화를 좌우한다.

3. 등장 배경과 필요성

오버레이 용접은 값비싼 합금을 얇게 덧입혀 내식성과 내마모성을 확보하는 공정이다. 이때 덧살 표면의 합금 성분이 설계 값을 가져야 하는데, 모재가 많이 섞이면 합금 성분이 묽어져 덧살을 입힌 목적을 잃는다. 이 문제 때문에 오버레이 용접에서는 희석률을 관리하는 것이 핵심 과제가 되었다. 클래드재 제작도 기초 금속 위에 합금층을 만드는 같은 원리이므로 희석 제어가 함께 필요하다.

모재 성분의 전이에 따른 필요성도 있다. 탄소(C), 인(P), 황(S) 같은 유해 불순물이 많은 모재는 용접 비드로 불순물이 쉽게 옮겨 가므로, 중탄소강과 고탄소강 또는 이종 금속을 용접할 때 희석률을 최소화해야 한다는 요구가 있다. 이를 위해 큰 홈을 열고, 침투 깊이를 줄이며, 격리층을 중첩하는 대책이 함께 쓰인다.

최근에도 희석률 관리 연구가 이어지고 있다. 2024년 학술지 연구에서는 열선 플라즈마 아크 덧살 용접(HWPC)으로 52M 합금을 저합금강에 덧살 용접했을 때, 기존 용접 방식에 비해 크롬과 니켈의 희석이 적었고 응력부식균열 저항이 개선된 것으로 보고됐다. 구체적인 변수 관계와 감소 방안은 4절과 6절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

희석률을 이해하려면 세 가지 구성요소를 구분해야 한다. 첫째는 모재(기초금속)이고, 둘째는 용가재(필러금속, 용접봉이나 와이어 같은 첨가 금속)이며, 셋째는 두 금속이 함께 녹아 만든 용융 풀이다. 용융 풀이 응고한 것이 용접금속이므로, 용접금속의 조성은 모재가 녹아 들어간 양과 용가재가 녹아 들어간 양의 혼합으로 정해진다.