고온균열

왜 배우는가: 고온균열은 용접 결함 중 구조물의 안전에 직접 영향을 주는 균열이며, 응고 중에 생기기 때문에 재료 선정과 시공 조건을 함께 관리해야 한다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에서 모두 다뤄지는 기본 개념이므로 정의와 원리를 정확히 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 3번, 제134회 2교시 2번, 제108회 4교시 1번, 제101회 4교시 2번, 제98회 1교시 5번, 제93회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고온균열은 응고 직후 고온에서 결정입계를 따라 생기는 입계균열이다.

고온균열은 용접부가 고상과 액상이 함께 존재하는 고온 상태에서 수축응력을 받아 생기는 균열이다. 고온균열은 약 1000℃ 이상의 고온에서 발생하며, 연성이 거의 없고 입계를 따라 전파한다. 용접금속에서 생기는 응고균열과 용접열영향부 또는 용접금속에서 생기는 액화균열로 세분된다.

고온균열은 용접이 진행되는 동안 형성된다는 점이 특징이다. 저온균열이 용접이 끝나고 냉각된 뒤에 나타나는 것과 달리, 고온균열은 응고가 진행되는 동안 생기므로 용접 후 수소 제거나 열처리만으로는 막기 어렵다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고온균열: 응고 직후 또는 고온 상태에서 생기는 입계균열이다.
• 응고균열: 용접금속이 응고하는 과정에서 결정립 사이에 생기는 고온균열이다.
• 액화균열: 용접열영향부나 용접금속에서 저융점 상이 녹아 생기는 고온균열이다.
• 연성저하균열: 고온에서 재료의 연성이 떨어져 생기는 균열로, 열영향부나 다층 용접금속에서 나타난다.
• 편석: 응고 중 불순물 원소가 액상 쪽으로 몰리는 현상이다.
• 응고온도범위: 액상선과 고상선 사이의 온도 구간이며, 이 구간이 넓을수록 감수성이 커진다.
• 고온균열 감수성: 고온균열이 발생하기 쉬운 재료와 조건의 정도를 나타내는 성질이다.

2. 개념 풀이

고온균열의 정식 정의는 응고 과정 또는 응고 직후에 결정입계에 남아 있는 액막이 수축에 의한 인장응력을 견디지 못하고 벌어져 생기는 균열이다. 이 정의에서 핵심은 균열이 고상과 액상이 공존하는 구간에서 생긴다는 점이다.

원리는 다음과 같다. 금속이 응고할 때 결정이 성장하면서 결정립 사이에 얇은 액막이 남는다. 액막은 강도가 거의 없으므로 용접부가 냉각되며 수축하면 이 부분에 인장응력이 집중되어 입계가 벌어진다. 액막이 남아 있는 온도 구간이 응고온도범위이며, 이 구간이 넓을수록 액막이 오래 남아 균열 감수성이 커진다.

고온균열은 액막과 인장응력이 함께 작용할 때 발생한다.

고온균열은 액막, 인장응력, 재료 감수성의 세 조건이 동시에 있을 때 발생한다. 세 조건 중 하나라도 제거되면 균열이 억제되므로, 방지 대책은 이 세 요소를 각각 겨냥하는 방향으로 세워진다.

금속학적 인자는 편석이 핵심이다. S, P 등의 불순물 원소가 응고 중 결정입계로 몰리면 저융점 화합물이 생겨 액막이 넓고 오래 남는다. 초정 응고상이 오스테나이트이면 S, P의 고용도가 낮아 응고 말기에 편석이 커지고, 초정 페라이트이면 고용도가 높아 편석이 줄어든다. 따라서 응고모드를 조절하는 것이 감수성 저감의 출발점이다.

시공적 인자는 비드의 단면 형상과 구속상태이다. 깊고 좁은 비드는 응고 때 용접선 중심으로 응력과 편석이 모여 중심 균열이 생기기 쉽다. 구속이 큰 이음은 수축변형이 억제되어 인장응력이 커지므로, 같은 재료라도 균열이 더 쉽게 발생한다.

고온균열은 편석에 따른 편석균열과 연성 저하에 따른 연성저하균열로 분류할 수 있다. 연성저하균열은 용접열영향부나 다층 용접의 용접금속에서 고온의 고상 상태에서 연성이 떨어져 나타나는 균열이다. 응고가 끝난 뒤에도 나타날 수 있다는 점이 응고균열과 구별되는 특징이다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 교량, 건축물, 저수조, 압력용기, 원자로, 파이프라인, 선박 등 금속 구조물의 제작과 보수에 널리 쓰이는 접합 기술이다. 이 구조물들의 수명은 사용자의 안전과 직결되므로, 용접부에 생기는 결함 중 균열은 가장 중대한 결함으로 취급된다.

용접균열은 발생 온도에 따라 저온균열, 고온균열, 재열균열로 나뉘며, 고온균열은 응고 직후의 고온에서 생긴다는 점에서 다른 균열과 구별된다. 저온균열은 주로 수소와 구속에 의해 생기는 반면, 고온균열은 응고 조직과 수축응력에 의해 생기므로 방지 대책도 달라진다.

재료 측면에서 고온균열이 중요한 이유는 재료에 따라 감수성이 크게 다르기 때문이다. 응고온도범위가 넓거나 불순물에 민감한 재료에서 고온균열 감수성이 커지며, 오스테나이트계 스테인리스강은 고온균열이 쉽게 생기는 대표적인 재료로 다루어진다. 탄소강과 저합금강에서도 합금원소의 조성에 따라 고온균열 거동이 달라진다.

외적 조건도 고온균열을 촉진한다. 용접전류가 지나치게 높거나, 용접속도가 지나치게 빠르거나, 아크가 길거나, 열을 충분히 분산하지 못하는 개선 설계일 때 고온균열이 생기기 쉽다. 이는 용접 조건이 용융지의 응고 형태와 수축응력을 바꾸기 때문이다.