용접 예열

왜 배우는가: 예열은 용접 균열, 특히 저온균열과 수소균열을 막는 가장 기본적인 대책이므로 실무 시공계획에서 항상 먼저 검토되는 항목이다. 시험에서도 재질별 예열온도 결정 방법, 탄소당량, 층간온도가 여러 교시에 걸쳐 반복해 출제되므로 원리와 결정 절차를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제128회 1교시 1번, 제116회 2교시 5번, 제111회 4교시 3번, 제104회 1교시 12번, 제101회 1교시 1번, 제96회 2교시 2번, 제95회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

예열은 용접 전 모재를 일정 온도 이상으로 가열하여 균열을 막는 부속 공정이다.

Preheating은 용접작업의 부속 공정으로, 용접 전과 용접 중에 용접금속이 용착되는 모재면을 일정 온도 이상으로 가열하는 조작을 말한다. 예열을 실시하는 근본 목적은 용접부와 열영향부(HAZ)의 균열을 방지하는 데 있으며, 이는 용접 시공 품질을 확보하는 기본 조건이 된다. 예열의 적용 여부와 온도는 재질, 판 두께, 구속 조건에 따라 달라지므로 답안에서는 판단 근거와 결정 절차를 함께 적어야 한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 예열온도: 용접 시작 전 모재가 도달해야 하는 최소 온도다.
• 층간온도: 다층 용접에서 아크 발생 직전 이전 패스의 열로 데워진 모재 온도다.
• 탄소당량: 강의 화학 조성을 탄소량 하나로 환산하여 경화성과 용접성을 나타내는 지표다.
• 저온균열: 용접금속이 냉각되는 과정에서 생기는 지연성 균열이다.
• 수소균열: 용접부에 유입된 수소와 인장잔류응력이 함께 작용하여 생기는 균열이다.
• 냉각속도: 용접 후 열이 빠져나가는 속도로, 열영향부의 경화 조직 형성을 좌우한다.
• 열영향부(HAZ): 용접열로 조직과 성질이 변한 모재 부분이다.

2. 개념 풀이

예열의 정식 정의는 용접금속이 용착되는 모재면을 용접 전과 용접 중에 일정 온도 이상으로 가열하는 조작이다. 이 정의에서 가열 대상은 용접선 자체가 아니라 용착이 일어나는 모재 영역이며, 온도 조건은 재질과 두께에 따라 정해진다. 따라서 예열온도는 임의의 값이 아니라 재질의 경화성과 시공 조건으로 결정되는 값이다.

예열이 균열을 막는 첫 번째 원리는 냉각속도를 늦추는 데 있다. 용접 후 모재의 열이 빠르게 빠져나가면 열영향부가 급랭되어 경화 조직이 생기고, 이 조직은 취성이 커서 균열에 취약하다. 예열은 열손실을 줄여 냉각속도를 늦추므로 경화 정도가 낮아지고 결과적으로 균열 발생이 억제된다.

두 번째 원리는 수소의 방출이다. 용접 중에 유입된 수소는 모재 내부의 비금속 개재물과 결정 격자에 모이며, 인장잔류응력과 결합하여 균열을 일으킨다. 예열은 수소가 모재 밖으로 확산되는 속도를 높여 수소 농도를 낮추므로 수소균열의 발생을 줄이고, 모재 표면의 수분을 미리 제거하여 용접금속에 수소가 혼입되는 것도 막는다. 세 번째 원리는 열적 변형과 편석의 억제다. 예열은 모재의 온도 구배를 완만하게 하여 용접으로 인한 열변형량을 줄이고, 불순물이 균열 부위로 몰리는 편석을 억제한다.

탄소당량은 강의 화학 조성 중 탄소와 합금원소의 영향을 탄소량 하나로 환산한 지표이며, 값이 클수록 용접 후 마텐자이트가 생기기 쉽고 취화가 커진다. 탄소당량이 0.40에서 0.60 사이이면 예열이 필요할 수 있고, CE 0.60 초과 시 예열 필수 이므로 이 경우 예열은 반드시 실시해야 하며 후열처리도 검토한다.

층간온도는 다층 용접에서 한 패스의 아크를 발생시키기 직전, 이전 패스의 열로 데워진 모재 온도다. 층간온도가 200℃를 넘으면 입열량 과다로 강도와 충격치가 떨어질 수 있으므로 층간온도는 최대값으로 제한된다. 다만 최대 층간온도를 지키는 것과 별개로 최소 예열온도도 함께 지켜져야 한다. 이 조건은 가접용접, 보수용접, 가우징에서도 본 용접과 같이 적용된다.

저온균열은 용접금속이 약 300℃ 이하로 냉각될 때 발생하는 균열이며, 용접의 첫 패스 루트부에 발생하기 쉽다. 주요 원인은 용접봉의 흡습에 의한 수소, 높은 탄소당량, 큰 구속, 급열과 급냉이다. 따라서 예열, 저수소계 용접봉 사용, 용접부 건조가 함께 대책이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

예열의 필요성은 강재의 고강도화와 구조물의 대형화에 따라 커졌다. 인장강도 50kgf/mm² 이상 의 강을 고장력강이라 하며, 고장력강은 연강 용접법을 그대로 쓰지만 열영향부 경화가 심하므로 예열과 후열처리로 연성을 확보해야 한다. 특히 80kgf/mm²급 강은 보통강에 비해 탄소당량이 높아 용접 후 경화되기 쉽고 저온균열의 우려가 크다.

연강과 달리 고장력강에서는 용접 후 열영향부가 급랭되어 경도가 높아진다. 이런 재질에서 예열을 하지 않으면 수소와 잔류응력이 동시에 작용하여 지연 균열이 발생한다. 그래서 재질별로 예열온도를 정하는 방법이 용접 시공 기준의 핵심 요소가 되었다.

또한 구조물이 두꺼워지면서 판 두께도 예열 판단의 주요 변수가 되었다. 두께가 큰 판일수록 열이 한 방향으로 빠르게 빠져나가 냉각속도가 빨라지므로, 같은 재질이라도 두께에 따라 예열의 필요성이 달라진다. 고강도 강의 큰 구속 조건과 두께가 겹치면 균열 위험은 더욱 커진다. 이 세 가지, 즉 재질의 경화성, 수소, 구속과 두께를 함께 보는 것이 예열 정책의 출발점이다.