TMCP강 열영향부 연화

왜 배우는가: TMCP강은 후판 구조물과 선박 부재에 널리 쓰이므로, 용접 열영향부의 강도 저하를 설계 단계에서 함께 다뤄야 한다. 연화의 원인과 설계 영향을 묻는 논술형 문제는 이 개념을 기초로 하므로 원리를 먼저 이해해야 한다.

출제 이력: 제114회 4교시 4번, 제110회 3교시 2번, 제98회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

TMCP강 열영향부 연화는 용접열로 열영향부의 강도와 경도가 모재보다 낮아지는 현상이다.

TMCP강 열영향부 연화는 열기계제어공정(TMCP)으로 제조된 강재를 용접할 때, 열영향부(HAZ) 일부 구간의 경도와 강도가 모재보다 낮아지는 현상이다. 연화가 생기는 이유는 용접 열사이클이 제조 공정에서 얻은 조직 효과를 되돌리기 때문이다. 이 정의를 답안 첫 줄에 쓰고, 이어서 연화 구간이 인장강도와 피로강도에 미치는 영향을 설명한다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 열기계제어공정(TMCP): 열간압연의 가열·압연·냉각 조건을 제어하여 강도와 인성을 함께 높인 강재 제조 공정이다.
• 열영향부(HAZ): 용접 중 모재가 녹지 않았지만 열 때문에 조직과 성질이 변한 구역이다.
• 연화(軟化): 재료의 경도와 강도가 원래 수준보다 낮아지는 현상이다.
• 가속냉각: 열간압연 직후 수냉으로 냉각 속도를 높여 미세한 저온 변태조직을 얻는 공정이다.
• 재가열 템퍼링: 후속 용접 열이 이미 만들어진 조직을 다시 가열하여 강도를 낮추는 작용이다.
• 항복비: 항복강도를 인장강도로 나눈 값이며, TMCP강은 항복비 80% 이하로 규제된다.
• 경화능: 강을 담금질할 때 경화되는 깊이와 정도를 나타내는 성질이다.

2. 개념 풀이

연화의 정식 정의는 용접 열영향부에서 재료의 경도와 항복강도, 인장강도가 모재 수준보다 낮아지는 현상이다. TMCP강의 강도는 제어압연으로 미세해진 결정립과 500~800℃ 구간 3~30℃/s 가속냉각으로 얻은 저온 변태조직에서 나온다. 이 조직은 용접 열에 쉽게 변하므로, 열영향부의 일부 구간에서 연화가 나타난다.

원리를 보면 용접 열영향부의 각 위치는 도달한 최고온도에 따라 서로 다른 열사이클을 받는다. 용융선에 가까운 조립역은 오스테나이트 결정립이 크게 성장하고 냉각 중 경화 조직이 생기는 반면, 최고온도가 A1 변태점 이하로 머문 구간은 가속냉각으로 얻은 조직이 재가열된다. 이 재가열 구간에서 미세한 조직이 회복되고 탄화물이 조대화하여 경도가 떨어진다. 이것이 연화의 본질이다.

연화 정도는 경도 시험으로 열영향부의 경도 분포를 측정하여 판단한다. 경도 분포도에서 모재보다 낮은 최저 경도 구간이 연화역이며, 이 구간의 폭과 최저값으로 연화의 크기를 비교한다.

아임계 열영향부는 최고온도가 A1 변태점 이하이고 가속냉각 조직이 재가열된 구간이다. 이 구간에서 연화가 나타난다.

템퍼링 효과는 변태점 이하의 가열로 조직이 안정화되면서 강도가 낮아지는 현상이다. 일반 용접에서는 재가열 템퍼링이 내부 응력 완화와 취성 감소에 쓰이지만, TMCP강에서는 강도 손실로 나타난다.

Nb의 경화능 효과는 용해된 Nb가 열영향부의 경화능을 높여 저인성 베이나이트 조직을 늘리는 작용이다. 이 경우 연화와 함께 열영향부 인성 저하가 나타날 수 있다.

소성 구속 효과는 연화역이 모재보다 낮은 경도를 보여도 주변 모재가 변형을 구속하여 이음 전체의 강도 저하가 제한되는 효과이다. 따라서 설계에서는 연화역 자체의 기계적 성질을 별도로 평가해야 한다.

연화는 용접 열사이클이 가속냉각 조직을 되돌리는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

용접구조물이 대형화되고 고층화되면서 후판의 사용이 늘었다. 후판에서는 보통강재보다 항복강도를 높이는 강재가 요구되었고, 이에 따라 TMCP강이 대형 구조물에 쓰이게 되었다. TMCP강은 두께 40mm 이상에서 보통강재보다 항복강도가 높아, 설계기준강도를 낮추지 않고 건축 구조물에 적용할 수 있다. 대표적인 적용처는 박스 기둥과 H형 기둥 같은 대형 빌딩의 기둥 부재, 그리고 강관 구조와 트러스 구조 같은 장스팬 부재이다.

선박 분야에서도 TMCP강의 사용이 확대되었다. 상선의 DH36 이상 등급 강재에서 TMCP강이 널리 쓰이며, 선상가열로 변형을 교정하는 과정에서도 재질 변화가 적다는 점이 장점으로 제시된다.

제조 단계의 열처리 공정이 생략된 강재이므로, 용접 열에 의한 조직 변화는 시공 단계에서 따로 관리해야 한다. TMCP강은 제조 공기를 줄이는 장점이 있지만, 용접 과정에서 가해지는 열은 제조 공정에서 만든 조직을 그대로 남겨 두지 않는다.