용접균열 종류

왜 배우는가: 용접균열은 용접 결함 가운데 구조물 파괴로 직결되는 대표 결함이며, 종류와 발생 기구를 묻는 문항이 여러 회차에 걸쳐 반복해 출제되었다. 고온균열, 저온균열, 재열균열, 라멜라티어의 발생 온도와 원인을 구분해 알아야 답안의 뼈대를 잡을 수 있다.

출제 이력: 제119회 3교시 3번, 제102회 3교시 1번, 제98회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접균열은 용접부에 생기는 금속 파단 결함으로, 발생 온도와 기구에 따라 분류된다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 발생 온도에 따른 분류를 제시하면 종류와 발생 기구를 묻는 문항의 요구를 한 흐름으로 충족한다. 균열은 발생 위치와 방향, 발생 시점에 따라서도 나뉘지만, 채점에서는 발생 온도 기준의 분류가 기본 골격이 된다. 키워드는 다음과 같다.

• 용접균열
• 고온균열
• 응고균열
• 액화균열
• 저온균열
• 재열균열
• 라멜라티어
• 크레이터균열

2. 개념 풀이

용접균열은 용접 중 또는 용접 후에 용접금속이나 열영향부의 금속 결합이 끊어져 생기는 균열을 말한다. 원리는 세 요소가 함께 작용하는 것으로 설명된다. 첫째, 용접부는 가열과 냉각에 따른 열팽창과 열수축으로 인장 응력을 받는다. 둘째, 구조물의 구속과 강성이 이 수축을 막아 응력을 키운다. 셋째, 재료가 연성이 낮거나 불순물과 수소로 취약해져 있으면 그 응력을 견디지 못하고 파단된다. 이 세 요소가 겹칠 때 균열이 발생할 가능성이 가장 높아진다.

균열을 발생 온도로 나누면 크게 고온에서 생기는 고온균열과 상온 부근에서 생기는 저온균열로 구분된다. 여기에 용접 후 열처리나 재가열 중에 생기는 재열균열이 더해지고, 강재 두께 방향의 층상 찢어짐인 라멜라티어가 별도 항목으로 다뤄진다.

고온균열은 금속이 고상선 부근의 고온에서 연성이 거의 없는 상태로 결정립 경계를 따라 갈라지는 균열이다. 황과 인 같은 불순물이 결정립 경계에 편석되면 저융점 액막이 생기는데, 이 액막이 수축 응력을 받아 분리되면 균열이 된다. 따라서 고온균열의 주원인은 불순물의 편석과 구속에 의한 수축 변형이다.

고온균열은 발생 위치에 따라 응고균열과 액화균열로 세분된다. 용접금속의 최종 응고부에서 생기는 것은 응고균열이고, 열영향부나 다층 용접의 앞선 패스에서 저융점 상이 다시 녹아 생기는 것은 액화균열이다. 다층 용접 부위에서 연성이 떨어져 나타나는 연성저하균열도 고온균열의 한 형태로 분류된다.

크레이터균열은 용접 종단부의 크레이터에서 아크를 급히 끊을 때 용융지가 급랭하고 수축하면서 생기는 얕은 고온균열이다. 한 개 또는 별 모양으로 나타나며, 종방향으로 뻗어 용접 비드 방향의 균열로 이어질 수 있다.

저온균열은 용접부가 상온 부근까지 냉각된 뒤에 생기는 균열이다. 확산성 수소가 열영향부의 경화된 조직에 모여 취약해지고, 여기에 구속 응력이 더해질 때 발생한다. 용접 직후가 아니라 시간이 지나 나타나는 지연균열 형태가 많으며, 수소가 주원인인 경우는 수소유기균열로 따로 구분한다. 저온균열은 고온균열과 달리 금속이 이미 고체 상태인 뒤에 생기므로 발생 시점과 원인이 다르다는 점을 답안에서 명확히 해야 한다.

재열균열은 용접 후 열처리나 후속 용접 패스의 가열로 잔류응력이 완화되면서, 그 과정에서 생긴 소성 변형이 열영향부 결정립계의 응력 집중부에 쌓여 생기는 균열이다. Cr-Mo강과 같은 저합금 강재와 고강도강에서 주로 나타나며, 불순물이 많거나 구속이 클수록 발생 가능성이 커진다.

라멜라티어는 압연 강판의 두께 방향으로 용접 수축 응력이 작용할 때, 강 내부의 황화물 개재물을 따라 층상으로 찢어지는 저온균열이다. 압연 방향에 수직인 두께 방향의 연성이 낮은 것이 원인이며, 주원인이 개재물이므로 황 함량을 낮춘 강재와 개재물 형상 제어가 방지의 핵심이다. 주조품이나 단조품으로 부재를 바꾸면 이 문제가 생기지 않는다는 점도 설명 근거로 쓸 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 선박, 플랜트, 교량, 압력용기처럼 대형 구조물을 접합하는 주된 공법으로 자리 잡았다. 접합부가 구조 강도를 좌우하므로 용접부 균열은 곧 구조 안전 문제로 이어지고, 그래서 균열의 발생 원인을 종류별로 구분해 관리할 필요가 생겼다. 균열은 한 가지 원인으로 생기지 않고 응력, 재료, 수소 등의 조합으로 생기므로, 원인별 발생 기구를 알아야 방지책도 정할 수 있다.

고강도강과 후판의 사용이 늘면서 균열에 대한 민감성은 더 커졌다. 강도를 높인 강재는 같은 용접 조건에서도 경화 조직이 생기기 쉽고, 두꺼운 판은 수축이 구속되어 잔류응력이 크게 남는다. 열처리를 거치는 Cr-Mo강 같은 내열 강종에서 재열균열이 문제가 된 것도 이런 구조적 조건 때문이다.