용접후열처리

왜 배우는가: 용접후열처리는 용접 잔류응력과 열영향부의 조직 변화가 구조물의 안전성과 수명을 좌우하기 때문에 중요하다. 수소제거, 응력제거, 재열균열 등 관련 물음과 함께 여러 교시에 걸쳐 반복해서 나오는 핵심 개념이다.

출제 이력: 제137회 4교시 1번, 제126회 3교시 1번, 제108회 3교시 2번, 제102회 4교시 1번, 제99회 4교시 1번, 제96회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

용접후열처리는 용접이 끝난 뒤 용접부와 열영향부를 변태점 이하 온도에서 규정된 속도로 균일하게 가열하고, 일정 시간 유지한 후 규정된 속도로 균일하게 냉각하는 열처리이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 용접후열처리(PWHT): 용접 완료 후 실시하는 열처리의 총칭이다.
• 잔류응력: 용접 냉각 과정에서 구조물 내부에 남는 응력이다.
• 열영향부(HAZ): 용접열로 조직과 성질이 바뀐 모재 부분이다.
• 변태점: 강의 조직이 변하기 시작하는 온도이며, 후열처리 온도의 상한 기준이다.
• 응력완화: 고온에서 항복 응력이 낮아져 잔류응력이 소성 변형으로 풀리는 현상이다.
• 수소제거 열처리: 용착금속 속 잔류 수소를 밖으로 빼내기 위한 저온 가열이다.
• 응력제거 열처리: 잔류응력을 줄이는 것을 주 목적으로 하는 후열처리이다.
• 유지 시간: 규정 온도에 도달한 뒤 그 온도를 유지하는 시간이다.

2. 개념 풀이

용접후열처리는 용접부의 성능을 개선하고 잔류응력의 유해한 영향을 없애기 위해 실시하는 열처리이다. 가열 온도는 변태점 이하로 제한한다. 변태점 이상으로 가열하면 조직이 다시 변태하여 열처리 목적과 무관한 조직이 생기기 때문이다. 따라서 후열처리는 조직을 새로 만드는 담금질과 달리, 조직을 유지한 채 응력과 경도를 낮추는 열처리로 이해해야 한다.

용접 중에는 용융부와 주변 모재 사이에 큰 온도 구배가 생긴다. 냉각할 때 용접부가 수축하려 해도 주변 모재가 이를 구속하므로 잔류응력이 남는다. 두께가 두꺼울수록 구속이 커져 잔류응력이 설계 응력을 넘을 수 있다. 이 상태에서 재료를 가열하면 항복 응력이 낮아져 응력이 소성 변형으로 풀리는데, 이것이 응력완화이다. 응력완화의 정도는 가열 온도와 유지 시간에 따라 달라진다.

용접 열은 열영향부의 경도를 높이고 인성과 연성을 떨어뜨린다. 후열처리는 이렇게 경화된 조직을 연화시켜 경도를 낮추고 인성과 연성을 설계 요구 수준으로 회복시킨다. 따라서 후열처리는 응력 문제와 재질 문제를 함께 해결하는 열처리이다. 용접후열처리의 핵심은 변태점 이하에서 가열해 잔류응력과 경도를 함께 낮추는 데 있다.

후열처리의 조건은 가열 속도, 유지 온도와 시간, 냉각 속도의 세 가지로 구성된다. 가열과 냉각 속도를 제한하는 이유는 두께 방향의 온도 차이로 새로운 열응력이 생기는 것을 막기 위해서이다. 유지 온도와 시간은 응력완화와 연화가 충분히 일어나도록 정한다.

용착금속에 남은 수소는 저온 후열로 제거한다. 용접 완료 직후 관련 기준이 정한 저온 범위에서 가열하는 후열이 수소 제거에 유효하다. 이 저온 후열은 잔류응력을 줄이는 응력제거 열처리와 목적이 다르므로 구분해야 한다. 온도와 시간은 재질과 두께별로 WPS 및 WPQ에 따라 정하는 것이 원칙이다.

3. 등장 배경과 필요성

용접은 국부 가열과 급랭을 반복하므로 구조물에 잔류응력과 조직 변화가 함께 남는다. 강재가 두꺼워지고 구조물이 대형화·고강도화되면서 이 문제가 커졌다. 압력용기, 보일러, 공기 탱크 같은 고압 설비는 잔류응력이 설계 응력을 넘으면 균열이나 파괴로 이어질 수 있으므로 후열처리가 규정으로 요구된다.

후열처리의 필요성은 크게 세 가지로 정리한다. 첫째, 잔류응력을 줄여 황화수소 환경에서 생기는 응력부식균열을 막는다. 둘째, 열영향부의 경도를 낮춰 취성 균열의 위험을 줄인다. 셋째, 수소를 빼내 수소 유기 균열을 줄인다. 이 밖에 크리프 특성 개선, 피로강도 개선, 형상과 치수의 안정 등이 효과로 얻어진다.

고강도강 용접부는 확산성 수소가 남으면 지연균열이 생길 수 있다. 따라서 용접 직후 수소를 빼내는 조치가 용접 품질 확보의 기본이 된다. 후열처리는 이 수소 관리와 잔류응력 관리를 함께 담당하는 공정이다.

후열처리가 항상 유리하지는 않다. 저합금강에서는 500~700℃ 구간에서 재열균열이 주로 발생한다. 재열균열은 후열처리 중에 생길 수 있으므로 온도와 재질의 조합을 함께 선정해야 한다. 재열균열은 HAZ 조립역의 입계에서 시작하며, P, S, As, Pb 같은 불순물이 많을수록 발생 가능성이 커진다.