[열처리] 예열의 목적 및 설정 방법

예열의 목적 및 설정 방법

용접 전 예열 처리는 용접 열로 인해 재료의 경화 및 균열을 방지하고 용접 결함을 줄일 수 있습니다. 이러한 예열의 목적, 방법, 효과 등에 대해 정리했습니다.

1. 예열의 목적

예열의 목적은 주로 저온균열이 일어나기 쉬운 재료에 대하여 용접전에 피용접물의 전체 또는 이음부 부근의 온도를 올리고 용접하여 용접부의 냉각 속도를 늦추어 열영향부의 경도를 낮추고 인성을 증가시킴과 동시에 수소의 방출을 용이하게하여 저온균열을 방지하며, 또한, 용접부의 기계적 성질을 향상시키고 경화조직의 석출을 방지시키며, 변형과 잔류응력의 완화에도 큰 목적을 가진다.

① 용접부와 인접 모재의 수축응력 감소를 위해, 특히 구속된 이음의 경우에 꼭 필요하다.

② 모재가 가열된 후 임계온도(연강 871～719℃)를 지나 냉각될 때 냉각속도를 느리게 해줌으로써 모재의 열영향부와 용착금속의 경화를 방지하고 연성을 높여 주기 위해 예열한다.

③ 약 200℃의 범위를 통과하는 시간을 지연시켜 용접금속의 수소성분이 달아날 여유를 주어 비드 밑균열을 방지한다.

예열은 모재의 화학성분, 두께, 구속여부, 용접입열, 주위온도 등에 따라 다르다.
일반적으로 탄소성분이 높을수록 임계점에서의 냉각속도가 빠르므로 더욱 예열이 필요하다.

2. 용접 균열의 발생

① 재료의 두께가 두꺼울 때(통상은 25mm를 기준 하나 규격에 따라 다르다.) 용접이 시작되는 부분에서는 재료가
열팽창으로 부피가 늘어나고, 냉각되면 다시 수축을 하므로 수축 과정에서 균열이 발생할 가능성이 생긴다.

② 용접하고자 하는 용접부 주위의 온도가 0℃ 이하이면 용접 아크의 높은 열이 재료에 닿게 되면 상기 설명과 비슷한 이유에서 균열이 발생한다.

③ 재료의 성분이 경화성이 높은 성분, 즉 Cr, Ni, Mo, Mn 등이 비교적 많거나, 탄소 성분량이 0.3%를 초과하는 경우에는 용접시에 경화(硬化) 되기 쉽고, 경화된 용접부는 균열이 일어나기 쉽다.

④ 용접부의 용접에 의한 가열 및 냉각 과정에서 용접부가 팽창과 수축을 하게 되나, 이 팽창 수축을 구속하고 있는 구조물은 균열의 가능성이 높다.

3. 예열의 효과

① 예열에 의해 용접부의 온도 분포, 최고 도달 온도 및 냉각속도가 변한다.

② 예열하면 온도 분포가 완만하게 되어 열응력의 감소로 변형과 잔류응력의 발생이 적다.

③ 냉각 속도는 예열로 느려지지만, 비교적 저온에서 큰 영향을 준다.

④ 냉각 시간이 길 경우 수소의 방출, 경도 저하, 구속력 저하로 균열 발생이 적게 된다.

4. 예열 방법

① 연강에서도 판 두께 25mm 이상에서는 0℃ 이하로 용접하게 되면 저온 균열이 발생하기 쉬우므로 이음부의 양쪽에 약 100mm 폭을 50～75℃로 가열한 후 저수소계 용접봉을 사용하여 용접.

② 다층 용접일 경우에는 제 2 층 이후는 앞층의 열로 모재가 예열한 것과 동등한 효과를 얻기 때문에 예열을 생략할 수도 있다.

③ 주물, 내열 합금 등은 용접 균열을 방지하기 위해서 예열을 이용하고 있으며, 후판, 알루미늄합금, 구리 또는 구리합금 등과 같이 열전도도가 큰 것은 이음부의 열집중이 부족하여 융합 불량이 생기기 쉬우므로 200～400℃ 예열이 필요하다.

④ 25mm 이상의 연강후판이나 저합금강, 강인강, 마르텐사이트계 스테인리스강 등 열영향부가 급랭 경화하여 비드 밑 균열이 생기기 쉬운 재료에서 재질에 따라 50 ~ 350℃ 정도로 용접 홈을 예열한 후 용접한다.

5. 탄소 당량(Ceq, Carbon Equivalent)

원소들의 경화능 (이것이 높으면 Bead 밑 균열을 발생시킴)을 탄소함유량의 효과로 환산 한 것이며 강재의 용접시, 예열 및 층간 온도로서 Bend 밑 균열을 피할 수 있으므로 용접에서의 탄소당량은 바로 이 예열 및 층간 온도 설정의 기준이 된다.

※ Ceq 공식
- 주철의 탄소 당량(Ceq)
Ceq = C+Mn/6+(Si+P)/3
- 탄소강의 탄소당량
Ceq = C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 ☜ BS 2642 및 ITW(국제 용접 협회)기준
Ceq = C+Mn/4+Ni/20+Cr/10+Cu/40+Mo/50+V/10 ☜ 미국 용접학회 기준