용접 전에 모재를 예열하는 경우가 많습니다. 구체적인 이유는 무엇인가요?
결론부터 말씀드리겠습니다. 주요 이유는 두 가지입니다.
첫째는 용접부의 잔류 응력을 줄이는 것이고, 둘째는 용접부의 경화 구조 형성을 줄여 용접 중 냉간 균열 발생을 감소시키는 것입니다.
우리는 이 결론을 어떻게 이해할 수 있을까요?
예를 들어 설명해 드리겠습니다. 운동 전에 우리는 보통 워밍업을 하는데, 주로 근육과 관절을 스트레칭하여 운동 중 근육통을 예방하기 위해서입니다.
사실, 저희가 사용하는 강철도 용접 전에 몇 가지 준비 운동이 필요합니다. 예열은 좋은 준비 운동 중 하나입니다.
일반적으로 강철은 공장에서 출고되기 전에 관련 열처리를 거칩니다. 그러나 열처리 후에도 강철에는 잔류 응력이 남아 있습니다. 따라서 용접 전에 강철을 예열하면 이러한 잔류 응력을 최소화할 수 있습니다.
공학에서는 이러한 잔류 응력을 구속 응력이라고 하는데, 본질적으로는 같은 의미입니다.
용접 냉간 균열의 주요 원인은 구속 응력, 경화 구조, 그리고 확산성 수소 함량의 세 가지입니다.
구속 응력은 영향을 미치는 요인 중 하나입니다.
두 번째 측면은 방금 논의했듯이 경화 구조물의 형성을 줄이는 것입니다.
마르텐사이트는 전형적인 경화 구조이며, α-철에 탄소가 과포화된 고용체입니다. 마르텐사이트는 또한 판상 마르텐사이트와 침상 마르텐사이트로 나뉩니다.
일반적으로 판상 마르텐사이트는 상대적으로 우수한 물성을 가지는 반면, 침상 마르텐사이트는 물성이 떨어집니다. 하지만 여기서는 자세히 다루지 않겠습니다. 마르텐사이트에 대해서는 나중에 기회가 되면 논의해 보도록 하겠습니다.
하지만 용접 시에는 용접 부위에 마르텐사이트가 형성되는 것을 피해야 합니다.
위 이미지를 보시면, 이 이미지는 공석강의 전형적인 등온 변태 곡선도입니다.
실제로 용접 시의 CCT 곡선은 훨씬 더 복잡합니다. 이해를 돕기 위해 마르텐사이트가 형성되는 과정을 설명하는 데 이 도표를 임시로 사용하겠습니다.
위 그림에서 V1부터 V5까지의 다섯 개의 선은 서로 다른 냉각 속도를 나타냅니다. V1은 기울기가 가장 작으므로 냉각 속도가 가장 느립니다. V5는 냉각 속도가 가장 빠릅니다. 그림 하단에는 Ms와 Mf라는 두 개의 곡선이 있습니다. Ms는 마르텐사이트 변태가 시작되는 온도 곡선으로, 일반적으로 약 230도 부근입니다. Mf는 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도 곡선입니다.
마르텐사이트 형성 확률은 냉각 속도에 따라 달라집니다. V5는 가장 빠른 냉각 속도를 나타내며, 마르텐사이트가 생성될 가능성이 가장 높습니다.
따라서 용접 전에 강재를 예열하면 용접 온도가 상승합니다. 이는 용접부의 냉각 시간을 연장시켜 냉각 속도를 늦추고 결과적으로 마르텐사이트 형성 가능성을 감소시킵니다.
이것이 바로 용접 전에 예열이 필요한 주요 이유 중 하나입니다.
그렇다면 예열 온도가 높을수록 항상 좋은 걸까요? 물론 아닙니다!
예열 온도가 너무 높으면 용접부의 냉각 시간이 길어집니다. 특히 800~500도 사이의 온도 범위에서 냉각 시간이 너무 길어지면 결정립 성장이 더욱 두드러지게 나타납니다.
용접부의 강도와 경도가 크게 저하될 수 있으므로 예열 온도가 너무 높아서는 안 됩니다.