고온균열, 저온균열의 원인 및 방지책

1. 고온균열과 저온균열의 분류

구분	형태(종류)	발생위치	원인	대책
저온균열	세로균열	열 영향부, 용착금속	- 확상성 수소 - 강재의 경화성 - 구속도 - 응력집중	- 예열 및 후열(PWHT) - 저수소계 용접재료 사용 - 용접재료 건조
	가로균열	열 영향부, 용착금속	- 확상성 수소 - 강재의 경화성 - 용접선에 직각방향의 구속력
	비드 밑 균열	열 영향부	- 확상성 수소 - 강재의 경화성 - 언더컷 등 형상적 불연속에 의한    응력집중
	토우 균열	열 영향부	- 확상성 수소 - 강재의 경화성 - 용접 금속의 수축에 의한 응력집중	- 예열 및 후열(PWHT) - 저수소계 용접재료 사용 - 용접재료 건조 - 비드길이 증대 - 가접 등에 의한 각변형 억제
	각 변형 균열	열 영향부	- 언더컷 등 형상적 불연속에 의한    응력집중 - 뒷면 용접 등에 의한 각 변형	- 토우부의 정형 - 적절한 용접 순서
	층상 균열	모재, 열영향부, 용착금속	- 두께 방향의 연성저하 - 두께 방향에 작용하는 수축응력 - 뒷면 용접에 의한 각 변형 - 확산성 수소 - 강재의 경화성	- 강재 중 개재물의 저감 - 적정 용접 방법 선정 - 예열 및 후열(PWHT) - 저수소계 용접재료 사용 - 용접재료 건조
고온균열 (응고균열)	입계 Micro 균열	열영향부, 용착금속	- 인, 황 등 불순물의 입계 석출 - 1,000 ℃ 부근에서의 구속도	- 강재 중 개재물의 저감
	크레이터 균열	용착금속	- 크레이터 중심부에 불순물 석출 - 수축에 의한 기공	- 크레이터 처리
	응고 균열	용착금속	- 저융점 불순물의 편석	- 용접조건 선택에 의한   비드단면 형상 조정

• 탄소 당량의 증가 : 용접부 경화도의 증가에 따라 조직의 취화가 발생한다.
• 확산성 수소량의 증가
• 열 영향부의 수소농도 증가에 따라 지연 균열이 발생한다. (용접부가 구속된 경우, 잔류 응력 증가에 따라 용접부의    경화도와 확산성 수소의 영향이 상승 작용하여 균열이 쉽게 발생한다.)

 

2. 저온균열(수소유기균열)

저온균열은 용접 금속의 응고시 또는 응고 이후 약 200℃ 부근에서 주로 발생한다.

 

1) 특성

(a). 발생온도 및 시간

• 고장력강의 용접부에서 쉽게 발생(200 ℃)하고, 시간의 경과에 따라 전파되는 지연균열의 형태
• 주로 응력과 융착금속의 확산성 수소에 의한 지연균열이며, 용접 후 수분에서 수일 후 주로 발생한다.

(b). 발생형태 및 위치 // 상기 표 참조

 

(c). 주요 발생 강종

• 연강에서 발생하지 않고, 주로 페라이트 및 오스테나이트 강에서 나타남.
• 모재의 탄소량(C)이 증가할수록, 용착 금속 중 망간(Mn) 함량이 증가할수록 쉽게 발생함.

2) 발생원인

- 저온균열 발생인자 : 경화가 쉬운 강재(마르텐자이트로 변태), 빠른 냉각속도, 수소 취화, 구속 조건

 

- 저온균열을 발생하는 주원인 3요소

 

  (a). 확산성 수소

         Arc 용접시 용접부에 잔류하는 확산성 수소에 의해 발생

  (b). 경화된 조직

        일반적으로 마르텐자이트의 생성이 쉬운 재료와 냉각 속도가 빠를수록 수소 유기 균열에 민감하여 저온균열을 발생 

  (c). 잔류응력 

        용접 열 변형 방지를 위한 구속에 의해 발생하며, 용접부 잔류응력은 거의 항복강도 수준까지 올라갈 수 있으며,

        항복강도를 넘어서게 되면 균열로 성장한다.

   

• 주원인 3요소가 동시에 한계치 이상으로 용접부에 존재할 떄 저온균열이 발생하며, 이들 요인 중 하나라도                  한계치 이하로 제어한다면 균열은 발생하지 않는다.

 

3) 방지책

(a). 확산성 수소의 제어

• 극 저수소계 용접봉을 사용하고, 예열/후열 열관리, 청결, 습기제거, 대기와의 차폐 실시

(b). 경화조직 및 구속도

• 용접 입열을 적게하고, 구속도를 저감한다.
• 균열 감수성 조성(Pcm) 및 탄소당량(Ceq)이 낮은 적절한 모재와 저강도의 용접재료를 선택한다.
• 국부 수소농도(②)와 국부 응력(①)을 적게하거나, 발생 한계곡선(③)을 상승시킨다.

< 저온균열 방지 곡선 >

 

3. 고온균열

주로 화학성분의 조성에 기인하며, 용접 금속의 열영향부 및 부분 용융역에서 발생한다.

• 고온균열은 응고시 수축응력에 의한 변형 때문에 입계균열되며, 응고균열(550℃이상)이 대부분이다.
• 특히, 알루미늄합금, 동합금, 오스테나이트계, 스테인리스강 등 열팽창 계수가 큰 재료는 용접변형이 심하며 용접 응고시에 용접부나 열영향부에 고온균열이 발생하기 쉽다.

 

1) 종류

    (a). 편석 균열 : 응고 취성 온도범위에서 입계 편석막이 원인이 된다.

    (b). 연성 저하 균열 : 고상선 이하(재결정 온도보다 약간 높은 온도)에서 재결정에 따른 새로운 결정립계의                                연성 저하 현상이 원인

 

2) 원인

    (a). 불순물 및 비금속 개재물의 편석 : 황, 인 등이 적열취성 발생인자로 작용한다.

    (b). 용접부 형상 : 입열량이 큰 비드 형태는 용착 금속의 결정립을 조대화시켜 결정 입자의 편석을 일으키기 쉽다.

    (c). 외부 구속 : 용착금속과 모재에 의한 자체의 구속과 외부 지그에 의한 구속으로 인해 균열이 발생한다. 

 

3) 방지책

• 고온균열 발생 유발 불순물(황, 인)의 화학성분을 최소화한 용접봉을 사용하고, 용접전 용접부를 깨끗이 한다.
• 황, 인에 의한 적열취성은 망간을 첨가하여 황화망간화로 방지한다.
• 저수소계 용접봉으로 수동용접 시행
• 입열량을 낮게하여 조대화 및 편석을 방지한다.
• 이음부 형상 고려, 적층법 시행으로 구속 응력의 발생을 최소화한다.