예열에서 가장 중요한 부분은 단순히 특정 온도에 도달하는 것이 아니라 용접이 완료된 후 전체 용접 영역의 냉각 속도를 늦추는 것입니다. 목표 온도는 필요하지만, 궁극적인 목표는 균열과 취성을 유발하는 열 충격을 줄여 강하고 연성이 있는 최종 용접부를 보장하는 것입니다.
예열은 근본적으로 열 제어 과정입니다. 주된 목적은 용융된 용접 풀과 주변 모재 간의 온도차를 최소화하여 취성 미세 구조의 형성을 방지하고 잔류 응력을 줄이는 것입니다.
핵심 원칙: 냉각 속도 제어
특정 재료에 대한 용접의 성공 또는 실패는 종종 냉각 속도에 달려 있습니다. 예열은 이 속도를 제어하는 주요 도구입니다.
급속 냉각이 적(敵)인 이유
용접할 때 수천 도의 온도를 가진 용융 금속 영역이 주변 모재보다 훨씬 뜨겁게 생성됩니다.
주변 금속이 차가우면 거대한 열 흡수원처럼 작용하여 용접부의 열을 매우 빠른 속도로 빼앗아 갑니다. 이러한 급속 냉각, 즉 담금질(quenching)은 균열에 매우 취약한 단단하고 취성 있는 결정 구조(탄소강의 마르텐자이트와 같은)를 만들 수 있습니다.
예열이 속도를 늦추는 방법
용접을 시작하기 전에 모재를 가열하면 용접 풀과 모재 사이의 온도차가 크게 줄어듭니다.
이 온도 구배가 작아지면 열이 훨씬 더 느리게 발산됩니다. 느리고 제어된 냉각 과정은 더 단단하고 연성이 높은 미세 구조가 형성되도록 하여 용접 후 균열 위험을 극적으로 줄여줍니다.
열 응력 및 변형 감소
예열은 기계적 힘을 관리하는 데도 도움이 됩니다. 넓은 영역을 가열하면 용접 시작 전에 모재가 팽창합니다.
용접부와 예열 영역이 함께 냉각되면서 더 균일하게 수축됩니다. 이는 불균일한 수축으로 인해 축적되는 내부 응력을 최소화하며, 이는 변형 및 응력 관련 균열의 주요 원인입니다.
성공적인 예열을 위한 핵심 요소
원하는 느린 냉각 속도를 달성하려면 금속에 토치를 비추는 것 이상의 노력이 필요합니다. 다음의 중요한 요소에 집중하세요.
균일한 온도 달성
가장 흔한 실수는 점 가열(spot heating)입니다. 즉, 바로 용접 이음매만 가열하는 것입니다. 이는 비효율적이며 응력을 증가시킬 수도 있습니다.
용접 이음매의 모든 면에서 넓은 영역을 가열해야 합니다. 목표는 열이 재료의 전체 두께를 관통하는 균일한 "침투(soak)"입니다. 작은 부품의 경우 오븐이 이상적입니다. 더 큰 구조물의 경우, 뜨거운 지점을 피하기 위해 지속적으로 쓸어내리는 동작으로 큰 가열 토치를 사용하세요.
적절한 온도 결정
필요한 예열 온도는 단일 숫자가 아닙니다. 이는 재료의 야금 특성 및 두께에 전적으로 달려 있습니다.
강철의 탄소 함량, 합금 유형, 부품 두께와 같은 요소가 필요한 온도를 결정합니다. 주철 조각에는 120°C(250°F)의 예열이 충분할 수 있지만, 두꺼운 고강도 합금강 섹션에는 250°C(500°F) 이상이 필요할 수 있습니다. 항상 재료 사양 또는 용접 절차 사양(WPS)을 참조하세요.
패스 간 온도 유지
여러 번의 용접 패스가 필요한 용접의 경우 예열 온도를 유지해야 합니다. 이를 패스 간 온도(interpass temperature)라고 합니다.
각 패스 사이에 부품을 냉각시키는 것은 예열의 목적 전체를 무산시키는 것입니다. 전체 과정에서 냉각 속도가 느리고 제어된 상태로 유지되도록 각 후속 비드를 놓기 전에 온도를 확인해야 합니다.
상충 관계 및 위험 이해
필수적이지만, 예열은 올바르게 수행되어야 합니다. 부적절한 적용은 그 자체로 문제를 야기합니다.
예열 불충분의 위험
이것이 가장 흔한 실패 원인입니다. 예열이 부족하거나 너무 좁은 영역을 가열하면 균열을 방지할 만큼 냉각 속도를 충분히 늦추지 못합니다. 용접부가 수소 유발 균열에 취약한 상태로 남아 있는 동안 잘못된 안정감을 제공합니다.
과열의 문제점
많다고 항상 좋은 것은 아닙니다. 특정 재료에 대해 권장되는 예열 온도를 초과하면 미세 구조가 손상되어 강도나 인성이 손실될 수 있습니다. 과열은 과도한 결정립 성장을 유발하거나 이전 열처리로 부여된 특성을 변경할 수 있습니다.
용접에 적용하는 방법
취하는 조치를 안내하기 위해 예열의 근본적인 목표에 집중하세요.
- 주철 또는 고탄소강에서 균열 방지가 주된 목표인 경우: 느리고 균일한 냉각을 달성하는 데 집중하세요. 여기에는 용접 후 부품을 열 담요로 감싸 냉각 속도를 더욱 늦추는 것이 포함될 수 있습니다.
- 두꺼운 재료 섹션 용접이 주된 목표인 경우: 열이 부품 전체 두께를 완전히 "침투"하여 균열을 유발하는 내부 응력을 줄이도록 하세요.
- 대형 어셈블리에서 변형 최소화가 주된 목표인 경우: 이음매 주변의 넓고 균일한 영역을 가열하여 열 팽창과 후속 수축의 균형을 맞추는 데 우선순위를 두세요.
예열이 냉각 속도를 제어하는 것임을 이해함으로써 규칙을 따르는 것에서 용접 공정을 마스터하는 단계로 나아갈 수 있습니다.
요약표:
| 주요 예열 목표 | 중요한 이유 | 핵심 조치 |
|---|---|---|
| 냉각 속도 늦추기 | 취성 미세 구조 및 균열 방지. | 넓은 영역에 걸쳐 균일한 온도 달성. |
| 열 응력 감소 | 변형 및 내부 응력 균열 최소화. | 용접 이음매 모든 면에 넓은 영역 가열. |
| 패스 간 온도 유지 | 다층 용접에 대한 일관된 냉각 제어 보장. | 후속 용접 패스 전에 온도 모니터링. |
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