용접열 영향부 (HAZ) 의 개요, 조직 및 영향

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1. 개요

용접열 영향: 용접부의 바깥쪽에 열 영향부가 형성되어 용접열에 의하여 모재가 직접 열처리를 받는 것과 같은 현상

HAZ는 용접열 또는 절단열에 의하여 금속 조직과 기계적 성질이 변화하나 용융되지 않은 모재의 부분이며 용융점에서부터 광범위한 열 영향을 받는 곳이라고 정의 할 수 있다.

 

2. 용접열 영향부(Heat Affected Zone)

(1) 용접열 영향의 개요

1) 용접열 영향의 개요

용접열 영향부 (Heat Affected Zone)

• 탄소강 또는 저합금강의 Arc 용접 등 열을 이용한 용접 시 용접 금속의 바깥면 수 mm 구역에서 용접열 영향부(HAZ)가 형성되며, 이 열 영향부는 용접열에 의해 모재가 이른바 열처리를 받는 것과 동일한 기계적 성질을 보인다.
• 열 영향부는 용융점에서부터 광범위한 온도의 영향을 받으며 복잡한 구조이고, 고온가열범위는 조직의 범위가 커서 모재와 명확히 구별된다.
• 열 영향부의 기계적 성질과 조직의 변화는 모재의 화학적 성분, 냉각 속도, 용접 속도, 예열 및 후열 등에 따라 달라지므로 변질부라고도 한다.
• 다음은 탄소강에 있어서, 용접열 영향부의 최고 도달 온도와 Fe-C 평형상태도를 비교한 그림으로 용접부의 위치에 따라 조직이 세분화된다.

용접열 영향부 조직 및 특성

• 용착 금속부(1500 도씨) : 용융 응고한 부분으로 수지상(Dendrite) 조직을 나타낸다.
• 본드부(1400 도씨) : 모재의 일부가 녹고 일부는 고체인 상태로 용융점, 또는 응고 온도까지 가열되어 용접 금속과 열 영향부 사이를 원소가 이동 확산한 부분으로 균열 발생 등 야금학적 문제가 많이 발생하는 부분이다. 용접금속과 열열향부의 경계에 형성되며 아주 거친 위드만 조직
• 조립부(1100 도씨) : 1450~1250도씨 부근의 과열로 오스테나이트 결정립이 성장하여 조립화(거침)가 현저하다. 일부는 위드만 조직으로 나타나고 급냉경화함으로써 경도가 최대인 구역, 냉각과정에서 오스테나이트입계로부터 페라이트가 석출하고, 잔류 오스테나이트의 냉각속도에 따라 베이나이트 또는 마텐자이트로 변태.
• 미립부(세립부 900 도씨) : Ac3 변태 이상으로 가열되어 오스테나이트로 변태하지만, 최고 가열온도가 낮아 오스테나이트 결정립이 미세화에 의한균질화 조립역이다. 오스테나이트 결정립이 미세화하여 펄라이트로의 변태가 쉽고, 베이나이트 또는 마텐자이트변태는 억제된다. 재결정으로 인해 미세화되고, 인성이 크고, 물성치가 양호하다
• 입상 펄라이트( 700 도씨) : Ac1~Ac3 범위로 가열되어 펄라이트 일부가 오스테나이트로 변태한 후, 냉각과정에서 다시 펄라이트화하여 형상이 구상화되는 영역이다. 급랭시 마텐자이트 생성되고, 인성이 저하된다
• 취화부(준 열영향부 500 도씨) : 현저한 조직변화 발생부로 열응력 및 석출에 의한 취화가 발생한다. 기계적 성질이 변화(취화)하나 현미경 조직검사로는 거의 변화가 없는 구역
• 원질부( 200~상온) : 용접열을 받지 않은 원소재 부분

(2) 열 영향부의 기계적 성질

1) 경도의 증가

• 일반적으로 본드부에 인접한 조립부의 경도가 가장 높고, 이 값을 최고 경도값이라 하며, 용접난이의 척도가 됨
• 최고 경도치는 일반적으로 냉각속도에 비례하며, 냉각속도가 증가할수록 경도 역시 증가함
• 냉각조건이 일정하면 강재성분으로 나타나며, 등가 탄소량 또는 탄소당량을 사용하면 편리함

2) 인성 및 연성의 저하

• 조립부의 신율이나 인성은 현저히 조하한다 (마텐자이트의 생성 원인)
• 인성과 연성 저하의 측정은 열 사이클의 재현시험으로 간접적으로 측정이 가능하다.

3) 조직의 취화

• 본드 부에 근접한 조립부에 제 1단의 충격치 골짜기가 있고, 미립부(세립부)는 강도가 증가하나, 취화부에서 다시 충격적인 제2단의 골짜기가 존재한다.
• 취화부는 가열 온도가 낮아서 조직 변화는 발생하지 않지만, C나 N의 석출 현상에 의해 소입시효(변형시효)에 의한 취화가 발생한다.
• 담금질 또는 뜨임한 고장력 강은 용접 열에 의해 취화부 보다 조립부의 충격치가 현저히 낮아진다.
• 조립부의 충격치는 냉각 속도가 클수록, 마르텐사이트가 증가할수록 높아진다.

3. 용접열  영향부 재질 개선 방안

• 적절한 용접봉 선택
• 예열 및 후열처리
• 탄소당량에 의한 최고 경도값 추정 및 사전 용접 모재의 특성에 따른 용접 입열량 등을 고려한 냉각속도 및 시간관리
• 연속냉각곡선을 이용하여 상변태를 사전에 예측한 냉각방법 선정

4. 결론

용접열 영향부는 용융점에서부터 광범위한 온도의 변화 영향을 받는 복잡한 구조이며, 용접결함의 대부분이 열 영향부에서 발생을 하므로 우수한 품질을 확보하기 위해서는 용접열 영향부의 조직 및 특성을 숙지하여야한다.