용접 크랙(Weld Cracking)의 이해

용접 균열을 방지하기 위해 가장 좋은 방법은 그 원인을 예방하고 해결책을 찾는 것입니다.

먼저 고온 크랙(Hot crack)과 저온 크랙(cold crack)을 이해하는 것이 좋습니다.

 

 

다른 용접 결함처럼(기공, 언더컷) 용접 크랙은 용접부의 강도를 위태롭게 하고 시간 및 비용 문제의 원천으로 좌절적 상황에 처하게 됩니다. 만약 긴급한 납기와 계약의 공사 공정 중에 발생한다면 공사 지연으로 비즈니스에 큰 영향을 주게 될 것입니다.
다른 용접 공정과 같이 용접 크랙의 최선의 방어책은 그 원인과 예방책을 이해하는 것입니다.
먼저 크랙을 고온 크랙과 저온 크랙으로 나누어 알아봅시다.

 

 

고온 크랙(Hot crack)

고온 크랙은 1000 deg F (538 ℃ ) 초과하는 온도에서 일어나며 용접부가 응고된 후 거의 즉시 발생합니다.

 (응고 직후 아직 연성이 부족한 용착 금속에서 수축 응력의 당기는 힘으로 균열이 발생하며 주로 필렛 용접부와 크레이터에 자주 발견됩니다.)

 

 

고온 크랙의 일반적인 3가지 형태가 있습니다.
  1. 편석(segregation)
  2. 비드 형상(bead shape)
  3. 크레이터 크랙(crater cracking)

 

편석 균열(segregation crack)

편석 균열(segregation crack)은 용접부 중앙을 관통하며 발생하는 중앙의 균열입니다. 용접부가 굳은 후에 용접부 중앙에 저 융점의 성분들이 집중되면서 생기는 결과입니다. 이 편석 균열은 용접 금속이 높은 황(sulfur)과 인(phosphorous) 함량을 가질 때 흔합니다. (아연 도금이나 갈바 도장, 도장되거나 프라이머 처리된 자재와 같은)

 

 

이러한 편석 균열을 방지하기 위한 몇 가지 방법이 있습니다.

 

  1. 낮은 잔여 황과 인 함량을 가지는 자재를 발주 (0.05 % 아래로)
  2. 용접 동안에 입열량을 감소시켜야 합니다. 그것은 편석이 발생할 시간을 완화시켜 줍니다.
  3. 깊이와 너비 비율이 너무 커서 좁지 않도록 하기 위하여 조인트 설계를 수정해야 합니다.
  4. 용접부의 각목 두께를 더 용접하거나 덜 오목하지 않게 작업합니다.

 

비드 형성 크랙(bead shape cracking)

다음의 고온 크랙은 fit-up이나 조인트 설계 문제의 결과인 비드 형성 크랙(bead shape cracking)입니다.
좋지 못한 fit-up은 더 얇은 목 두께를 가지면서 더 폭이 넓은 용접부가 이러한 문제를 가지는 경향이 있습니다.

반대로 좋지 못한 설계는 보통 좁은 비드 너비와 깊이 비율(bead width-to-depth ratio)의 결과입니다. 둘 다의 상황에서 이러한 비드 형상은 용접부 중앙에 과도한 응력을 주어 크랙을 발생하게 합니다.

높은 전압의 용접도 크랙에 더 영향을 받는 오목 용접 비드의 결과를 초래합니다.

 

Bead shape induced cracking

 

비드 형상 크랙의 방지를 하기 위해 다음의 조치를 할 수 있습니다.

  1. 올바른 part-fit up과 조인트 설계

  2. 추천되는 올바른 용접 변수의 사용

  3. 용접 전압을 필요한 만큼 낮춰서 사용

  4. 폭넓은 위빙 테크닉을 피할 것 (오목 비드를 만들 우려가 큼).

     더 볼록한 용접 비드를 만들기 위해 weld drag angle를 사용

 

크레이터 크랙(Crater crack)

마지막으로 크레이터 크랙(Crater crack)을 방지하기 위해 크레이터에 더 두꺼운 두께를 제공하기 위해 뒤채움(backfill) 테크닉을 사용하여야 합니다. (크레이터 크랙은 용접 조인트의 1 pass를 완료하기 전에 용접 중단 시 발생함.) 이 테크닉은 아크를 소멸시키기 전에 용접부의 끝 부분의 공간을 채우기 위해 약간 후진하는 것을 말합니다. 또한 더 두껍게 tack weld를 용착 시키거나 crater를 채우기 위해 weld pass와 tack weld 사이에서의 공간을 채우는 것을 확실히 해야 합니다. 또한 올바른 fit-up은 크레이터 크랙을 방지합니다.

 

 

저온 크랙(Cold crack)

저온 크랙은 (또한 수소유기균열(hydrogen-induced)이나 열 영향부 균열(heat-affected zone (HAZ))으로도 부르는) 600 deg F (316 deg C) 밑에서 발생하고 용접부가 냉각된 후 수 시간이 지나도 나타나지 않습니다. 몇몇의 경우에는 수 일이 지난 후에 발생합니다. 대부분의 냉간 균열은 모재에서 시작하고 용접부를 횡방향으로 통과합니다. 이러한 현상은 큰 히트 싱크(heat sink)로 인한 가파른 냉각을 만드는 두꺼운 자재에 특히 흔하고 모재에서의 초래된 잔여 응력과 용접부에서의 확산된 수소의 결과입니다. 냉간 균열은 또한 높은 탄소와 합금 함량을 가지는 금속에 발생합니다. 이 자재가 더 강한 강도 특성이 있고 덜 연하기 때문입니다.

 

 

냉간 균열의 방지는 원초적으로 용접부에서의 잔여 응력과 수소를 감소시키는 데에 달려 있습니다. 수소는 대기 중의 수분, 용접봉, 보호가스, 모재에 묻어 있는 녹이나 스케일로 인하여 용접부에 침투할 수 있습니다. 또한 자재의 도료, 오일, 윤활유  탄화수소(hydrocarbon)을 통하여도 유입될 수 있습니다.

 

후퇴식(back stepping) 용접은 냉간 균열을 방지할 수 있는 하나의 방법이고 이것은 응력 완화의 형태로 작용합니다.
이 테크닉을 하기 위해 다음과 같이 하여야 합니다.
  1. 짧은 길이는 하나의 방향으로 용접할 것
  2. 마지막 용접부의 바로 전에 되돌아 갈 것
  3. 첫 번째 용접부의 시작에서 멈추며 weld pass를 반복

 

용접 전에 모재의 예열은 또한 냉각속도를 늦추고 용접부와 모재에 연성을 부여하는데 도움을 줘서 냉간 균열을 방지할 수 있습니다. PWHT(Post-weld heat treating) 또한 용접부에서 확산 수로를 빼내고 모재에서의 응력을 완화해서 도움을 줍니다. 냉간 균열의 다른 방법은 다음과 같습니다.

 

  1. 저수소계 용접봉을 사용할 것 (H4나 H8과 같은)
  2. 기본적인 슬래그 시스템의 용접을 사용 ( 이것은 수소 포집제의 역할을 합니다.)
  3. 용접봉을 사용하기 전까지 깨끗하고 건조하게 본래의 포장에 포장하여 저장 관리
  4. 용접 환경에서의 10 degrees Fahrenheit 안의 온도로 용접봉을 보관하거나, 용접 전에 응축을 방지하기 위해 용접 환경의 온도에 순응하기 위해 용접봉을 수 시간 보관 (자재의 예열과 비슷한 온도로 용접봉을 건조 예열)
  5. 용접 전에 모재에 오일, 윤활제, 프라이머가 없도록 청결히 유지

 

Hydrogen-induced cracking in 9Cr–1Mo steel at HAZ / base metal boundary due to repair welding without PWHT

 

이상으로 용접 크랙(Weld Cracking)에 대해 알아보았습니다.