용접 예열과 층간온도 측정 및 검사 방법

참조되는 코드, 계약문서, 용접시방서(WPS)에서 요구될 때 예열과 층간온도는 검사자에 의해 확인되어야 합니다.

층간온도는 용접되는 부분에서의 다층의 용접에서 2번째 pass와 각 다음의 pass에서의  바로 직전의 모재 온도를 지칭합니다. 

실제적으로 최소 층간온도는 명시된 최소 예열온도와 동일하다고 할 수 있는데 용어 정의로는 이렇게 요구하지 않습니다.

 

 

예열과 이어지는 층간온도는 용접 공정이 이루어지는 동안에 용접 조인트의 전 둘레의 길이를 따라 용접되는 지점에서 양쪽 모재 중에 가장 두꺼운 두께만큼 (적어도 3 인치로 둘 중에 큰 길이만큼) 유지되어야 합니다.

 

 

특히 두꺼운 모재의 용접일 경우에 열이 두꺼운 모재 쪽으로 빨려 균등하게 예열되기 어렵기 때문에 주의하여야 합니다.  최대 층간온도는 각 welding pass의 아크가 시작되기 바로 직전에 조인트의 끝의 1 인치 떨어진 곳에서 측정되는 것이 타당합니다. (AWS Visual Inspection)

 

온도 측정 크레용 사용 예열/층간온도 측정

 

층간온도(Interpass temperature)의 중요성

층간온도는 용접부 기계적이고 미세구조적인 성질과 관련하여 예열만큼 중요합니다. 

예를 들어 용접 금속의 항복 강도와 최대 인장 강도는 둘 다 층간온도가 영향을 줍니다. 높은 값의 층간온도는 용접 금속의 강도를 감소시키는 경향이 있습니다. 부가적으로 더 높은 층간온도는 일반적으로 더 미세한 입자 조직을 만들고 Charpy V 노치 인성 전이 온도(Charpy V notch toughness transition temperatures)를 개선시킵니다. 그러나 층간온도가 대략 260도를 초과하면 이러한 경향을 반전시킵니다. 예를 들어 Northridge 지진에 대한 American Welding Society (AWS)의 입장 성명서에서 층간온도는 노치 인성=질김(notch toughness)이 요구될 때 290도를 초과하지 말 것으로 추천하고 있습니다.

 

최대 층간온도

특정한 기계적 용접 금속 성질이 필요한 경우 최대 층간온도를 제어하는 것이 중요할 수 있습니다. Northridge 지진에 대한 AWS 입장 성명서와 같이 노치 인성이 관련되며 기타 다른 많은 것들이 있을 수 있습니다. 예를 들어 설계자가 매우 높은 층간온도 (즉, 크기 또는 용접 절차로 인해)로 예상되는 특정 부품에 대해 최소 강도 수준이 필요한 경우 최대 층간온도를 미리 지정해야 합니다. 그렇지 않으면 용접 금속 강도가 너무 낮아질 수 있습니다.

 

 

ASTM A514와 같은 담금질 및 템퍼링 (Q & T) 강의 경우 또한 최대 층간온도가 필요합니다. 모재의 열처리 특성으로 인해, 용접 금속과 열 영향 영역에서 적절한 기계적 특성을 제공하는 데 도움이 되기 위해 층간온도 최대값 제한 내에서 온도를 제어하는 것이 중요합니다.

 

하지만 최대 층간온도는 항상 요구되지 않음을 기억해야 합니다. 사실 AWS D1.1-98 Structural Welding Code에서 Steel은 그러한 제어를 요구하지 않습니다. 

 

세심한 균형

특히 민감한 비금속의 경우 최소 층간온도는 균열을 방지하기에 충분해야 하며, 최대 층간온도는 적절한 기계적 특성을 제공하기 위해 제어되어야 합니다. 이 균형을 유지하려면 또한 용접 pass 사이에서의 시간, 모재 두께, 예열 온도, 주변 조건, 열전달 특성, 그리고 용접 입열과 같은 다양한 변수를 고려해야 합니다.

 

예를 들어, 단면적이 더 작은 용접물은 자연스럽게 패스 간 온도를 "축적"하는 경향이 있습니다. 용접 작업이 계속되면 작업물의 온도가 상승합니다. 일반적으로 단면적이 20 in² (130 cm²) 미만인 경우 정상적인 생산 속도를 유지하면 순차적 용접 패스마다 층간온도가 증가하는 경향이 있습니다. 그러나 단면적이 40 in² (260 cm²) 보다 크면 외부 열원이 적용되지 않는 한 일반적으로 층간온도가 용접 시퀀스 전체에서 감소합니다.

 

층간온도 측정 및 제어 방법

층간온도를 제어하는 한 방법으로 두 온도 나타내는 크레용을 사용하는 것입니다. 용접되는 자재에 칠해진 크레용(상품명 Tempilstik이라고도 함)은 크레용의 용융 온도에 도달하면 녹게 됩니다. 크레용은 다양한 녹는점에서 사용할 수 있으며 각 크레용에는 대략적인 녹는점이 라벨로 표시되어 있습니다.

 

첫 번째 온도 표시 크레용은 일반적으로 지정된 최소 예열 온도와 최소 지정된 층간온도를 측정하는 데 사용되는 반면, 두 번째는 지정된 최대 층간온도를 측정하는 데 사용되는 고온 크레용입니다 (필요한 경우).

 

용접사는 먼저 용접하는 조인트를 가열하고,  모재에 첫 번째 온도(예열 확인용)의 크레용을 칠함으로  코드에서 요구하는 위치에서의 모재 온도를 확인합니다. 지정된 최소 예열 온도에 도달하면 (첫 번째 크레용 표시가 녹을 때) 첫 번째 용접 패스를 시작할 수 있습니다. 두 번째 및 후속 pass 작업 직전에 적절한 위치에서 최소 및 최대 (지정된 경우) pass 간 온도를 확인해야 합니다.

저온 크레용(예열 확인용)은 녹아야 합니다. 즉, 모재의 온도가 크레용의 녹는 온도보다 높고, 고온 크레용(최대 층간온도 확인용)은 녹지 않아야 하며, 이는 모재 온도가 최대 인터 패스 온도보다 높지 않음을 나타냅니다.

 

저온 크레용이 녹지 않으면 예열이 충분하지 않으므로 모재의 크레용 마크가 녹을 때까지 조인트에 추가 열을 가해야 합니다. 그리고 고온 크레용이 녹는 경우, 고온 크레용이 더 이상 녹지 않을 때까지 조인트를 주변 공기 중에서 천천히 냉각하고 저온 크레용이 녹도록 해야 합니다. 다시 충분히 식었는지 고온 크레용으로 확인 후 다음 용접 패스를 시작할 수 있습니다.

 

예열/층간온도 측정 도구 종류

온도가 라벨에 명시된 크래용으로 상품명으로 Tempilstik으로 불림

접촉식 온도 측정기

열전대를 활용한 예열 측정기

비 접촉식 열 측정기

층간온도 측정 위치

층간온도를 확인할 위치에 대한 요건은 코드와 산업 표준에 모두 명시되어 있습니다. AWS D1.1-98 구조용 용접 코드(Structural Welding Code) – 강철 및 AWS D1.5 브리지 용접 코드(Bridge Welding Code)는 모두 가장 두꺼운 용접 자재의 두께와 동일한 거리 (그러나 최소한 3 인치[75mm]) 용접 지점에서 모든 방향으로."으로 유지할 것으로 요구합니다.

 

 

이는 타당한 요구이며 최소 층간온도를 제어할 때 보수적입니다. 그러나 최대 층간온도도 제어해야 하는 경우 인접 모재의 실제 층간온도가 요구되는 최대 층간온도를 크게 초과할 수 있습니다. 이런 상황이라면 용접 부 끝(Weld toe)에서 25 mm (1 인치) 떨어진  곳에서 온도를 측정 확인하는 것이 효과적입니다.

 

다른 경우에는 특정 산업 분야에서 자체적인 요건이 있습니다. 예를 들어, 한 조선소에서 층간온도는 용접 토우(weld toe)에서 25 mm (1 인치) 떨어진 곳과 시작 지점의 첫 번째 피트 (300mm) 내에서 유지되어야 합니다. 이 특별한 경우, 예열은 모재를 완전히 관통하도록 조인트의 뒷면에 적용됩니다.

 

층간온도를 어디에서 측정해야 하는지에 대한 논쟁이 있지만 대부분의 전문가는 용접 조인트에서 적절한 거리를 유지해야 한다는 데 동의합니다. 이 결정은 제조 비용에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 합리적이고 실용적인 위치를 결정해야 합니다. 조인트에서 1 피트는 과도 할 수 있지만 1/10 인치 또는 용접부 자체도 옳지 않습니다. 그러나 용접 토우(weld toe)에서 1 인치(25 mm)가 적절하다고 보입니다.

 

요약

• 적절한 범위 내에서 용접 층간온도를 유지하기 위해 용접 프로세스, 절차 및 용접 순서의 영향을 항상 고려해야 합니다.

• 최소 및 최대 층간온도의 영향은 용접 금속 및 HAZ의 기계적 및 미세조직 특성과 관련하여 고려되어야 합니다.

• 코드가 달리 명시하지 않는 한, 층간온도는 모재의 전체 두께와 용접부로부터의 적절한 거리 (약 1 인치)에 걸쳐 유지되어야 합니다.