강재의 용접성과 수소 균열 방지

강재 용접성이 의미하는 것

강재의 용접성이란 정해진 용접 절차에 따라 특정된 기계적, 금속학적 및 건전성 요구사항을 충족하는 용접 이음부를 제작할 수 있는 능력을 의미합니다. 이 정의에는 의도적으로 조건이 붙어 있습니다. 이는 어떤 강재든 모든 자세, 두께, 온도, 구속 조건 또는 사용 환경에서 안전하게 용접할 수 있다는 뜻이 아닙니다. 용접사가 더 차가운 강판, 더 큰 이음부 구속, 습기를 머금은 용접 재료, 오염된 표면 또는 다른 입열량에 직면하면, 용접절차 인정시험을 통과한 이음부라도 생산 과정에서 균열이 발생할 수 있습니다.

관련 요구사항에는 인장강도, 인성, 경도, 피로 저항성, 치수 안정성, 내식성 및 허용할 수 없는 불연속이 없을 것이라는 조건이 포함될 수 있습니다. 압력용기의 경우 용접부는 충격인성 및 용접 후 열처리 요구사항을 충족해야 할 수 있습니다. 구조 연결부에서는 구속, 층상 찢김, 피로 하중 및 검사 합격 기준이 지배적인 요소가 될 수 있습니다. 따라서 용접성은 강재의 재질명 자체에만 귀속되는 것이 아니라, 강재, 용접 재료, 이음부 설계, 용접 공정, 열 사이클, 환경 및 사용 이력의 조합에 의해 결정됩니다.

수소 균열에는 수소, 경질이고 취성이며 균열에 취약한 조직 및 인장 응력이 함께 존재해야 한다. Strong evidence

수소 보조 저온 균열은 이를 잘 보여 주는 사례입니다. TWI는 균열이 발생하려면 수소, 경하고 취성인 균열 민감 조직, 그리고 인장 응력이 함께 존재해야 한다고 설명합니다(TWI, 2024). International Institute of Welding도 표현은 약간 다르지만 동일한 지배 요인, 즉 수소 함량, 잔류 인장 응력 및 미세조직의 균열 민감성을 제시합니다(IIW White Paper, 2023). 이 요인 중 하나를 제거하거나 충분히 감소시키면 균열 발생 확률은 낮아집니다. 반대로 세 요인이 모두 증가하면 용접이 완료된 것처럼 보인 후에도 이음부가 파괴될 수 있습니다.

용접성과 용접성 등급

탄소 당량탄소 당량 선정된 합금 원소를 결합한 지수로서 경화능을 선별하고 예열 선정에 도움을 주며, 균열 위험을 완전하게 예측하지는 못한다.

용접성 등급은 의사결정을 지원하기 위해 사용하는 단순화된 지표입니다. 탄소당량 공식, 수소 관리 분류, 예열표 및 재료 그룹 분류는 용접 절차가 얼마나 까다로울 수 있는지를 나타낼 수 있지만, 이음부 성능을 직접 측정한 것은 아닙니다. 밀 시트에서 계산한 탄소당량만으로는 실제로 용접부에 유입되는 수소량, 열영향부(HAZ)의 냉각 속도 또는 구속이 큰 이음부에 잔류하는 인장 응력을 알 수 없습니다.

예를 들어 탄소당량은 S355, S460, 16Mo3 또는 2¼Cr-1Mo와 같은 강재의 경화능을 비교할 때 유용합니다. 그러나 판 두께, 입열량, 층간 온도 및 수분 관리가 달라지면 동일한 명목값에서도 결과가 달라질 수 있습니다. 어떤 등급은 강재에 예열이 필요하다고 분류할 수 있습니다. 하지만 특정 보수 용접에서 지정된 예열 온도가 균열을 방지할 수 있다는 사실까지 입증하지는 못합니다.[1][1] ISO 3690:2018. International Organization for Standardization. International Standard, 2018.

시험은 더 강력한 증거를 제공하지만, 각각의 시험은 정해진 질문에 답합니다. ISO 17642-1:2004는 파괴적 저온 균열 시험의 일반 원칙을 설명하고, 용접 재료, 모재 및 용착 금속의 균열 민감성을 평가하는 방법을 제시합니다. 시험 결과는 규정된 열적 및 구속 조건에서 얻은 증거이지, 강재의 보편적인 수치 특성이 아닙니다. 마찬가지로 ISO 3690:2018은 용가재를 사용하여 아크 용접한 용착 금속에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정하며, 여기에는 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강재와 관련된 용착 금속도 포함됩니다. 이 표준은 관리된 조건에서의 수소량을 측정할 뿐, 오래된 부품에 존재할 수 있는 모든 형태의 수소를 측정하는 것은 아닙니다.

따라서 “용접성 등급”은 절차 지침으로 이해해야 합니다. 이 등급에 따라 저수소계 용접 재료, 최소 예열, 층간 온도 제한, 제어 냉각 또는 용접 후 열처리가 요구될 수 있습니다. 이후 인정시험을 통해 제안된 용접 절차가 요구 기준을 충족할 수 있음을 입증합니다. 생산 관리는 인정된 조건이 실제로 유지되는지 보장합니다. 검사는 완성된 이음부에 대해 지정된 결함과 특성을 확인합니다. 이러한 조치는 서로 별개의 안전장치입니다. 방사선투과검사는 과도한 HAZ 경도로 인해 손실된 인성을 회복시킬 수 없으며, 육안검사 결과가 양호하다고 해서 지연성 수소 균열이 다음 날 발생하지 않는다는 사실을 입증할 수도 없습니다.

예열은 중요한 관리 수단이지만 만능 해결책은 아닙니다. NF EN 1011-2는 수소 균열 관리 요소로 강재 조성, 수소 함량, 입열량, 예열 및 층간 온도를 연계합니다. 일반적으로 예열 온도를 높이면 HAZ의 냉각이 느려지고 수소가 빠져나갈 시간이 늘어납니다. EN 1011-2의 방법 B를 적용한 Dillinger의 지침도 동일한 효과를 설명합니다. 그러나 TWI는 과도한 입열량이 확산 거리를 늘리고 확산에 사용할 수 있는 시간을 줄여 용착 금속에 수소가 더 많이 잔류하게 할 수 있다고 경고합니다. 온도가 지나치게 높으면 결정립이 과도하게 성장하거나 바람직하지 않은 변태 조직이 형성될 수도 있습니다. 작업 지침서에 기재된 단일 온도보다 인정된 열 사이클이 더 중요합니다.

제작 중 균열과 사용 중 성능

제작 중 균열은 용접, 냉각 또는 용접 후 지연 기간에 발생하는 손상입니다. 수소 보조 저온 균열은 특히 발견하기 어려운데, 아크가 멈춘 후 수 시간 뒤에 형성될 수 있기 때문입니다. 이러한 균열은 일반적으로 경한 HAZ 영역, 용착 금속 또는 국부 응력이 높은 영역에서 발생하며, 절단 검사나 지연 비파괴검사를 통해 드러날 때까지 보이지 않을 수 있습니다. 고온 균열은 이와 다릅니다. 고온 균열은 용착 금속이 아직 연성이 제한된 상태인 응고 또는 냉각 중의 높은 온도에서 발생합니다. 두 균열의 원인과 관리 방법은 서로 바꾸어 적용할 수 없습니다.

강재는 사용 중에는 양호한 성능을 보이면서도 용접하기 어려울 수 있습니다. 반대로 눈에 보이는 균열 없이 이음부를 제작했더라도 사용 중 요구되는 인성, 피로 저항성 또는 내식성을 갖추지 못할 수 있습니다. 용접성과 사용 중 성능은 서로 관련되지만, 어느 하나가 다른 하나를 보장하지는 않습니다. 담금질 및 뜨임 처리된 고강도 강재는 모재 강도를 우수하게 유지하면서도 용접으로 인해 HAZ가 국부적으로 연화되거나 경화될 수 있습니다. 저합금 압력용기용 강재는 새 제품일 때에는 인정된 보수 용접 절차를 수용할 수 있지만, 수년간 수소에 노출된 후에는 다르게 거동할 수 있습니다.

이러한 경우 사용 이력은 용접의 직접적인 변수입니다. 수소를 포함한 공정 유체, 부식, 음극방식 또는 습윤 환경에 노출되는 동안 흡수된 수소는 운전 정지 후에도 강재에 남아 있을 수 있습니다. 이렇게 잔류한 수소는 ISO 3690:2018에 따라 새로 용착된 용접 금속에서 측정되는 확산성 수소와 동일하지 않습니다. 잔류 수소는 재가열 중 이동하여 새 용접부 부근에 집중될 수 있으며, 제작 중 균열의 위험을 높일 수 있습니다. 수소를 주입한 2¼Cr-1Mo 강재에 대한 실험에서는 사용 중 잔류한 수소로 인해 예열 온도를 130 °C 높여야 할 수 있다고 보고했습니다(TWI, 2024). 이 결과를 보편적인 규칙으로 적용할 수는 없지만, 최초의 용접 절차가 모든 보수 용접에 계속 적합하다는 가정을 결정적으로 부정합니다.

수소 방출 처리, 보수적인 예열, 저수소계 용접 재료, 건조 관리, 적절한 입열량 및 지연 검사가 모두 필요할 수 있습니다. 후열은 수소가 이동할 수 있는 온도를 유지하여, 경하고 응력이 높은 영역에 수소가 갇히기 전에 빠져나가도록 할 수 있습니다. 올바른 선택은 부품, 두께, 강재의 상태, 구속 조건 및 적용되는 제작 표준에 따라 달라집니다.

조성만으로 용접성을 정의할 수 없는 이유

조성은 경화능, 변태 생성물, 인성, 탄소당량 및 고온 균열 민감성에 영향을 미치므로 무시할 수 없습니다. 그러나 조성은 출발 조건일 뿐입니다. 냉각 속도에 따라 HAZ에 연질 페라이트-펄라이트, 베이나이트 또는 경한 마르텐사이트가 형성되는지가 결정됩니다. 입열량과 판 두께는 냉각 속도를 변화시킵니다. 구속은 인장 응력을 좌우합니다. 용접 재료의 상태와 표면 청정도는 수소 유입을 결정합니다. 이음부 형상은 국부 응력 집중을 발생시킵니다. 주변 온도는 냉각과 수소 확산 모두를 변화시킵니다.

따라서 동일한 등급과 용강 분석값을 가진 두 강판이라도 필릿 용접, 완전 용입 맞대기 용접 및 구속된 보수 굴착부에서 서로 다른 HAZ 경도와 균열 위험을 나타낼 수 있습니다. 밀 제조 공정, 두께, 이전의 열 사이클, 시효, 냉간가공 및 사용 중 수소 유입은 명목상의 재질명을 바꾸지 않고도 거동을 추가로 변화시킬 수 있습니다.

실무적으로 제기해야 할 질문은 “이 강재는 용접 가능한가?”가 아닙니다. 올바른 질문은 “이 상태의 이 부품을 관리된 절차에 따라 제작하고, 지정된 요구사항을 충족한다는 사실을 입증할 수 있는가?”입니다. 이 질문은 올바른 순서로 이어집니다. 즉, 재료와 사용 이력을 파악하고, 수소와 구속을 평가하며, 열 사이클을 인정하고, 생산을 관리하고, 즉시 발생하는 결함과 지연성 결함을 모두 검사해야 합니다.

수소 보조 저온 균열: 필요한 세 가지 조건

수소, 균열에 취약한 경질 및 취성 미세조직, 그리고 인장 응력이 함께 작용해야 수소 보조 저온 균열이 발생한다. Strong evidence

수소 보조 저온 균열은 수소만으로 발생하지 않는다. TWI와 International Institute of Welding (IIW)이 사용하는 핵심 모델에 따르면, 세 가지 조건이 동시에 충족되어야 한다. 즉, 수소가 존재하고 접합부를 따라 이동할 수 있어야 하며, 용접금속 또는 열영향부(HAZ)에 균열에 취약한 경하고 취성적인 미세조직이 존재해야 하고, 해당 영역에 인장 응력이 작용해야 한다. 이 조건 중 하나라도 제거하거나, 줄이거나, 발생을 지연시키면 균열 가능성은 낮아진다. 그렇다고 해서 하나의 관리 방법, 특히 예열이 모든 문제를 해결하는 만능책이 되는 것은 아니다.

IIW White Paper (2023)는 고강도 강재 용접에서 수소 유발 균열을 지배하는 세 가지 주요 요인으로 수소 함량, 잔류 인장 응력, 미세조직의 취약성을 제시한다. TWI도 실무적인 관점에서 동일한 메커니즘을 설명한다. 균열은 국부적인 화학 조성, 냉각 속도, 수소 분포 및 구속 조건에 따라 용접금속, 용융선 또는 열영향부(HAZ)에서 시작될 수 있다. 이는 고온 균열이 아니라 저온 균열의 메커니즘이다. 용접을 중단했을 때는 접합부가 건전해 보일 수 있지만, 이후 수소가 응력이 작용하는 취약 부위로 확산하면서 수분 또는 수 시간 뒤에 균열이 발생할 수 있다.

접합부로 유입되어 이동하는 수소

확산성 수소확산성 수소 규정된 시험의 온도, 시간 및 취급 조건에서 이동하여 빠져나갈 수 있는 용착 금속 내 수소.

수소는 여러 경로를 통해 아크 용접부로 유입된다. 전극 피복, 플럭스, 차폐가스 계통, 접합면, 밀 스케일, 그리스, 페인트 잔류물 및 습기를 머금은 용접 소모재에 포함된 수분은 아크에서 해리되어 용융금속에 용해될 수 있다. 그 결과 생성되는 원자 상태의 수소는 분자 상태의 수소보다 이동성이 훨씬 크다. 용접부가 냉각되면서 일부 수소는 용융지에서 빠져나가고, 일부는 용접금속 내에 확산성 수소로 남거나 인접한 열영향부(HAZ)로 이동한다.

ISO 3690:2018은 용가재를 사용하여 제작한 아크 용접 용접금속의 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정한다. 이 표준은 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강재와 관련된 용접금속을 대상으로 한다. 이 측정이 유용한 이유는 접합부가 냉각되고 잔류 응력이 형성되는 기간 동안 확산성 수소가 이동할 수 있기 때문이다. 그러나 이 측정값이 부품 내에 존재하는 모든 형태의 수소를 나타내는 것은 아니다.

사용 중 수소에 노출된 용기나 배관에는 제작 또는 보수 작업 전에 흡수된 수소가 포함되어 있을 수 있다. 이러한 잔류 수소는 가열 및 용접 중에 방출되어 용접 소모재와 접합 준비 과정에서 유입되는 수소에 더해질 수 있다. 이 구분은 중요하다. 전극의 수분을 관리한다고 해서 모재에 이미 저장된 수소가 제거되는 것은 아니기 때문이다. TWI가 2024년에 보고한 수소 충전 2¼Cr-1Mo 강재 실험에서는 잔류 수소로 인해 필요한 예열 온도가 130 °C 증가했다. 이는 사용 이력이 확인되지 않은 강재에 소모재를 기준으로 한 용접 절차를 적용하는 것이 위험할 수 있음을 보여준다.

수소는 격자 결함, 결정립계, 개재물 및 기타 트랩 부위를 따라 이동한다. 수소는 노치, 경질 조직, 개재물 또는 인장 응력이 작용하는 영역에 집중될 수 있다. 냉각 속도는 트랩의 형성뿐 아니라 수소가 빠져나갈 수 있는 시간에도 영향을 준다. 급속 변태는 경한 열영향부(HAZ)를 형성하는 동시에 용융선 부근에 수소가 집중되도록 할 수 있다. 후열 또는 지속적인 예열은 취약 조건에 도달하기 전에 수소가 빠져나갈 수 있도록 접합부를 충분히 따뜻한 상태로 유지할 수 있다.

예열은 도움이 되지만 그 효과에는 한계가 있다. TWI에 따르면 예열을 높이면 일반적으로 수소가 빠져나갈 기회가 늘어나고 냉각 속도가 느려진다. 그러나 과도한 입열은 확산 거리를 늘리고 확산에 이용 가능한 전체 시간을 줄여 용접금속의 수소 잔류를 증가시킬 수 있다. 따라서 더 뜨거운 용접부가 항상 더 안전한 용접부인 것은 아니다. 입열, 비드 크기, 접합부 두께, 층간 온도 및 냉각 조건을 종합적으로 고려해야 한다.

경하고 취성적인 취약 미세조직

수소 보조 균열이 시작되고 전파되려면 균열에 취약한 조직이 필요하다. 탄소-망가니즈강, 저합금강 및 고강도 강재에서는 급속 냉각으로 열영향부(HAZ)에 형성되는 경한 마르텐사이트 또는 마르텐사이트-베이나이트 혼합 조직이 흔히 문제가 되는 조직이다. 경도는 유용한 경고 지표이지만, 경도만으로 균열 위험을 판단할 수는 없다. 수소 함량, 응력, 국부 인성, 개재물, 편석 및 균열 선단의 조건도 결과에 영향을 준다.

강재의 화학 조성은 변태 거동을 제어한다. 탄소는 경화능을 높여 경한 열영향부(HAZ)가 형성될 가능성을 증가시키며, 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 경화능과 변태 온도를 변화시킨다. 따라서 탄소당량 공식은 선별을 위한 도구일 뿐, 완전한 용접성 예측 방법은 아니다. 탄소당량 값이 비슷한 두 강재라도 실제 화학 조성, 판 두께, 이전의 열기계적 처리, 결정립 크기 및 냉각 이력이 다르기 때문에 서로 다르게 반응할 수 있다.

높은 입열은 냉각 속도를 늦춰 열영향부(HAZ) 최고 경도를 낮출 수 있지만, 동시에 열영향부(HAZ)를 확대하고 결정립 크기를 변화시키며 인성을 저하시키고 수소 이동을 변화시킬 수 있다. 낮은 입열은 좁은 열영향부(HAZ)를 만들 수 있지만, 높은 냉각 속도와 경한 변태 생성물을 초래할 수 있다. 중요한 질문은 입열이 단순히 높은지 낮은지가 아니다. 열 사이클이 경도, 인성, 수소 방출 및 구속 조건 사이에서 수용 가능한 조합을 만들어 내는지가 핵심이다.

ISO 17642-1:2004는 용접 소모재, 모재 및 용접금속의 저온 균열 민감도를 평가하기 위한 원칙과 시험 방법을 설명한다. 이러한 시험은 강재, 소모재 또는 접합 설계가 일반적인 경험의 범위를 벗어나는 경우에 유용하다. 또한 화학 조성만으로 용접성 평가를 대신할 수 없는 이유도 보여준다. 균열에 민감한 용접금속이 문제일 수도 있고, 열영향부(HAZ)가 지배적인 영역일 수도 있다.

균열은 전체 열영향부(HAZ)에 걸쳐 시작되는 것이 아니라 국부적인 경질 부위에서 시작될 수 있다. 용융선 옆의 조대 결정립 영역, 뜨임되지 않은 마르텐사이트 섬 또는 경질 개재물을 포함한 영역이 균열의 시작점이 될 수 있다. 일단 작은 균열이 형성되면 수소가 균열 선단에 집중되어 인장 응력 아래에서 균열 전파를 가속할 수 있다.

인장 응력과 구속

세 번째 조건은 인장 응력이다. 용접에서는 열수축이 발생한다. 고온의 용접금속과 인접한 강재가 냉각되면서 수축하지만, 주변 판재, 접합부 형상, 가용접부, 고정구 및 앞서 증착된 비드에 의해 수축이 구속된다. 그 결과 외부 하중이 작용하지 않더라도 잔류 인장 응력이 발생한다. 사용 중 작용하는 하중은 여기에 더해질 수 있다.

접합부 구속은 하나의 재료 특성이 아니다. 두꺼운 판, 짧은 용접 길이, 강성이 큰 부착물, 폐단면 및 부적절한 용접 순서는 유연한 접합부보다 수축을 더 강하게 제한할 수 있다. 루트 간격, 조립 오차, 비대칭이 큰 용접부 및 보수 용접은 국부적인 응력 집중을 일으킬 수 있다. 따라서 구속과 수소 수준이 높으면 측정 경도가 높지 않은 용접부에서도 균열이 발생할 수 있으며, 반대로 수소 수준이 낮고 수축이 덜 제한되면 더 경한 영역도 균열 없이 견딜 수 있다.

이는 하나의 조건만 제거해도 위험이 줄어들지만 안전이 입증되는 것은 아닌 이유를 설명한다. 건조한 저수소계 소모재와 관리된 보관은 수소 유입을 줄이지만, 심한 구속 상태에서 매우 경한 열영향부(HAZ)가 형성되면 균열을 방지할 수 없다. 탄소 함량이나 경화능이 낮은 강재는 경화를 억제할 수 있지만, 오염이나 사용 중 흡수된 수소로 인해 여전히 문제가 발생할 수 있다. 응력 제거 또는 개선된 용접 순서는 인장 응력을 낮출 수 있지만, 수소 함량이 높은 절차를 사용하면 응력 제거가 효과를 발휘하기 전에 이동성 수소가 접합부에 균열을 일으킬 만큼 남을 수 있다.

NF EN 1011-2는 수소 균열 제어를 강재 조성, 수소 함량, 입열, 예열 및 층간 온도와 연계한다. 이 표준의 논리는 절차 중심이다. 즉, 모든 용접에 하나의 온도를 규정하는 것이 아니라 열 사이클을 제어하고 수소를 제한하며 구속 조건을 고려한다. BS EN 1011-2 지침도 수소가 경하고 응력이 작용하는 영역에 갇히기 전에 용접부에서 이동해 빠져나갈 수 있도록 예열을 유지하거나 후열을 적용할 것을 권고한다. Dillinger의 EN 1011-2 Method B 적용도 동일한 균형을 설명한다. 예열은 열영향부(HAZ)의 냉각을 늦추는 동시에 수소의 방출을 촉진한다.

예방 관리는 가능성을 낮출 뿐 확실성을 보장하지 않으므로 검사는 여전히 필요하다. 지연 균열은 육안 검사 후에 나타날 수 있으며, 최종 검사 전에 규정된 경우 용접부를 제어된 온도에서 일정 시간 유지해야 한다. 너무 이르게 실시한 비파괴검사는 아직 형성되지 않은 균열을 발견하지 못할 수 있다. 따라서 수소 보조 저온 균열은 수소 이동, 취약 조직으로의 변태 및 인장 구속이 시간에 따라 상호작용한 결과이며, 예열만으로 확실하게 제거할 수 있는 결함이 아니다.

확산성 수소와 그 측정 방법

아크 용착 금속에서 확산성 수소의 의미

확산성 수소란 새로 용착된 용착 금속에 존재하면서 시험의 온도 및 시간 조건에서 금속 내부를 이동하여 빠져나갈 수 있는 수소의 일부를 의미한다. 이는 강철 격자의 고정된 화학적 구성 성분이 아니다. 수소는 격자 간극을 차지하거나, 결함과 결정립계를 따라 이동하거나, 개재물, 전위, 상 경계 및 기타 미세조직적 특징에 일시적으로 포획될 수 있다. 수소의 일부는 자유 표면에 도달할 수 있으며, 일부는 빠져나가기 전에 열영향부(HAZ) 또는 응력이 집중된 영역으로 이동할 수 있다.

이러한 이동성 때문에 확산성 수소는 지연성 저온 균열과 관련이 있다. TWI는 수소 균열이 발생하려면 수소, 경하고 취성이며 균열에 취약한 조직, 인장 응력이라는 세 가지 조건이 동시에 필요하다고 설명한다. 2023년에 발표된 International Institute of Welding(IIW) White Paper는 고강도 강 용접부에서 수소 유발 균열을 지배하는 세 가지 주요 요인으로 수소 함량, 잔류 인장 응력, 미세조직적 취약성을 제시한다. 따라서 용접부에 측정 가능한 수소 농도가 존재하더라도 조직과 구속 조건이 균열 형성을 허용하지 않으면 균열이 발생하지 않을 수 있다. 반대로, 구속이 큰 이음부의 용접 과정에서 경한 마르텐사이트가 형성되면 보고된 값이 비교적 낮더라도 위험할 수 있다.

이 용어는 시험 대상인 용착 금속 내의 수소를 의미하며, 용접 이음부 전체에 존재하는 수소를 자동으로 의미하지는 않는다. HAZ의 수소는 분포가 다를 수 있으며 다른 절차로 측정될 수 있다. 사용 중 압력 용기, 배관 또는 기타 강재에 이미 흡수된 수소 역시 별개의 문제이다. 습윤 황화수소, 음극방식, 부식 또는 고온 수소에 노출되면 모재에 수소가 남을 수 있다. 이렇게 잔류한 수소는 보수 용접부 또는 새로 형성된 경한 HAZ로 이동하여, 용접 재료 자체가 낮은 확산성 수소 등급을 갖는 경우에도 제작 중 균열 위험을 높일 수 있다.

확산성 수소는 총수소와도 구분해야 한다. 총수소에는 이동성 수소뿐 아니라 포획 부위에 잔류하거나 더 높은 추출 온도에서만 방출되는 수소도 포함된다. 따라서 총수소 측정 결과는 확산성 수소 분율보다 높을 수 있으며, 시험 방법과 그 목적을 알지 못한 상태에서는 확산성 수소를 대신하여 사용할 수 없다. 두 측정은 서로 다른 질문에 답한다. 확산성 수소는 용접부가 냉각되고 응력이 형성되는 기간에 이동 가능한 수소의 양을 나타내는 반면, 총수소는 강하게 포획된 수소를 포함할 수 있는 더 큰 수소 저장량을 나타낸다.

결과는 일반적으로 용착 금속 100그램당 수소의 밀리리터로 보고되며, 흔히 mL/100 g으로 표기한다. 이때 적용되는 방법에서 정한 기준 온도와 압력도 함께 명시한다. 이 수치는 전극, 와이어 또는 강종의 보편적인 고유 특성이 아니다. 이는 규정된 용접 및 시험 조건에 귀속되는 값이다.

ISO 3690:2018에 따른 시료 채취

ISO 3690:2018은 용가재를 사용하여 제작한 아크 용접 용착 금속에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정한다. 적용 범위에는 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강과 관련된 용착 금속이 포함된다. 이는 이 표준에 따른 결과가 규정된 조건에서 제작된 용착 금속 시험편에 연계된다는 점에서 중요하다. 즉, 용접 이음부 전체의 수소 농도를 직접 측정한 값은 아니다.

시험은 규정된 용가재, 용접 전류, 극성, 이동 조건 및 시험편 배치를 사용한 관리된 용접으로 시작한다. 이후 요구되는 방법에 따라 용착 금속을 분리하거나 준비하고, 슬래그와 표면 오염물을 제거한다. 용접 후 취급은 매우 중요하다. 용접부가 냉각되기 시작하는 즉시 수소가 빠져나가기 시작하므로, 시험편은 표준의 시간 및 온도 요구사항에 따라 이송, 냉각, 보관 및 분석해야 한다. 시험편을 포집 시스템에 노출시키기까지 지연이 발생하면 측정값이 낮아질 수 있다.

ISO 3690:2018은 수소 시험을 일반적인 화학 분석으로 취급하기보다는 포집 및 분석 순서를 규정한다. 가스 포집 절차에서는 시험편에서 빠져나오는 수소를 관리된 조건에서 축적한 다음, 일반적으로 가스 크로마토그래피 또는 실험실 절차에서 정한 다른 허용 분석 방식으로 정량한다. 결과는 표준에서 규정한 보고 기준으로 환산한다. 교정, 공시험 보정, 장치 누출, 시험편 질량 및 기준 조건은 모두 최종 수치에 영향을 미친다.

포집 전에 수소 손실을 제한하기 위해 급속 냉각을 사용한다. 절차에서 요구하는 경우 시험편을 낮은 온도에서 보관할 수 있는데, 온도를 낮추면 수소의 이동이 느려지기 때문이다. 또한 실험실은 용접, 담금질 또는 냉각, 포집 및 분석 사이의 시간을 관리해야 한다. 이러한 세부사항은 단순한 행정적 절차가 아니다. 측정을 시작할 때 시험편에 이동성 수소가 얼마나 남아 있는지를 결정한다.

ISO 3690:2018은 ISO 17642-1:2004와 혼동해서는 안 된다. ISO 17642-1:2004는 아크 용접 금속 재료의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 일반 원칙을 제시하고, 용접 재료, 모재 및 용착 금속의 균열 민감성을 평가하는 방법을 설명한다. 확산성 수소 시험은 균열에 영향을 미치는 중요한 한 가지 입력 요인을 측정하는 반면, 저온 균열 시험은 수소, 조직, 응력, 형상 및 용접 조건이 함께 작용한 결과를 평가한다.

시험값이 절차와 시험편 취급에 따라 달라지는 이유

보고된 수소값은 용접 공정, 용접 재료의 상태, 시료 채취 방법 및 분석 조건이 함께 제시될 때에만 의미가 있다. 공칭 전극 등급이 동일하더라도 피복이 수분을 흡수했거나, 와이어가 부적절하게 보관되었거나, 차폐 가스에 오염물이 포함되었거나, 아크 길이와 이행 모드가 달라지면 서로 다른 결과가 나올 수 있다. 예를 들어 저수소계 염기성 전극은 건조한 뒤 제조업체가 지정한 온도 범위 내에서 유지해야 한다. 과도하거나 부적절한 베이킹은 피복을 손상시킬 수 있으며 아크 거동도 변화시킬 수 있다.

용접 변수는 수소 유입량과 수소 방출량을 모두 변화시킨다. 전류, 전압, 이동 속도, 아크 길이, 차폐, 비드 크기 및 입열은 아크로 유입되는 수소의 양과 용접부가 따르는 냉각 경로에 영향을 준다. EN 1011-2 지침과 Dillinger의 Method B 적용에 설명된 것처럼, 예열은 일반적으로 HAZ의 냉각을 늦추고 수소가 이음부를 빠져나갈 시간을 더 많이 제공한다. 그러나 예열이 만능 해결책은 아니다. TWI는 2024년에 과도한 입열이 확산에 이용 가능한 유효 시간을 줄이고 확산 거리를 늘림으로써 용착 금속의 수소 잔류량을 증가시킬 수 있다고 보고했다. 따라서 크고 서서히 냉각되는 용접부는 이후 균열에 기여할 수 있는 위치에 수소를 잔류시킬 수 있다.

시험편의 형상도 중요하다. 두껍거나 부피가 큰 시험 용착부는 얇은 용착부보다 표면까지의 이동 경로가 길다. 또한 표면 상태, 비드 배치 및 담금질 전 시간 간격도 측정된 방출량을 변화시킨다. 절단, 연삭, 세척 또는 슬래그를 부착한 채로 두는 행위는 수소를 함유한 재료를 제거하거나 오염을 유입할 수 있다. 포집 후 보관 중에도 용기가 누출되거나 시험편이 지나치게 오래 따뜻한 상태로 있으면 결과가 달라질 수 있다.

사용 이력은 또 다른 변수를 추가한다. 수소가 주입된 2¼Cr-1Mo 강에 대한 실험에서는 이전 사용 중 잔류한 수소 때문에 보수 용접 시 예열 온도를 130 °C 높여야 했다고 보고되었다. 이러한 수소는 용접 재료의 적격성 평가값만으로는 반영되지 않는다. 보수 용접 절차에는 수소 방출 처리를 비롯하여 보수적인 예열, 관리된 층간 온도, 저수소계 용접 재료 및 지연 검사가 필요할 수 있다.

따라서 ISO 3690:2018에서 얻은 낮은 수치는 규정된 용착 금속 시험에 관한 증거일 뿐, 구속이 큰 생산 이음부가 균열 없이 유지된다는 보증은 아니다. 수소 관리는 강의 화학 조성, 냉각 속도, 변태 생성물, 구속 조건, 입열 및 강재의 사용 이력과 함께 검토해야 한다.

미세구조: 열영향부에 균열이 발생할 수 있는 이유

열영향부(HAZ)는 용접 중에 용융되지는 않지만, 열 사이클로 인해 강의 구조가 균열 경로를 형성할 만큼 크게 변할 수 있다. 용융 경계에 인접한 재료는 오스테나이트화 온도 범위 이상으로 가열된 후, 판 두께, 이음부 형상, 구속 조건, 예열, 패스 간 온도, 입열량 및 주변 재료에 의해 좌우되는 속도로 변태 온도 범위를 통과하며 냉각된다. 그 결과 형성된 열영향부에는 조대 결정립, 경질 변태 생성물 또는 경도가 급격히 변하는 국부 영역이 존재할 수 있다. 인장 응력이 작용하는 동안 수소가 이러한 영역에 도달하면 용접부가 냉각된 후 지연 균열이 발생할 수 있다.

TWI의 2024년 설명은 필요한 조합을 직접적으로 제시한다. 즉 수소, 경하고 취성인 취약 미세구조, 그리고 인장 응력이다. 이 요인들 중 어느 하나라도 제거하거나 줄이면 수소 보조 저온 균열의 발생 가능성은 낮아지지만, 실제 용접 관리에서는 일반적으로 세 가지 요인 모두를 다루어야 한다. International Institute of Welding의 2023년 백서도 수소 함량, 잔류 인장 응력 및 미세구조적 취약성의 관계를 통해 동일한 내용을 설명한다. 경도가 높은 열영향부만으로 균열 발생을 입증할 수는 없다. 또한 측정된 용착 금속의 수소값이 낮다고 해서 열영향부가 안전하다는 것이 입증되는 것도 아니다.

급속 냉각과 경질 변태 생성물

용접은 짧고 급격한 열 사이클을 발생시킨다. 열영향부는 빠르게 가열되고, 아크와 이음부에 의해 결정되는 일정 시간 동안 고온에 유지된 다음, 열이 판재와 주변 대기로 이동하면서 냉각된다. 급속 냉각은 페라이트 및 펄라이트 형성과 같은 확산 변태를 통해 탄소가 재분포하는 것을 방해할 수 있다. 그 대신 오스테나이트가 마르텐사이트, 하부 베이나이트 또는 기타 경질 구성상으로 변태할 수 있다. 정확한 결과는 최고 온도만이 아니라 강의 조성과 냉각 경로에 따라 달라진다.

따라서 좁은 열영향부가 영향을 받지 않은 모재 또는 용착 금속보다 더 높은 경도를 가질 수 있다. 용융 경계 부근의 결정립 조대화는 인성을 저하시키고 덜 허용적인 구조를 형성함으로써 이 문제를 악화시킬 수 있다. 국부적인 경도 피크는 용접 토우, 루트 영역, 용융 불완전 경계 및 기하학적 응력 집중과 야금학적 변화가 결합되는 기타 위치에서 특히 중요하다.

수소는 확산을 통해 강 내부를 이동한다. 수소의 일부는 고용 상태로 남고, 일부는 전위, 개재물, 계면, 공극 및 경질상 경계와 같은 트랩에 모인다. 인장 응력이 작용하면 수소는 취약한 미세구조에서 균열의 발생과 전파를 촉진할 수 있다. 균열은 용접 후 수분 또는 수 시간 뒤에 나타날 수 있으므로, 용접 직후 육안으로 양호해 보이는 용접부라도 저온 균열 위험이 없다고 할 수는 없다.

냉각 속도는 명목상 입열량보다 많은 요인의 영향을 받는다. 두꺼운 판재는 열을 빠르게 빼앗아 갈 수 있으며, 구속된 이음부나 열전도성이 높은 백킹 조건은 동일한 전기적 변수로 자유 상태의 판재를 용접할 때와 다른 열 사이클을 만들 수 있다. 예열은 시작 온도를 높이고 온도 구배를 줄여 일반적으로 열영향부의 냉각을 늦춘다. 연속된 패스가 이음부가 지나치게 냉각되기 전에 적층되는 경우에는 패스 간 온도도 유사한 효과를 낸다.

입열량을 단순한 균열 위험 조절 수단으로 보아서는 안 된다. 입열량을 증가시키면 냉각 속도가 낮아지는 경우가 많지만, 열영향부가 확대되고 결정립 크기가 변하며 용착 금속의 적층 순서가 달라지고 수소 확산 거리에도 영향을 줄 수 있다. TWI는 과도한 입열량으로 인해 확산 거리가 커지고 수소가 빠져나갈 수 있는 시간이 짧아질 수 있으므로 용착 금속의 수소 잔류량이 증가할 수 있다고 설명한다. 중요한 것은 입열량 수치가 높거나 낮으면 자동으로 더 안전한지가 아니라, 전체 열 사이클과 수소 이력이다.

마르텐사이트 및 베이나이트 취약성

오스테나이트가 탄소 확산과 일반적인 페라이트 변태가 일어나기에는 지나치게 빠른 속도로 변태 범위 이하까지 냉각되면 마르텐사이트가 형성된다. 높은 경도는 과포화되고 변형된 결정 구조에서 비롯된다. 이러한 경도는 취약성이 증가했음을 보여 주는 중요한 증거이지만, 경도만이 지배적인 특성은 아니다. 국부 인성, 잔류 응력, 수소 농도, 구속 조건, 그리고 경질 영역의 크기와 분포도 영향을 준다.

새로 형성된 뜨임되지 않은 마르텐사이트는 높은 강도와 제한된 소성 변형 수용 능력이 결합되어 특히 취약하다. 수소 보조 균열은 응력이 집중된 계면이나 결함에서 시작된 후 경질 열영향부를 따라 확장될 수 있다. 균열은 일부 구간에서는 마르텐사이트를 통과하고, 다른 구간에서는 구 오스테나이트 결정립계 또는 기타 약화된 경로를 따라 진행될 수 있다. 뜨임은 경도를 낮추고 일부 변태 응력을 완화하므로, 용접 후 열처리가 균열 거동을 변화시킬 수 있는 이유 중 하나가 된다. 그러나 뜨임 요건은 강종, 두께, 사용 조건 및 적용되는 제작 표준에 따라 달라진다.

베이나이트는 보다 신중하게 설명할 필요가 있다. 베이나이트는 하나의 균일한 구조가 아니다. 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 입상 베이나이트 및 혼합 베이나이트-마르텐사이트 영역은 서로 다른 경도와 인성을 가질 수 있다. 베이나이트 열영향부는 완전한 마르텐사이트 열영향부보다 취약성이 낮을 수 있지만, 포획된 수소와 높은 인장 응력을 가진 경질 베이나이트 구조에서도 균열이 발생할 수 있다. ISO 3690:2018은 확산성 수소의 시료 채취 및 측정을 위한 절차에서 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강 용착 금속을 구체적으로 포함한다. 이러한 적용 범위는 수소 거동을 실제 야금학적 시스템과 관련지어 평가해야 한다는 사실을 반영한다.

열영향부는 용착 금속과도 구별된다. ISO 3690 측정은 용가재를 사용해 제작한 아크 용접 용착 금속의 확산성 수소를 설명하며, 모재에 유입되거나 모재에 남아 있을 수 있는 모든 수소를 직접 측정하지는 않는다. 사용 환경에 노출된 장비에는 보수 용접이 시작되기 전에 이미 수소가 잔류할 수 있다. 수소가 주입된 C-Mn강 및 Cr-Mo강에 관한 연구는 이러한 잔류 수소가 제작 균열 위험을 증가시킬 수 있음을 보여 준다. 2¼Cr-1Mo강의 경우, 한 실험에서는 사용 중 수소가 존재할 때 필요한 예열 온도가 130 °C 증가할 수 있는 것으로 보고되었다. 이는 모든 강종에 적용되는 일반적인 보정 계수가 아니지만, 사용 이력이 중요한 이유를 보여 준다.

강의 화학 조성과 탄소 당량 개념

강의 화학 조성은 경화능, 즉 냉각 중 오스테나이트가 마르텐사이트 또는 기타 경질 생성물로 형성되는 경향을 좌우한다. 탄소는 달성 가능한 경도를 높이고 변태 온도에 영향을 주기 때문에 큰 영향을 미친다. 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘, 니켈, 구리 및 바나듐과 같은 합금 원소도 확산 변태를 지연시키고 경화능을 높일 수 있다. 따라서 탄소 함량이 동일한 두 강이라도 동일한 용접 절차에서 서로 다른 열영향부 구조를 형성할 수 있다.

탄소 당량(CE) 개념은 선택된 합금 원소 함량을 하나의 지수로 결합하여 경화 경향과 예열 필요성을 추정하는 데 도움을 준다. 이는 선별을 위한 도구이지 보편적인 균열 한계값이 아니다. 서로 다른 공식은 서로 다른 목적에 사용되며, 그 해석은 제품 형태, 두께, 수소 수준, 구속 조건, 입열량 및 선택한 용접 절차에 따라 달라진다. CE 값만으로 지연 균열이 발생할지 예측할 수는 없다.

페라이트계 강의 경우 EN 1011-2는 강의 조성, 수소 함량, 입열량, 예열 및 패스 간 온도에 용접 권고사항을 연계한다. NF EN 1011-2는 이러한 변수를 모든 이음부에 적용할 수 있는 하나의 보편적인 탄소 당량 임계값으로 바꾸지 않는다. 냉각 및 예열 필요성을 추정하는 데 사용되는 조건을 포함한 해당 방법은 재료 기호, 두께, 이음부 구속 조건, 소모품의 수소 수준 및 용접 절차를 고려하여 적용해야 한다.

이 때문에 예열은 보편적인 치료법이 아니라 관리 수단이다. 예열은 열영향부의 냉각을 늦추고, 가장 경질인 변태 생성물이 형성될 가능성을 낮추며, 수소가 빠져나갈 시간을 더 많이 제공할 수 있다. 예열을 유지하거나 적절한 후열을 적용하면 수소가 경하고 응력이 집중된 영역에 포획되기 전에 이동하도록 유도할 수도 있다. 그러나 과도한 온도, 불충분한 가열 범위, 부적절한 패스 간 온도 범위, 높은 구속 조건, 오염된 소모품 또는 사용 중 이미 잔류한 수소는 이러한 조치를 무력화할 수 있다. ISO 17642-1:2004는 용접 소모품, 모재 및 용착 금속의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 일반 원칙을 제시하며, 하나의 CE 수치나 예열 온도만을 근거로 안전성을 판단하는 것보다 시험이 더 유용한 정보를 제공하는 경우가 많다.

예열, 층간 온도 및 후열

예열은 용접 열 이력을 제어하는 수단이지, 수소 균열을 보편적으로 해결하는 만능책은 아니다. 예열의 효과는 존재하는 수소의 양과 형태, 강재의 화학 조성과 경화능, 이음부에 가해지는 구속, 용착금속의 수소 수준, 그리고 열영향부(HAZ)가 냉각될 때 형성되는 미세조직에 따라 달라진다. 한 용접절차에서는 높은 예열이 균열 위험을 낮출 수 있지만, 다른 절차에서는 허용할 수 없는 결정립 성장, 인성 저하, 변형 또는 과도한 연화를 초래할 수 있다.

수소 균열은 지연성 저온 균열 메커니즘이다. TWI는 수소, 단단하고 취성이 크며 균열에 민감한 조직, 인장 응력이 동시에 존재해야 수소 균열이 발생한다고 설명한다. International Institute of Welding은 고강도 강 용접부에서 이에 대응하는 지배 요인을 수소 함량, 잔류 인장 응력 및 미세조직의 균열 민감성으로 규정한다. 온도 제어는 이 조합의 일부만 다룬다.

예열이 냉각을 지연시키는 방식

예열의 직접적인 물리적 효과는 용융지와 주변 모재 사이의 온도 차이를 줄이는 것이다. 따라서 열이 용접부에서 빠져나가는 속도가 느려진다. 이로 인해 열영향부와 인접 용착금속이 단단하고 균열에 민감한 생성물이 형성될 수 있는 변태 온도 범위를 통과하는 데 더 많은 시간이 주어진다.

탄소-망간강에서는 냉각 속도가 충분히 빠를 경우 열영향부에 경질 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성될 수 있으며, 특히 탄소당량, 판 두께 및 구속이 큰 경우에 그러하다. 이러한 조직은 수소와 국부 소성 변형을 수용할 수 있는 능력이 제한적이다. 냉각 속도를 늦추면 취성이 더 낮은 변태 생성물의 형성을 촉진하고 열영향부의 최고 경도를 낮출 수 있다. 또한 열구배를 줄여 용접부 수축 과정에서 발생하는 일부 잔류 인장 응력을 완화할 수 있다.

예열에는 두 번째 작용도 있다. 예열은 수소 이동도가 감소하는 저온에 강재가 도달하기 전에 수소가 이음부 밖으로 이동할 시간을 늘려 준다. 습기가 있는 전극, 오염된 표면, 플럭스, 보호가스 또는 용접 환경으로 유입된 수소는 용착금속에서 열영향부와 모재로 확산될 수 있다. 일부 수소는 노출된 표면을 통해 빠져나갈 수 있고, 일부는 미세조직 내 트랩을 향해 이동할 수 있다. 고온 상태가 지속되는 시간이 길어지면 수소가 빠져나갈 기회가 증가하지만, 이것이 수소의 완전한 방출을 보장하지는 않는다.

이 구분이 중요한 이유는 용착금속에서 측정되는 확산성 수소와 사용 환경에 노출된 후 강재에 잔류하는 수소가 동일하지 않기 때문이다. ISO 3690:2018은 충전재를 사용해 제작한 아크 용접 용착금속에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정하며, 여기에는 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강이 포함된다. 사용 중 흡수된 수소, 특히 습윤 황화수소 환경, 수소 충전 또는 고압 수소 환경에서 흡수된 수소는 모재 전체에 분포할 수 있으며 제작 과정에서 방출될 수 있다. 따라서 일반적인 저수소계 용접재료 절차가 용착금속 시험 결과가 시사하는 것보다 훨씬 많은 수소량에 직면할 수 있다.

냉각 지연 효과에도 한계가 있다. TWI는 예열 증가가 일반적으로 수소 방출을 돕고 냉각을 지연시키지만, 과도한 입열은 확산 거리를 늘리고 용접부에서 수소가 확산될 수 있는 시간을 단축하여 수소 잔류를 증가시킬 수 있다고 보고한다. 입열, 이음부 두께, 비드 크기 및 용접 순서는 함께 고려해야 한다. 수소 공급원을 제어하거나 구속을 관리하지 않은 채 단순히 온도만 높이면 기본적인 균열 조건이 그대로 남을 수 있다.

NF EN 1011-2는 예열 및 냉각 조건의 선정을 강재 조성, 수소 함량, 입열 및 층간 온도와 연계한다. 그 계산 방법은 적합성이 인정된 용접절차사양서(WPS)를 대신할 수 없으며, 특히 구속이 큰 보수 용접, 경화능이 높은 강재 또는 사용 이력이 불확실한 부품에는 더욱 그러하다. 규정된 예열은 모재에서, 이음부로부터 정해진 거리의 위치에서, 해당 패스를 적층하기 직전에 측정할 수 있으며, WPS에는 측정 위치와 방법이 명시되어야 한다.

예열 선정은 용접절차에 따라 달라진다. 두꺼운 S355 이음부에 적합한 값이 ASTM A514 용접부, 9% Ni 강 또는 2¼Cr-1Mo 압력용기 보수 용접부에 자동으로 적용될 수는 없다. 판 두께, 탄소당량, 이음부 형상, 구속, 용접재료 분류, 수소 제어, 입열 및 요구 인성이 모두 선정 범위에 영향을 미친다.

층간 온도 유지

예열은 이음부가 의도된 열적 범위 안에 유지되는 동안에만 유효하다. 용접이 진행되는 동안 다음 패스를 시작하기 전에 이음부가 최소 예열 온도 아래로 냉각되지 않도록 해야 한다. 이것이 층간 온도를 유지하는 목적이다.

이음부 온도가 최소값 아래로 떨어지면 다음 패스가 열영향부를 적합성이 인정된 절차와 다른 속도로 냉각시킬 수 있다. 그 결과 경도, 변태 조직, 수소 확산 시간 및 잔류 응력이 모두 달라질 수 있다. 이는 각 패스가 앞선 용착금속과 열영향부의 일부를 뜨임하거나 재가열하는 다층 용접에서 특히 중요하다. 열 사이클은 서로 고립된 일련의 용접 비드가 아니라 누적되는 과정이다.

층간 온도의 최대값도 그만큼 중요하다. 과도한 온도는 의도한 뜨임 순서를 방해하고, 이전 오스테나이트 결정립을 조대화하며, 충격 인성을 낮추고, 용착금속의 특성을 변화시킬 수 있다. 저합금 Cr-Mo 강에서는 제어되지 않은 층간 열이 크리프 강도와 용접 후 열처리 반응에 영향을 줄 수 있다. 따라서 WPS는 용접자가 이음부를 제한 없이 “고온” 상태로 유지하도록 허용하기보다는 최소 예열 온도와 최대 층간 온도를 모두 규정할 수 있다.

온도는 교정된 온도용 크레용, 접촉식 온도계, 열전대 또는 기타 승인된 장비를 사용하여 규정된 측정 위치에서 확인해야 한다. 뜨거운 비드 바로 옆에서 즉시 측정한 표면 온도는 오해를 일으킬 수 있다. 중요한 온도는 다음 패스를 적층하기 직전의 이음부 온도이다. 대형 부품에서는 두께 방향으로도 온도 차이가 발생할 수 있으므로, 가열 방식은 좁은 고온 영역이 아니라 상당히 균일한 조건을 형성해야 한다.

용접자는 층간 온도가 상한을 초과하면 작업을 중지해야 하며, 동시에 하한 아래로 제어되지 않은 냉각이 일어나지 않도록 해야 한다. 이음부를 규정 범위 안에 유지하기 위해 용접 순서, 비드 길이, 균형 적층, 단열 및 국부 가열이 지정될 수 있다. 외풍과 비는 열 손실을 급격히 증가시킬 수 있다. 또한 수분을 추가하여 수소 유입량을 높일 수 있다.

후열 및 수소 방출 처리

수소 방출 처리수소 방출 처리 최종 냉각 전에 이동 가능한 수소가 용접 영역에서 빠져나갈 수 있도록 제어된 용접 후 가열 및 유지 작업을 수행한다.

후열은 용접 후에 수행하는 별도의 작업으로, 일반적으로 지정된 온도에서 지정된 유지 시간 동안 실시한다. 후열은 용접 후 열처리(PWHT)와 동일하지 않지만, 일부 절차에서는 두 작업을 함께 수행할 수 있다. 수소 방출 처리는 용접부를 충분히 오랫동안 따뜻하게 유지하여, 용접부가 균열 민감성이 매우 높고 응력이 존재하는 상태로 냉각되기 전에 수소가 노출 표면을 향해 확산할 수 있도록 한다. SteelConstruction.info와 Guidance Note 6.04는 수소가 경질 영역에 갇히기 전에 용접부에서 이동할 수 있도록 예열을 유지하거나 후열을 적용하는 방법을 설명한다.

절차에서 요구하는 경우, 아크가 중단된 후 또는 보수 용접이 완료된 후를 포함하여 용접 직후에 처리를 시작해야 한다. 조기 냉각을 방지하기 위해 단열과 제어된 노 내 가열 또는 국부 가열이 필요할 수 있다. 요구되는 온도와 지속 시간은 강종, 두께, 용접 크기, 수소 수준, 구속 및 해당 WPS에 따라 달라진다. 근거 없이 “잠시 따뜻하게 유지한다”는 지시는 금속공학적으로 신뢰할 수 있는 의미를 갖지 않는다.

수소 방출 처리는 수소가 충전된 Cr-Mo 강에서 특히 중요하다. 사용 환경에 노출된 재료에 관한 연구에서는 잔류 수소가 제작 균열 위험을 크게 높일 수 있음이 확인되었다. 보고된 한 2¼Cr-1Mo 강 실험에서는 사용 중 잔류한 수소로 인해 예열 온도를 130 °C 높여야 했다. 이는 사용 이력을 평가하지 않고 용기 또는 배관 구간에 일반적인 제작용 표를 적용해서는 안 된다는 경고이다.

후열은 이미 발생한 균열을 복구하거나, 갇힌 수소를 모두 제거하거나, 경질의 미뜨임 열영향부와 심한 구속을 보상할 수 없다. 검사는 여전히 필요하며, 수소 균열이 용접 후 수 시간 뒤에 나타날 수 있으므로 지연 검사를 실시하는 경우가 많다. ISO 17642-1:2004는 용접재료, 모재 및 용착금속의 균열 민감성을 평가하기 위한 저온 균열 형성과 파괴 시험 원리를 설명한다. 온도 제어는 절차의 한 부분일 뿐이며, 저수소계 용접재료, 건조한 표면, 적절한 이음부 준비, 제어된 구속, 적합성이 인정된 입열 및 지연 검사가 이를 뒷받침해야 한다.

입열량: 유용한 제어 변수와 흔한 오해

입열량은 용접부의 단위 길이당 전달된 열에너지를 설명하는 유용한 방법이지만, 수소균열 안전성을 직접적으로 측정하는 값은 아니다. 기본적인 아크 용접 계산에서 공칭 입열량은 흔히 다음과 같이 표현된다.

$$Q=\frac{\eta \mathrm{VI}}{v}$$

여기서 $Q$는 용접부 단위 길이당 에너지, $\eta$는 아크 효율, $V$는 전압, $I$는 전류, $v$는 이동 속도이다. 이 방정식은 용접 절차를 비교하는 데 도움이 되지만, 판 두께, 이음부 형상, 구속, 비드 순서, 예열, 층간 온도 또는 열영향부(HAZ)의 실제 열장을 반영하지는 않는다. 따라서 계산된 값이 더 높더라도 이음부에 따라 서로 다른 금속학적 결과가 나타날 수 있다.

수소균열은 입열량만으로 방지되지 않는다. TWI는 수소, 경하고 취성인 취약 조직, 인장 응력이라는 세 가지 조건이 동시에 존재해야 한다고 설명한다. International Institute of Welding (IIW)은 동일한 지배 요인을 수소 함량, 잔류 인장 응력 및 미세조직 취약성으로 설명한다. 입열량은 주로 이러한 상호작용에서 열적 부분과 변태 부분에 영향을 미치는 반면, 실제 용접 작업은 얼마나 많은 수소가 유입되고 얼마나 쉽게 빠져나가는지를 결정한다.

열 사이클과 냉각 속도의 영향

용접부 주변의 각 지점은 급속 가열, 최고 온도 도달, 그리고 변태 온도 범위를 통과하는 냉각이라는 열 사이클을 경험한다. 냉각 속도는 용접 금속과 HAZ에 형성되는 상을 결정한다. 수소균열에 취약한 탄소-망간강, 저합금강 또는 조질강에서는 급속 냉각으로 경하고 취성인 베이나이트 또는 마르텐사이트 영역이 형성될 수 있다. 이러한 영역은 더 연하고 연성이 높은 미세조직에 비해 수소와 인장 응력에 대한 허용도가 낮다.[2][2] Welding parameter guidance. Dillinger. Dillinger technical guidance, 2024.

입열량을 증가시키면 일반적으로 열장이 넓어지고 냉각이 느려지며, 특히 이음부가 두껍거나 열전도성이 높은 경우 그 효과가 두드러진다. 예열은 시작 온도를 높여 용접부와 주변 강재 사이의 온도 차이를 줄인다. 층간 온도도 후속 패스에서 유사한 효과를 낸다. EN 1011-2의 Method B를 적용한 Dillinger의 지침은 예열이 HAZ 냉각을 늦추는 동시에 수소의 방출을 촉진한다고 설명한다. BS EN 1011-2 지침 역시 냉각 속도 제어를 예열 유지 또는 후열 적용과 연계하여, 수소가 경하고 응력이 높은 영역에 갇히기 전에 이동할 수 있도록 해야 한다고 설명한다.

따라서 결과를 단순히 “뜨거울수록 더 안전하다”고 볼 수는 없다. 냉각 속도가 느려지면 마르텐사이트의 양이 감소할 수 있지만, 동일한 열 사이클이 결정립 크기, 변태 생성물, 잔류 응력 및 수소 이동에도 영향을 줄 수 있다. 용접 절차는 실제 강종, 두께, 이음부 구속 및 용접 순서를 기준으로 평가해야 한다.

더 높은 입열량이 항상 수소 균열 위험을 줄이는 것은 아니다. Limited evidence

수소의 이동은 시간의 영향을 받는다. 확산성 수소는 용접 중과 용접 후에 강재 내부를 이동할 수 있지만, 이동 경로와 방출 속도는 온도, 미세조직, 형상 및 이용 가능한 표면에 따라 달라진다. TWI는 입열량을 증가시키면 때로는 용접 금속 내 수소 잔류량이 증가할 수 있다고 주의를 환기한다. 용융 또는 가열되는 영역이 커지면 수소가 이동해야 하는 거리가 늘어날 수 있으며, 효과적인 확산에 이용 가능한 전체 시간이 짧아질 수 있기 때문이다. 이는 입열량을 증가시키면 언제나 수소가 빠져나갈 기회가 늘어난다는 흔한 가정을 직접적으로 반박한다.

과도한 입열량이 자동으로 더 안전하지 않은 이유

높은 입열량은 최고 냉각 속도를 낮출 수 있지만, 동시에 다른 결함을 유발하거나 재료 특성을 손상시킬 수 있다. 과도한 에너지는 HAZ에서 이전 오스테나이트 결정립을 조대화하고, 인성을 저하시키며, 변형을 증가시키고, 지나치게 크고 연화되거나 취화된 영역을 형성할 수 있다. 조질강에서는 열 사이클로 인해 의도적으로 강화된 재료가 뜨임되거나, 용접 절차 인증에서 허용하는 범위를 넘어 국부적으로 과열될 수 있다.

수소 잔류량 역시 감소하지 않고 오히려 증가할 수 있다. 큰 비드는 부피가 더 크며 수소를 자유 표면에서 더 먼 곳에 위치시킬 수 있다. 용접이 중단되거나 층간 조건이 변하거나, 수소가 빠져나가기 전에 이음부가 마감 패스로 덮이면 수소가 용접부에 남아 있거나 인장 응력을 받는 경한 HAZ 쪽으로 이동할 수 있다. 그 결과 용접 직후 육안검사에서 결함이 발견되지 않았더라도 용접 후 수 시간 또는 수 일이 지나 지연 균열이 나타날 수 있다.

이와 관련하여 입열량과 예열의 차이는 중요하다. 예열은 패스 전과 패스 사이에 작용하여 모재의 온도를 더 높게 유지하고 수소 확산을 돕는다. 입열량은 한 패스 동안 전달되는 에너지를 나타낸다. 두 요소는 동일한 냉각 및 확산 과정에 영향을 주지만 서로 대체할 수 있는 제어 수단은 아니다. 공칭 입열량이 높더라도 저수소계 용접 재료, 건조한 취급, 올바른 보관, 적절한 예열, 관리된 층간 온도 및 필요한 경우 적절한 후열 유지가 요구될 수 있다.

절차에서는 강재에 이미 존재하는 수소도 고려해야 한다. 사용 중인 장비는 운전 과정에서 수소를 흡수할 수 있으며, 그렇게 잔류한 수소는 ISO 3690:2018에 따른 용접 금속 확산성 수소 시험으로는 반영되지 않는다. TWI는 수소가 주입된 2¼Cr-1Mo 강에 대한 실험에서 잔류 사용 수소에 대응하기 위해 예열 온도를 130 °C 높여야 할 수 있다고 보고한다. 이는 제작 이력의 문제이지, 단순히 아크 에너지를 증가시키면 위험이 해결될 것이라고 가정할 근거가 아니다.

용입, 희석, 인성 및 균열 위험의 균형

입열량은 서로 연계된 절차의 일부로 관리해야 한다. 전류는 용착 속도, 용입, 아크 힘 및 용융되는 금속의 양에 영향을 준다. 전압은 아크 길이와 비드 폭을 변화시킨다. 이동 속도는 단위 길이당 에너지와 열이 확산되는 데 이용 가능한 시간에 영향을 준다. 비드 크기와 순서는 재가열, 구속 및 후속 패스에 의해 부여되는 열 사이클을 결정한다. 예열과 층간 온도는 각 패스의 시작 조건을 변화시킨다. 다른 요소를 무시한 채 한 가지 설정만 최적화하면, 서류상으로는 만족스러워 보이지만 허용할 수 없는 HAZ 또는 수소 잔류 조건을 발생시키는 절차가 될 수 있다.

입열량이 너무 낮으면 용입 부족, 융합 불량, 과도한 경도 및 급속 냉각이 발생할 수 있다. 반대로 너무 높으면 번스루, 과도한 희석, 결정립 조대화, 변형, 인성 저하 및 수소 잔류가 발생할 수 있다. 따라서 허용 범위에는 양쪽 방향으로 한계가 존재한다.

이음부 설계와 강재의 화학 조성도 중요하다. 탄소당량, 판 두께, 구속 및 변태 거동은 EN 1011-2와 NF EN 1011-2에서 권장하는 예열 및 입열량 범위에 영향을 준다. S355J2에 적용한 절차를 S690Q와 같은 고강도 조질강이나 사용 중 수소에 노출된 2¼Cr-1Mo 부품에 그대로 적용할 수는 없다. ISO 17642-1:2004에 따른 시험은 모재, 용접 금속 및 용접 재료 조합의 저온균열 민감성을 평가할 수 있으며, ISO 3690:2018은 아크 용접 금속의 확산성 수소를 측정하는 절차를 제공한다.

따라서 입열량은 보편적인 해결책이 아니라 제어 변수이다. 올바른 접근법은 완전한 열적 용접 절차를 인증하는 것이다. 여기에는 측정된 전류, 전압 및 이동 속도, 규정된 비드 치수, 관리된 예열 및 층간 온도, 저수소 용접 작업, 필요한 경우 적절한 후열, 그리고 규정된 유지 시간 후 지연 균열 검사가 포함된다. 용입과 생산성은 중요하지만, 냉각 속도, 인성, 수소 이동 및 구속에 의해 정해지는 금속학적 한계 내에 있어야 한다.

저수소 용접 작업

저수소 용접은 하나의 전극에 붙이는 명칭이 아니라 관리되는 공정입니다. 수소 균열은 세 가지 조건이 겹칠 때에만 발생합니다. 즉, 수소가 존재하고, 용접부 또는 열영향부(HAZ)에 단단하고 취성이 큰 균열 민감 조직이 형성되며, 구속, 수축 또는 잔류응력으로 인해 인장응력이 존재해야 합니다. TWI는 2024년에 이러한 세 가지 요건을 제시했으며, International Institute of Welding (IIW)은 고강도강 용접부에서 수소 함량, 잔류 인장응력 및 미세조직의 균열 민감성을 주요 요인으로 규정합니다.

따라서 실무적인 목표는 아크와 용융지로 유입되는 수소를 줄이고, 오염된 표면이 추가적인 수소를 유입시키지 않도록 하며, 균열 민감 미세조직이 빠르게 형성되는 것을 제한하는 조건에서 용착금속을 형성하는 것입니다. 보관, 불출 관리, 세척, 차폐, 아크 제어, 예열, 층간 온도 및 용착 순서는 모두 동일한 예방 체계에 속합니다.

용접 재료의 보관 및 수분 관리

수분은 가장 잘 알려진 수소 공급원이지만, 여러 경로를 통해 용접부에 도달합니다. 저수소계 염기성 피복 전극은 밀봉 포장을 개봉한 후 습한 공기에서 수분을 흡수할 수 있습니다. 서브머지드 아크 용접용 와이어의 플럭스, 플럭스 코어드 와이어 및 메탈 코어드 와이어도 보관 또는 취급 중에 수분을 흡수할 수 있습니다. 물은 아크에서 해리되며, 그 결과 생성된 수소의 일부가 용융 용접금속으로 유입됩니다. 이후 일부 수소는 확산되어 빠져나가지만, 나머지는 접합부가 냉각되는 동안 단단하고 응력이 집중된 영역으로 이동할 수 있습니다.

전극은 사용하기 전까지 원래의 밀봉 포장 상태로 보관해야 합니다. 포장을 개봉한 후에는 용접 재료 제조업체 또는 해당 용접 절차에서 지정한 온도와 최대 노출 시간에 따라 가열되고 관리되는 보관 캐비닛에 보관해야 합니다. 작업 현장에서는 외관에 의존하지 말고 포장 개봉, 불출, 반납 및 노출 시간을 기록해야 합니다. 전극은 겉보기에는 건조해 보여도 확산성 수소를 증가시키기에 충분한 흡수 수분을 함유할 수 있습니다.

건조 또는 재건조는 용접 재료 규격과 제조업체의 지침에서 허용하는 경우에만 실시해야 합니다. 요구되는 온도, 유지 시간 및 재건조 횟수가 중요합니다. 과도한 가열은 결합제를 손상시키거나 피복 성능을 변화시키거나, 전극이 더 이상 의도된 상태를 충족하지 못하게 할 수 있습니다. 뜨거운 보관 캐비닛과 차갑고 습한 작업 구역 사이를 전극이 반복적으로 오가는 것도 바람직하지 않습니다. 전극을 사용하기 전에 결로가 발생할 수 있기 때문입니다.

표기는 이러한 의무를 없애 주지 않습니다. 예를 들어 AWS E7018 전극은 전극을 밤새 노출된 상태로 방치한 후에도 해당 접합부의 위험이 낮다는 보증이 아닙니다. 또한 “H8” 확산성 수소 등급도 예열, 구속, 강재의 화학 조성 및 입열량에 대한 관리를 대신할 수 없습니다. ISO 3690:2018은 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강재의 아크 용접 용접금속에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정합니다. 이러한 측정은 시험 방법에 따른 용착 용접금속의 상태를 나타낼 뿐이며, 동일한 제품으로 제작된 모든 현장 용접부를 인증하는 것은 아닙니다.

용접 재료는 허용된 노출 기간 내에 사용할 수 있는 양만 불출해야 합니다. 손상된 포장, 젖은 플럭스, 녹슨 와이어, 그리고 피복에 균열, 팽윤 또는 박리가 발생한 전극은 격리해야 합니다. 용접 작업자에게는 깨끗하고 건조한 장갑과 보관 트레이도 필요합니다. 젖은 장갑으로 전극의 피복된 끝부분을 취급하면 피복에 수분이 직접 유입될 수 있습니다.

아크 길이, 표면 상태 및 차폐

일반적으로 짧고 안정적인 아크는 대기 오염을 줄이고 수소를 포함한 수분이 용융지에 도달하는 양을 제한합니다. 아크 길이가 지나치게 길면 아크가 공기에 더 많이 노출되고 스패터가 증가하며 차폐가 불안정해질 수 있습니다. 또한 용입과 용착량이 변하므로 적절한 아크 길이는 임의로 정한 최소 길이가 아니라 공정과 용접 재료에 지정된 길이여야 합니다. 피복 아크 용접에서는 긴 아크가 미숙한 작업의 흔한 결과이며, 수소 흡수 증가뿐 아니라 기공을 유발할 수 있습니다.

가스 차폐 공정에도 동일한 관리가 필요합니다. 차폐가스 실린더, 조정기, 호스, 유량계 및 토치는 건조하고 누설이 없어야 합니다. 가스 라인의 흡입 측에서 누설이 발생하면 외부로 가스가 뚜렷하게 손실되지 않으면서 습한 공기가 가스 흐름 안으로 유입될 수 있습니다. 유량이 지나치게 높으면 난류가 발생하여 공기가 혼입될 수 있고, 유량이 부족하면 용융지가 노출됩니다. 외풍, 바람, 토치 각도, 돌출 길이 및 차폐의 조기 제거를 관리해야 합니다. 가스의 순도와 지정된 가스 혼합비도 중요하며, 특히 소량의 산소 또는 이산화탄소 첨가가 아크 거동과 표면 반응에 영향을 미치는 경우에는 더욱 중요합니다.

절차에서 요구하는 경우 접합부 표면은 밝고 건전한 금속이 드러날 때까지 세척해야 합니다. 기름, 그리스, 페인트, 접착제, 절삭유 잔류물, 마커 잉크, 염류, 젖은 연마 분진 및 부식 생성물은 수소를 유입시키거나 신뢰성 있는 융합을 방해할 수 있습니다. 녹과 밀 스케일은 깨끗한 강재와 동일한 것으로 볼 수 없습니다. 차가운 판재를 따뜻하고 습한 구역으로 옮길 때 발생하는 결로는 특히 위험합니다. 접합부가 눈에 보이게 건조하더라도 얇은 수막이 남아 있을 수 있습니다. 예열은 두꺼운 부품의 중심부만 따뜻하게 하는 것이 아니라, 표면 온도를 관련 이슬점 여유 온도 이상으로 올려야 합니다.

제어된 용착에는 적절한 이동 속도, 전류, 전압, 와이어 송급 속도, 비드 크기, 층간 세척 및 용착 순서가 포함됩니다. 크고 느린 용착이 균열을 자동으로 줄여 주는 것은 아닙니다. TWI는 2024년에 예열 온도를 높이면 일반적으로 수소가 빠져나갈 시간이 늘어나고 냉각 속도가 느려진다고 보고했습니다. 반면 과도한 입열은 확산 거리를 늘리고 확산에 이용 가능한 시간을 줄여 용접금속 내 수소 잔류를 증가시킬 수 있습니다. 따라서 입열량은 자격을 취득한 용접 절차의 범위 내에 있어야 합니다.

전극 이외의 수소 공급원

전극 또는 플럭스는 수소 수지의 한 부분에 불과합니다. 판재 가장자리, 뒷댐재, 클램프, 세라믹 치구 및 임시 부착물에 묻은 수분도 아크에 유입될 수 있습니다. 세척에 사용하는 압축공기는 관리가 부실한 압축기에서 나온 기름이나 물을 포함할 수 있습니다. 젖은 연삭 휠, 습기가 있는 연마포 및 수성 마킹 제품은 용접 중 가열될 때 잔류물을 남길 수 있습니다. 아연도금 피복과 기타 표면 처리는 추가적인 흄을 발생시키므로, 해당 안전 및 용접 절차 요건에 따라 제거해야 할 수 있습니다.

수소는 용접 환경에서도 유입될 수 있습니다. 비, 결로, 높은 습도, 젖은 단열재 및 보호되지 않은 가스 라인은 건조한 용접 재료 체계를 무력화합니다. 접합부를 작업 교대 시작 시 세척했더라도 방수포 아래 또는 실외에서 대기하는 동안 오염될 수 있습니다. 절차에는 보호 조치, 표면 재세척 및 용접을 중단해야 하는 조건을 규정해야 합니다.

사용 이력은 또 다른 문제를 일으킵니다. 산세, 음극방식, 황화수소 환경 노출, 부식 또는 고압 운전 중 흡수된 수소가 모재에 남아 있을 수 있습니다. 이러한 잔류 수소는 새 전극 배치를 시험하는 것만으로 측정할 수 없으며, 용접 재료 표기를 다른 것으로 변경한다고 제거되지도 않습니다. 수소가 주입된 강재에 대한 연구에서는 사용 중 잔류한 수소 때문에 2¼Cr-1Mo 강의 보수 작업에서 예열 온도를 130 °C 높여야 할 수 있다는 결과가 보고되었습니다. 이러한 작업에는 수소 방출 처리, 장시간 유지, 보수적인 예열, 제어된 층간 온도 및 자격을 갖춘 보수 용접 절차가 필요할 수 있습니다.

후열 또는 지연 냉각은 수소가 단단하고 응력이 집중된 영역에 갇히기 전에 이동할 시간을 제공할 수 있습니다. BS EN 1011-2 지침은 이 작업을 냉각 속도 제어와 연계하고 있으며, ISO 17642-1:2004는 용접 재료, 모재 및 용접금속의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 일반 원칙을 제시합니다. 이러한 조치는 절차상의 관리 수단이며 검사를 대신하지 않습니다. 지연성 저온 균열은 용접 후 수 시간이 지나서 나타날 수 있으므로, 용착 직후 실시한 육안검사만으로는 접합부에 균열이 없음을 입증할 수 없습니다.

구속, 이음부 설계 및 잔류 응력

수소 균열이 발생하려면 수소와 균열에 취약한 경질 미세조직에 더해 세 번째 조건인 인장 응력이 필요하다. TWI의 2024년 지침은 이 메커니즘을 수소, 경질·취성 구조, 인장 응력이 함께 존재하는 현상으로 설명한다. IIW White Paper(2023)도 동일하게 구분하며, 고강도 강 용접부에서 수소 함량, 미세조직의 취약성, 잔류 인장 응력을 수소 유기 균열을 좌우하는 세 가지 주요 요인으로 제시한다.

이 응력은 부재 자체, 용접 작업, 또는 양쪽 모두에서 발생할 수 있다. 이음부 전체는 공칭 항복 응력 이하일 수 있지만, 용접부 옆의 작은 영역에는 훨씬 높은 국부 응력이 작용할 수 있다. 그러면 수소는 개재물, 구 오스테나이트 입계, 마르텐사이트 영역, 용접 불연속부와 같은 트랩으로 이동한다. 국부 인장 응력이 해당 영역의 저항을 초과하면 냉각 중 또는 용접 후 수 시간 뒤에 균열이 시작될 수 있다. 이는 용융 금속 또는 부분적으로 응고된 금속이 존재하는 동안 형성되는 고온 균열이 아니라, 지연성 저온 균열이다.

루트 간격, 가조립 상태 및 국부 구속

이음부 준비는 용접 금속의 양보다 더 많은 것을 좌우한다. 루트 간격이 너무 작으면 적절한 루트 융합이 방해되고, 용접사는 이음부를 메우기 위해 전류, 아크 길이 또는 토치 조작을 늘려야 할 수 있다. 간격이 너무 크면 큰 루트 패스 또는 과도한 덧살이 필요해져 수축량과 부재를 서로 끌어당기는 데 필요한 힘이 증가한다. 어느 조건도 무해하지 않다. 지정된 간격, 루트 면, 홈 각도 및 정렬 상태는 몇 군데의 허용 가능한 측정값만으로 추정하지 말고 이음부 전체에 걸쳐 유지해야 한다.

가조립 상태가 불량하면 용접부가 수축하면서 치수 오차를 보정해야 하므로 국부 구속이 발생한다. 고저 불일치, 비틀린 플랜지 또는 클램프로 억지로 접촉시킨 판은 이음부가 냉각되기 전부터 용접부 옆에 굽힘 응력을 남길 수 있다. 가용접도 또 다른 문제를 더한다. 크기가 부족하거나 균열이 있는 가용접은 최종 용접부의 일부가 될 수 있으며, 반대로 가용접이 지나치게 강하면 수축이 진행되는 동안 부재가 움직이지 못하게 된다.

짧은 용접부가 두꺼운 재료를 대형의 강성이 큰 구조물에 연결하는 경우 구속은 특히 심하다. 압력용기 셸에 용접하는 브래킷, 플랜지 토에 가깝게 부착하는 보강재, 모서리가 박스 형태인 크레인 구조 상세부, 기존 프레임 내부에서 수행하는 보수 용접 등이 그 예다. 주변 강재가 자유롭게 변형할 수 없으므로 용접부의 종방향 및 횡방향 수축이 인장 응력으로 전환된다. 세 면 또는 네 면을 따라 용접한 좁은 부착물은 용접하지 않은 종단부에서 심한 응력 집중을 일으킬 수 있다.

이음부 형상은 이러한 영향을 증폭시킬 수 있다. 두께의 급격한 변화, 날카로운 오목 모서리, 작은 용접 토, 서로 가까이 배치된 용접부는 응력을 집중시키며, 급속 냉각으로 인해 경질 HAZ 영역을 형성할 수도 있다. 완만한 형상 전이, 충분한 용접 접근성, 그리고 높은 하중이 작용하는 모서리에서 떨어진 위치에 둔 종단부는 최대 응력을 줄인다. 설계 선택은 피로, 부식 여유, 압력 경계 규정, 접근성 또는 기존 부착물을 유지해야 할 필요성에 의해 제한될 수 있다. 따라서 구속 저감은 보편적인 제작 지침이 아니라 설계상의 결정이다.

허용되는 경우, 더 큰 루트 반경, 구속이 덜 심한 부착 상세부 또는 부재의 중립 측에 배치한 용접은 국부 응력을 줄일 수 있다. 임시 강재 보강재와 클램프는 용착 중 정렬을 유지할 수 있지만, 모든 수축이 갇힐 정도로 이음부를 지나치게 강하게 고정해서는 안 된다. 또한 이를 제거하기 위한 계획이 필요하다. 임시 부착물을 절단해 제거하면 그루브나 새롭게 구속이 심한 보수 용접부가 남을 수 있으며, 이 둘 모두 관리된 마무리 작업과 검사가 필요하다.

용접 후 잔류 인장 응력

용접 금속은 냉각하면서 수축한다. 고온의 용접 금속은 더 차가운 모재로 둘러싸여 있으며, 모재가 이러한 수축을 구속한다. 그 결과 용접부와 인접한 HAZ에는 일반적으로 종방향 및 횡방향 잔류 인장 응력이 남고, 더 먼 영역의 압축 응력이 이를 평형시킨다. 최대 응력값은 단면 두께, 이음부 형상, 입열량, 용착 순서 및 구조물이 움직일 수 있는 정도에 따라 달라진다.

잔류 응력이 중요한 이유는 수소 균열이 국부적으로 발생하는 경우가 많기 때문이다. HAZ의 작은 경질 영역에는 절대량으로는 적은 수소만 존재할 수 있지만, 그곳에서 인장 응력과 수소 농도가 겹치면 균열이 발생할 수 있다. 외부 하중이 응력을 높일 수 있지만, 균열이 발생하려면 이음부가 사용 중일 필요는 없다. 용접 잔류 응력만으로도 균열을 진행시키는 힘의 상당 부분이 제공될 수 있다. 이 때문에 부재가 냉각되고 수소가 재분포된 후 용접 토 아래 또는 HAZ를 따라 균열이 나타날 수 있다.

용접부의 최종 응력 상태는 용접 크기만으로 신뢰성 있게 예측되지 않는다. 두꺼운 캡 패스는 금속과 열을 추가하는 동시에 횡방향 수축을 증가시킬 수 있다. 반대로 낮은 입열량의 절차는 급속히 냉각되는 좁은 HAZ와 경질 변태 생성물을 만들 수 있다. 예열 및 패스 간 관리는 냉각과 수소 이동을 제어하지만 구속을 제거하지는 않는다. SteelConstruction.info가 2024년에 요약한 BS EN 1011-2 권고사항은 수소가 경질의 응력이 높은 영역에 갇히기 전에 이동할 수 있도록 냉각을 제어하고 예열 또는 후열을 유지할 것을 요구한다. 이 조치는 이음부 설계가 극심한 구속을 부과하지 않을 때 가장 효과적이다.

재료, 두께 및 사용 조건이 허용하는 경우 용접 후 열처리는 잔류 응력을 줄이고 취약한 미세조직을 뜨임할 수 있다. 그러나 이는 적절한 가조립 상태나 저수소 용접 절차를 대신할 수 없으며, 대형 구조물이나 현장 보수에는 실용적이지 않을 수 있다. 검사에도 한계가 있다. 용접 후 균열을 발견했다고 해서 응력 문제가 제어되었다는 뜻은 아니다.

순서 및 용착 계획

용접 순서는 수축이 어디에 누적되는지를 결정한다. 긴 구조물을 한쪽 끝에서부터 연속적으로 용접하면 완성된 구간이 남은 이음부를 정렬 상태에서 벗어나게 끌어당기고, 최종 용접부에 높은 구속을 남길 수 있다. 계획된 순서는 수축을 분산시키고, 접근성을 유지하며, 인접 용접부가 추가 응력을 가하기 전에 앞선 용접부가 냉각되도록 할 수 있다.

균형 용착이 더 바람직한 경우가 많다. 양면 이음부의 양쪽을 번갈아 용접하거나, 중앙에서 양 끝을 향해 진행하거나, 백스텝 순서를 사용하면 변형을 줄이고 한쪽으로만 수축하여 구조물이 고정되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 방법이 모든 구조물에서 서로 대체 가능한 것은 아니다. 백스텝 방식은 진행 방향을 바꾸지만 입열량이나 수소 위험을 자동으로 낮추지는 않는다. 절차서에는 패스 크기, 패스 간 온도, 필요한 경우 대기 시간 및 용접 순서를 명시해야 한다.

대형 부착물은 일반적으로 여러 단계로 나누어, 하나의 짧은 영역에 모든 수축 구속이 집중되지 않도록 한다. 모서리에서 만나는 용접부는 이미 수축한 강성이 큰 부재 사이에 최종 폐합 용접부가 갇히지 않도록 순서를 정해야 한다. 스킵 용접은 열 축적을 줄일 수 있지만, 세그먼트 사이의 간격이 지나치게 크면 차가운 영역과 불균일한 구속이 발생할 수 있다. 각 시작점에서는 지정된 최소 예열 온도를 유지해야 한다.

계산과 접근성이 허용한다면 임시 부착물, 사전 변형 및 제어된 잭킹을 통해 구조물이 움직일 여유를 줄 수 있다. 사전 변형이 단순히 다른 상세부로 응력을 옮기는 것이라면 해결책이 될 수 없다. 보수 작업에서는 기존 부재에 사용 중 흡수된 수소, 변화된 미세조직 및 이전 보수 작업으로 인한 잔류 응력이 존재할 수 있다. TWI는 한 실험에서 수소가 충전된 2¼Cr-1Mo 강에 예열 온도를 130 °C 높여야 했다고 보고했다. 이는 신규 판재를 위해 선택한 순서가 사용 이력이 있는 강재에는 안전하지 않을 수 있는 이유를 보여준다.

실무적인 목표는 모든 구속을 제거하는 것이 아니다. 이는 거의 불가능한 경우가 많다. 목표는 갑작스러운 국부 구속을 피하고, 수축을 분산시키며, 적절한 형상을 유지하고, 냉각 및 수소 제어 절차를 실제 이음부에 맞추는 것이다. ISO 17642-1:2004는 용접 소모품, 모재 및 용접 금속의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 원칙을 제시한다. 이러한 시험은 명목상 탄소 함량만으로는 예측할 수 없는 구속 민감성을 드러낼 수 있다.

페라이트계 강에 EN 1011-2 적용하기

NF EN 1011-2는 탄소-망간강, 저합금강, 열기계 압연강, 정규화강, 조질강을 포함한 페라이트계 강의 용접 권고사항에 대한 체계적 틀을 제공합니다. 이 표준의 목적은 특정 강 계열에 하나의 보편적인 예열 온도를 지정하는 데 있지 않습니다. 강의 조성, 수소 함량, 입열량, 예열 및 층간 온도를 수소 보조 저온 균열을 지배하는 냉각 및 변태 조건과 연계합니다.

이러한 구분은 중요합니다. 용접 이음부는 여러 조건이 동시에 충족될 때 균열이 발생합니다. 즉, 수소가 존재하고, 용접부 또는 열영향부(HAZ)에 경하고 취성인 균열 민감 조직이 형성되며, 해당 영역에 인장 응력이 작용해야 합니다. TWI는 2024년 강재의 수소 균열에 관한 지침에서 이러한 세 가지 요건을 확인했습니다. International Institute of Welding도 2023년 White Paper에서 동일한 메커니즘을 보다 구체적으로 설명하면서, 고강도강 용접부에서 수소 유발 균열을 지배하는 세 가지 주요 요인으로 수소 함량, 잔류 인장 응력 및 미세조직의 균열 민감성을 제시했습니다.

따라서 이 표준은 단순한 지름길이 아니라 위험성 평가를 지원합니다. EN 10025-2 S355J2에 대해 작성된 권고사항을 EN 10083-3 42CrMo4, EN 10028-2 P355GH 또는 공칭 강도가 유사한 조질 구조용 강종에 자동으로 적용할 수는 없습니다. Method B 계산이나 변수 선정이 의미를 가지려면 실제 강종 증명서, 제품 두께, 이음부 형상, 용접 공정, 용가재 분류, 구속 조건 및 사용 이력을 먼저 파악해야 합니다.

강의 조성 및 균열 민감성 평가

조성은 주로 경화능과 HAZ가 냉각되는 동안 형성되는 미세조직에 영향을 미침으로써 용접성에 영향을 줍니다. 탄소는 중요하지만, 탄소 함량만으로 선별하는 것은 적절하지 않습니다. 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘, 니켈, 구리, 바나듐, 붕소 및 강의 납품 상태는 모두 임계 냉각 거동을 변화시킬 수 있습니다. 탄소 함량이 유사한 두 강재라도 합금계와 용접 전 열처리 이력이 다르면 HAZ 경도는 크게 달라질 수 있습니다.

탄소당량 지표는 균열 민감성을 비교하는 데 유용하지만, 어디까지나 지표입니다. 일반적으로 탄소당량이 높을수록 경화능이 크고, 구속된 용접 조건에서 마르텐사이트 또는 경한 베이나이트가 형성될 가능성이 커집니다. 그러나 수소 수준, 냉각 속도, 입열량 및 구속 조건을 함께 고려하지 않고는 균열을 예측할 수 없습니다. 2¼Cr-1Mo와 같은 저합금 압력용기용 강은 공칭 탄소 함량이 비슷하더라도 더 저합금인 강보다 엄격한 관리가 필요할 수 있습니다.

두께도 평가를 변화시킵니다. 두꺼운 판재나 열전도성이 높은 이음부는 열을 빠르게 빼앗아 수소가 확산할 수 있는 시간을 줄이고, 경한 HAZ가 형성될 가능성을 높입니다. 구속된 모서리 이음부의 필릿 용접은 자유롭게 수축하는 판재의 맞대기 용접과 균열 위험이 다릅니다. 루트 간격, 용접 크기, 가용접 품질, 이음부 용접 순서 및 부착물은 국부적인 구속과 응력 집중을 변화시킵니다.

재료의 이력도 포함해야 합니다. 사용 중 유입된 수소는 강재에 잔류하여 보수 용접 중 균열 위험을 높일 수 있습니다. 2¼Cr-1Mo를 포함한 수소 장입 강재에 대한 연구에서는 사용 중 잔류한 수소로 인해 예열 온도를 130 °C 높여야 할 수 있다고 보고했습니다. 이는 일반적인 온도 규칙이 아닙니다. 새로운 판재에 대한 제작 절차를 수소에 노출된 용기나 배관 부품에 그대로 적용할 수 없는 이유를 보여주는 결과입니다. 수소 방출 처리, 장시간 가열, 저수소계 용접재 및 추가 검사가 필요할 수 있습니다.

일반적인 평가만으로 불확실한 경우에는 저온 균열 시험이 도움이 될 수 있습니다. ISO 17642-1:2004는 아크 용접된 금속 재료의 파괴 시험 원칙과 용접재, 모재 및 용착 금속의 균열 민감성을 평가하는 방법을 규정합니다. 이러한 시험은 실제 이음부 및 사용 조건에 기초한 절차를 대체하는 것이 아니라 이를 보완합니다.

수소, 예열 및 층간 변수

용접부로 유입되는 수소의 출처는 여러 가지입니다. 전극 또는 플럭스의 수분, 이음부 표면의 오염, 차폐가스 또는 작업 환경에 대한 노출, 그리고 용접재 취급 과정 등이 이에 해당합니다. ISO 3690:2018은 용가재를 사용하는 페라이트계, 베이나이트계 및 마르텐사이트계 강 용접부에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정합니다. 측정값은 규정된 시험 및 취급 조건에서 생성된 용착 금속에 적용됩니다. 이를 HAZ에 존재하는 전체 수소 또는 사용 중 모재에 잔류한 수소와 혼동해서는 안 됩니다.

예열은 두 가지 유용한 효과를 가집니다. HAZ의 냉각을 늦추어 경하고 균열에 민감한 조직이 형성될 가능성을 낮추며, 응력이 임계 수준에 도달하기 전에 수소가 용접 영역을 빠져나갈 시간을 늘립니다. 규정된 층간 온도를 유지하면 다층 용접 전체에서 이러한 효과가 지속됩니다. SteelConstruction.info에 요약된 BS EN 1011-2 지침은 예열 또는 후열을 통해 경하고 응력이 집중된 영역에서 수소가 이동하도록 하는 내용을 설명합니다.

예열은 보편적인 해결책이 아닙니다. 이음부의 구속이 매우 크거나, 수소 유입량이 높거나, 강재에 매우 경한 HAZ가 형성되는 경우에는 겉보기에 충분한 온도에서도 균열을 방지하지 못할 수 있습니다. 과도한 예열 역시 문제를 일으킬 수 있습니다. HAZ를 확대하고, 생산성을 낮추며, 인성을 변화시키고, 변형을 증가시킬 수 있습니다. TWI는 2024년에 입열량을 증가시킨다고 해서 수소 균열이 항상 감소하는 것은 아니라고 보고했습니다. 냉각이 느려지면 HAZ 경도가 낮아질 수 있지만, 과도한 입열량은 확산 거리를 늘리고 수소가 빠져나갈 수 있는 시간을 줄여 용착 금속 내 수소 잔류량을 증가시킬 수 있습니다.

따라서 층간 온도는 예열의 단순한 연장으로 보아 임의로 관리할 것이 아니라 일정 범위로 제어해야 합니다. 층간 온도가 낮으면 다음 패스가 차갑고 수소를 함유한 이음부에 급격한 열 사이클을 가할 수 있습니다. 반대로 온도가 높으면 과도한 결정립 성장이나 바람직하지 않은 변태 거동이 발생할 수 있습니다. 측정은 용접부 인근의 규정된 위치에서 실시해야 하며, 용접 후 충분한 시간이 지난 뒤 측정하여 판독값이 가장 뜨거운 표면만이 아니라 이음부를 대표하도록 해야 합니다.

후열과 지연 검사는 결함의 시간 의존적 특성에 대응합니다. 수소 균열은 용접 후 수분 또는 수 시간 뒤, 이음부가 냉각된 다음에 나타날 수 있습니다. 이음부를 제어된 온도에서 유지하면 수소 방출을 촉진할 수 있지만, 후열은 이미 형성된 균열을 복구하지 못합니다. 검사는 별도의 관리 수단으로서, 균열을 유발한 금속학적 조건을 방지하는 것이 아니라 그 결과인 균열을 검출합니다.

Method B 및 용접 변수 지침

방법 B방법 B 조성, 두께, 수소 상태, 입열량 및 열 한계를 예열 및 층간 온도 선정과 연계하는 EN 1011-2 접근법.

EN 1011-2의 Method B는 Dillinger의 용접 변수 지침에서 참조하는 접근법입니다. 이 방법은 제안된 용접에 필요한 예열 또는 층간 온도를 결정하기 위해 강의 조성 및 두께를 수소 조건, 입열량과 연계하여 사용합니다. 이 방법은 체계적인 선정 절차로 이해하는 것이 가장 적절합니다. 입력값을 확인하지 않은 채 표에서 특정 온도 하나를 그대로 옮겨 적는 것을 정당화하지 않습니다.

Dillinger의 지침은 핵심적인 열 균형을 설명합니다. 예열은 HAZ의 냉각을 늦추는 동시에 용접 이음부에서 수소가 빠져나가는 것을 촉진합니다. 이어서 선정된 입열량은 냉각 시간, HAZ 경도, 용착 금속의 특성, 변형 및 수소 확산에 영향을 줍니다. 이러한 변수들은 상호작용합니다. 입열량을 높이면 HAZ 경도는 낮아질 수 있지만 용착 금속 내 수소 잔류량은 증가할 수 있고, 입열량을 낮추면 전체 열 노출은 줄어들 수 있지만 HAZ가 더 경해질 수 있습니다. 어느 한 방향이 자동으로 더 안전한 것은 아닙니다.

Method B를 적용하려면 정확한 강재 지정 및 두께, 용접재의 수소 분류 또는 측정된 수소 조건, 용접 공정, 이음부 유형과 구속 조건, 용접 크기, 입열량 범위 및 의도한 예열·층간 온도 한계를 파악해야 합니다. 전극 건조 및 보관, 표면 청정도, 차폐, 아크 길이, 패스 순서 및 가용접 관행은 선정된 절차의 전제 조건과 일치해야 합니다. 저수소계 공정에 대해 인증된 절차를 습기가 있는 플럭스나 부적절하게 보관된 전극을 사용하는 절차와 동등한 것으로 취급해서는 안 됩니다.

그 결과물은 단순한 예열 온도 하나가 아니라 관리되는 용접절차사양서여야 합니다. 여기에는 온도 측정 방법, 허용 입열량 범위, 최대 층간 온도, 용접재 관리 조건, 검사 전 최소 지연 시간 및 필요한 후열 요건이 명시되어야 합니다. 보수 대상이거나 두껍고 구속이 크거나 사용 중 수소에 노출된 부품의 경우에는 용접을 시작하기 전에 엔지니어링 검토와 수소 시험을 실시하는 것이 타당할 수 있습니다.

따라서 NF EN 1011-2는 페라이트계 강의 용접성을 평가하기 위한 의사결정 체계로 기능합니다. 이 표준은 예열을 연계된 관리 시스템의 한 요소로 다룹니다. 즉, 수소를 줄이고, 균열에 민감한 경한 조직을 피하며, 가능한 경우 인장 구속을 제한하고, 냉각과 입열량을 제어하며, 수소가 빠져나갈 시간을 확보해야 합니다. 같은 공칭 강종이라도 이음부에 따라 서로 다른 절차가 필요한 이유가 바로 여기에 있습니다.

저온 균열 시험 및 절차 적격성 평가

파괴적 저온 균열 시험의 목적

파괴적 저온 균열 시험은 용접부를 지연성 수소 보조 균열이 발생할 수 있는 조건에 노출한 다음, 용접부와 열영향부(HAZ)에 균열이 있는지 검사하기 위해 수행된다. 목적은 용접 직후 비드가 건전해 보이는지만 확인하는 데 있지 않다. 저온 균열은 냉각 후, 때로는 수 시간이 지난 뒤에도 발생할 수 있다. 이는 확산성 수소가 용접부를 통과하여 경질 미세조직과 인장 응력이 작용하는 영역으로 이동하기 때문이다.

ISO 17642-1:2004는 아크 용접된 금속 재료의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 일반 원칙을 규정한다. 이 표준은 용접 소모품, 모재 및 용접금속의 균열 민감도를 평가하기 위해 시험 방법을 적용하는 방식을 설명하며, 시험이 재현하고자 하는 균열 발생 메커니즘도 다룬다. 또한 시험 방법을 선정하고 결과를 해석하기 위한 체계를 제공하지만, 하나의 시험 결과를 보편적으로 적용 가능한 안전 용접 한계로 환산하지는 않는다.

검증 대상이 되는 야금학적 조건은 세 가지 요건의 조합이다. TWI는 강에서 수소 균열이 발생하기 위해 수소, 경질·취성의 균열 민감 조직, 그리고 인장 응력이 필요하다고 밝혔다. International Institute of Welding의 2023 White Paper도 동일한 문제를 수소 함량, 잔류 인장 응력 및 미세조직적 민감성의 관점에서 제시한다. 이 요인 중 하나를 제거하거나 충분히 감소시키면 균열이 발생하지 않을 수 있다. 반대로 세 요인을 모두 높이면, 완화된 시험을 통과한 용접부가 생산 과정에서는 실패할 수 있다.

따라서 파괴 시험에서는 구속, 노치 효과, 급속 냉각 또는 의도적으로 가혹한 이음부 형상을 부여할 수 있다. 일반적인 관찰 대상에는 용접금속 내 균열, 용융 경계 부근의 종방향 또는 횡방향 균열, 그리고 표면에서 보이지 않을 수 있는 HAZ 균열이 포함된다. 금속조직학적 절단 검사가 필요한 경우가 많다. 육안 검사에서 허용 가능한 것으로 보이는 시험편에도 짧은 내부 균열이 존재할 수 있으며, 작은 균열 하나만 나타난 시험편도 선정된 재료와 절차의 안전 여유가 좁다는 점을 보여줄 수 있다.

수소 측정은 균열 시험을 보완하지만 이를 대체하지는 않는다. ISO 3690:2018은 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강에 사용되는 용가재로 제작한 아크 용접금속에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정한다. 이 측정은 규정된 시험 조건에서 용접금속으로부터 방출되는 수소를 대상으로 한다. 오래된 강판에 이미 흡수된 수소, HAZ에 갇힌 수소 또는 사용 중 유입된 수소를 직접 정량화하는 것은 아니다.

이러한 구분은 보수 작업에서 중요하다. 수소가 유입된 C-Mn강 및 Cr-Mo강은 사용 중 수소를 보유할 수 있으며, 이 수소가 용접으로 유입되는 수소에 추가될 수 있다. 2¼Cr-1Mo강을 대상으로 한 한 실험에서는 사용 중 잔류한 수소와 130 °C의 예열 온도 증가 필요성이 연관된 것으로 보고되었다. 이는 저수소계 용접봉이나 통상적인 확산성 수소값이 사용 이력이 있는 용기의 용접 안전성을 입증한다고 간주해서는 안 된다는 경고이다.

시험 민감도와 생산 거동의 비교

저온 균열 시험은 규정된 조건에서 이루어지는 비교 시험이다. 생산 용접부에서 균열이 발생할 수 없다는 보장은 아니다. 시험 용접부가 제작 이음부보다 높은 구속이나 낮은 입열을 사용하여 더 가혹할 수 있다. 이 경우 시험 통과는 해당 절차가 그 조건을 견딜 수 있다는 유용한 근거가 될 수 있다. 반대로 생산보다 판 두께가 얇거나, 소모품이 더 건조하거나, 수소 수준이 낮거나, 냉각이 느리기 때문에 시험이 덜 가혹할 수도 있다. 이 경우 시험 통과 결과는 다른 이음부에 대해 거의 의미가 없을 수 있다.

비교를 좌우하는 변수는 대표성을 유지해야 한다. 여기에는 강종과 제품 상태, 두께, 이음부 개선 형상, 용접 자세, 소모품의 분류 및 보관 상태, 측정된 수소 상태, 입열, 예열, 층간 온도, 구속 및 냉각 이력이 포함된다. 강의 화학 조성은 경화능과 변태 생성물에 영향을 미치며, 두께와 이음부 형상은 열 흐름에 영향을 준다. 구속은 용접부가 수축할 때 발생하는 인장 응력을 결정한다. 이 중 어느 하나라도 변경하면 결과가 달라질 수 있다.

냉각 이력에는 특히 주의를 기울여야 한다. 탄소당량이 높은 강은 빠르게 냉각될 때 HAZ에 경질 마르텐사이트 또는 경질 베이나이트 조직을 형성할 수 있다. 예열은 냉각을 지연시켜 이러한 민감한 변태 생성물의 양이나 경도를 줄일 수 있다. 또한 용접부가 더 차갑고 투과성이 낮은 상태에 도달하기 전에 수소가 빠져나갈 시간을 늘려 준다. EN 1011-2의 Method B를 적용한 Dillinger의 지침은 이러한 이중 효과를 설명한다. 예열은 HAZ 냉각을 늦추는 동시에 용접부에서 수소가 빠져나가는 것을 촉진한다.

그러나 이것이 예열을 보편적인 해결책으로 만들어 주는 것은 아니다. TWI는 2024년에 예열을 높이면 일반적으로 수소 방출이 촉진되고 냉각 속도가 감소하지만, 과도한 입열은 확산 거리를 늘리고 확산에 이용 가능한 시간을 줄임으로써 용접금속 내 수소 잔류를 증가시킬 수 있다고 보고했다. 따라서 크고 느린 용접은 더 낮은 입열로 수행한 작은 용접과 다른 수소 분포를 만들 수 있다. 층간 온도 역시 연속적인 열사이클, 결정립 성장, 변태 거동 및 수소가 이동 가능한 상태로 남아 있는 시간에 영향을 줄 수 있다.

시험에서는 지연성 저온 균열과 고온 균열도 구분해야 한다. 고온 균열은 응고 중 또는 고온에서 발생하며, 흔히 편석과 액막 메커니즘을 통해 형성된다. 저온 균열은 냉각 후, 일반적으로 경질이고 응력이 작용하는 영역 내부 또는 그 주변에서 발생하며 지연될 수 있다. 용접 직후 육안상 건전해 보이는 이음부도 수소 균열에 대한 내성을 입증하는 것은 아니다.

시험에서 균열이 확인되었다고 해서 생산상 자동으로 불합격이 되는 것도 아니다. 시험은 두 가지 소모품이나 절차의 순위를 정하기 위해 구속을 의도적으로 증폭할 수 있다. 시험의 가치는 상대적인 민감도를 보여 주고 어떤 관리 변수가 중요한지 식별하는 데 있다. 시험 결과는 검사 전 지연 시간, 균열 위치 확인 방법, 절단 검사 방식, 수소 상태, 열사이클 및 구속 배치를 시험 보고서에 기록했을 때에만 의미를 갖는다.

적격성 평가 근거가 중요한 경우

지연성 균열의 결과가 심각하거나, 이음부의 구속이 크거나, 생산 조건이 확립된 용접 관행과 다를 때 적격성 평가 근거가 중요하다. 특히 고강도강, 두꺼운 단면, 탄소당량이 높은 강, 저온 제작, 압력 설비의 보수 및 사용 중 수소를 흡수한 부품에서는 더욱 중요하다. 깨끗한 새 강판으로 적격성이 확인된 절차가 수소가 유입된 재료에도 적용된다고 가정해서는 안 된다.

절차 적격성 평가는 파괴 시험을 실제 용접 관리 조건과 연계해야 한다. 기록에는 강재 명칭, 두께 범위, 소모품 명칭, 건조 및 보관 방법, 용접 전류와 용접 속도, 입열, 예열, 층간 온도, 구속 조건 및 후열 또는 수소 방출 처리의 유무가 명시되어야 한다. 냉각 간격과 검사 지연 시간은 추정하지 말고 기록해야 한다.

EN 1011-2는 페라이트계 강에 관한 지침을 포함하여 균열 관리를 강의 조성, 수소 함량, 입열, 예열 및 층간 온도와 연계한다. BS EN 1011-2 지침은 냉각 속도를 관리하고 예열 또는 후열을 유지하여 수소가 경질의 응력 집중 영역에 갇히기 전에 용접부에서 멀리 이동할 수 있도록 할 것을 권고한다. 이러한 관리는 절차상의 조치이며 검사를 대체하지 않는다. 비파괴검사는 용접 후 균열을 발견할 수 있지만, 균열이 형성되기 전에 해당 절차가 충분한 안전 여유를 확보하고 있었다는 것을 입증할 수는 없다.

사용 이력이 불확실한 경우에는 적격성 평가가 원래 재료와 수소가 흡수되었을 가능성이 있는 상태를 모두 대표해야 할 수 있다. 이를 위해 강재 시료를 채취하거나, 관련 수소를 측정하거나, 제어된 수소 방출 처리를 적용하거나, 보수적인 열사이클로 시험할 수 있다. 선정된 근거는 고장 위험에 부합해야 한다. 간단한 비교 시험은 소모품 선정에 근거를 제공할 수 있지만, 보수 절차를 적격성 평가하기 위해서는 금속조직학적 검사를 포함한 구속·지연성 균열 시험이 필요할 수 있다.

따라서 올바른 판단은 “예열을 사용했으므로 균열이 방지된다”가 아니다. 규정된 강재, 수소 상태, 미세조직, 응력 상태 및 열 이력을 함께 시험했으며, 생산 과정에서 이러한 변수를 적격 범위 내로 유지할 것이라는 판단이어야 한다.

수소가 충전된 강재의 보수 및 개조

수소 환경에서 운전된 용기, 배관, 노즐 또는 압력을 유지하는 부품은 단순히 “오래된 판재”가 아니다. 수년간의 노출로 인해 수소 함량, 트랩의 분포, 잔류응력 및 국부 미세조직이 변한 강재에 보수 용접을 실시하게 될 수 있다. 따라서 새 재료를 대상으로 적합성이 검증된 절차는 지연성 제작 균열의 위험을 과소평가할 수 있다.

수소 균열은 수소만으로 발생하지 않는다. TWI는 함께 작용해야 하는 세 가지 조건으로 수소, 경하고 취성인 균열 민감 조직, 그리고 인장응력을 제시한다. IIW White Paper (2023)도 수소 함량, 잔류 인장응력 및 미세조직의 균열 민감성을 통해 동일한 메커니즘을 설명한다. 보수 용접은 이 세 가지 우려 요소를 동시에 유발한다. 용접은 수소의 공급원이 되고, 급속 냉각은 경한 HAZ 영역을 형성할 수 있으며, 기존 용기 또는 부착물 주변의 구속은 용접부가 수축할 때 높은 인장응력을 발생시킬 수 있다.

이는 고온 균열이 아니라 지연성 저온 균열이다. 고온 균열은 고온에서 응고되는 동안 발생하며, 주로 액막 편석과 용착금속의 응고 거동과 관련된다. 수소 보조 균열은 용접 후 수 시간이 지나서 나타날 수 있으며, 접합부가 냉각된 뒤 HAZ 또는 용접 비드 아래에서 발생하는 경우가 많다. 따라서 용접 직후의 검사는 결함을 놓칠 수 있다.

이전 운전 중 흡수된 수소

보수 상황에서 수소의 기원은 크게 두 가지로 구분된다. 첫 번째는 용접 작업 중 유입되는 수소이다. 여기에는 용접봉 또는 플럭스의 수분, 접합부의 오염물, 습기가 있는 차폐가스 장비, 표면의 오일, 그리고 아크 분위기 내 수소 함유 화합물이 포함된다. ISO 3690:2018은 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강재에 사용되는 용가재로 제작한 아크 용착금속의 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 규정한다. 이 측정은 중요하지만, 부품에 이미 존재하는 모든 수소 원자를 설명하는 것은 아니다.

두 번째 공급원은 운전 중 흡수된 수소이다. 수소는 습윤 황화수소 환경, 부식 반응, 음극방식, 고압 수소 또는 수소를 함유한 공정 유체를 통해 강재에 유입될 수 있다. 일부 수소는 이동성을 유지하여 새로 가열된 보수 영역으로 확산될 수 있다. 또 다른 일부는 개재물, 전위, 계면, 탄화물 입자, 라미네이션 또는 기타 트랩 부위에 포획된다. 가열은 저장된 수소의 일부를 방출할 수 있으며, 용접의 열 사이클과 응력장은 수소를 경하고 응력이 집중된 영역으로 이동시킬 수 있다.

운전 중 노출은 수소 함량과 별개로 강재 자체의 상태도 변화시킬 수 있다. 뜨임 취성, 탄화물 조대화, 크리프 손상, 탈탄, 국부 부식, 수소 블리스터링 및 과거의 보수 작업은 재료의 거동을 변화시킬 수 있다. 두께, 구속 조건 및 실제 화학 조성은 보수 용접 엔지니어가 이용할 수 있는 기록과 다를 수 있다. 따라서 재료의 양성 식별과 운전 이력 검토는 행정적인 부가 절차가 아니라 용접성 평가의 일부이다.

수소가 충전된 강재에 관한 TWI의 연구는 잔류 수소가 보수에 필요한 예열을 증가시킬 수 있음을 보여주었다는 점에서 특히 중요하다. 보고된 한 실험에서 2¼Cr-1Mo 강재의 운전 중 잔류 수소로 인해 예열 온도를 130 °C 높여야 했다. 이는 특정 연구에서 도출된 결과이며, 모든 2¼Cr-1Mo 용기 또는 모든 수소 노출 부품에 적용되는 보편적인 설계값은 아니다. 이 결과는 가능한 영향의 규모와, 운전 이력을 고려하지 않고 새 판재용 용접표를 적용하는 것의 위험성을 보여준다.

부품은 용접 중뿐 아니라 용접 후에도 계속 수소를 방출할 수 있다. 방출된 가스가 균일하게 빠져나가지 않을 수 있으며, 두꺼운 단면, 용접 토우, 부착물 교차부 및 냉각된 HAZ 영역은 여전히 위험 부위로 남을 수 있다. 운전 이력에서 수소 유입이 확인되거나 합리적으로 추정되는 경우에는 수소 분석, 열탈착 시험, 금속조직 검사 및 운전 조건 검토가 정당화될 수 있다.

Cr-Mo 및 C-Mn 강재 보수 시 고려사항

C-Mn 강재는 탄소 함량이 중간 수준이라는 이유만으로 자동적으로 안전한 것은 아니다. 탄소당량, 판 두께, 구속, 수소 수준, 입열량 및 냉각 속도는 모두 HAZ 변태에 영향을 미친다. 탄소당량이 높은 C-Mn 강재가 구속된 상태에서 빠르게 냉각되면 경한 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 화학 조성이 상대적으로 덜 가혹한 저합금강도 용접부가 습윤 상태이거나 접합부의 구속이 크거나 운전 중 수소가 축적된 경우에는 균열이 발생할 수 있다.

Cr-Mo 강재는 합금 원소의 첨가로 경화능이 증가하고, 부적절한 열 조건에서 균열에 민감한 HAZ 조직이 형성될 수 있으므로 특히 주의해야 한다. 1¼Cr-½Mo 및 2¼Cr-1Mo와 같은 강종은 압력 장비에서 흔히 사용되지만, 보수 요구사항은 두께, 열처리 상태, 운전 온도, 열화 이력 및 적용되는 제작 또는 보수 코드에 따라 달라진다. 공칭 강종 표기만으로는 안전한 예열 온도를 결정할 수 없다.

예열은 두 가지 주요 효과를 갖는다. HAZ의 냉각을 지연시켜 경한 변태 생성물이 형성될 가능성을 줄이고, 수소가 용접부에서 멀리 확산될 수 있는 시간을 늘린다. Dillinger의 EN 1011-2 Method B 적용 지침은 이러한 효과를 직접 설명한다. 그러나 예열이 모든 문제를 해결하는 것은 아니다. TWI는 2024년에 과도한 입열량이 용착금속 내 수소 잔류를 증가시킬 수 있다고 보고했다. 이는 수소가 확산해야 할 거리가 길어지고 전체 열 사이클에서 확산에 유효한 시간이 줄어들 수 있기 때문이다. 과도한 입열량은 HAZ를 확대하고, 인성을 저하시키며, 뜨임 상태를 변화시키고, 기존에 열처리된 부품의 특성을 손상시킬 수도 있다.

따라서 보수 절차는 가능한 한 높은 온도를 추구하기보다 일정한 관리 범위를 제어해야 한다. 용접봉과 플럭스는 제조업체가 적합성을 인증한 조건에 따라 보관해야 하며, 저수소계 용접 재료를 선택해야 한다. 노출된 용접 재료는 적용 사양에 따라 재건조하거나 폐기해야 한다. 접합면은 건조하고 녹, 오일, 페인트, 스케일 및 수분이 없어야 한다. 용접 변수는 아크 에너지가 적합성이 검증된 범위 내에 있도록 제한해야 하며, 층간 온도는 추정하지 말고 측정해야 한다.

수소 제어는 구속 조건과도 상호작용한다. 강성이 큰 노즐에 연결된 작은 필릿 용접은 자유로운 판재에 실시한 더 큰 용접부보다 위험할 수 있다. 용접 순서, 균형 잡힌 용착, 연속 가열을 위한 접근성 확보 및 임시 부착물 제거는 국부 인장응력을 줄일 수 있다. ISO 17642-1:2004은 용접 재료, 모재 및 용착금속의 균열 민감성을 평가하는 데 사용되는 저온 균열의 형성 및 시험 원리를 설명한다. 절차 적합성 검증은 실제 재료, 두께, 구속, 용접 재료 및 열 사이클의 조합을 반영해야 한다.

수소 방출 처리 및 보수적인 절차

이전 운전 중 수소 유입이 신뢰성 있게 확인되는 경우, 보수 용접 전에 수소 방출 처리를 지정할 수 있다. 이 처리는 일반적으로 책임 있는 용접 또는 재료 엔지니어가 선정한 온도에서 제어된 가열과 유지로 이루어지며, 적절한 열전대를 통해 온도의 균일성을 확인한다. 목적은 이동성 수소와 방출 가능한 수소가 보수 영역에서 빠져나가도록 하는 동시에, 허용할 수 없는 뜨임, 변형, 강도 저하 또는 압력 장비 상태의 손상이 발생하지 않도록 하는 것이다. 이는 블리스터가 발생했거나 심각하게 열화된 재료를 제거하는 대신 사용할 수 없으며, 모든 트랩에 포획된 수소를 제거한다고 보장할 수도 없다.

보수적인 절차는 수소 방출 가열, 높은 예열 온도, 엄격한 저수소 취급, 층간 온도 제어, 제한된 아크 에너지 및 후열 또는 지연 냉각을 조합할 수 있다. SteelConstruction.info에 보고된 BS EN 1011-2 지침은 수소가 경하고 응력이 집중된 영역에 포획되기 전에 용접부에서 이동할 수 있도록 예열 또는 후열을 유지할 것을 권고한다. 부품은 요구되는 열 작용이 이루어질 수 있도록 지정된 온도 범위 내에 충분한 시간 동안 유지되어야 하며, 패스 사이에 접합부가 냉각되도록 방치하면 절차의 목적이 무효화될 수 있다.

용접 후에는 지연 검사가 필수적이다. 육안검사, 자분탐상검사 또는 기타 표면검사는 지정된 유지 및 냉각 기간이 지난 후에만 수행해야 하며, 압력 경계 용접부에는 체적검사가 요구될 수 있다. 수소 보조 균열이 발생할 시간이 지나기 전에 검사를 실시했다면, 용착 직후 검사 결과가 양호하더라도 의미가 제한적이다. 예열은 중요하지만 안전한 보수 결정은 운전 중 수소 유입, 강재의 화학 조성과 상태, 용접 재료의 수소, 냉각 속도, 입열량, 구속, 열처리 및 지연 검사를 종합한 증거에 근거해야 한다.

검사, 지연 및 조기 균열 발견 실패

수소 균열이 지연되는 이유

수소 보조 저온 균열은 아크가 멈춘 후에도 발생할 수 있습니다. 용접부가 아직 뜨거운 동안 반드시 눈에 보여야 하는 결함은 아닙니다. 용접 중에는 수분, 표면 오염, 플럭스, 차폐가스 문제 또는 습기가 밴 용접 소모품으로부터 수소가 용융 용접 금속에 유입됩니다. 이음부가 냉각되면서 일부 수소는 용접 금속과 열영향부(HAZ)를 통해 확산합니다. 일부 수소는 야금학적 트랩, 개재물, 구 오스테나이트 결정립계, 경한 변태 영역 또는 잔류응력이 높은 영역에 도달합니다.

TWI가 2024년 지침에서 설명하듯이, 균열이 발생하려면 수소, 취약하고 경한 조직, 인장응력이 서로 결합되어야 합니다. International Institute of Welding의 2023년 백서도 수소 함량, 잔류 인장응력 및 미세조직의 취약성이라는 세 가지 주요 요인을 통해 동일한 관계를 설명합니다. 가해진 사용 하중이 0인 경우에도 이음부의 구속, 수축응력, 맞춤 상태, 용접 순서 및 국부 형상이 인장 성분을 제공할 수 있습니다.

따라서 균열 발생 시점은 용접 종료 시점부터 작동하는 단순한 시간표가 아니라 확산과 변태에 좌우됩니다. 균열은 냉각 중, 용접부가 주변 온도에 도달한 후 또는 수소가 응력과 취약성이 높은 위치로 계속 이동하는 더 늦은 시점에 시작될 수 있습니다. 균열은 단계적으로 길어질 수 있습니다. 작은 용접 토우 균열은 표면 산화, 용접 스패터, 페인트, 연삭 자국 또는 인접한 용접 패스에 의해 가려져 검출되기 어려울 수 있습니다.

즉시 실시한 육안 합격 판정은 해당 시점에 해당 접근 조건과 검사 방법으로 눈에 보이는 불완전부를 발견하지 못했다는 사실만 입증합니다. 이는 수소가 빠져나갔거나, HAZ에 취성 조직이 형성되지 않았거나, 표면 아래에 균열이 없다는 것을 입증하지 않습니다. 이음부가 건전해 보이더라도 나중에 다른 균열과 연결되거나 표면에 도달할 수 있는 짧은 표면 아래 균열을 포함하고 있을 수 있습니다.

예열은 모든 경우에 적용되는 만능 해결책이 아닙니다. 일반적으로 예열을 높이면 HAZ의 냉각이 느려지고 수소가 빠져나갈 기회가 늘어나며, 유지 예열 또는 후열은 경하고 응력이 높은 영역에 포획되는 수소의 양을 줄일 수 있습니다. 그러나 과도한 입열은 확산 거리를 늘리고 수소가 용접 금속을 빠져나갈 수 있는 시간을 줄여, 일부 조건에서는 용접 금속에 잔류하는 수소를 증가시킬 수 있습니다. 강재의 화학 조성, 두께, 입열, 냉각 속도, 구속, 소모품 상태 및 열 이력을 함께 고려해야 합니다.

용접으로 유입된 수소와 강재에 이미 존재하는 수소를 구분하는 것도 중요합니다. 사용 환경에 노출된 재료에는 부식, 음극방식, 황화수소 환경 또는 기타 운전 조건에서 흡수된 수소가 잔류할 수 있습니다. 수소가 주입된 2¼Cr-1Mo 강에 관한 연구에서는 수리 용접 중 잔류 사용 수소로 인해 예열 온도를 130 °C 높여야 할 수 있다고 보고했습니다. 이는 일반적인 예열 규칙이 아닙니다. 다만 새로운 용접뿐 아니라 사용 이력까지 검사 및 용접 관련 결정에 반영해야 할 수 있는 이유를 보여 줍니다.

검사 시점과 접근성

검사 시점은 적용되는 제작 또는 품질 규격, 재료 및 이음부 분류, 용접 절차, 그리고 예상되는 결함 발생 메커니즘에 따라 정해야 합니다. 표준은 특정 검사를 언제 수행해야 하는지, 온도 유지 또는 후열이 필요한지, 수리 부위에 추가 검사를 실시해야 하는지를 규정할 수 있습니다. 모든 강재 용접부에 적용되는 단일 대기 기간은 없으며, 임의로 정한 지연 시간은 기술적으로 타당한 검사 계획을 대신할 수 없습니다.

지연 검사의 목적은 발생 가능성이 있는 저온 균열 메커니즘이 선택된 검사 방법으로 검출할 수 있을 만큼 충분히 진행되도록 하는 것입니다. 이는 단순히 관행에 따라 검사를 지연하는 것과 다릅니다. 담당 기술자 또는 규격에서는 강종, 탄소당량, 수소 관리, 용접 크기, 구속, 입열, 예열 및 층간 온도, 이음부 두께, 그리고 강재가 사용 중 수소에 노출되었는지를 고려할 수 있습니다.

접근성은 실제로 검사할 수 있는 범위를 결정합니다. 용접 토우는 직접 육안검사와 자분탐상검사가 가능하지만, 루트는 백킹 스트립, 내부 부착물, 단열재 또는 두 번째 구성품 뒤에 가려져 있을 수 있습니다. 검사 표면과 평행한 균열은 한 검사 방법에서는 강한 지시를 나타내지만, 다른 방법에서는 약한 지시를 나타내거나 검출되지 않을 수 있습니다. 탐촉자 각도, 주사 방향, 교정, 표면 상태, 코팅, 형상 및 검사자의 역량은 모두 결과에 영향을 미칩니다.

육안검사는 표면으로 개방된 균열, 불량한 비드 형상, 언더컷, 아크 스트라이크 및 눈에 보이는 수리 흔적을 확인하는 데 유용합니다. 그러나 표면 아래의 닫힌 균열을 신뢰성 있게 검출할 수는 없습니다. 자분탐상검사는 강자성 강재의 표면 및 표면 근처 균열에 매우 민감할 수 있지만, 지시의 정도는 자계 방향에 좌우됩니다. 인가된 자계와 평행한 균열은 자속 누설을 거의 발생시키지 않을 수 있으므로 자계 방향을 바꾸는 것이 중요합니다. 침투탐상검사는 적합하고 깨끗한 표면에 열린 균열을 드러낼 수 있지만, 재료 내부에 포함된 균열은 검출할 수 없으며 침투액이 불연속부 안으로 들어갈 수 없는 경우에는 적합하지 않습니다.

초음파탐상검사는 상당한 용접 체적을 검사할 수 있고 내부의 평면형 균열을 검출할 수 있지만, 판독은 균열 방향, 반사 특성, 한쪽 또는 양쪽 면에서의 접근성, 용접 형상 및 절차의 적격성에 좌우됩니다. 방사선투과검사는 일부 평면형 결함을 드러낼 수 있지만, 방사선 빔과 나란한 조밀한 균열은 투영 폭이 작기 때문에 구별하기 어려울 수 있습니다. 검사 방법은 단지 익숙하다는 이유로 선택할 것이 아니라, 의심되는 균열의 위치와 방향에 맞춰야 합니다.

표면 개방 균열과 내부 균열

표면으로 개방된 수소 균열은 구속과 응력 집중이 높은 용접 토우, 용접 루트, 크레이터 또는 융합 경계에서 흔히 발생합니다. 균열은 용접부에 대해 횡방향 또는 종방향으로 발생하거나, 불규칙하게 분기하는 형태로 나타날 수 있습니다. 토우의 균열은 슬래그, 스패터, 코팅 또는 나중에 적층된 용접 금속 아래에 가려져 있을 수 있습니다. 연삭으로 균열을 드러낼 수 있지만, 연삭은 균열의 증거를 제거하거나 좁은 균열 개구부를 문질러 막거나 판독을 복잡하게 만드는 형상을 남길 수도 있습니다.

내부 균열은 더 어렵습니다. 이러한 균열은 용접 금속이 아니라 HAZ에 위치할 수 있으며, 표면 검사는 완전히 음성 결과를 보일 수 있습니다. 내부 부착물 아래의 루트 균열이나 융합 경계를 따라 발생한 균열은 초음파탐상검사, 방사선투과검사 또는 파괴검사를 위한 재료 제거가 필요할 수 있습니다. ISO 17642-1:2004는 용접 소모품, 모재 및 용접 금속의 균열 감수성을 평가하기 위한 저온 균열 형성과 시험 원리를 설명합니다. 이 표준은 균열 발생 가능성을 평가하는 데 관한 것이며, 단 한 번의 육안검사 후 생산 용접부를 안전하다고 선언하는 데 관한 것이 아닙니다. ISO 3690:2018은 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강의 아크 용접 용접 금속에서 확산성 수소를 측정하기 위한 시료 채취 및 분석 절차를 별도로 규정합니다.

균열이 발견되면 수리하기 전에 균열의 위치와 방향을 보존해야 합니다. 검사자는 해당 불연속부가 고온 균열인지, 수소 보조 저온 균열인지, 융합 불량인지 또는 다른 불연속부인지를 확인해야 합니다. 결함 유형에 따라 시정 조치가 달라지기 때문입니다. 수소, 냉각, 구속 및 잔류 사용 수소를 관리하지 않은 채 균열을 제거하고 재용접하면 결함이 재발할 수 있습니다. 따라서 검사는 용접성 관리의 최종적인 대체 수단이 아니라, 이러한 관리 요소들이 실제로 함께 작동했는지를 확인하는 수단입니다.

절차 기반 예방 워크플로

수소 균열 예방은 아크를 점화하기 전에 시작된다. 용접 절차는 다음 세 가지 조건을 동시에 다루어야 한다. 즉, 접합부에 존재하거나 유입되는 수소, 경하고 취성인 민감한 미세조직, 그리고 구속 또는 잔류응력으로 인한 인장응력이다. TWI는 이 조합이 수소 균열에 필요한 조건이라고 설명하며, International Institute of Welding (IIW)은 고강도강 용접부에서 수소 함량, 잔류 인장응력 및 미세조직의 민감성을 세 가지 주요 요인으로 제시한다. 예열 온도만으로는 이러한 조건 중 어느 것도 제거할 수 없다.

재료, 사용 조건 및 접합부 데이터 수집

먼저 제품 표준, 강종, 납품 상태, 두께, 용접 유형 및 보수 이력을 확인한다. 지정 사항은 S355J2+N(EN 10025-2), ASTM A516 Grade 70, 또는 지정 재료가 2¼Cr-1Mo steel인 경우처럼 정확하게 기록한다. 탄소 함량만으로 용접성을 추정해서는 안 된다. 합금 원소, 냉각 속도 및 두께로 인해 높은 경화능이 나타나면 탄소 함량이 비교적 낮은 강에서도 경하고 취성인 열영향부(HAZ)가 형성될 수 있다.

탄소, 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘, 니켈, 구리, 바나듐 및 기타 미세합금 첨가 원소를 포함한 용강 또는 제품 분석 결과를 확보한다. 적용되는 용접 표준 또는 사양에서 요구하는 탄소당량을 계산한다. EN 1011-2는 일반적으로 두께, 수소 수준, 입열량 및 구속도와 함께 탄소당량 접근법을 사용한다. 그 결과는 절차에 입력되는 값이지, 합격 또는 불합격을 판정하는 용접성 수치가 아니다.

그 다음 접합부를 특성화한다. 용접부의 두께, 부착물에 의한 열 싱크 효과, 그루브 각도, 루트 간격, 백킹, 용접 길이, 용접 순서 및 가열 접근성을 기록한다. 구속도가 매우 높은 노즐, 패치 또는 폐쇄부 용접은 구속도가 낮은 맞대기 접합부보다 명목상 수소 수준이 낮아도 균열이 발생할 수 있다. 가용접도 포함해야 한다. 짧고 차가우며 건조가 불충분한 가용접은 최초의 균열 발생 지점이 되거나 본용접에 구속을 가할 수 있다.

사용 이력은 별도로 주의하여 검토해야 한다. 해당 강재가 습윤 황화수소, 수소, 고압수, 음극방식 조건 또는 고온 수소 환경에서 사용되었는지 확인한다. 전극이나 아크에 의해 유입되는 확산성 수소는 사용 중 노출된 모재에 잔류하는 수소와 동일하지 않다. 후자는 절단, 가우징, 예열 및 용접 중에 이동할 수 있어 소모재 시험 결과가 허용 범위에 있더라도 제작 중 균열 위험을 높일 수 있다. 수소가 주입된 2¼Cr-1Mo steel에 대해 보고된 한 실험에서는 필요한 예열 온도가 130 °C 증가할 수 있는 것으로 나타났다. 이 수치는 일반적인 보정값이 아니며, 사용 환경 노출을 일반적인 예열표 안에 숨기지 말고 조사해야 하는 이유를 보여준다.

적용 가능한 절차 인정 시험으로 민감성을 평가하고, 필요한 경우 저온 균열 시험을 실시한다. ISO 17642-1:2004는 아크 용접 금속 재료의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 일반 원칙을 규정하며, 소모재, 모재 및 용착금속의 균열 민감성을 평가하는 데 사용되는 접근법을 다룬다. 강종, 보수 상태, 구속도 또는 사용 중 수소 노출 이력이 기존 절차 경험의 범위를 벗어나는 경우 이러한 시험이 특히 유용하다.

수소, 열 및 구속 제어 설정

강도, 인성, 확산성 수소 등급 및 용착 방법이 절차에 부합하는 인정된 소모재를 선정한다. 저수소계 피복 전극의 경우 제조업체가 규정한 건조, 재건조, 보온 및 노출 한계를 명시하고, 개봉 후에는 가열된 전극 보온통에 보관한다. 플럭스 코어드 와이어와 서브머지드 아크 용접 와이어는 밀봉 보관, 플럭스 건조 및 작업장 습기에 대한 노출을 관리해야 한다. 보호가스 품질과 유량, 누설, 바람, 표면 수분, 오일, 페인트 및 녹도 수소 유입에 영향을 준다.

위험 수준이 이를 요구하는 경우 확산성 수소를 추정하지 말고 측정한다. ISO 3690:2018은 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강의 용착금속을 포함하여 아크 용접 용가재 용착금속의 확산성 수소에 대한 시료 채취 및 분석 절차를 규정한다. 측정값은 특정 소모재, 공정, 보관 조건 및 시험 방법에 해당하는 값이며, 동일한 상품명으로 제작된 모든 용접부에 자동으로 적용할 수 없다.

적용 표준, 인정된 절차 및 실제 접합부 조건을 바탕으로 예열을 설정한다. 화염이나 반대쪽 면만 측정하지 말고 용접부에 인접한 모재에서 측정한다. 측정 위치와 시점을 명시하고, 용접 영역 전체가 해당 온도에 도달하도록 한다. 가용접, 루트 용착, 작업 중단 및 재시작 과정에서도 최소 예열 온도를 유지한다. 최소 층간 온도뿐 아니라 최대 층간 온도도 설정한다. 과도한 층간 온도는 인성, 결정립 크기, 석출 거동 및 최종 냉각 경로를 변화시킬 수 있다.

예열에는 두 가지 유용한 효과가 있다. 하나는 HAZ 냉각을 지연시키는 것이고, 다른 하나는 수소가 빠져나갈 시간을 늘리는 것이다. Dillinger의 지침은 EN 1011-2의 방법 B를 적용하여 이 두 가지 효과를 설명한다. 그러나 열을 더 많이 가한다고 해서 자동으로 더 안전해지는 것은 아니다. TWI에 따르면 과도한 입열량은 확산 거리를 늘리고 확산에 이용 가능한 시간을 줄일 수 있으므로 용착금속 내 수소 잔류를 증가시킬 수 있다. 따라서 절차에는 도달 가능한 최고 온도가 아니라 제어된 열적 범위가 필요하다.

인정된 각 범위에 대해 입열량을 계산하거나 확인한다.

$$Q=\frac{\eta \mathrm{VI}}{1000v}$$

여기서 $Q$는 kJ/mm 단위의 입열량, $\eta$는 아크 효율, $V$는 전압, $I$는 전류, $v$는 mm/s 단위의 용접 속도이다. 제시된 값이 아크 에너지인지 유효 입열량인지 기록해야 한다. 효율 계수에 따라 그 의미가 달라지기 때문이다. 입열량이 지나치게 낮으면 급속 냉각과 경한 HAZ 조직이 발생할 수 있으며, 입열량이 지나치게 높으면 변형이 증가하고 인성이 저하되며 수소 확산에 영향을 줄 수 있다. 용접 속도, 비드 크기, 패스 순서 및 층간 온도는 인정된 범위 안에 유지되어야 한다.

맞춤 및 용접 순서를 통해 구속을 제어한다. 가능한 경우 강제 정렬을 제거하고, 균형 잡힌 용접 순서를 사용하며, 과도하게 큰 가용접을 피하고, 응력을 집중시키는 루트 간격 또는 단차가 생기지 않도록 한다. 기하학적 응력 집중부에서 시작점과 종료점을 멀리 배치하도록 계획한다. 사용 중 수소가 의심되는 경우 용접 전에 수소 방출 처리 또는 보수적인 열 사이클을 규정한다. 여기에는 장시간 가열, 제어된 유지 및 담당 용접기술자에 의한 확인이 포함될 수 있다.

위험 평가 또는 인정된 절차에서 요구하는 경우 후열을 규정한다. 후열은 용접 후 열처리와 동일하지 않다. 수소 베이크아웃은 접합부가 경하고 응력이 높은 상태로 냉각되기 전에 수소 이동을 촉진하기 위해 용접부를 지정 온도에서 유지하는 처리이다. SteelConstruction.info와 Guidance Note 6.04는 이러한 목적을 위해 예열을 유지하거나 후열을 적용하는 방법을 설명한다. 별도의 응력 제거 처리는 온도, 시간 및 야금학적 효과가 다르다.

작업 실행 확인 및 이탈 사항 문서화

용접 감독자는 소모재 로트, 건조 사이클, 보온 온도, 용접사, 공정, 전류, 전압, 용접 속도, 계산된 입열량, 예열, 층간 온도, 보호가스, 접합부 식별 정보 및 용접 순서를 기록해야 한다. 온도 크레용은 신속한 확인에 사용할 수 있지만, 방사율과 접근성이 허용되는 경우 교정된 접촉식 온도계 또는 적외선 계측기를 사용하는 것이 바람직하다. 측정 위치와 측정 간격을 정해 기록한다.

이탈 사항은 공학적 사건으로 취급한다. 예열 온도가 최소값 아래로 떨어지면 작업을 중지하고 지정 온도를 회복한 후 중단 사실을 문서화한다. 전극이 노출 한계를 초과하면 전극 보온통에 되돌려 놓지 말고 격리한다. 입열량, 층간 온도, 구속도, 소모재 상태 또는 사용 이력이 인정된 절차와 다르면 작업을 계속하기 전에 처분 결정을 받아야 한다.

검사에서는 지연 균열을 고려해야 한다. 최종 비파괴검사를 실시하기 전에 지정된 냉각 및 수소 확산 시간을 확보한다. 필요한 시간은 재료, 두께, 구속도, 절차 및 적용 코드에 따라 수 시간 이상일 수 있다. 용접 직후의 육안검사만으로는 접합부가 지연성 저온 균열이 없다고 판정할 수 없다. 표면으로 개방된 균열에는 요구되는 자분탐상검사 또는 침투탐상검사를 사용하고, 체적 검사가 규정된 경우에는 초음파탐상검사 또는 방사선투과검사를 실시한다. 균열이 발견되었다고 해서 단순히 갈아내고 재용접해서는 안 된다. 결함을 매핑하고, 발생 원인을 확인하며, 수소 및 열 이력을 검토하고, 사용 중 수소가 주입된 재료를 재평가한 다음, 보수 전에 절차를 수정한다. 예방은 단일 온도 지침이 아니라 조정된 용접 관리 시스템이다.

금속공학적 검토를 견디지 못하는 일반적인 주장

수소 균열은 하나의 조절 변수만으로 제어되지 않는다. TWI는 필요한 조합을 수소, 경하고 취성이며 균열에 취약한 조직, 그리고 인장 응력으로 설명한다. International Institute of Welding (IIW) 백서(2023)는 동일한 관계를 세 가지 주요 요인, 즉 수소 함량, 잔류 인장 응력, 미세조직의 취약성으로 표현한다. 한 요인을 제거하거나 줄이면 균열 위험이 감소할 수 있지만, 나머지 두 요인이 변하지 않은 채 남아 있으면 용접부는 여전히 균열이 발생할 수 있으며, 때로는 용접 후 수 시간이 지나서 발생하기도 한다.

따라서 적절한 용접 절차는 강재의 화학 조성, 구속 상태, 이음부 두께, 냉각 속도, 입열량, 용접재료의 상태, 예열, 층간 온도, 그리고 재료의 사용 이력을 고려한다. ISO 17642-1:2004는 아크 용접된 금속 재료의 파괴적 저온 균열 시험에 관한 일반 원칙을 제시하며, 여기에는 용접재료, 모재 및 용착 금속에 대한 평가가 포함된다. 이러한 시험이 필요한 이유는 탄소 함량이나 단일 용접 변수만으로 용접성을 추론할 수 없기 때문이다.

예열은 많을수록 항상 균열이 감소한다

예열은 대체로 도움이 되지만, “많을수록 좋다”는 것은 금속공학적 규칙이 아니다. 용접 전과 용접 중 온도를 높이면 열영향부(HAZ)를 통한 냉각이 느려져 경하고 취성인 마르텐사이트 조직이 형성될 가능성이 감소한다. 또한 접합부가 수소가 포획될 수 있는 더 낮은 온도에 도달하기 전에 확산성 수소가 용접부와 인접한 강재를 빠져나갈 시간을 더 많이 확보하게 한다. EN 1011-2의 방법 B를 적용한 Dillinger의 지침은 이 두 가지 효과를 직접 설명한다. 즉, 예열은 HAZ 냉각을 늦추고 수소의 방출을 촉진한다. SteelConstruction.info 역시 냉각 속도를 제어하고 예열 또는 후열을 유지하여 수소가 경하고 응력이 높은 영역에서 이동해 벗어날 수 있도록 할 것을 권고한다.

그러나 이러한 효과에는 한계가 있다. 승인된 절차 범위를 초과하는 온도는 HAZ를 넓히고, 결정립 크기를 변화시키며, 인성을 저하시키고, 강도 또는 치수 정확도에 영향을 줄 수 있다. 과도한 층간 온도는 바람직하지 않은 미세조직을 형성하거나 설계 표준에서 요구하는 성능을 저하시킬 수도 있다. 예열은 심한 구속 상태, 높은 경화능을 가진 강재, 오염된 이음부 표면, 또는 이미 모재에 흡수된 수소를 상쇄하지 못한다.

마지막 사항은 보수 용접에서 중요하다. 사용 중 강재에 주입된 수소는 용접 전극에 의해 유입되는 확산성 수소와 동일하지 않다. 수소를 주입한 C-Mn강 및 Cr-Mo강에 대한 실험에서는 잔류 수소가 제작 중 균열 위험을 증가시킬 수 있음이 확인되었다. 2¼Cr-1Mo강의 경우, 보고된 한 사례에서는 예열 온도를 130 °C 높여야 했다. 대응 방법에는 수소 방출 처리, 보수적인 예열, 제어된 층간 온도, 그리고 저수소 용접 작업이 포함될 수 있다. 단순히 익숙한 예열 값을 적용하는 것만으로는 충분하지 않다.

따라서 예열은 무제한적인 안전 여유로 선택할 것이 아니라 재료와 절차를 바탕으로 규정해야 한다. 페라이트계 강재에 관한 권고를 포함하는 EN 1011-2는 균열 제어를 조성, 수소 함량, 입열량, 예열 및 층간 온도와 연계한다. 핵심 질문은 선택한 열 사이클이 냉각과 수소 이동을 허용 가능한 범위 안에 유지하는가이다.

입열량이 많을수록 항상 용접성이 향상된다

입열량이 높으면 냉각이 느려지는 경우가 많으므로 일부 강재에서는 경한 HAZ 구성상의 형성이 감소할 수 있다. 그러나 이러한 제한적인 관찰이 흔히 절대적인 주장으로 확대된다. 그렇게 해서는 안 된다.

입열량은 전체 열 이력을 변화시킨다. 더 큰 용융지와 더 넓은 가열 영역은 HAZ 폭을 증가시키고, 결정립 성장, 인성, 강도 및 변태 생성물에 영향을 줄 수 있다. 구속된 이음부에서는 그에 따른 수축 양상 또한 잔류 응력에 영향을 미칠 수 있다. 결과는 강재의 화학 조성, 두께, 이음부 형상, 용접 공정, 이동 속도, 그리고 재료가 변태하는 온도 범위에 따라 달라진다.

수소의 이동을 고려하면 이러한 주장은 더욱 신뢰하기 어려워진다. TWI는 과도한 입열량이 확산 거리를 늘리고 확산에 이용 가능한 전체 시간을 단축할 수 있기 때문에 용착 금속의 수소 잔류를 증가시킬 수 있다고 보고한다. 더 뜨겁거나 더 큰 용접부가 자동으로 더 깨끗한 용접부가 되는 것은 아니다. 수소가 빠져나갈 경로에 도달해야 하는데, 용착된 용접 금속의 체적이 증가하면 그 경로가 더 길어질 수 있다. 이후 냉각이 진행되면 수소가 경하거나 응력이 매우 높은 영역 주변에 집중될 수 있다.

매우 낮은 입열량 역시 위험을 초래한다. 급속 냉각은 특히 높은 경화능을 가진 강재와 두껍고 구속된 이음부에서 마르텐사이트 또는 기타 취약 조직을 형성할 수 있다. 해법은 어느 한 극단으로 치닫는 것이 아니라, 검증된 입열량 범위를 설정하는 것이다. 예열, 층간 제어, 비드 순서, 용접 전류, 전압, 이동 속도 및 후열이 서로 조화를 이루어야 한다. 경한 HAZ의 형성은 방지하지만 허용할 수 없는 인성을 초래하는 절차는 성공적인 수소 균열 대책이 아니다.

여기서 논의하는 결함은 지연성 저온 균열이지 고온 균열이 아니다. 고온 균열은 응고 중 또는 고온에서 발생하며, 응고 편석과 액막 형성을 포함한 서로 다른 메커니즘의 지배를 받는다. 더 높은 입열량이 두 결함 유형 모두에 영향을 줄 수는 있지만, 두 결함을 동일한 것으로 취급할 수 있게 만드는 것은 아니다.

저수소 전극은 수소 균열을 제거한다

저수소 전극은 용접부로 유입되는 수소를 줄인다. 그러나 수소 함량을 0으로 만들지는 않으며, 균열에 필요한 다른 조건도 제거하지 못한다. 용접재료의 명목상 분류와 관계없이 수분, 손상된 플럭스 피복, 오염된 이음부 면, 윤활제, 페인트, 차폐 가스 문제 및 부적절한 보관은 수소 함량을 높일 수 있다. 용접재료는 해당 절차에 따라 건조하고, 보관하고, 불출하고, 사용해야 한다.

수소 측정에도 정의된 방법이 필요하다. ISO 3690:2018은 용가재를 사용하여 제작한 아크 용접 용착 금속의 확산성 수소에 대한 시료 채취 및 분석 절차를 규정하며, 여기에는 마르텐사이트계, 베이나이트계 및 페라이트계 강재의 용착 금속이 포함된다. 이 측정은 용착 금속의 수소를 대상으로 한다. 사용 환경에 노출된 판재에 잔류하는 수소나 HAZ에 분포하는 수소를 직접 정량하는 것은 아니다.

저수소 전극은 급속 냉각으로 형성된 마르텐사이트 HAZ를 연화할 수 없으며, 용접 수축이나 외부 구속으로 발생한 인장 응력을 제거할 수도 없다. 또한 사용 중 압력 용기, 배관 부품 또는 기타 강재에 유입된 수소를 즉시 방출할 수도 없다. 이러한 경우에는 예열, 후열, 이음부 준비, 구속 완화, 용접 순서 조정 및 지연 검사가 모두 필요할 수 있다.

저수소 작업은 절차에서 요구되는 경우 필수적이지만, 서로 연결된 시스템에서 이루어지는 하나의 제어 수단일 뿐이다. 수소 균열은 수소의 유입과 잔류 수소를 제어하는 동시에 열 사이클이 취약한 미세조직을 피하고, 이음부가 인장 응력을 견디거나 방출할 수 있도록 할 때 방지된다. 이는 전극의 라벨 문제가 아니라 금속공학의 문제이다.

참고 문헌

1. [1]International Organization for Standardization. ISO 3690:2018. International Standard, 2018. https://www.iso.org/standard/72150.html
2. [2]Dillinger. Welding parameter guidance. Dillinger technical guidance, 2024. https://service.dillinger.de/d/en/e-service/tools/welding/help/embed_index.shtml