용접용 탄소 당량 계산

탄소당량이 측정하는 것과 측정하지 않는 것

원소 조성에서 탄소당량 값으로

탄소당량(CE)은 계산으로 얻는 조성 지수이다. 이는 인장시험, 경도시험 또는 화학분석 장비로 측정되는 재료 특성이 아니다. 실험실에서는 강의 원소 조성을 확인하고, 선택한 방정식을 사용하여 각 원소의 질량 백분율을 하나의 수치로 변환한다. 이 수치는 합금 원소들이 경화능과 용접 위험에 미치는 종합적인 영향을 근사적으로 나타내기 위한 것이다.

탄소는 강의 변태 거동과 오스테나이트가 급속히 냉각될 때 형성될 수 있는 경도에 강하고 직접적인 영향을 미치므로 가장 큰 계수를 갖는다. 또한 용접 열영향부(HAZ)에서 마르텐사이트를 비롯한 경질 변태 생성물을 형성하는 데 이용 가능한 탄소의 양에도 영향을 준다. 다른 원소들이 기여하는 정도는 서로 같지 않다. 따라서 망가니즈와 규소, 크로뮴·몰리브데넘·바나듐, 니켈과 구리는 국제용접학회 방정식에서 서로 다른 제수와 함께 묶음 항으로 나타난다.

CEIIW = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

AWS D8.10M:2021은 이 방정식을 제시하며 탄소당량을 절대적인 매개변수가 아니라 용접성 지침으로 설명한다. 이 공식은 일반적으로 원소의 질량 백분율을 대입하여 사용한다. 계수는 경험적 근사값이며, 보편적인 물리 상수가 아니다. 계수는 변태 속도론과 합금 원소 간 상호작용 같은 복잡한 영향을 편리한 지수 하나로 압축한 것이다.

CEIIW 계수CEq 계수Pcm 계수CET 계수

이러한 압축이 공식마다 차이가 나는 이유를 설명한다. 2007년에 AWS가 발표한 열간압연강 지침에서 CE 식은 C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15이며, 이에 대응하는 Pcm 식은 C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B이다. CET 식은 C + Mn/10 + Mo/10 + Cr/20 + Cu/20 + Ni/40이다. 이들 식에서는 규소를 서로 다르게 취급하며, Pcm에는 붕소가 명시적으로 포함된다. 소량의 붕소 첨가만으로도 경화능에 큰 영향을 줄 수 있기 때문이다.

이 지수들은 서로 바꾸어 사용할 수 있는 점수가 아니다. TWI는 CEIIW, Pcm, CEq 및 CEN을 수소균열 평가에 사용되는 공식으로 제시하며, 각각 특정한 강의 집단 또는 평가 방법을 대상으로 개발되었다고 설명한다. Pcm은 주로 탄소 함량이 약 0.11 wt% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다. 이 범위를 벗어나 적용하면 계산 자체는 정확하더라도 결과의 의미가 달라질 수 있다. 재료 그룹 분류는 별개의 문제이다. ISO 15608:2025는 용접 목적을 위해 강 및 기타 금속 재료 계열을 분류하는 통일된 체계를 규정하며, 그룹 지정은 탄소당량 계산을 대신하지 않는다.

CE가 합격/불합격 특성이 아니라 용접성 지표인 이유

CE 값은 제한된 질문에 답한다. 즉, 주어진 조성이 관련 용접 열사이클에서 경화를 얼마나 강하게 촉진할 수 있는가를 나타낸다. 특정 이음부에 균열이 발생할지, 용접 절차가 승인 또는 인증되었는지, 강재가 건설 관련 규정을 자동으로 충족하는지는 알려주지 않는다.

탄소당량 값은 용접 결정을 안내해야 하지만, 단독으로 합격·불합격 기준이 될 수는 없다. Strong evidence

AWS D8.10M:2021은 핵심적인 한계를 명확히 밝힌다. CE는 절대적인 매개변수가 아니라 지침이다. 수치 결과는 절차 선정, 용해번호 간 비교, 예열 또는 수소 관리에 관한 결정에 도움을 줄 수 있지만, 그 자체만으로 합격/불합격 기준이 될 수는 없다. 동일한 CE를 가진 두 강재라도 합금 원소의 균형, 판 두께, 이전 가공 이력, 결정립 조직 및 실제 탄소 분포가 서로 다르기 때문에 다르게 거동할 수 있다. 반대로 CE 값이 서로 다른 강재도 각각의 위험을 고려한 절차를 적용하면 안전하게 용접할 수 있다.

용접에 관한 결정은 이음부 구속도, 입열량, 층간 온도, 용접재와 표면의 수소 함량, 냉각 조건, 주위 온도, 두께 및 용접 후 열처리의 실시 여부에도 좌우된다. 탄소강 및 저합금강에 관한 AWS 지침은 화학 조성과 경화능을 모두 용접성에 관한 고려사항으로 제시하며, 이를 완전한 용접절차서 또는 절차 인증 기록의 대체 수단으로 보지 않는다.

임계값은 명시된 적용 범위 안에서만 의미를 가질 수 있다. 예를 들어 TWI의 2024년 NACE 경도 요구사항 지침은 단단한 HAZ를 관리하는 맥락에서, 탄소 함량이 0.18 wt%를 초과할 때 권장 탄소당량 한계를 0.43 미만, 또는 두께가 1인치를 초과하는 부품의 경우 0.45로 제시한다. 이러한 수치를 모든 강종, 두께, 사용 환경 또는 용접 공정에 적용되는 보편적인 한계로 해석해서는 안 된다.

경화능, 열영향부 및 균열의 관계

용접 중에는 HAZ가 변태 온도 이상으로 가열된 후 냉각된다. 경화능이 더 큰 조성은 냉각이 충분히 빠르게 진행될 때 더 경한 미세조직을 형성할 수 있으며, 특히 용융 경계 인근의 조립 영역에서 그러하다. 관련 위험은 경도 자체가 아니다. 경한 HAZ는 확산성 수소와 국부 응력에 대한 허용성이 낮으므로, 지연성 수소 보조 균열이 발생할 수 있는 조건을 제공한다.

확산성 수소확산성 수소 용접 중과 용접 후에 용착금속 및 인접 강재를 통해 이동할 수 있으며, 응력이 집중되거나 결함이 있는 영역에 잠재적으로 농축될 수 있는 수소.

수소균열은 일반적으로 확산성 수소, 균열에 민감한 경한 미세조직, 인장 응력 또는 구속이 함께 존재할 때 발생한다. CE는 경화능을 나타냄으로써 이 가운데 두 번째 요인을 간접적으로 다룬다. 그러나 CE는 수소를 측정하거나, 구속을 정량화하거나, 이음부의 모든 지점에서 냉각 속도를 예측하거나, 최종 HAZ 경도를 확정하지 않는다. 따라서 높은 CE는 예열, 층간 관리, 저수소 작업 및 입열량에 더 많은 주의를 기울여야 한다는 신호가 될 수 있지만, 모든 용접 결과를 예측할 수는 없다. 낮은 값은 하나의 우려를 줄일 뿐 수소균열 위험을 없애지는 않는다.

따라서 실무적인 순서는 조성 계산에 이어 공학적 평가를 수행하는 것이다. 선택한 공식은 해당 강재와 내려는 결정에 적합해야 하며, 산출된 지수는 두께, 이음부 설계, 구속, 수소 관리, 열적 조건 및 용접 후 처리와 함께 검토해야 한다. CE가 유용한 이유는 실제 금속학적 위험에 주의를 집중하도록 범위를 좁혀 주기 때문이다. CE를 용접성 평가 전체로 취급할 때 그 의미가 왜곡된다.

IIW 탄소 당량 공식: CEIIW

CEIIW 방정식과 원소 항[1][1] AWS D8.10M:2021. American Welding Society. AWS standard, 2021.

국제용접학회(International Institute of Welding)의 탄소 당량은 일반적으로 CEIIW로 표기되며, 여러 합금 원소가 강의 경화능에 미치는 복합적인 영향을 추정합니다. AWS D8.10M:2021에서는 다음과 같은 방정식을 제시합니다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

영국 건설용 강구조협회(British Constructional Steelwork Association)의 D-Range 지침에서도 동일한 방정식을 제시합니다. 이 식에서 C, Mn, Si, Cr, Mo, V, Ni 및 Cu는 각각 탄소, 망가니즈, 규소, 크로뮴, 몰리브데넘, 바나듐, 니켈 및 구리의 원소 함량을 의미합니다. 값은 일반적으로 질량 백분율로 입력하며, 분율이나 원자 백분율로 입력하지 않습니다.

탄소는 별도의 항으로 나타나므로, 탄소가 1단위 증가할 때마다 CEIIW에 직접 기여합니다. 망가니즈와 규소는 6으로 나누고, 크로뮴·몰리브데넘·바나듐은 5로 나누며, 니켈과 구리는 15로 나눕니다. 이 분모들은 경험식의 일부입니다. 특정 강종에 맞추기 위해 변경할 수 있는 환산 계수가 아닙니다.

경화능경화능 주어진 깊이까지 또는 주어진 냉각 조건에서 강이 더 경한 변태 생성물을 형성하려는 경향을 말하며, 경도 자체와는 다르다.

이 방정식은 야금학적 우려 사항을 반영합니다. 탄소와 다수의 합금 원소 첨가량이 증가하면 일반적으로 경화능이 증가합니다. 용접 중에는 적절한 냉각 조건에서 경화능이 더 높은 강이 더 경한 열영향부를 형성할 수 있습니다. 확산성 수소와 구속이 함께 존재하면, 이처럼 더 경한 영역은 수소 보조 균열에 더 취약해질 수 있습니다. 따라서 AWS의 탄소강 및 저합금강 지침에서는 시공 절차 및 제작 조건과 함께 화학 조성과 경화능을 용접성 평가의 고려 사항으로 다룹니다.

CEIIW가 유일한 탄소 당량 공식은 아닙니다. TWI는 수소 균열 평가에 사용되는 별개의 방법으로 CEIIW, Pcm, CEq 및 CEN을 구분합니다. 예를 들어 Pcm은 주로 탄소 약 0.11 질량% 이하를 함유하는 현대의 저탄소강을 대상으로 개발되었으므로, 단지 편리한 수치가 나온다는 이유만으로 이를 선택하면 오해를 초래할 수 있습니다. AWS 용접 지침에서도 CE, Pcm 및 CET와 같은 관련 식을 제시하지만, 각각 원소별 가중치가 다릅니다.

강의 화학 조성을 공식에 대입하는 방법

평가 대상 강에 대해 인증된 용강 분석 결과, 제품 규격 또는 기타 관리된 화학 분석 결과를 사용합니다. 화학 조성은 검토 대상인 재료 및 제품 상태에 해당해야 합니다. 공식과 출처에서 명시적으로 요구하지 않는 한, 강종명·공칭 최대값 또는 소수 분율을 입력해서는 안 됩니다.

기호를 사용한 계산 방법

재료 인증서에 다음과 같은 원소 백분율이 기재되어 있다고 가정합니다.

• 탄소: $C=c$
• 망가니즈: $\mathrm{Mn}=m$
• 규소: $\mathrm{Si}=s$
• 크로뮴: $\mathrm{Cr}=r$
• 몰리브데넘: $\mathrm{Mo}=o$
• 바나듐: $V=v$
• 니켈: $\mathrm{Ni}=n$
• 구리: $\mathrm{Cu}=u$

그러면 계산식은 다음과 같이 작성합니다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=c+\frac{m+s}{6}+\frac{r+o+v}{5}+\frac{n+u}{15}$$

먼저 망가니즈와 규소의 백분율을 더한 다음 그 합을 6으로 나눕니다. 별도로 크로뮴·몰리브데넘·바나듐을 더하고 5로 나눕니다. 마지막으로 니켈과 구리를 더한 뒤 15로 나눕니다. 이어서 세 합금 원소군의 기여분을 탄소값에 더합니다. 이렇게 하면 공식의 구조가 유지되고 전사 오류를 더 쉽게 식별할 수 있습니다.

실제 계산에서는 기호 변수를 해당 용강의 인증서 값으로 대체합니다. 탄소가 0.20 질량%로 보고된 경우에는 0.20을 입력해야 하며, 20이나 0.0020을 입력해서는 안 됩니다. 어떤 원소가 기재되어 있지 않은 경우에는 해당 재료 규격 또는 평가 절차에서 정한 처리 방법을 따라야 합니다. 미량 합금 원소가 결과에 영향을 미칠 수 있는 경우, 이를 임의로 0으로 간주하는 것은 안전하지 않을 수 있습니다. 제품 규격은 조성 범위로 보고할 수 있는 반면, 인증서는 특정 용강에 대한 분석값을 제공합니다. 이들은 서로 다른 입력값이므로, 선택 내용을 명시하지 않고 혼용해서는 안 됩니다.

재료 그룹화는 별도의 작업입니다. ISO 15608:2025는 강 및 기타 합금 계열을 포함하여 용접 목적의 금속 재료를 그룹화하기 위한 통일된 체계를 규정합니다. 따라서 하나의 강재가 ISO 15608 그룹 지정과 계산된 CEIIW 값을 모두 가질 수 있지만, 그룹 번호가 계산을 대신하지는 않습니다.

과도한 정밀성을 피한 결과 해석

CEIIW 결과는 조성에 기반한 지표일 뿐, 완전한 용접 결정 기준은 아닙니다. AWS D8.10M:2021은 탄소 당량을 절대적 매개변수가 아니라 용접성 지침으로 설명합니다. 결과를 소수점 이하 여러 자리까지 보고한다고 해서 근거가 되는 예측이 더 정확해지는 것은 아닙니다. 인증서의 반올림, 편석, 시료 채취, 공식의 선택 및 실제 용접 조건은 모두 이 수치가 나타낼 수 있는 범위를 제한합니다.

일반적으로 더 높은 CE는 더 큰 경화능과 더욱 면밀한 용접 공정 검토의 필요성을 나타내지만, 그 자체로 균열을 예측하지는 않는다. Limited evidence

CEIIW가 높을수록 일반적으로 경화능이 크고, 수소 관리, 예열, 층간 온도 및 냉각 거동을 더 면밀히 검토할 필요가 있음을 의미합니다. 그러나 CEIIW만으로 예열 온도를 지정하거나 균열 발생을 입증할 수는 없습니다. 이 방정식에는 판 두께, 이음부 구속, 확산성 수소, 냉각 속도, 용접 입열, 주변 조건, 용접 후 열처리 또는 특정 공정에서 생성되는 열사이클이 독립적으로 반영되지 않습니다.

두 강재의 CEIIW가 동일하더라도 두께와 구속 조건에 따라 균열 위험은 달라질 수 있습니다. 반대로 동일한 강종이라도 입열이 다르면 열영향부의 냉각 속도가 달라질 수 있습니다. 따라서 절차 평가는 실제 이음부, 소모품의 수소 수준, 용접 순서, 예열, 층간 온도 관리 및 모든 용접 후 처리를 고려해야 합니다.

공표된 한계값 역시 제시된 맥락에 속합니다. TWI는 NACE 요구사항에 따라 경한 열영향부를 제어하는 지침에서, 탄소가 0.18 질량%를 초과하는 경우 탄소 당량을 0.43 미만, 또는 두께가 1인치를 초과하는 부품에서는 0.45로 할 것을 권고하는 한계값을 제시합니다. 이러한 수치는 모든 강재, 두께 또는 용접 공정에 적용되는 보편적인 합격 한계값이 아닙니다. CEIIW는 조성을 비교하고 더 엄격한 절차 관리가 필요한 시점을 식별하는 데 유용하지만, 독립적인 용접성 점수로 간주해서는 안 됩니다.

여러 탄소당량 수식이 존재하는 이유

탄소당량은 보편적인 용접성 점수가 아니다. 탄소당량은 합금 원소가 경화능과 수소 보조 균열 위험에 미치는 영향을 조성에 기반하여 추정한 값이지만, 각 수식은 특정한 강재 집단, 데이터 세트 및 균열 모델을 대상으로 개발되었다. 따라서 수치 결과는 용강 분석 결과만으로 결정되지 않으며, 어떤 수식을 선택하는지에 따라서도 달라진다.

AWS D8.10M:2021은 탄소당량을 절대적인 매개변수가 아니라 용접성 지침으로 설명한다. 이 단서는 중요하다. 탄소당량만으로 예열, 층간 온도, 입열량 또는 용접 후 처리를 결정할 수는 없다. 수소 수준, 구속 상태, 두께, 냉각 속도, 이음부 상세 및 선택한 용접 공정도 결과에 영향을 미친다.

CEIIW, CEq, Pcm 및 CEN

국제용접협회(International Institute of Welding) 수식은 일반적으로 CEIIW로 알려져 있으며, 통상적인 탄소강 및 저합금강과 널리 연관되어 있다. AWS D8.10M:2021에는 다음과 같이 제시되어 있다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

각 원소의 값은 중량 백분율로 대입한다. 따라서 탄소, 망간, 규소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 니켈 및 구리 값은 모두 동일한 조성 기준을 사용해야 한다.

이와 밀접하게 관련된 식은 용접 사양서와 지침에서 CEq 또는 단순히 CE로 표시되는 경우가 많다. AWS의 열간압연강 지침에는 다음과 같이 제시되어 있다.

$$\mathrm{CE}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

이 식은 규소를 취급하는 방식에서 CEIIW 식과 다르다. CEIIW에서는 규소가 망간과 함께 분자에 포함되지만, 여기 제시된 CE 식에는 포함되지 않는다. 일부 문서에서는 CEq를 일반적인 탄소당량 계산의 표기로 사용하고, 다른 문서에서는 특정 수식에 한정하여 사용한다. 따라서 이 명칭은 고정된 국제적 정의로 간주하지 말고 출처와 함께 해석해야 한다.

Pcm과 CEN은 하나의 통상적인 식만으로는 충분히 표현하기 어려운 서로 다른 강재 조성과 균열 거동을 보다 정확하게 나타내려는 시도에서 비롯되었다. TWI의 수소 균열 수식에 관한 논의에서는 CEIIW, Pcm, CEq 및 CEN을 서로 바꾸어 사용할 수 있는 명칭으로 제시하지 않고 구분한다. 이러한 구분은 역사적 발전 과정을 반영한다. 각 수식은 탄소와 합금 원소에 서로 다른 가중치를 부여하는데, 이는 해당 수식의 배경이 된 강재와 실험적 관계가 서로 동일하지 않았기 때문이다.

CEN은 합금 원소의 기여도를 탄소 함량에 따라 다르게 취급하는 탄소당량 수식이다. CEN은 Pcm과 연관된 저탄소 강재 집단보다 더 넓은 범위의 강재를 대상으로 개발되었으며, 동시에 경화능 및 수소 균열 민감도와 조성 기반으로 연계된다. 따라서 CEIIW, CEq, Pcm 및 CEN은 하나의 인증된 용강에 대해서도 서로 다른 값을 산출할 수 있다. 이는 계산 오류가 아니라 서로 다른 모델을 사용한 결과로서 예상되는 현상이다.

보고되는 모든 값에는 수식명이 함께 표시되어야 한다. 문서에 해당 값이 CEIIW, CEq, Pcm, CEN 또는 별도로 지정된 다른 지수 중 무엇인지 명시되어 있지 않다면 “CE = 0.42”라는 표기는 불완전하다. IIW 값을 Pcm 한계와 비교하면 잘못된 용접 결정을 내릴 수 있다.

재료 그룹 분류는 별개의 문제이다. ISO 15608:2025는 강재 및 기타 합금 계열을 포함하여 용접용 금속 재료에 대한 통일된 그룹 분류 체계를 규정한다. 강재의 ISO 그룹 분류는 탄소당량 계산을 대신하지 않으며, 탄소당량 값이 ISO 15608 그룹을 결정하는 것도 아니다.

Pcm의 저탄소강 적용 맥락[2][2] What is the difference between the various carbon equivalent formulae used in relation to hydrogen cracking?. TWI. TWI Technical Knowledge, 2024.

TWI(2024)에 따르면 Pcm은 주로 탄소 함량이 약 0.11 wt% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다. 이 적용 범위에 관한 주의사항은 수식과 함께 제시되어야 한다. 강재의 수치상 당량이 낮다는 이유만으로 Pcm이 CEIIW를 대체하는 올바른 선택이 되는 것은 아니다. 또한 관련 표준이나 절차 인정의 지침 없이 원래 의도된 조성 범위를 벗어나 Pcm을 적용해서도 안 된다.

AWS 용접 지침에는 다음과 같은 Pcm 식이 제시되어 있다.

$$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

여기서 $B$는 중량 백분율로 표시한 붕소이며, 붕소 항은 선택 사항이 아니라 필수 항이다. 붕소 농도가 매우 낮더라도 5를 곱하기 때문에 측정 가능한 기여를 할 수 있다. 이 항을 생략하면 정의된 지수 자체가 달라진다.

Pcm은 탄소에 더 큰 비중을 두며, 여러 합금 원소의 첨가분을 CEIIW와 다르게 취급한다. 이러한 구성은 Pcm이 개발된 저탄소 미세합금강에 적합하지만, 그렇다고 Pcm이 IIW 식을 보편적으로 대체할 수 있는 것은 아니다. 탄소 함량이 약 0.11 wt%를 초과하는 강재의 경우, 기술자는 선택한 Pcm 방법과 그 한계값이 해당 강종, 제품 형태 및 균열 평가에 적용되는지 확인해야 한다.

대체 조성 지수로서의 CET

CET는 용접 지침에서 사용되는 또 다른 조성 지수이다.

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

2007년에 발행된 AWS 열간압연강 지침에서는 CE 및 Pcm과 함께 CET를 제시한다. CET의 계수는 두 식과 모두 다르므로, 동일한 용강에 대해 세 식을 모두 계산하면 일반적으로 서로 다른 세 개의 수치 결과를 얻게 된다. 따라서 CET는 CET를 위해 개발된 한계값, 도표 또는 절차 규칙과 함께 사용해야 하며, 이를 비공식적으로 CEIIW 또는 Pcm 값으로 환산해서는 안 된다.

실무적인 질문은 어느 수식이 가장 작은 수치를 산출하는가가 아니다. 중요한 것은 어떤 지수가 해당 강재 집단, 적용되는 표준 및 수소 균열 모델에 부합하는가이다. AWS 지침은 탄소강 및 저합금강의 용접성 고려사항으로 화학 조성과 경화능을 제시한다. 또한 그에 따라 수립되는 용접 절차는 확산성 수소, 구속 상태, 두께, 예열, 층간 온도 및 입열량도 관리해야 한다. 일부 적용 분야에서는 경도 요건이 추가적인 제약 조건이 된다. TWI는 탄소 함량이 0.18 wt%를 초과하는 경우, 경화된 열영향부를 제어하기 위한 지침에서 권장 탄소당량 한계값을 0.43 미만으로 제시하며, 두께가 1 inch를 초과하는 부품에는 0.45를 적용할 수 있다고 보고한다. 이러한 한계값은 조건부 요건이며, 하나의 탄소당량 수식이 모든 강재 또는 용접에 적용된다는 근거가 아니다.

강재 화학 조성의 계산 방법

탄소당량 결과는 사용한 공식, 화학 조성의 기준 및 보고 관행을 알고 있을 때에만 의미가 있다. AWS D8.10M:2021은 국제용접학회(International Institute of Welding) 식을 다음과 같이 제시한다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

AWS는 또한 탄소당량을 절대적인 매개변수가 아니라 용접성 평가 지침으로 설명한다. 이 결과가 용접절차인증을 대체하거나 그 자체로 예열을 결정하는 것은 아니다. 예열, 층간온도, 입열량, 확산성 수소, 구속 조건, 두께 및 용접 후 처리는 여전히 중요한 요소이다.

화학 분석에서 탄소 및 합금 원소 값 읽기

제품 규격과 실제 화학 분석 결과부터 확인한다. 보고된 값이 용강 분석인지, 제품 분석인지 또는 다른 계약상 분석인지 확인한 다음, 선택한 공식에 필요한 원소를 식별한다. 밀 시험성적서에는 탄소를 C, 망간을 Mn, 규소를 Si, 크롬을 Cr, 몰리브덴을 Mo, 바나듐을 V, 니켈을 Ni, 구리를 Cu, 붕소를 B로 표시할 수 있다. 약어는 열의 위치를 근거로 추정하지 말고 성적서의 범례와 대조하여 확인해야 한다.

IIW 식에는 탄소, 망간, 규소, 크롬, 몰리브덴, 바나듐, 니켈 및 구리를 기록한다. 이들 중 어느 것도 임의로 누락해서는 안 된다. 농도가 낮은 원소도 식에 기여하며, 항을 누락하면 보고된 결과를 재현할 수 없게 된다. 붕소는 위의 IIW 식에는 포함되지 않지만, 사용하는 공식에 붕소가 포함되어 있다면 반드시 기록해야 한다. Pcm에 대한 AWS 식은 다음과 같다.

$$P_{\mathrm{cm}}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

계수 $5B$ 때문에 소량의 붕소도 관련성을 갖는다. TWI가 2024년에 탄소당량 공식들을 비교한 자료에 따르면, Pcm은 주로 탄소 함량이 약 0.11 wt% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다. 단지 편리한 수치가 나온다는 이유만으로 이를 선택해서는 안 된다.

값은 공식에서 요구하는 기준, 일반적으로 중량 백분율에 따른 원소 백분율이어야 한다. 성적서의 탄소 함량 0.18 wt%는 18이나 0.0018이 아니라 0.18로 입력한다. 분석 결과가 질량분율, 백만분율 또는 다른 단위로 제시된 경우에는 계산을 시작하기 전에 필요한 모든 원소를 변환한다. 탄소는 wt%, 붕소는 ppm으로 입력하는 식으로 단위를 혼용하지 않는다.

성적서 계산은 보고된 화학 조성으로부터 얻은 산술 결과이다. 이는 용접성, 경도 또는 균열 민감성에 대한 실험실 측정값이 아니다. 실험실은 시료 채취 및 분석상의 불확도를 전제로 조성을 측정하며, 탄소당량은 그 보고값을 사용하여 이후에 계산된다. 성적서에 검출한계, 범위 또는 “미만” 결과가 기재되어 있다면, 근거 없이 정확한 값을 제시하지 말고 그러한 제한 사항을 계산 결과에 명시해야 한다.

단위 관리와 산술 순서

수치를 대입하기 전에 선택한 공식을 먼저 적는다. 이렇게 하면 CEIIW 계산이 Pcm, CEq 또는 CET와 혼동되는 것을 방지할 수 있다. 2007년에 발행된 열간압연강에 대한 AWS 용접 지침은 동일한 형태의 CEIIW를 제시하며, 다음 식도 함께 수록한다.

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

이 식들은 서로 바꾸어 사용할 수 없다. TWI는 CEIIW, Pcm, CEq 및 CEN을 수소 균열 평가에 사용되는 서로 다른 공식으로 구분한다.

명확히 예시를 위한 계산으로, 특정 강종을 지칭하지 않고 출처가 있는 통계도 아닌 가상의 화학 조성을 가정한다. 단위는 wt%이며 C 0.18, Mn 1.20, Si 0.25, Cr 0.30, Mo 0.10, V 0.05, Ni 0.20, Cu 0.25로 보고되었다. IIW 식을 다음과 같이 그룹별 항으로 적용한다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=0.18+\frac{1.20+0.25}{6}+\frac{0.30+0.10+0.05}{5}+\frac{0.20+0.25}{15}$$

예시적인 CEIIW 기여분

먼저 각 기여분을 계산한다.

$$C=0.1800$$

$$(\mathrm{Mn}+\mathrm{Si})/6=1.45/6=0.2416667$$

$$(\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V)/5=0.45/5=0.0900000$$

$$(\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu})/15=0.45/15=0.0300000$$

그다음 반올림하지 않은 기여분을 합산한다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=0.5416667$$

소수점 이하 세 자리로 보고하면 결과는 CEIIW = 0.542이며, 그 옆에 공식과 화학 조성의 기준을 함께 명시한다. 그룹화 방식이 중요하다. 망간과 규소를 각각 나누어 계산해도 동일한 산술 결과가 나올 수 있지만, 규정된 그룹으로 작성하면 계산을 감사하기가 쉬워지고 분모를 실수로 잘못 적용할 가능성이 줄어든다.

반올림, 보고 및 추적성

최종 보고서에 표시할 자릿수보다 중간 계산 단계에서 더 많은 자릿수를 유지한다. 1.45/6을 0.24로 먼저 반올림한 뒤 더하면 표시 결과가 달라지며, 여러 항이 포함될 때에는 계산 초기에 반복적으로 반올림하면 그 영향이 더욱 커진다. 실무 보고서에서는 성적서에 명시된 정밀도를 보존하고, 계산 과정에서 여분의 유효 숫자를 유지한 다음, 적용 규격 또는 프로젝트 관행에 따라 최종값만 반올림해야 한다.

기록에는 용강 또는 시료 식별 정보, 출처 문서, 화학 조성 값, 단위, 선택한 공식, 중간 기여분, 반올림하지 않은 결과 및 최종 반올림 결과를 포함해야 한다. 값이 ppm 또는 질량분율에서 변환된 경우에는 해당 변환을 기록한다. 성적서에 특정 원소가 누락되어 있다면 이를 0으로 처리했는지, 검출한계로 범위를 설정했는지 또는 확인을 위해 회신했는지를 명시해야 하며, 그 가정을 숨겨서는 안 된다.

마지막으로 탄소당량 계산과 재료 그룹 분류를 서로 구분한다. ISO 15608:2025는 강 및 기타 합금 계열을 포함하여 용접 목적의 금속 재료를 그룹화하기 위한 통일된 체계를 제공한다. 그룹 지정은 화학 조성 계산을 대체하지 않으며, CE 결과가 ISO 15608 그룹을 결정하는 것도 아니다. 두 정보는 모두 용접 기록에 포함될 수 있지만, 서로 다른 질문에 답한다.

열영향부(HAZ)의 탄소 당량과 수소 균열

탄소 당량은 강의 화학 조성과 경화능을 연결하지만, 그 자체만으로 수소 균열을 예측하지는 못합니다. AWS D8.10M:2021에서 식별한 국제용접학회 방정식은 다음과 같습니다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

이 식의 원소 값은 중량 기준 조성 백분율입니다. 일반적으로 계산값이 높을수록 경화능이 커지고, 특히 용접 조건으로 인해 냉각이 빠르게 진행될 때 열영향부(HAZ)에 경질 영역이 형성될 가능성이 커집니다. AWS는 탄소 당량을 절대적인 매개변수가 아니라 용접성 평가를 위한 지침으로 설명합니다. 이러한 구분이 중요한 이유는 균열이 화학 조성뿐 아니라 용접 열 사이클, 수소 수준, 기계적 구속에도 좌우되기 때문입니다.

TWI는 수소 균열 평가에 사용되는 공식으로 CEIIW, $P_{\mathrm{cm}}$, CEq 및 CEN을 구분합니다. 이 공식들이 모든 강재군에 동일한 의미로 적용되는 것은 아닙니다. 예를 들어 TWI는 $P_{\mathrm{cm}}$이 주로 탄소 함량이 약 0.11 wt% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다고 설명합니다. AWS 지침에는 다음과 같은 관련 식이 제시되어 있습니다.

$$\mathrm{CE}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

$$P_{\mathrm{cm}}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

따라서 하나의 공식을 선택할 때에는 강재의 종류, 적용되는 표준, 수행 중인 용접 평가의 목적을 따라야 합니다. ISO 15608:2025는 용접 목적을 위해 재료를 그룹으로 분류하지만, 이러한 그룹 분류 체계는 탄소 당량을 계산하는 것과는 별개입니다.

수소 보조 균열을 유발하는 세 가지 조건

수소 보조 균열이 발생하려면 확산성 수소, 취약한 경질 또는 취성 미세조직, 그리고 인장 응력 또는 구속이라는 세 가지 조건이 동시에 존재해야 합니다. 이 중 하나를 제거하면 균열 발생 가능성은 감소하지만, 어떤 단일 관리 조치도 균열이 절대 발생하지 않는다는 것을 보장하지는 않습니다.

확산성 수소는 수분, 오염, 습기를 머금은 플럭스, 부적절하게 보관된 전극, 표면 코팅 및 그 밖의 수소 함유원으로부터 유입됩니다. 용접 중 일부 수소는 용융 금속에 용해되며, 접합부가 냉각됨에 따라 열영향부(HAZ)로 이동합니다. 수소는 결함, 개재물, 이전 오스테나이트 결정립계 또는 국부 응력이 높은 영역에 모일 수 있습니다. 중요한 양은 용접 전에 용접 재료에 단순히 포함되어 있던 수소량이 아니라, 용접부와 인접 강재를 통해 확산될 수 있게 되는 수소량입니다.

두 번째 조건은 취약한 미세조직입니다. 경질 열영향부(HAZ)는 수소와 국부 응력에 대한 허용성이 낮을 수 있으며, 특히 변태 생성물이 취성인 경우 더욱 그러합니다. 세 번째 조건은 인장 응력입니다. 접합부의 구속, 수축, 잔류 응력, 작용 하중, 그리고 용융되지 않은 영역이나 노치에서의 응력 집중은 균열을 발생시키는 구동력을 제공할 수 있습니다. 높은 CE 값이 우려되는 주된 이유는 경화능을 증가시킬 수 있기 때문이며, 그 자체로 수소가 존재한다거나 균열을 일으킬 만큼 구속이 충분하다는 것을 입증하지는 않습니다.

경질 미세조직과 냉각 속도

열영향부(HAZ)는 변태 온도 이상으로 가열된 후 냉각되며, 이 냉각 속도는 판 두께, 접합부 형상, 입열량, 예열, 층간 온도 및 주변 재료에 의해 좌우됩니다. 경화능이 높은 강재는 빠른 냉각 중에 경질 마르텐사이트 또는 그 밖의 균열 민감 영역으로 변태할 수 있습니다. 동일한 화학 조성이라도 열 사이클이 느리면 균열에 덜 민감한 열영향부(HAZ)가 형성될 수 있습니다.

두께는 이 열 사이클에 영향을 미칩니다. 두꺼운 판이나 열전도성이 높은 접합부는 열을 신속하게 빼앗아 갈 수 있기 때문입니다. 또한 접합부의 크기와 강성이 증가하고 자유 수축을 방해하는 구성 요소의 수가 많아질수록 접합부 구속도 증가하는 경향이 있습니다. 입열량은 열영향부(HAZ)의 폭과 냉각 거동을 변화시키지만, 입열량을 증가시키는 것이 보편적인 해결책은 아닙니다. 과도한 입열은 인성을 저하시키거나 열영향부(HAZ)를 확대하고, 변형 및 잔류 응력에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 용접 절차는 CE를 합격/불합격 점수처럼 취급하지 말고 이러한 영향을 균형 있게 고려해야 합니다.[3][3] Complying with NACE hardness requirements. TWI. TWI Job Knowledge, 2024.

TWI의 NACE 관련 지침은 수치로 제시된 CE 권고가 제한된 맥락에서만 적용된다는 점을 보여 줍니다. 탄소 함량이 0.18 wt%를 초과하고 경질 열영향부(HAZ)를 제어하는 것이 목적일 때, 해당 지침은 탄소 당량을 0.43 미만으로 제한할 것을 권고하며, 두께가 1인치를 초과하는 구성품의 경우에는 0.45 미만을 권고합니다. 이러한 수치는 모든 강재, 두께, 사용 조건 또는 용접 공정에 적용되는 보편적인 합격 기준이 아닙니다. 이는 해당 경도 제어 맥락에 속하는 수치입니다.

예열 및 수소 제어의 논리

예열은 냉각을 늦추어 경화 가능한 열영향부(HAZ)가 균열에 덜 민감한 생성물로 변태할 시간을 더 많이 제공하고, 접합부가 저온에 도달하기 전에 고응력 영역에서 수소가 확산되어 빠져나가도록 합니다. 층간 온도 관리는 용접 패스 사이에서 의도한 열 사이클을 유지합니다. 두 값 모두 실제 두께, 접합부 구속, 주변 조건 및 강재의 화학 조성을 고려하여 승인된 용접 절차의 일부로 지정하고 모니터링해야 합니다.

수소 제어는 아크를 점화하기 전부터 시작됩니다. 용접 재료는 적용되는 절차와 제조업체의 보관 요구사항에 따라 선택하고 취급해야 합니다. 건조, 보온 또는 노출 관리가 소홀하면 저수소계 전극과 플럭스도 수분을 흡수할 수 있습니다. 접합부 표면에는 물, 기름, 녹 스케일, 페인트 및 수소를 추가하거나 결함을 발생시킬 수 있는 그 밖의 오염물이 없어야 합니다.

검사 시점도 이러한 관리 논리의 일부입니다. 수소 균열은 육안으로 진행되는 용접 작업 중이 아니라 용접 후에 발생할 수 있으므로, 절차 또는 적용 규정에서 위험을 명시한 경우에는 지연 검사가 필요할 수 있습니다. 이러한 지연 검사는 예열, 적절한 용접 재료 관리 또는 구속 평가를 대신할 수 없습니다. 지연 검사는 후속 검사를 통해 지연 균열을 발견할 가능성을 높여 줍니다.

따라서 탄소 당량 계산 결과는 용접 절차를 결정하기 위한 출발점입니다. 최종 평가는 화학 조성뿐 아니라 확산성 수소 제어, 냉각 속도, 두께, 구속, 입열량, 예열, 층간 온도 및 지정된 용접 후 처리까지 종합하여 수행해야 합니다.

명시된 강종 및 규격에 CE 적용

탄소강 및 저합금 구조용 강

용접성 평가에서 경화능과 수소 균열 위험을 조성에 기반하여 나타내는 지표가 필요한 경우, 탄소당량 계산을 탄소강 및 저합금 구조용 강에 적용할 수 있습니다. 대표적인 제품 규격으로는 ASTM A36/A36M, ASTM A572/A572M 및 S275와 S355 같은 EN 10025-2 강종이 있습니다. 강종 지정은 재료의 등급과 요구되는 제품 특성을 식별하는 것이며, 용접되는 특정 용강의 조성을 그 자체로 제시하는 것은 아닙니다.

International Institute of Welding 방법에 대해 AWS D8.10M:2021은 다음 식을 제시합니다.

CEIIW = C + (Mn + Si)/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

각 원소의 값은 질량 백분율로 대입합니다. 열간압연강에 관한 일부 용접 지침에서는 동일한 식을 아래첨자 없이 CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15로 표기하기도 합니다. 이는 해당 표기에서는 규소가 포함되지 않기 때문입니다. 이 계산은 합금 원소들이 경화능에 미치는 종합적인 영향을 추정하는 것이며, 용접성을 직접 측정하는 것은 아닙니다.

이러한 구분은 익숙한 구조용 강종에도 중요합니다. ASTM A36/A36M 또는 EN 10025-2 S355에 따라 인증된 용강은 해당 규격의 화학 조성 한계와 기계적 요구사항을 충족해야 하지만, 보고된 탄소, 망가니즈, 크롬, 몰리브데넘, 니켈, 구리 및 바나듐 함량은 다른 규격 적합 용강과 다를 수 있습니다. 따라서 두 재료가 동일한 명목 강종 지정을 갖더라도 산출되는 CE 값은 서로 다를 수 있습니다.

탄소강 및 저합금강에 관한 AWS 지침은 화학 조성과 경화능을 용접성 평가 요소로 규정합니다. 실무적으로는 CE가 예열, 층간 온도, 입열량, 용접재료의 수소량 및 냉각 조건을 더욱 엄격하게 관리해야 하는지 판단하는 데 도움이 될 수 있습니다. 두께, 이음부 구속, 주변 조건 및 수소 제어 방법도 평가에 영향을 미칩니다. CE 결과만으로 용접 절차를 선정하거나 이음부가 지연 수소 균열로부터 안전하다고 확정할 수는 없습니다.

특정 강재 집단이나 판단 목적에는 다른 식이 더 적합할 수 있습니다. 2007년에 발행된 AWS 용접 지침은 IIW 식과 함께 Pcm = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B 및 CET = C + Mn/10 + Mo/10 + Cr/20 + Cu/20 + Ni/40를 제시합니다. TWI는 2024년에 Pcm이 주로 탄소 함량이 약 0.11 wt% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다고 보고했습니다. 단지 편리한 수치를 산출한다는 이유만으로 Pcm을 선택하는 것은 해당 식이 개발된 조성 범위와 목적을 무시하는 것입니다.

고강도 저합금강 및 조질강

HSLA 강에서도 강종 식별과 용강별 계산을 동일하게 구분해야 합니다. ASTM A572/A572M 및 ASTM A709/A709M HSLA 제품이 그 예이며, 조질 건설용 강은 ASTM A514/A514M, EN 10025-6 S690Q 또는 기타 적용 가능한 제품 규격에 따라 지정될 수 있습니다. 이러한 지정에는 강도, 인성, 납품 상태 및 화학 조성에 관한 요구사항이 포함되지만, 밀 시험성적서의 검토를 대신할 수는 없습니다.

바나듐, 나이오븀 및 타이타늄과 같은 미세합금 원소의 첨가는 석출, 결정립 미세화 및 강도에 영향을 줄 수 있으며, 크롬, 몰리브데넘 및 망가니즈는 경화능과 변태 거동에 영향을 줄 수 있습니다. 각 식은 식의 구성 방식에 따라 이러한 원소에 가중치를 부여합니다. 그러나 식이 용접의 전체 열 이력이나 그 결과로 형성되는 열영향부 미세조직을 재현하는 것은 아닙니다. 조질강에서는 용접 열 사이클이 원래의 뜨임 상태를 변화시킬 수도 있으므로, 경도, 인성 및 용접 후 요구사항이 CE 값만큼 중요하거나 그보다 중요할 수 있습니다.

이러한 강재의 경우 최종 평가에는 적용되는 제품 규격과 용접 규격이 기준이 됩니다. 용접절차 인정에서는 규정된 필수 변수에 따라 기계적 특성, 경도, 인성 또는 지연 균열 관리가 입증되어야 할 수 있습니다. 예열 및 층간 온도 한계, 입열량, 비드 시퀀스, 용접재료 보관, 구속 및 용접 후 열처리는 종합적으로 고려해야 합니다. 경도 관리가 핵심인 경우, TWI가 2024년에 발표한 NACE 요구사항 관련 논의에서는 탄소가 0.18 wt%를 초과할 때 권장 탄소당량 한계를 0.43 미만으로, 두께가 1 inch를 초과하는 부품에는 0.45로 보고하고 있습니다. 이러한 값은 명시된 맥락에 해당하는 것이므로 모든 HSLA 강 또는 조질강에 그대로 적용해서는 안 됩니다.

AWS D8.10M:2021은 탄소당량을 절대적인 매개변수가 아니라 용접성 지침으로 설명합니다. 이 표현은 고강도강에서 특히 중요합니다. 강도 수준, 인성 요구사항, 판 두께, 구속 및 납품 상태에 따라 명목 강종이 변하지 않더라도 용접 위험은 달라질 수 있기 때문입니다.

강종 지정만으로 용강 화학 조성을 대신할 수 없는 이유

강종 지정은 규격 범위 또는 제품 요구사항을 정의합니다. 용강별 CE 계산은 접합 대상 재료에 대해 실제로 보고된 원소 값을 사용합니다. 이는 서로 다른 종류의 정보입니다. 전자는 제품이 충족해야 하는 요구사항을 정하고, 후자는 측정된 화학 조성이 경화능과 용접 관리에 미칠 수 있는 영향을 추정합니다.

따라서 올바른 절차는 제품 규격을 식별하고, 해당 용강의 화학 조성을 확보하며, 강재와 균열 평가에 적합한 식을 선택한 다음, 그 결과를 용접절차 및 적용 규정의 요구사항과 비교하는 것입니다. 계산에서는 값이 인증된 용강 분석 결과인지, 제품 규격상의 최대값인지, 또는 허용된 다른 출처의 값인지 명시해야 합니다. 측정값 대신 규격상 최대값을 사용하면 보수적인 선별 결과를 얻을 수 있지만, 이는 해당 용강의 실제 CE를 보고하는 것과 동일하지 않습니다.

재료 그룹 분류는 계산을 대체하는 것이 아니라 추가적인 층위를 제공합니다. ISO 15608:2025는 강재 및 기타 합금 계열을 포함하여 용접 목적의 금속 재료를 그룹화하기 위한 통일된 체계를 제공합니다. 그룹 지정은 용접절차 인정과 재료 관리에 도움이 되지만, 탄소당량 공식은 아닙니다. 최종 결정은 실제 화학 조성과 전체 용접 조건에 근거하여 적용되는 제품 규격 및 용접 규격을 따라야 합니다.

표준, 재료 그룹화 및 용접절차인정

ISO 15608:2025 및 재료 그룹화[4][4] ISO 15608:2025. International Organization for Standardization. ISO standard, 2025.

ISO 15608:2025는 용접 목적을 위해 금속 재료를 그룹화하는 통일된 체계를 규정한다. 그 적용 범위는 탄소강 및 저합금강보다 넓으며, 이 표준에서 다루는 재료군에는 스테인리스강, 니켈 및 니켈 합금, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금, 티타늄 및 티타늄 합금, 기타 재료군도 포함된다. 재료는 규정된 화학 조성, 제품 형상, 기계적 특성 및 야금학적 분류에 따라 그룹에 배정되며, 해당되는 경우 하위 그룹에도 배정된다.

이 지정은 용접절차인정을 체계화하고, 인정 데이터가 동일하게 허용된 그룹 또는 하위 그룹 내의 다른 재료에도 적용될 수 있는지를 결정하는 데 사용된다. 예를 들어, 제품 표준으로 식별되고 ISO 15608 그룹에 배정된 구조용 강재에 용접성 점수가 부여되는 것은 아니다. 해당 그룹은 인정 목적상 그 재료가 다른 재료와 어떤 관계에 있는지를 기록한다.

이 구분은 중요하다. 재료 그룹화는 분류 체계인 반면, 탄소당량은 조성에 기반한 계산값이기 때문이다. ISO 15608:2025는 그룹 번호를 CE 값으로 변환하지 않는다. 반대로 CE 결과만으로 ISO 15608 재료 그룹이 결정되는 것도 아니다. 재료 인증서, 제품 지정, 적용되는 ISO 15608 판 및 해당 건설 규정을 반드시 확인해야 한다.

그룹 지정은 실제 용강 분석을 대신할 수 없다. 두 강재는 서로 관련된 재료 그룹에 속할 수 있지만, 경화능과 수소균열 위험에 영향을 미치는 탄소, 망간, 크롬, 몰리브덴, 니켈, 구리, 바나듐, 붕소 또는 기타 원소의 함량은 서로 다를 수 있다. 두께와 공급 상태 역시 열사이클 및 그 결과로 형성되는 열영향부에 영향을 미친다. 그룹화는 인정 체계를 간소화할 뿐, 이러한 차이를 없애지는 않는다.

재료 그룹화와 탄소당량 계산의 구분

탄소당량은 특정 강종에 붙는 보편적인 수치로 취급해서는 안 되며, 제기된 용접 관련 질문에 맞는 식을 선택해야 한다. AWS D8.10M:2021은 국제용접학회 식을 다음과 같이 제시한다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}.$$

이 식과 다른 식에 사용되는 원소값은 일반적으로 질량 백분율로 입력한다. 따라서 탄소 0.20 wt%는 식에 20이 아니라 0.20으로 입력한다. 이 결과는 경화능과 특정 수소, 구속 및 냉각 조건에서 용접 열영향부가 균열에 취약해질 가능성을 판단하는 데 유용하다.

다른 계산식은 원소에 서로 다른 가중치를 부여한다. 2007년에 발표된 열간압연강에 관한 AWS 지침은 다음을 제시한다.

$$\mathrm{CE}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15},$$

$$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B,$$

그리고

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}.$$

TWI의 2024년 지침은 CEIIW, Pcm, CEq 및 CEN을 서로 바꾸어 사용할 수 있는 명칭으로 제시하지 않고 각각을 구분한다. Pcm은 주로 탄소 함량이 약 0.11 wt% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다. 개발 당시의 재료 범위와 균열 모델을 벗어나 이를 적용하면 정밀성이 실제보다 높다는 잘못된 인상을 줄 수 있다.

AWS D8.10M:2021은 탄소당량을 절대적인 매개변수가 아니라 용접성 지침으로 설명한다. 이 표현에 따라 그 수치를 사용해야 한다. CE 계산은 예열, 수소 관리, 입열 또는 경도 위험을 검토하는 결정을 뒷받침할 수 있지만, 그 자체로 WPS를 승인할 수는 없다. 해당 제작 규정은 특정 식, 한계값 또는 용접절차인정 경로를 규정할 수 있다. 일반적인 식보다 해당 규정의 요구사항이 우선한다.

같은 원칙은 발표된 한계값에도 적용된다. TWI의 2024년 논의에서는 경화된 열영향부를 제어하는 맥락에서, 탄소가 0.18 wt%를 초과할 때 NACE 경도 요구사항에 대해 권장되는 CE 한계가 0.43 미만이며, 두께가 1인치를 초과하는 부품의 경우에는 0.45 미만이라고 설명한다. 이러한 수치는 모든 강재, 두께, 사용 환경 또는 용접 공정에 적용되는 보편적인 합격 기준이 아니다.

CE로 대체할 수 없는 용접절차인정 변수

인정된 용접절차는 재료를 실제 이음부 및 용접 작업과 연결한다. 여기에는 이음부 설계 및 준비, 모재 두께 범위, 용접 자세, 공정, 극성 또는 전류 종류, 용접재료 분류, 해당되는 경우 보호가스, 예열, 층간온도, 입열 및 이동 조건이 규정된다. 또한 수소 수준, 비드 순서, 구속도, 냉각, 용접 후 열처리 및 경도 또는 균열 관련 요구사항을 관리할 수도 있다.

CE는 이러한 관리 체계에 정보를 제공한다. 높은 CE는 더 큰 경화능과 더 엄격한 열 및 수소 관리가 필요할 가능성을 나타낼 수 있지만, 낮은 CE가 균열이 발생하지 않는다는 것을 보장하지는 않는다. 두꺼운 단면은 얇은 단면과 다르게 냉각되며, 구속도가 높은 이음부는 구속도가 낮은 이음부와 다르게 거동한다. 또한 저수소계 용접재료를 사용하더라도 부적절한 예열이나 과도한 구속의 영향이 없어지는 것은 아니다.

용접 공정 자체가 열사이클을 변화시킨다. 피복아크용접, 가스메탈아크용접, 서브머지드아크용접 및 플럭스코어드아크용접은 동일한 강종에 적용하더라도 서로 다른 입열, 수소 노출 및 냉각 속도를 유발할 수 있다. 용접재료 분류 역시 중요하다. 강도, 확산성 수소 지정 및 용착금속 화학 조성은 CE 값에 포함된 용어가 아니라 인정 변수이기 때문이다.

용접 후 열처리는 잔류응력을 변화시키고 경화된 영역을 뜨임 처리할 수 있지만, 필요한 온도, 유지 시간 및 가열 또는 냉각 속도는 해당 규정과 인정된 절차에서 정해야 한다. 사용 조건 또는 사양 요구사항에 따라 경도시험, 수소균열 검사 및 지연 검사가 의무화될 수 있다. 탄소강 및 저합금강에 관한 AWS 지침은 화학 조성과 경화능을 용접성 고려사항으로 규정하지만, AWS와 ISO 15608:2025 모두 CE를 용접절차인정의 대체 수단으로 취급하지 않는다.

따라서 실제 순서는 명확하다. 재료와 해당 ISO 15608 그룹을 확인하고, 인증된 화학 조성을 확보하며, 해당 규정에서 요구하는 CE 식을 계산한 다음, 규정된 이음부, 두께, 공정, 용접재료 및 열 관리 조건으로 WPS를 인정하고 적용해야 한다. CE는 이러한 결정에 사용되는 하나의 입력값이다. CE 자체가 인정인 것은 아니다.

한계, 오용 및 실무적 해석

CE를 보편적 임계값으로 취급하는 오류

탄소당량은 경화능과 수소균열 위험을 조성에 기반하여 추정한 값이다. 이는 완전한 용접성 평가 점수가 아니며, 용접 조건과 무관하게 합격 또는 불합격을 판정해 주지도 않는다. AWS D8.10M:2021은 이를 직접적으로 명시하고 있다. 탄소당량은 용접성 지침이지 절대적인 매개변수가 아니다.

흔히 모든 탄소당량 계산을 “CEIIW”라고 부르는 오류가 발생한다. AWS D8.10M:2021에서 CEIIW는 구체적으로 다음을 의미한다.

$${\mathrm{CE}}_{\mathrm{IIW}}=C+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Si}}{6}+\frac{\mathrm{Cr}+\mathrm{Mo}+V}{5}+\frac{\mathrm{Ni}+\mathrm{Cu}}{15}$$

원소 값은 일반적으로 중량 백분율로 입력한다. 이 명칭을 Pcm, CET, CEq 또는 CEN에 자동으로 적용해서는 안 된다. 각 식은 서로 다른 강재군과 경화능 또는 수소균열 민감도를 나타내려는 서로 다른 접근을 반영한다.

Pcm은 이러한 차이를 보여 주는 사례이다.

$$\mathrm{Pcm}=C+\frac{\mathrm{Si}}{30}+\frac{\mathrm{Mn}+\mathrm{Cu}+\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{60}+\frac{\mathrm{Mo}}{15}+\frac{V}{10}+5B$$

TWI는 2024년에 Pcm이 주로 탄소 함량이 약 0.11 중량% 이하인 현대 저탄소강을 대상으로 개발되었다고 보고했다. Pcm은 CEIIW와 비교하여 규소 및 여러 합금 원소에 서로 다른 가중치를 부여하며, 붕소도 명시적으로 포함한다. 강재에 의도적인 붕소 첨가가 포함되어 있는 경우 붕소를 누락하는 것은 무해한 단순화가 아니다. 반대로 Pcm 값을 CEIIW 한계값과 직접 비교하면서 두 수치가 동일한 의미를 갖는 것처럼 취급하는 것은 기술적으로 타당하지 않다.

임계값은 그 출처와 적용 분야에 종속된다. TWI가 2024년에 발표한 NACE 경도 요구사항에 관한 논의에서는, 탄소 함량이 0.18 중량%를 초과하는 경우 경화된 열영향부를 제어하기 위해 권장되는 탄소당량 한계가 0.43 미만이며, 두께가 1인치를 초과하는 부품의 경우에는 0.45라고 설명한다. 그러나 이러한 내용이 모든 강종, 이음부, 두께, 수소 수준, 구속 조건 또는 사용 환경에 적용되는 보편적 한계값을 설정하는 것은 아니다. 사워 서비스 요구사항에서 정한 한계값을 교량 제작 절차에 단순히 이전해서는 안 되며, 특정 재료 규격의 한계값이 적용을 지배하는 용접 코드의 요구사항을 대신할 수도 없다.

계산 자체는 정밀하더라도 결론은 잘못될 수 있다. 실제 위험에는 탄소 함량, 냉각 속도, 확산성 수소, 구속, 입열, 예열, 층간 온도 및 용접 후 처리가 모두 영향을 미친다.

식의 선택이 공학적 결론을 바꾸는 경우

식의 선택은 절차상의 경계값에 가까울 때 가장 중요하다. 소량의 붕소가 첨가된 저탄소 미세합금강을 생각해 보자. CEIIW에는 붕소가 포함되어 있지 않으므로 CEIIW 결과는 중간 정도로 나타날 수 있지만, Pcm에서는 $5B$ 항으로 인해 값이 증가한다. 기술자가 수소균열 평가에 Pcm을 사용하면서 붕소를 포함하지 않고 계산하면, 그 조성이 의도한 영향을 실제보다 작게 평가할 수 있다. 그런 다음 동일한 값을 CEIIW 임계값과 비교하면 두 가지 별개의 오류가 중첩된다.

반대의 문제는 다른 식이 개발된 적용 강재군을 벗어난 강재에 CEIIW를 적용할 때 발생한다. TWI는 CEIIW, Pcm, CEq 및 CEN을 수소균열 평가에 일반적으로 사용되는 식으로 구분한다. 이들은 서로 바꾸어 사용할 수 있는 명칭이 아니다. 2007년에 발행된 열간압연강에 관한 AWS 지침은 CEIIW 유형의 CE, Pcm 및 CET를 별도로 제시한다.

$$\mathrm{CET}=C+\frac{\mathrm{Mn}}{10}+\frac{\mathrm{Mo}}{10}+\frac{\mathrm{Cr}}{20}+\frac{\mathrm{Cu}}{20}+\frac{\mathrm{Ni}}{40}$$

따라서 CET는 동일한 용강에 대해 CEIIW와 다른 순위를 제공할 수 있으며, 특히 망가니즈, 몰리브데넘, 크로뮴, 구리 또는 니켈 함량이 상당한 경우에 그러하다. 이러한 차이는 수학적 결함이 아니라 서로 다른 실증적 가중치와 의도된 용도를 반영한다.

화학 조성의 품질도 결론을 바꾸는 또 다른 원인이다. 밀 인증서는 용강 분석값을 제공할 수 있지만, 규격서에는 공칭 최대값 또는 범위값만 제시될 수 있다. 이를 명시하지 않고 공칭값으로 대체하면 결과가 보수적인지, 비보수적인지 또는 단순히 예시적인 것인지 알 수 없게 된다. 판단이 좁은 여유도에 좌우되는 경우에는 실제 용강 조성을 사용해야 한다. 보고서에는 각 값이 실제 분석값인지, 규정된 최대값인지, 공칭 조성인지 또는 가정값인지를 명시해야 한다.

재료 그룹 분류 역시 탄소당량 계산과 분리하여 다루어야 한다. ISO 15608:2025는 강재 및 기타 합금 계열을 포함하여 용접 목적의 금속 재료를 그룹화하기 위한 통일된 체계를 규정한다. 그룹 번호는 기존 용접 절차를 적용할 수 있는지 판단하는 데 도움이 되지만, 탄소당량 계산을 대신하거나 두 강재가 균등한 균열 거동을 보인다는 것을 입증하지는 않는다.

기술자와 검사자를 위한 의사결정 점검표

탄소당량 결과를 수용하기 전에 다음 사항을 문서화해야 한다.

• 식과 출처: CEIIW, Pcm, CET, CEq 또는 CEN 중 어느 것인지 식별하고, 적용 가능한 표준, AWS 문서, 프로젝트 규격 또는 기술 지침을 인용한다.
• 화학 조성의 근거와 단위: 필요한 경우 C, Mn, Si, Cr, Mo, V, Ni, Cu 및 B가 중량 백분율로 입력되었는지 확인하고, 실제 용강 분석값과 공칭값 또는 최대값을 구분한다.
• 강재 계열과 명칭: 관련 ASTM, EN, API 또는 기타 명칭과 같은 강종 및 재료 규격을 기록하고, ISO 15608 재료 그룹 분류 개념을 CE와 개념적으로 분리하여 취급한다.
• 두께와 탄소 함량: 지배적인 두께를 식별하고, 인용된 NACE 관련 한계값을 고려하는 경우 탄소가 0.18 중량%를 초과하는지 명시한다.
• 식의 적용 대상: 해당 강재가 Pcm에 적합한 현대 저탄소 재료인지, 또는 적용을 지배하는 문서에서 CEIIW, CET 또는 다른 식을 요구하는지 확인한다.
• 균열 발생 조건: 확산성 수소, 용접재료 관리, 이음부 구속, 맞춤 상태, 열 이력, 냉각 속도 및 경화된 열영향부의 위험을 평가한다.
• 용접 관리: 적용을 지배하는 표준 또는 인증된 절차에 따라 예열, 층간 온도, 입열, 수소 관리 조치, 지연 검사 및 필요한 용접 후 열처리를 결정한다.
• 의사결정 기록: 계산값, 해당 한계값의 존재 여부와 그 값, 가정, 편차 및 그에 따른 용접 관리 조치를 명시한다.

CE는 보편적 임계값이나 승인된 용접 절차의 대체물이 아니라, 보다 폭넓은 용접성 평가에 투명하게 반영되는 하나의 입력값으로 활용할 때 가장 유용하다.

참고 문헌

1. [1]American Welding Society. AWS D8.10M:2021. AWS standard, 2021. https://pubs.aws.org/Download_PDFS/D8_10M_2021_PV.pdf
2. [2]TWI. What is the difference between the various carbon equivalent formulae used in relation to hydrogen cracking?. TWI Technical Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/faqs/faq-what-is-the-difference-between-the-various-carbon-equivalent-formulae-used-in-relation-to-hydrogen-cracking
3. [3]TWI. Complying with NACE hardness requirements. TWI Job Knowledge, 2024. https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/complying-with-nace-hardness-requirements-119
4. [4]International Organization for Standardization. ISO 15608:2025. ISO standard, 2025. https://www.iso.org/standard/88796.html