강재 용접 열영향부 야금

1. 열영향부란 무엇이며 무엇이 아닌가

용융부 및 영향을 받지 않은 모재와의 관계에 따른 정의

열영향부(HAZ)는 용접 열에 의해 미세조직, 성질 또는 두 가지 모두가 변화했지만 용융되지는 않은 모재의 부분이다. 열영향부는 용융 경계와 영향을 받지 않은 모재 사이에 위치한다. 용융부는 이와 다르다. 용융부는 액체가 된 후 용융된 모재와 혼합되고 다시 응고된 용접 금속이다. 용융부의 조직은 주로 응고 조건, 희석, 용접 금속의 조성 및 이후의 냉각에 의해 결정된다.

이 경계는 단순히 육안으로 보이는 경계가 아니라 금속학적 경계이다. 에칭을 하면 용융선이 드러날 수 있지만, 열은 판재, 관 또는 피팅 내부로 전달되므로 열영향부는 용융선을 넘어 확장된다. 용융 경계 바로 바깥의 금속은 상부 임계 온도 범위보다 높은 온도에 도달하여 냉각되기 전에 완전히 오스테나이트로 변태했을 수 있다. 더 멀리 떨어진 곳에서는 최고 온도가 기존 결정립을 미세화하거나, 조직을 부분적으로 변태시키거나, 마르텐사이트를 뜨임하거나, 탄화물을 조대화하기에 충분한 정도에 그칠 수 있다. 그보다 더 먼 곳에서는 측정 가능한 변화를 일으키기에는 온도가 너무 낮을 수 있다.

따라서 열영향부는 용접 금속도 아니며 영향을 받지 않은 모재도 아니다. 열영향부는 원래 위치에 존재하면서 열에 의해 변화된 모재이다. 국부적 용융, 편석, 산화, 탄소 이동 또는 코팅과의 상호작용으로 인해 용융 경계 부근에서는 이러한 설명이 복잡해질 수 있지만, 일반적으로 화학 조성은 모재 강의 조성을 그대로 유지한다.

열영향부가 단일 재료가 아니라 열 이력 지도인 이유

널리 사용되는 도식에서는 열영향부를 용접부 옆의 좁고 균일한 띠로 나타내는 경우가 많다. 이러한 표현은 열영향부의 위치를 파악하는 데는 유용하지만, 금속학적 특성을 설명하는 방식으로는 오해의 소지가 있다. 열영향부의 각 위치는 서로 다른 온도–시간 사이클을 기록한다. 최고 온도, 고온에 머문 시간, 가열 속도, 냉각 속도 및 열 사이클의 횟수가 발생 가능한 반응을 결정한다.

TWI는 일반 강의 열영향부 영역을 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 영역 및 뜨임 영역으로 설명하며, 이를 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 분류한다. National Institute of Standards and Technology 보고서의 파이프라인 강 분류에서는 이와 밀접하게 관련된 용어인 조대 결정립, 미세 결정립, 임계 온도 사이(intercritical) 및 과뜨임(over-tempered)을 사용한다. 이들은 층상으로 용착된 서로 다른 합금이 아니다. 이들은 동일한 원래 강 내부에 형성된 구배이다.

결정립 조대화 열영향부에서는 오스테나이트 결정립이 크게 성장할 수 있을 정도로 최고 온도가 높다. 냉각 중에는 이러한 큰 구 오스테나이트 결정립이 조대한 변태 조직을 형성할 수 있으며, 조성과 냉각 조건에 따라 벽개 파괴에 대한 저항성이 감소할 수 있다. 결정립 미세화 열영향부 또는 미세 결정립 열영향부는 오스테나이트화 온도에 도달하지만, 최고 온도가 더 낮거나 유효 유지 시간이 더 짧다. 따라서 동일한 정도의 결정립 성장 없이 재결정 또는 오스테나이트 형성이 일어난다.

부분 변태 열영향부 또는 임계 온도 사이 열영향부는 하부 임계 변태 온도와 상부 임계 변태 온도 사이의 온도에 도달한다. 원래 조직의 일부만 오스테나이트로 변태한다. 냉각 중에는 이 오스테나이트가 새로운 페라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트를 형성할 수 있으며, 변태하지 않은 영역은 기존 상태를 유지하고 그 상태가 변화할 수도 있다. 뜨임 영역 또는 과뜨임 영역에서는 최고 온도가 완전한 오스테나이트화 온도보다 낮게 유지되지만, 강화 석출물과 탄화물을 연화하거나 조대화하기에는 충분히 높다. 이 영역은 특히 담금질 및 뜨임 강과 크리프 저항 합금에서 중요하다.

페라이트계 강 열영향부의 미세조직과 경도는 주로 변태 범위를 통과하는 냉각 속도, 강의 조성 및 경화능, 그리고 기존 오스테나이트 결정립 크기에 좌우된다. Strong evidence

중요한 변수는 최고 온도만이 아니다. TWI는 페라이트계 강의 열영향부 미세조직과 경도가 주로 변태 온도 범위를 통과하는 냉각 속도, 강의 조성과 경화능, 그리고 구 오스테나이트 결정립 크기에 좌우된다고 설명한다. 탄소 함량과 경화능이 충분한 저합금강은 급속 냉각 중에 경질 베이나이트 또는 마르텐사이트를 형성할 수 있는 반면, 동일한 열 사이클을 받은 경화능이 낮은 강은 페라이트와 펄라이트를 형성할 수 있다. 명목상 강종은 변하지 않았지만 국부적인 조직과 성질은 변한 것이다.

이 때문에 열영향부의 경도, 인성, 잔류 응력 및 균열 발생 민감도는 단일 강종 지정만으로 결정할 수 없다. 용접 전류, 아크 전압, 이동 속도, 이음부 형상, 판 두께, 예열, 층간 온도, 구속 조건 및 다층 용접 순서는 모두 열 사이클을 변화시킨다. EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접에 대한 지침을 제시하는데, 이는 이러한 변수를 부수적인 설정으로 취급하지 않고 강의 조성 및 용접성과 관련하여 제어해야 하기 때문이다.

Δt8/5Δt8/5 용접부 내 한 위치가 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 필요한 경과 시간이다. 변태 범위를 나타내는 유용한 지표이지만 완전한 열 이력은 아니다.

냉각은 흔히 Δt8/5로 설명하며, 이는 특정 위치가 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 걸리는 시간이다. 이 시간 간격은 오스테나이트에서 페라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 변태하는 온도 범위의 주요 부분을 포함하므로 많은 페라이트계 강에서 실용적인 지표가 된다. NIST의 파이프라인 보고서는 Δt8/5를 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 연관시킨다. 그러나 Δt8/5는 열영향부의 완전한 식별 정보가 아니라 유용한 기술 지표이다. 두 지점의 Δt8/5 값이 비슷하더라도 최고 온도, 구 오스테나이트 결정립 크기 또는 재가열 사이클 횟수는 서로 다를 수 있다.

최고 온도와 용접부로부터의 거리가 영역을 설정하는 방식

열원으로부터 멀어질수록 온도는 낮아지지만, 그 하강은 순간적으로 일어나지도 않고 완전히 균일하지도 않다. 용융 경계는 국부적인 최고 온도가 액상선에 도달한 위치를 나타낸다. 그 바로 바깥에서는 최고 온도가 여전히 결정립 조대화 열영향부를 형성하기에 충분히 높다. 바깥쪽으로 이동하면 최고 온도는 결정립 미세화 범위와 임계 온도 사이 범위를 통과한 다음 뜨임 범위에 도달하고, 이후 강을 검출 가능한 수준으로 변화시키기에는 너무 낮아진다.

용접 절차가 바뀌면 이러한 경계도 이동한다. 일반적으로 입열량이 증가하면 열장이 더 넓게 퍼지고 결정립 성장과 변태에 사용할 수 있는 시간이 길어진다. 예열은 시작 온도를 높이며, 일반적으로 냉각 시간을 증가시킨다. 두꺼운 부재와 얇은 부재는 열을 방출하는 방식이 다르다. 후속 패스는 앞선 열영향부를 재가열하여 첫 번째 열 사이클 내부 또는 그 인접부에 새로운 미세 결정립 영역이나 임계 온도 사이 영역을 형성할 수 있다. 이후 용접 후 열처리(PWHT)는 여러 영역에 걸쳐 마르텐사이트를 뜨임하고 응력을 완화하며 석출물을 변화시킬 수 있다.

[1][1] Grade 91 Type IV cracking and simulated HAZ thermal cycles. ASM International, Electric Power Research Institute. ASM International and EPRI proceedings, 2016.

영향은 균일하지 않은 상태로 심각하게 나타날 수 있다. 크리프 저항성을 갖는 마르텐사이트계 합금인 Grade 91 강은 모재 열영향부에서 Type IV 균열이 발생하기 쉬우며, 특히 미세 결정립 영역과 임계 온도 사이 영역에서 그러하다. ASM International과 EPRI는 2016년에 이러한 민감성을 보고했으며, 모사 열 사이클을 통해 임계 온도 사이 열영향부에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 감소할 수 있음도 확인했다. 따라서 취약한 위치는 단순히 “용접부”가 아니라 모재의 특정 변태 영역이다.

열영향부의 금속학은 파괴 이외의 열화 현상도 좌우한다. 수소 유발 균열, 액화 균열, 층상 찢김 및 재가열 균열은 각각 원인과 발생 위치가 다르다. 응고 균열은 주로 응고 중인 용융부에서 발생하며, 자동으로 열영향부에 해당하는 것은 아니다. ESDEP는 구조용 강의 주요 용접성 문제로 열영향부 액화 균열, 수소 유발 균열 및 재가열 균열을 제시한다. 모든 용접 불연속을 “열영향부 균열”이라고 부르면 그 발생 메커니즘이 가려진다.[2][2] Supermartensitic stainless-steel weld HAZ microstructures and environmental cracking. TWI. TWI study, 2002.

부식 거동도 동일한 공간적 논리를 따른다. 2002년에 수행된 TWI의 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 PWHT와 관련하여 열영향부 미세조직을 조사했다. 국부적인 뜨임, 새로 형성된 마르텐사이트, 석출물 변화 및 조성의 영향으로 인해 인접한 열영향부 영역들이 사용 중 서로 다르게 반응할 수 있다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열 온도, 층간 온도 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, PWHT 온도 측정은 제외한다. 이러한 구분은 용접과 이후의 재가열이 모두 열영향부의 열 이력 지도에 기여하기 때문에 중요하다.

2. 열 사이클: 최고 온도, 가열 속도 및 냉각 시간

열 이력은 HAZ 야금학을 체계화하는 원리이다. 용접 시 인접한 모든 모재가 동일한 온도에 동일한 시간 동안 노출되는 것은 아니다. 각 지점은 급속 가열, 최고 온도 도달, 임계 변태 온도 이상의 유지, 그리고 시간에 따라 지속적으로 변하는 속도의 냉각이라는 고유한 사이클을 따른다. 따라서 HAZ는 균일한 띠가 아니라 공간적으로 구배를 갖는 영역이다. HAZ의 국부 조직은 최고 온도, 가열 속도, 냉각 속도, 강의 화학 조성, 이전 오스테나이트 결정립 크기, 구속 조건 및 후속 재가열의 복합적인 영향에 의해 결정된다.

일반적인 강의 경우, TWI는 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 조대 결정립, 미세 결정립, 부분 변태 또는 임계 영역, 그리고 뜨임 영역으로 구분한다. NIST의 배관용 강 보고서에서는 이와 관련하여 조대 결정립, 미세 결정립, 임계 영역 및 과뜨임 영역이라는 명칭을 사용한다. 이러한 경계는 야금학적 설명이지, 모든 용접에 적용되는 고정된 거리를 의미하지 않는다. 아크 에너지, 이음부 형상, 판 두께 또는 이동 속도가 변하면 그 경계도 이동한다.

HAZ 전반의 최고 온도 구배

가장 높은 최고 온도는 용융 경계 바로 바깥에서 발생한다. 조대 결정립 HAZ에서는 냉각 중 변태가 일어나기 전에 오스테나이트가 형성되고 오스테나이트 결정립이 크게 성장할 만큼 높은 온도에 도달한다. 조대한 이전 오스테나이트 결정립 조직은 냉각 중 형성되는 생성물을 변화시킬 수 있으며, 용접 금속 자체가 규정된 요구사항을 충족하더라도 국부 인성을 저하시킬 수 있다.

용융 경계에서 더 멀어질수록 최고 온도는 낮아진다. 미세 결정립 HAZ는 오스테나이트 변태 온도 범위 이상으로 가열되지만, 조대 결정립 영역과 동일한 시간 동안 또는 동일한 온도까지 가열되지는 않으므로 재결정된 오스테나이트 결정립은 더 작게 유지된다. 임계 HAZ에서는 원래의 페라이트-펄라이트, 베이나이트 또는 뜨임 조직 중 일부만 오스테나이트로 변태한다. 변태하지 않은 영역은 새로 형성된 오스테나이트와 나란히 존재하며, 냉각 과정에서 서로 다른 조직 성분을 갖게 된다. 더 멀리 떨어진 영역에서는 최고 온도가 하부 임계 변태 온도보다 낮게 유지될 수 있다. 이 경우 금속은 변태하기보다는 뜨임 또는 과뜨임을 겪으며, 담금질-뜨임 강에서는 경도와 강도가 낮아질 수 있다.

온도 구배는 시간 구배이기도 하다. 용융 경계에 가까운 지점은 더 높은 최고 온도에 빠르게 도달하며, 더 먼 지점보다 오스테나이트 시작 또는 오스테나이트 종료 온도 이상에서 더 오래 유지될 수 있다. 변태 속도론은 최고 온도만으로 결정되지 않으므로 가열 속도가 중요하다. 급속 가열은 확산 지배 반응을 지연시킬 수 있으며, 짧은 온도 상승 구간 동안 변태하는 재료의 양을 변화시킬 수 있다. 더 느린 사이클에서는 탄소 재분포, 탄화물 용해 및 결정립 성장이 더 진행될 수 있다.

이 때문에 최고 온도가 비슷한 두 위치에서도 서로 다른 미세조직이 형성될 수 있다. TWI는 HAZ 미세조직과 경도가 주로 변태 범위를 통과하는 냉각 속도, 강의 조성과 경화능, 그리고 이전 오스테나이트 결정립 크기에 좌우된다고 설명한다. 급속 냉각으로 마르텐사이트 또는 경질 베이나이트가 형성되는 곳에서는 경도가 높아질 수 있지만, 조대한 결정립, 취성 조직 성분 또는 국부적인 탄소 농축으로 인해 인성이 저하될 수 있다. 반대로 느린 사이클에서는 더 연한 페라이트-펄라이트 또는 뜨임 조직이 형성될 수 있지만, 과도한 연화로 인해 더 경질인 영역 옆에 강도 최저점이 생길 수 있다.

Δt8/5의 의미와 한계

Δt8/5라는 표기는 흔히 Δt8/5 또는 t8/5로도 쓰이며, 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 걸리는 경과 시간을 의미한다. 이 구간은 페라이트계 강에서 중요한 오스테나이트 분해 반응과 흔히 겹치므로 실용적인 용접 변수로 사용된다. 일반적으로 짧은 Δt8/5는 빠른 냉각을 나타내며, 변태 민감성이 있는 조성에서는 마르텐사이트 또는 경질 베이나이트 조직이 형성될 가능성을 높인다. 긴 Δt8/5는 일반적으로 확산 변태가 더 진행되도록 하며, 더 연한 페라이트 또는 베이나이트 조직으로 이어지는 경향이 있다. 그러나 실제 결과는 여전히 강의 종류에 따라 달라진다.

배관용 강에 관한 NIST 보고서는 Δt8/5를 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 구체적으로 연관시킨다. 이 관계는 핵심적이다. 입열량은 열장을 변화시키고, 화학 조성은 변태 속도론을 변화시키며, 거리는 국부 최고 온도와 열 흐름을 변화시키고, 벽 두께는 열이 이음부에서 빠져나갈 수 있는 경로를 변화시킨다. 두꺼운 단면은 얇은 판과 다른 방식으로 열을 방출할 수 있으며, 구속된 이음부, 받침 배치 또는 인접한 용접 비드도 열 경계 조건을 변화시킬 수 있다.

Δt8/5는 완전한 열 이력이 아니다. 이는 냉각 곡선을 하나의 시간 구간으로 압축한 값이며, 가열 속도, 정확한 최고 온도, 오스테나이트 종료 온도 이상의 유지 시간 또는 800 °C 이전의 냉각에 대해서는 거의 알려 주지 않는다. 두 사이클이 동일한 Δt8/5를 가질 수 있지만, 최고 온도와 이전 오스테나이트 결정립 크기는 서로 다를 수 있다. 따라서 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트 또는 펄라이트의 형성 비율도 달라질 수 있다. 또한 오스테나이트화 온도에 도달하지 않는 영역, 탄소-망간강과 변태 양상이 다른 일부 스테인리스강, 그리고 이전 조직이 이미 변화된 재가열 영역에서는 이 변수의 의미가 제한적이다.

따라서 Δt8/5는 금속조직학적 검사, 경도 측정 및 적절한 연속 냉각 변태 또는 용접 열 시뮬레이션을 대체하지 않고 이를 보조해야 한다. Δt8/5는 제어 변수이지, 모든 미세조직을 예측하는 보편적인 지표가 아니다.

입열량, 판 두께, 구속 및 다층 용접 재가열

공칭 입열량은 일반적으로 용접 전류, 전압 및 이동 속도를 사용하여 계산하며, 필요한 경우 효율 계수를 적용한다. 이는 단위 길이당 공급되는 에너지를 나타내지만, 국부 HAZ 사이클을 고유하게 결정하지는 않는다. 동일한 공칭값이라도 두껍고 구속된 이음부, 얇은 판, 큰 방열체 역할을 하는 파이프 또는 예열된 이음부에서는 서로 다른 온도장이 형성될 수 있다. 비드 형상, 아크 효율, 층간 온도, 이음부 가공 형상, 클램프 또는 받침대로의 열 전달도 영향을 미친다.

화학 조성은 주어진 사이클에 대한 반응을 변화시킨다. 탄소 당량, 합금 원소 첨가량 및 경화능은 냉각 중 오스테나이트가 마르텐사이트 또는 베이나이트로 얼마나 쉽게 변태하는지를 결정한다. 동일하게 측정된 Δt8/5를 갖더라도 경화능이 더 낮은 강보다 저합금강에서 더 경질인 HAZ가 형성될 수 있다. 이전의 열 노출도 중요하다. 뜨임 마르텐사이트, 정규화된 페라이트-펄라이트 및 베이나이트계 배관용 강은 동일한 미세조직 상태에서 새로운 사이클을 시작하지 않는다.

판 또는 벽 두께는 3차원 열 흐름을 변화시킨다. 얇은 재료는 표면을 통해 열을 빠르게 잃을 수 있는 반면, 두꺼운 단면은 더 많은 열을 저장하며 용접이 진행됨에 따라 다르게 냉각될 수 있다. 예열은 온도 구배를 감소시키고 일반적으로 냉각 시간을 연장한다. 구속은 온도만 변화시키는 것이 아니다. HAZ가 수축하는 동안, 그리고 수소가 경질이며 잠재적으로 취성인 영역을 통해 확산하는 동안 가해지는 응력을 증가시킨다. 따라서 수소 유기 균열은 용접 금속의 응고 균열, 두께 방향 변형 및 개재물과 관련된 층상 찢김, 부분 용융된 결정립계 인근의 액화 균열, 그리고 후속 가열 중 발생하는 재가열 균열과 구별된다. ESDEP는 구조용 강의 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유기 균열 및 재가열 균열을 제시한다.

다층 용접에서는 이음부가 최종 상태로 냉각되기 전에 새로운 열 사이클이 추가된다. 후속 패스는 앞선 패스로 생성된 HAZ를 뜨임하거나, 결정립을 미세화하거나, 부분적으로 재오스테나이트화하거나, 과뜨임할 수 있다. 후속 패스의 최고 온도는 이전 비드와 HAZ 전반에서 달라지므로, 한 위치는 연화되는 반면 다른 위치에서는 새로운 결정립 성장 또는 임계 변태가 일어날 수 있다. Grade 91은 그 결과를 잘 보여 준다. ASM International과 EPRI는 2016년에 Type IV 균열이 모재 HAZ, 특히 미세 결정립 영역과 임계 영역과 관련된다고 보고했다. 또한 시뮬레이션된 사이클에서는 임계 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 저하될 수 있음이 나타났다.

ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열 온도, 층간 온도 및 예열 유지 온도의 측정을 다루지만 용접 후 열처리 온도 측정은 제외한다. Strong evidence

동일한 원리는 강도와 균열을 넘어선 현상에도 적용된다. TWI는 2002년에 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부를 대상으로 HAZ 조직을 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 용접 후 열처리(PWHT)와 관련하여 조사했다. 따라서 온도 제어는 추정이 아니라 측정을 통해 이루어져야 한다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열, 층간 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, PWHT 온도 측정은 제외한다. EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접을 다룬다. 종합하면, 공칭 입열량만이 아니라 열 사이클이 용접 절차, 국부 조직 및 사용 중 거동을 연결하는 실질적인 고리를 제공한다.

3. 오스테나이트화와 기존 HAZ 하위 영역

페라이트계 강의 HAZ를 기존 방식으로 구분할 때에는 용융 경계에서 측정한 고정된 거리가 아니라 용접 중 도달한 최대 온도를 기준으로 한다. 용접부에 가까운 지점은 상부 임계 온도인 $A_{\mathrm{c}3}$ 이상으로 가열되어 냉각 전에 완전히 오스테나이트로 변태할 수 있다. 더 멀리 떨어진 지점은 $A_{\mathrm{c}1}$과 $A_{\mathrm{c}3}$ 사이의 임계간 범위만 통과할 수 있으며, 또 다른 지점은 $A_{\mathrm{c}1}$ 미만에 머물면서 뜨임 열사이클만 받을 수 있다. 따라서 이러한 경계는 뚜렷한 야금학적 선이 아니라 열적 등온선이다.

TWI는 기존 강의 HAZ를 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 영역 및 뜨임 영역으로 설명한다. NIST는 파이프라인 강에 대해 조대 결정립 영역, 미세 결정립 영역, 임계간 영역 및 과다 뜨임 영역이라는 밀접하게 관련된 용어를 사용한다. 하나의 용접부에는 이러한 모든 영역이 포함될 수 있지만, 각 영역의 폭은 아크 에너지, 용접 속도, 판 또는 관 벽 두께, 이음부 형상, 예열 및 강의 열전도도에 따라 달라진다.

오스테나이트화오스테나이트화 임계 온도 범위를 통과하여 가열할 때 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 뜨임 마르텐사이트가 오스테나이트로 변태하는 현상.

오스테나이트화는 HAZ의 고온부에서 일어나는 핵심 현상이다. $A_{\mathrm{c}1}$을 통과하며 가열될 때 페라이트와 존재하는 펄라이트, 베이나이트 또는 뜨임 마르텐사이트는 오스테나이트로 변태하기 시작한다. $A_{\mathrm{c}3}$ 이상에서는 저탄소 아공석강이 명목상 오스테나이트 조직이 되지만, 가열 속도, 합금 원소 편석, 미용해 탄화물 및 기존 미세조직이 변태의 완결 정도에 영향을 미친다. 이후 결정립 성장은 온도와 시간 모두에 좌우된다. 용융 경계 부근의 온도는 매우 높기 때문에, 노출 시간이 수 초에 불과한 짧은 용접 열사이클에서도 결정립이 크게 조대화될 수 있다.

조대 결정립 또는 결정립 조대화 HAZ

조대 결정립 HAZ(CGHAZ)는 일반적인 페라이트계 강에서 용융 경계 바로 바깥에 위치한다. 이 영역의 최고 온도는 $A_{\mathrm{c}3}$ 이상이며, 급격한 오스테나이트 결정립 성장을 일으킬 만큼 높다. 많은 설명에서는 이 영역이 고상선에 근접하는 온도 범위까지 확장되는 것으로 보지만, 여전히 고체 상태이므로 용융 영역의 일부는 아니다. 원래의 페라이트 기지 전체에서 오스테나이트가 형성되고, 원래 페라이트의 결정립계는 변태된 조직을 더 이상 규정하지 못하게 된다. 냉각 중에는 조성 및 냉각 속도에 따라 확대된 선행 오스테나이트 결정립 내부에 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성된다.

큰 선행 오스테나이트 결정립은 변태 중 핵생성에 이용 가능한 전체 결정립계 면적을 감소시킨다. 이로 인해 확산성 페라이트 형성이 지연되고 국부 열사이클에서 경화능이 증가할 수 있다. 따라서 충분히 빠른 냉각이 이루어지면, 영향을 받지 않은 판재가 페라이트-펄라이트 조직인 경우에도 저합금강의 CGHAZ에 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 탄소, 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘, 니켈, 미량합금 원소 첨가 및 붕소 함량은 모두 이러한 거동에 영향을 미친다. 티타늄, 나이오븀 및 바나듐의 탄질화물은 안정하게 유지되는 경우 오스테나이트 성장을 억제할 수 있지만, 고온에서 과도하게 용해되면 이러한 고정 효과가 사라진다.

조대한 기존 오스테나이트 결정립은 충격 인성을 낮출 수 있으며, 냉각 조건은 더 경한 베이나이트 또는 마르텐사이트 생성물이 형성되는지를 결정한다. Strong evidence

그 결과는 단순히 “더 단단한 HAZ”가 아니다. 조대한 선행 오스테나이트 결정립은 유효 벽개 면적의 크기를 증가시키고 불리한 변태 생성물이 형성되도록 하여 충격 인성을 저하시킬 수 있다. 또한 확산성 수소, 인장 잔류응력 및 균열에 충분히 민감한 미세조직이 함께 존재하면, 경도가 높은 CGHAZ는 수소 유기 균열에 취약할 수 있다. 냉각 속도는 여전히 결정적인 요인이다. TWI는 변태 범위를 통과하는 냉각 속도, 조성과 경화능, 그리고 선행 오스테나이트 결정립 크기를 HAZ 미세조직과 경도를 제어하는 주요 인자로 제시한다.

파이프라인 강에서는 실용적인 냉각 지표로 $\Delta t_{8/5}$를 사용하는 경우가 많다. 이는 해당 위치가 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 필요한 시간이다. 짧은 $\Delta t_{8/5}$는 일반적으로 더 빠른 냉각과 베이나이트 또는 마르텐사이트 생성물 형성 경향이 더 크다는 것을 의미하며, 긴 값은 더 많은 확산성 변태와 뜨임을 가능하게 한다. 그러나 이러한 관계가 보편적이거나 단일 변수로 결정되는 것은 아니다. NIST의 한 파이프라인 강 보고서는 $\Delta t_{8/5}$가 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께에 의존한다고 설명한다. 따라서 용접부로부터의 명목상 거리가 동일한 두 지점이라도 서로 다른 관 형상이나 용접 절차에서는 서로 다른 냉각 이력을 경험할 수 있다.

미세 결정립 또는 결정립 미세화 HAZ

미세 결정립 HAZ(FGHAZ)는 $A_{\mathrm{c}3}$ 이상의 최고 온도에 도달하므로 조직이 상당 부분 또는 완전히 오스테나이트화되지만, 뚜렷한 오스테나이트 결정립 조대화를 일으키는 범위보다는 낮은 최고 온도를 갖는다. 오스테나이트 결정립은 CGHAZ의 결정립보다 작게 유지된다. 냉각 중에는 이러한 더 미세한 선행 오스테나이트 조직이 더 많은 핵생성 부위를 제공하므로 일반적으로 더 미세한 페라이트-베이나이트 또는 마르텐사이트 조직이 형성되기 쉽다.

“미세 결정립”이라고 해서 낮은 경도나 높은 인성이 보장되는 것은 아니다. 경화능이 높은 강에서 빠른 열사이클이 발생하면 경질 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 반대로 느린 열사이클에서는 더 연한 페라이트와 펄라이트가 형성될 수 있다. FGHAZ는 변태 생성 조직이 더 미세하기 때문에 CGHAZ에 비해 기계적으로 유리한 경우가 많지만, 국부 인성은 실제 생성물, 탄소 함량, 개재물, 편석 및 재가열 이력에 따라 달라진다.

다중 용접 패스는 이 양상을 복잡하게 만든다. 후속 패스는 이미 형성된 CGHAZ의 일부를 미세 결정립 오스테나이트 범위 또는 임계간 범위까지 가열하여, 원래의 CGHAZ 및 영향을 받지 않은 모재와 모두 다른 조직을 갖는 좁은 띠를 형성할 수 있다. 따라서 HAZ 명칭은 강재의 고정된 특정 부분에 영구적으로 부여되는 명칭이 아니라 특정 열사이클을 설명하는 것이다.

임계간, 부분 변태 및 과다 뜨임 영역

임계간 HAZ(ICHAZ)는 $A_{\mathrm{c}1}$과 $A_{\mathrm{c}3}$ 사이의 최고 온도에 도달한다. 원래 미세조직의 일부만 오스테나이트로 변태한다. 페라이트-펄라이트 강에서는 펄라이트 또는 탄소가 농축된 구성상과 일부 페라이트 영역이 우선적으로 변태하는 반면, 일부 페라이트는 변태하지 않은 채 남는다. 냉각 중 새로 형성된 오스테나이트는 페라이트, 베이나이트 또는 마르텐사이트로 변태할 수 있지만, 변태하지 않은 페라이트는 별도의 열 이력을 유지한다. 이러한 혼합 조직은 매우 짧은 거리에서도 경도와 변형 저항에 뚜렷한 국부 차이를 일으킬 수 있다.

ICHAZ는 크리프 저항성이 높은 Grade 91 강에서 특히 중요하다. 이 강은 EN 10088-1에서 명목상 X10CrWMoVNb9-2로 지정되며, 공학 실무에서는 일반적으로 Grade 91 또는 P91로 식별된다. ASM International과 EPRI는 2016년에 Grade 91이 모재 HAZ, 특히 미세 결정립 및 임계간 영역에서 Type IV 균열에 취약하다고 보고했다. 열사이클 모사에서도 임계간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 저하될 수 있음이 나타났다. 따라서 Type IV 균열은 일반적인 수소 균열과 동일하지 않다. 이는 장기 사용 중 연화되고 미세조직이 변화한 HAZ와 관련된 크리프 손상 문제이다.

$A_{\mathrm{c}1}$ 미만에서는 전체적인 오스테나이트화가 일어나지 않지만, 상당한 변화는 여전히 발생할 수 있다. 노멀라이징된 페라이트계 강에서는 이 영역을 아임계 HAZ라고 부를 수 있다. 담금질 및 뜨임 처리된 강에서는 용접 열사이클에 의해 마르텐사이트가 뜨임되고, 탄화물이 조대화되며, 경도가 감소할 수 있다. 최고 온도와 유지 시간이 충분히 높으면 이 영역을 뜨임 또는 과다 뜨임 영역으로 설명한다. 새로운 오스테나이트가 형성되지 않더라도 강도는 저하될 수 있다. 석출 강화형 또는 크리프 저항성 강종에서는 페라이트 변태보다 강화상의 용해, 조대화 또는 재분포가 더 중요할 수 있다.

후속 패스에 의한 재가열은 이러한 복잡성을 더욱 증가시킨다. 이전에 경화된 영역은 후속 패스에 의해 뜨임될 수 있고, 이전에 뜨임된 영역은 부분적으로 다시 오스테나이트화될 수 있으며, 임계간 띠는 다시 다른 변태 범위로 가열될 수 있다. 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부는 HAZ를 단순히 강도 구배로만 취급할 수 없는 이유를 보여 준다. 2002년 TWI 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 용접 후 열처리(PWHT)와 관련하여 이 강종의 HAZ 미세조직을 조사했다. 열사이클은 크로뮴 분포, 마르텐사이트의 뜨임 및 잔류 오스테나이트를 변화시켜 기계적 거동과 부식 거동 모두를 바꿀 수 있다.

EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접에 대한 지침을 제공한다. 한편 ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열, 층간 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, PWHT 온도 측정은 다루지 않는다. 이러한 제어가 중요한 이유는 기존의 각 영역이 열 이력의 결과이기 때문이다. 이 영역들은 거리만으로는 신뢰성 있게 정의할 수 없다.

4. 변태 생성물과 HAZ 미세조직

열영향부(HAZ)는 하나의 균일한 조직을 갖지 않는다. 용융 경계 옆의 각 위치는 서로 다른 최고 온도, 임계 온도 이상에서의 유지 시간, 그리고 오스테나이트에서 페라이트로 변태하는 범위를 통과하는 서로 다른 냉각 경로를 경험한다. 일반적인 강에서 TWI는 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 HAZ를 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 영역 및 뜨임 영역으로 구분한다. 파이프라인 강에 대한 설명에서는 동일한 공간적 진행을 나타내기 위해 일반적으로 조대 결정립, 미세 결정립, 임계간 및 과다 뜨임 영역이라는 용어를 사용한다.

이러한 명칭은 보장된 물성이 아니라 열적 노출을 설명합니다. 미세한 결정립으로 이루어진 영역이 인접한 조대한 결정립 영역보다 더 질길 수 있지만, 그 경도는 여전히 조성 및 냉각 속도에 따라 달라집니다. 마르텐사이트 조직으로 설명되는 영역은 높은 경도를 가질 수 있지만, 균열 민감성은 탄소 함량, 수소, 구속, 뜨임 상태 및 국부 응력에 따라 달라집니다. 상의 명칭은 필요하지만, 그것만으로 물성을 예측할 수는 없습니다.

페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 생성

페라이트계 강을 상부 임계 온도 이상으로 가열하면 원래의 페라이트와 펄라이트가 오스테나이트로 변태합니다. 최고 온도는 생성되는 오스테나이트의 양과 오스테나이트 결정립이 성장하는 정도를 좌우합니다. 이후 냉각 과정에서 오스테나이트는 서로 경쟁하는 변태 반응에 의해 분해됩니다. 냉각 속도는 흔히 Δt8/5로 나타내며, 이는 재료가 800 °C에서 500 °C로 냉각되는 동안의 경과 시간입니다. 탄소강 및 저합금강에서 오스테나이트의 상당 부분이 이 범위 안이나 그 주변에서 변태하기 때문에, 이 시간 구간은 실용적인 용접 변수로 사용됩니다.

비교적 느린 냉각에서는 확산 변태에 의해 다각형 페라이트가 생성되고, 이어서 펄라이트가 생성되는 경우가 많습니다. 성장하는 페라이트에서 배출된 탄소는 잔류 오스테나이트를 농축시키며, 이에 따라 페라이트와 시멘타이트가 함께 형성되어 펄라이트가 됩니다. 그러나 열영향부에서는 오스테나이트 결정립계와 열구배가 핵생성과 성장을 좌우하기 때문에 페라이트가 정렬된 형태, 위드만스테텐 형태 또는 그 밖의 비등축 형태로 나타날 수 있습니다. 이렇게 형성된 형태는 중요합니다. 두 영역 모두 페라이트-펄라이트 조직으로 식별될 수 있지만, 결정립 크기, 시멘타이트 분포 및 충격 인성이 크게 다를 수 있습니다.

중간 정도의 냉각 속도에서는 베이나이트 변태가 페라이트-펄라이트 반응의 상당 부분을 대신할 수 있습니다. 베이나이트는 일반적인 다각형 페라이트와 펄라이트가 우세한 온도 범위보다 낮고, 확산 없는 전단에 의해 마르텐사이트가 형성되는 범위보다 높은 온도에서 생성됩니다. 상부 베이나이트와 하부 베이나이트는 서로 바꾸어 사용할 수 있는 설명이 아닙니다. 두 조직은 페라이트 형태와 탄화물 배열이 다르며, 일반적으로 하부 베이나이트가 더 미세한 탄화물 분산을 가집니다. 용접 금속조직 분석에서는 입상 베이나이트 또는 베이나이트 페라이트라는 용어도 사용될 수 있는데, 이러한 용어는 하나의 보편적인 조직이 아니라 형태와 에칭 반응을 반영합니다.

빠른 냉각은 탄소의 확산 이동을 억제하고 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시킬 수 있습니다. 마르텐사이트는 확산 없는 변태에 의해 생성되는 과포화되고 왜곡된 형태의 페라이트입니다. 저탄소 구조용 강에서는 래스 마르텐사이트로 나타날 수 있으며, 베이나이트 또는 페라이트와 혼재하는 경우가 많습니다. 탄소 함량이 높은 재료에서는 더 단단하고 취성인 마르텐사이트 영역이 형성될 수 있습니다. 갓 형성된 미뜨임 마르텐사이트는 높은 경도, 인장 잔류응력 및 확산성 수소가 함께 작용할 수 있기 때문에 수소 유기 균열에서 특히 중요합니다. 예열과 제어된 입열은 냉각 구간을 연장하지만, 그것만으로 마르텐사이트가 방지되었다고 입증할 수는 없습니다.

이후의 용접 패스는 이러한 생성물 중 어느 것이든 변화시킬 수 있습니다. 재가열은 마르텐사이트를 뜨임하거나, 이전 열영향부를 미세화하거나 부분적으로 재오스테나이트화하거나, 변태하지 않은 페라이트와 함께 새로 형성된 오스테나이트를 포함하는 임계간 영역을 만들 수 있습니다. 후열처리는 마르텐사이트를 뜨임하고 잔류응력을 줄일 수 있지만, 과도한 열 노출은 뜨임된 영역을 연화시키고 탄화물 분포를 변화시킬 수 있습니다. 따라서 최종 단면은 첫 번째 패스의 냉각 사건만이 아니라 서로 겹치는 열 사이클의 기록입니다.

NIST는 배관용 강의 Δt8/5가 입열, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 판 두께에 따라 달라진다고 보고합니다. 이러한 의존성은 중요합니다. 동일한 명목상의 용접 절차라도 용융 경계, 조립화 열영향부의 가장자리 및 판 내부의 더 먼 위치에서 서로 다른 조직을 생성할 수 있습니다. 입열은 완전한 열 이력이 아닙니다. 아크 효율, 이음 형상, 구속 및 층간 온도도 국부적인 열 사이클에 영향을 미치기 때문입니다.

이전 오스테나이트 결정립 크기와 경화능

이전 오스테나이트 결정립 크기란 냉각 중 변태가 시작되기 직전에 존재하는 오스테나이트 결정립의 크기입니다. 이는 최종 페라이트 결정립 크기와 동일하지 않습니다. 결정립 조대화 열영향부에서는 높은 최고 온도와 오스테나이트 결정립 조대화 온도 범위 이상에서의 장시간 노출로 인해 결정립이 성장합니다. 그러면 결정립계가 확산성 페라이트 핵생성을 위한 장소를 더 적게 제공하므로, 변태가 더 낮은 온도까지 지연될 수 있습니다. 낮은 변태 온도와 감소한 핵생성은 특히 강이 상당한 경화능을 지닌 경우 베이나이트 또는 마르텐사이트의 형성을 촉진할 수 있습니다.

경화능경화능 지정된 냉각 조건에서 강재의 단면 전체에 걸쳐 마르텐사이트를 형성하는 능력. 도달 가능한 최대 경도와는 구별된다.

경화능은 주어진 냉각 조건에서 강이 마르텐사이트를 형성할 수 있는 깊이 또는 범위를 설명하며, 달성 가능한 최대 경도와 동일하지 않습니다. 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 일반적으로 페라이트와 펄라이트 반응을 지연시키고, 연속냉각변태도에서 변태를 더 긴 시간 쪽으로 이동시킵니다. 붕소는 오스테나이트 결정립계에 올바른 상태로 잔류할 때 경화능을 크게 증가시킬 수 있습니다. 탄소는 마르텐사이트 경도를 높이고 경화능에도 영향을 미치지만, 그 효과는 다른 화학 조성과 분리하여 생각할 수 없습니다.

결정립 크기는 이러한 균형을 변화시킵니다. 조대한 이전 오스테나이트 결정립은 페라이트와 펄라이트의 핵생성에 이용 가능한 전체 결정립계 면적을 줄이기 때문에 경화능을 높이는 경우가 많습니다. 또한 최종 변태 패킷 또는 벽개 유효 단위를 크게 만들어 인성을 저하시킬 수 있습니다. 미세한 이전 오스테나이트 결정립은 일반적으로 더 이른 확산 변태를 촉진하고 더 미세한 변태 조직을 형성하지만, 냉각 속도와 합금 함량이 충분하면 미세립 영역도 여전히 경화될 수 있습니다.

TWI가 냉각 속도, 강의 조성 및 경화능, 그리고 이전 오스테나이트 결정립 크기를 열영향부 미세조직과 경도의 주요 제어 인자로 제시하는 이유가 바로 여기에 있습니다. 동일한 경도값이 서로 다른 마르텐사이트, 베이나이트 및 페라이트 혼합물에서 나타날 수 있으며, 이 경우 파괴 거동도 달라집니다. 반대로 마르텐사이트 분율이 같다고 해서 인성이 같다고 보장할 수는 없습니다. 패킷 크기, 탄소 함량, 개재물 및 뜨임 상태가 다를 수 있기 때문입니다.

Grade 91은 열영향부를 하나의 마르텐사이트 밴드로 취급할 때의 위험성을 보여줍니다. ASM International과 EPRI가 2016년에 보고한 바와 같이, Grade 91은 모재 열영향부, 특히 미세립 영역과 임계간 영역에서 Type IV 균열에 취약합니다. 이러한 영역이 단순히 용접부에서 가장 단단한 부분인 것은 아닙니다. 장기 크리프 손상은 열 사이클과 이후의 뜨임 또는 부분 변태로 인해 더 약한 국부 미세조직이 형성되는 위치에 집중됩니다. 모사 열 사이클은 임계간 열영향부에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 감소할 수 있음을 보여주기도 했습니다.

탄소당량과 조성 민감형 변태

탄소당량 공식은 여러 합금 원소의 영향을 하나의 용접성 지수로 압축합니다. 일반적으로 다음과 같이 표기되는 IIW 탄소당량은

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

질량 백분율을 사용합니다. 값이 높을수록 일반적으로 경화능이 커지고, 특정 냉각 사이클에서 단단한 열영향부 구성상의 형성 가능성이 커집니다. CET 및 Pcm 공식은 특정 저합금강 범위와 용접 평가에 사용되는 대체 탄소당량 체계입니다. 이들은 적용되는 표준이나 절차를 고려하지 않고 서로 바꾸어 사용할 수 없습니다.

따라서 탄소당량은 선별을 위한 변수이지, 열 사이클 분석을 대체하는 수단이 아닙니다. CEIIW가 유사한 두 강이라도 합금 원소가 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트 반응에 서로 다른 방식으로 영향을 미치기 때문에 변태 거동이 다를 수 있습니다. Ni, Cr, Mo, Mn, V, Nb, Ti 및 B는 석출, 오스테나이트 결정립 성장 및 뜨임 반응에도 영향을 미칩니다. 실제 열영향부는 전체 화학 조성뿐 아니라 최고 온도, Δt8/5, 이전 오스테나이트 결정립 크기 및 재가열 이력에 의해 결정됩니다.

EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접을 다루며, 수소 균열 위험을 관리하기 위해 조성과 용접 조건을 사용합니다. 온도 측정에는 별도의 주의가 필요합니다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열, 층간 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, 후열처리 온도 측정은 제외합니다. 탄소당량 값이나 층간 온도 측정값 어느 것도 그 자체로 최종 상 혼합물을 식별하지는 못합니다.

조성 민감성 원리는 탄소강 및 저합금 구조용 강을 넘어 확장됩니다. TWI의 2002년 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접에 관한 논의는 열영향부 미세조직을 부식, 응력부식균열, 황화물 응력균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 후열처리(PWHT)와 연관시킵니다. 이러한 강에서는 오스테나이트 재형성, 마르텐사이트 뜨임, 잔류 오스테나이트 또는 역변태 오스테나이트가 강도뿐 아니라 부식 거동도 변화시킬 수 있습니다. 따라서 열영향부 금속조직은 경도 이상의 것을 결정합니다. 국부 인성, 크리프 강도, 수소에 대한 거동 및 부식 거동을 좌우할 수 있습니다.

5. HAZ 전반의 경도, 인성 및 강도

열영향부(HAZ)는 하나의 경도나 하나의 기계적 거동만을 나타내지 않는다. HAZ에는 서로 다른 최고 온도와 냉각 경로에 의해 형성된 일련의 영역이 존재한다. 여기에는 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 또는 임계간 영역, 그리고 뜨임 또는 과뜨임 영역이 포함된다. TWI는 이러한 영역을 최고 온도와 용융 경계로부터의 거리를 기준으로 구분되는 일반적인 강의 세부 영역으로 설명한다. National Institute of Standards and Technology(NIST)의 배관용 강 설명에서는 이와 밀접하게 관련된 용어로 조립 결정립, 미세 결정립, 임계간 및 과뜨임 HAZ를 사용한다.

각 영역은 고유한 이전 오스테나이트 결정립 크기, 변태 생성물, 잔류응력 및 후속 열 사이클에 대한 응답을 갖는다. 따라서 경도 분포 측정은 “HAZ”의 단일 특성이 아니라 공간적 구배를 기록한다. 경도는 용융 경계 가까이에서 증가하고, 임계간 영역에서 감소하며, 모재가 완전히 재오스테나이트화되지 않은 상태에서 뜨임된 영역에서는 다시 변할 수 있다. 인장강도, 인성 및 연성도 서로 관련된 경향을 보이지만 동일한 방식으로 변화하지는 않는다.

냉각 속도에 따라 경도가 변하는 이유

TWI가 제시한 핵심 관계는 냉각 속도, 강의 조성, 경화능 및 이전 오스테나이트 결정립 크기 사이의 관계이다. 이러한 변수들은 오스테나이트가 변태 온도 범위를 통과하며 냉각될 때 어떤 변태가 일어나는지를 결정한다. 빠른 열 사이클에서는 확산에 의한 페라이트와 펄라이트의 생성이 억제되어 베이나이트 또는 마르텐사이트가 남을 수 있다. 느린 열 사이클에서는 탄소와 합금 원소가 확산할 시간이 더 많아지므로, 일반적으로 더 연한 페라이트 또는 펄라이트 조직이 생성된다. 그 결과 경도가 높아지거나 낮아지지만, 경도는 다른 모든 기계적 특성을 단순히 직접 나타내는 지표는 아니다.

용접 열 사이클은 Δt8/5를 사용하여 설명하는 경우가 많다. Δt8/5는 800 °C에서 500 °C까지 냉각하는 데 걸리는 시간이다. 이 시간 간격은 페라이트계 강에서 실용적인 지표인데, 오스테나이트 변태의 상당 부분이 이 온도 범위 안이나 그 부근에서 일어나기 때문이다. NIST는 Δt8/5가 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 판 두께에 따라 달라진다고 설명한다. 이는 보편적인 재료 상수가 아니다. 다른 조건이 유사한 용접이라도 두꺼운 부재는 열을 더 오래 보유하여 얇은 부재보다 느리게 냉각될 수 있으며, 예열과 층간 온도도 유사한 영향을 미친다.

조성은 특정 냉각 시간에 대한 재료의 응답을 변화시킨다. 탄소는 마르텐사이트 형성 능력을 높이며, 망가니즈, 크로뮴, 몰리브데넘 및 니켈과 같은 합금 원소는 경화능과 변태 속도론을 변화시킨다. 이전 오스테나이트 결정립 크기도 중요하다. 조대한 오스테나이트 결정립은 확산 변태 생성물을 위한 핵생성 장소가 더 적으므로, 특정 냉각 사이클에서 더 경한 변태 생성물의 형성을 촉진할 수 있다. 따라서 명목상 동일한 Δt8/5라도 두 강종에서 서로 다른 경도가 나타날 수 있으며, 최고 온도와 결정립 조직이 다르다면 동일한 부품 내 두 HAZ 영역에서도 서로 다른 경도가 나타날 수 있다.

경도가 높은 HAZ는 일반적으로 마르텐사이트, 베이나이트 또는 그 밖의 변태 경화 조직을 나타낸다. 이러한 관찰은 중요하지만, 경도만으로 특정 상의 존재를 입증할 수는 없다. 이를 해석하려면 금속조직학적 검사, 탄소 함량, 용접 절차 및 냉각 이력에 대한 정보가 필요하다. 확산성 수소와 인장 구속이 함께 존재할 경우, 높은 경도는 인성 저하 및 수소 유발 균열에 대한 민감성 증가를 동반할 수 있다. 모든 경한 영역을 균열이라고 부르거나, 용접부 옆의 모든 균열을 “HAZ 균열”이라고 부르는 것은 옳지 않다. ESDEP는 HAZ 액화 균열, 수소 유발 균열 및 재가열 균열을 서로 별개의 용접성 문제로 구분하며, 응고 균열과 층상 찢김은 다시 별도의 메커니즘이다.

예열 및 층간 온도 제어는 냉각 경로와 수소 방출에 영향을 미친다. EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접을 다루며, 용접 열 조건과 균열 위험을 제어하는 데 관련된 지침을 제공한다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열 온도, 층간 온도 및 예열 유지 온도의 측정 방법을 규정하지만, 용접 후 열처리 온도의 측정은 다루지 않는다. 이러한 구분은 경도 결과를 승인된 용접 절차와 비교할 때 중요하다.

조립 결정립 영역의 인성 저하

조립 결정립 HAZ(CGHAZ)는 강이 재오스테나이트화되고 이전 오스테나이트 결정립이 성장할 만큼 높은 온도에 도달한다. 결정립 성장은 벽개 파괴에 대한 유효 장벽의 수를 줄이며, 조성과 냉각 속도에 따라 큰 베이나이트 또는 마르텐사이트 패킷을 형성할 수 있다. 따라서 CGHAZ는 인장강도가 높더라도 샤르피 충격 에너지가 낮아지거나 연성-취성 천이 온도가 높아질 수 있다.

경도와 인성은 서로 대체 가능한 특성으로 취급해서는 안 된다. 더 경한 조직은 항복강도와 인장강도가 더 높을 수 있지만, 파괴되기 전 흡수할 수 있는 충격 에너지는 더 적을 수 있다. 반대로 경도가 중간 정도인 영역도 결정립 크기, 개재물, 국부 편석 또는 균열이 쉽게 진행하는 경로를 형성하는 마르텐사이트–오스테나이트 구성성분으로 인해 인성이 낮을 수 있다. 저온 파괴 평가에서는 조립 결정립 영역이 중요한 위치가 되는 경우가 많지만, 실제로 가장 취약한 영역은 강종과 열 사이클에 따라 달라진다.

두 번째 용접 패스는 첫 번째 패스에 의해 가열된 재료를 부분적으로 변태시키거나 뜨임할 수 있다. 이러한 재가열은 일부 조직을 미세화하거나 뜨임하는 한편, 인접한 조대 결정립은 그대로 남길 수 있다. 따라서 다층 용접에서 HAZ는 단일 패스의 경계가 아니라 여러 열 이력이 중첩된 결과이다. 용접 후 열처리는 잔류응력을 줄이고 마르텐사이트 구성성분을 뜨임할 수 있지만, 원래의 미세 결정립 모재 조직을 재현하지는 못한다.

Grade 91은 국부 인성과 고온 강도에 별도의 주의가 필요한 이유를 보여준다. ASM International과 EPRI가 2016년에 발표한 자료는 모재 HAZ, 특히 미세 결정립 영역과 임계간 영역에서 Type IV 균열에 대한 민감성을 보고했다. 모사 열 사이클 결과, 임계간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장강도가 저하될 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 취약한 영역이 용접부에서 반드시 가장 경하거나 가장 조대한 부분인 것은 아니다. 크리프 사용 조건에서는 상대적으로 연하고 미세한 결정립의 띠가 더 강한 재료 옆에서 변형을 축적하고 손상을 입을 수 있다.

연화, 국부 연성 및 특성 구배

임계간 HAZ는 하부 임계 변태 온도보다 높지만 전체 미세조직이 오스테나이트로 변태할 정도로 높지는 않은 온도로 가열된다. 조직의 일부만 재오스테나이트화된다. 냉각 중에는 새로 형성된 변태 생성물이 해당 열 사이클에서 살아남은 페라이트 또는 뜨임된 구성성분 옆에서 형성된다. 그 결과 생성되는 혼합 조직은 인접한 CGHAZ보다 경도가 낮을 수 있으며, 특히 원래의 강이 담금질 및 뜨임 처리되었거나 석출 강화된 경우 그러하다.

과뜨임 영역은 아임계 열 사이클을 겪는다. 이 영역은 재오스테나이트화되지 않지만, 탄화물이 조대화되고 석출물이 강화 효과를 잃으며, 이미 경화된 구성성분이 추가로 뜨임될 수 있다. 국부 경도와 항복강도가 감소할 수 있다. 이 연화된 띠는 인장 하중, 굽힘 또는 사용 중 크리프가 발생할 때 변형이 우선적으로 일어나는 장소가 될 수 있다. 국부 연성이 더 높다고 해서 접합부가 자동으로 더 안전해지는 것은 아니다. 인접 영역이 더 강하게 남아 있기 때문에 그곳에 변형이 집중되며, 축적된 변형은 Type IV 손상, 피로 균열 발생 또는 야금학적 경계에서의 파괴를 촉진할 수 있다.

인장강도는 인장시험에서 도달하는 최대 공학적 응력을 의미한다. 항복강도는 상당한 소성 변형이 시작되는 시점을 나타낸다. 경도는 압입에 대한 국부적 저항이며 흔히 강도를 신속하게 평가하는 지표로 사용되지만, 인장시험을 대체할 수는 없다. 연성은 파괴 전 소성 변형률 또는 연신율을 의미한다. 인성은 특정 시험 조건에서 에너지를 흡수하고 균열 진전에 저항하는 능력을 의미한다. 동일한 HAZ 내에서도 이러한 특성들은 서로 다른 방향으로 변할 수 있다.

용접부 옆에서 경도가 최소가 되는 현상은 과뜨임 또는 임계간 연화를 나타낼 수 있는 반면, 경도가 최대가 되는 현상은 마르텐사이트 변태와 수소 균열 위험을 나타낼 수 있다. 그러나 어느 결과도 그 자체만으로 국부 파괴인성, 피로 수명 또는 사용 중 강도를 확정하지는 못한다. 경도 분포는 매크로 조직, 미세조직, 인장 또는 굽힘 시험, 필요한 경우의 충격시험, 그리고 예상 사용 온도와 하중 형태를 함께 고려하여 해석해야 한다.

후속 패스에 의한 재가열과 PWHT는 이러한 구배를 추가로 변화시킨다. TWI가 2002년에 수행한 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 PWHT와 관련하여 HAZ 미세조직을 조사했다. 이 사례는 기계적 특성의 분포를 환경 성능과 분리하여 평가할 수 없음을 보여준다. 연화되거나 변태된 띠는 부식 전위, 부동태 피막 안정성 및 수소 흡수에서도 차이를 보일 수 있다. 따라서 HAZ는 기계적·화학적 특성이 연속적으로 변하는 영역이며, 지배적인 위험은 국부 조직과 해당 조직에 작용하는 사용 조건에 의해 결정된다.

6. 탄소강 및 저합금강의 HAZ 균열 메커니즘

용접부 인근의 균열은 하나의 야금학적 사건이 아니다. ASM International과 European Steel Design Education Programme(ESDEP)은 용접 균열을 위치, 발생 시점 및 구동력에 따라 분류한다. 일부 균열은 용접 후 고상 상태의 HAZ에서 형성되고, 일부는 용접 금속 또는 국부적으로 용융된 모재가 응고하는 동안 형성되며, 다른 균열은 재가열 또는 사용 중에만 나타난다. 이러한 구분은 중요하다. 용융 경계 옆의 균열이 수소, 결정립계 액화, 응고 수축, 크리프 손상 또는 두께 방향 연성 손실에 의해 발생할 수 있기 때문이다.

HAZ는 단일한 구조라기보다 열 구배를 갖는다. 일반적인 강의 영역은 보통 조대립화, 결정립 미세화, 부분 변태 또는 임계 영역, 그리고 뜨임 또는 과뜨임 영역으로 설명된다. 배관용 강재에 대한 NIST 분류에서는 조립, 세립, 임계 영역 및 과뜨임 영역을 사용한다. 각 위치는 서로 다른 최고 온도와 냉각 경로를 경험한다. 실용적인 냉각 지표인 Δt8/5, 즉 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 걸리는 시간은 열 사이클을 변태 생성물과 연관시키는 데 도움이 되지만, 그 적용 가능성은 강재와 용접 공정에 따라 달라진다. NIST의 한 배관 보고서는 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께를 Δt8/5에 영향을 미치는 요인으로 제시한다.

냉각 속도, 조성, 경화능 및 이전 오스테나이트 결정립 크기가 최종 HAZ 미세조직과 경도를 제어한다. 짧은 냉각 구간은 경화능이 있는 탄소강 또는 저합금강에서 마르텐사이트나 베이나이트를 생성할 수 있으며, 긴 냉각 구간에서는 페라이트, 펄라이트 또는 뜨임 변태 생성물이 형성될 수 있다. 생성된 조직에 따라 균열의 개시 가능성, 전파 가능성, 그리고 구속이 균열을 열린 상태로 유지할 만큼 충분한 인장 응력을 제공하는지가 결정된다. 예열과 층간 온도 관리는 열 사이클을 변화시키지만, 강재의 화학 조성, 접합부 구속 및 수소 제어를 평가해야 할 필요성을 없애지는 않는다. EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접을 다룬다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열, 층간 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, 용접 후 열처리 온도의 측정은 규정하지 않는다.

수소 유발 균열 또는 저온 균열

수소 유발 균열은 저온 균열 또는 지연 균열이라고도 하며, 용접부가 응고되고 인접한 HAZ가 냉각된 후 발생한다. 따라서 그 특징적인 발생 시점은 고온 균열과 다르지만, 용접 후 수 시간이 지나서 균열이 발견될 수도 있다. ASM의 논의에서는 일반적으로 이 메커니즘이 다음 세 가지 상호작용하는 요건과 관련된다고 본다. 즉, 확산성 수소, 균열에 민감한 경질 또는 취성 미세조직, 그리고 인장 응력이다. 구속과 용접 변태 응력은 국부 응력장을 형성하며, 외부에서 가해지는 하중이 0인 경우에도 잔류 응력은 높은 수준으로 남을 수 있다.

수소는 수분, 오염물, 플럭스 피복재, 윤활제 또는 기타 공정상의 원인으로부터 용융지에 유입된다. 응고 후 원자상 수소는 용접부와 HAZ를 통해 확산한다. 수소는 개재물, 이전 오스테나이트 결정립계, 마르텐사이트 계면, 전위 및 기타 국부 응력이 높은 영역에 축적될 수 있다. 정확한 파괴 과정은 강재, 미세조직 및 하중 조건에 따라 달라지므로, 모든 경우에 적용되는 단일 수소 임계값을 설정해서는 안 된다. 수소는 경질이고 응력이 가해진 미세조직의 균열에 대한 허용성을 낮추지만, 구속이나 야금학적 취약성과 독립적으로 작용하지는 않는다.

가장 취약한 HAZ는 급속 냉각 중 미뜨임 마르텐사이트 또는 경질 베이나이트 조직으로 변태하는 조대립 영역이나 다른 영역인 경우가 많다. 조대한 이전 오스테나이트 결정립은 인성을 낮추고 균열 성장을 위한 더 쉬운 경로를 제공할 수 있다. 세립 영역과 임계 영역도 영향을 받을 수 있으며, 특히 국부 경도, 잔류 응력 또는 사용 중 하중 조건이 불리한 경우 그러하다. 따라서 하나의 용접부에서도 용융 경계로부터의 거리에 따라 서로 다른 수소 균열 위험이 존재할 수 있다.

균열의 방향은 응력장과 형상에 좌우된다. 종방향 또는 횡방향 균열은 용접 금속에서 발생할 수 있으며, HAZ 균열은 용융 경계와 평행하게 진행되거나 용접 토우에서 경화된 모재 내부로 뻗어갈 수 있다. 루트 영역, 용접 시작부와 종료부, 언더컷 및 접합부 구속의 급격한 변화는 응력을 집중시킨다. 지연된 검사만으로 수소 메커니즘을 입증할 수는 없지만, 지연되어 나타나는 현상은 유용한 경고 신호이다.

제어 방법은 인과 관계의 연쇄를 따른다. 즉, 확산성 수소를 줄이고, 과도한 HAZ 경도를 피하며, 인장 구속과 잔류 응력을 줄이거나 관리해야 한다. 건조된 소모재와 깨끗한 접합면은 수소 유입을 줄인다. 예열은 냉각을 늦추고 HAZ가 응력이 높고 온도가 낮은 상태에 도달하기 전에 수소가 빠져나갈 수 있게 한다. 용접 절차서에서 규정하는 경우 후열은 수소 제거에 도움이 될 수 있으며, 용접 후 열처리는 취약한 조직을 뜨임하고 잔류 응력을 줄일 수 있다. 이러한 조치는 강종과 두께에 맞게 선정해야 하며, 일반적인 온도 규칙으로 서로 대체할 수 없다.

액화 균열, 응고 균열 및 재가열 균열

액화 균열은 HAZ에서 발생하는 고온 균열로, 일반적으로 주 용융 영역의 외부에 있으면서 용접 열 사이클에 의해 국부적으로 용융된 결정립계를 따라 발생한다. 냉각과 수축 과정에서 이 얇은 액막이 늘어나면서 균열이 형성된다. 편석된 불순물, 저융점 공정 구성 constituent, 개재물 또는 합금 원소가 풍부한 결정립계 영역은 국부 용융 온도를 낮출 수 있다. 따라서 모재 전체가 용융되지 않았더라도 HAZ에는 균열이 발생할 수 있다.

이 메커니즘은 용융 영역에서 발생하는 응고 균열과 다르다. 응고 균열에서는 용융 영역의 액상 용접 금속이 성장하는 수지상정 사이에서 응고한다. 용질 편석과 공급 제한으로 인해 약하고 액상이 포함된 결정립계 네트워크가 남으며, 이후 용접 금속의 수축이 수지상정 사이의 영역을 연다. 이 균열은 용융되지 않은 HAZ가 아니라 적층되었거나 용융된 용접 금속 내부에 위치한다. 용융 경계를 따라 진행하는 균열을 발견한 경우에는 두 가지 가능성을 모두 검토해야 한다. 국부적으로 용융된 HAZ 재료가 확인되면 액화 균열을, 용접 금속을 관통하는 수지상정 사이의 경로가 확인되면 응고 균열을 시사한다. 용융 경계와 HAZ 열장이 서로 겹치는 부위에서는 혼합형 균열도 발생할 수 있다.

ESDEP는 구조용 강에서 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유발 균열 및 재가열 균열을 열거한다. 액화 균열 민감도는 모재의 화학 조성, 편석, 결정립 크기, 최고 온도 및 열변형의 영향을 받는다. 조대한 결정립은 긴 결정립계 경로를 제공하며, 반복되는 열 사이클은 이전에 가열된 영역을 다시 용융시키거나 약화시킬 수 있다. 관련된 구동력은 고온 냉각 중의 인장 변형이지, 응고 후 축적된 확산성 수소가 아니다.

재가열 균열은 일반적으로 응력 제거 열처리 또는 고온 사용과 같은 후속 열 노출 중에 발생한다. 이 균열은 이전에 용접된 HAZ 또는 용접 영역에서 발생하는 고상 상태의, 흔히 입계형인 파괴이다. 석출과 회복은 결정립 내부를 강화하는 반면 결정립계를 상대적으로 약하게 만들 수 있으며, 이후 잔류 응력의 완화와 크리프 변형이 해당 결정립계에 변형을 집중시킨다. 민감도는 특정 합금계와 불순물 또는 석출물 조건과 관련되므로, 단순히 용접부가 존재한다는 사실이나 상온 경도만으로 추론할 수 없다.

Grade 91은 HAZ를 여러 미세조직 영역으로 다루어야 하는 이유를 보여준다. ASM International과 EPRI는 2016년에 Grade 91이 모재 HAZ, 특히 세립 영역과 임계 영역에서 Type IV 균열에 취약하다고 보고했다. Type IV 손상은 일반적인 수소 저온 균열이 아니라 사용 온도에서 발생하는 크리프 파괴이다. 모사 열 사이클은 임계 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 낮아질 수 있음을 보여주었다. 후속 패스의 재가열과 PWHT는 석출물, 뜨임 상태 및 국부 강도를 추가로 변화시키므로, 최종 균열 민감도는 전체 용접 열 이력에 좌우된다.

층상 찢김 및 두께 방향 취약성

층상 찢김은 압연 판재 표면에 수직인 방향의 인장 변형과 관련된 모재 균열 메커니즘이다. 일반적으로 구속된 용접부 아래에서 발생하며, 특히 T형 이음부, 모서리 이음부 또는 대형 부착물 주변에서 용접 수축이 판재를 두께 방향으로 잡아당길 때 잘 발생한다. 균열 경로는 대체로 계단형 또는 테라스형이다. 균열은 길게 늘어난 개재물을 통과하고 연성 전단 영역을 통해 이들을 연결하면서 진행한다.

결정적인 재료 특성은 단순한 횡방향 인장 강도나 HAZ 경도가 아니라 두께 방향 연성이다. 압연 판재에는 비금속 개재물이 포함되어 있다. 이러한 개재물은 과거에는 주로 황화 망가니즈였으며, 제강 방식에 따라 산화물 또는 규산염 개재물일 수도 있다. 개재물은 압연 중 납작해지고 정렬된다. 판재가 짧은 횡방향으로 변형될 때 이러한 개재물은 공동 발생의 기점으로 작용한다. 개재물 스트링거가 적거나 그 정도가 덜한 청정 강은 취약성이 낮으며, 높은 구속, 두꺼운 판재, 큰 용착량 및 불리한 이음부 설계는 가해지는 두께 방향 변형을 증가시킨다.

층상 찢김은 HAZ 아래의 모재에서 시작될 수 있으며, 균열이 용접부 가까이에 있기 때문에 HAZ 균열로 오인될 수 있다. 그 구동력은 판재 두께를 관통하는 방향으로 작용하는 용접 수축 변형과 구속이며, 수소는 이를 정의하는 필수 요건이 아니다. 또한 경질 마르텐사이트 HAZ도 필요하지 않다. 금속조직학적 위치, 균열 형태, 개재물의 정렬 및 가해진 변형의 방향을 통해 수소 유발 균열 및 액화 균열과 구별할 수 있다.

설계와 절차를 변경하면 변형을 줄일 수 있다. 즉, 판재 두께 방향으로 잡아당기는 하중을 피하도록 이음부의 방향을 정하고, 과도한 용접량을 줄이며, 적절한 이음부 형상을 사용하고, 구속을 관리해야 한다. 또한 규정된 경우 두께 방향 특성이 검증된 판재를 선정할 수 있다. 표면에서 보이는 지시만 제거하는 용접 보수로는 개재물과 연결된 내부 균열을 놓칠 수 있다. 검사는 용융선뿐 아니라 부착물 주변의 판재 체적 전체를 대상으로 해야 한다.

7. 예열, 층간 온도 관리 및 용접 절차 변수

예열의 금속학적 목적

예열은 열적 제어 수단이지, 열영향부(HAZ) 문제를 보편적으로 해결하는 만능책은 아니다. 예열은 아크 열이 가해지기 전에 접합부의 온도를 높여 용융지와 주변 강재 사이의 온도 구배를 줄인다. 그 직접적인 결과로 변태 온도 범위를 통과하는 냉각 속도가 느려진다. 페라이트계 강에서는 이러한 변화가 조성, 경화능, 이전 오스테나이트 결정립 크기 및 실제 열 사이클에 따라 과도하게 경도가 높은 마르텐사이트계 또는 베이나이트계 HAZ의 형성을 방지할 수 있다.

유용한 설명 지표로 Δt8/5가 있다. 이는 용접부의 한 지점이 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 필요한 시간이다. 이 구간은 많은 강에서 오스테나이트 분해의 중요한 부분을 포함하지만, 모든 합금이나 용접 조건을 완전히 설명하는 지표는 아니다. 일반적으로 짧은 Δt8/5는 빠른 냉각과 경하고 취성인 변태 생성물의 위험이 더 크다는 것을 의미하며, 긴 구간은 확산 변태와 뜨임 효과가 더 많이 일어날 수 있게 한다. National Institute of Standards and Technology (NIST)는 파이프라인 강의 Δt8/5가 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께에 따라 달라진다고 보고한다. 예열은 초기 온도와 모재로 유입되는 열류를 변화시켜 이러한 관계를 바꾼다.

예열은 수소 관리에도 도움이 된다. 수분, 표면 오염, 용접 재료 또는 보호 가스 문제로 유입된 수소는 강재의 온도가 낮아지기 전에 오스테나이트계 또는 경한 HAZ 영역에서 확산되어 빠져나갈 수 있다. 그 결과 인장 잔류 응력 및 취약한 미세조직과 결합할 수 있는 수소 농도가 낮아진다. 그러나 이러한 효과에는 조건이 따른다. 예열은 습윤 전극, 오염된 접합면, 과도한 구속 또는 해당 용접 절차에서 허용할 수 없는 경도를 유발하는 강재를 보완할 수 없다. 수소 유기 균열은 독립적인 메커니즘이며, 용접부 부근에서 발생하는 모든 균열을 지칭하는 명칭이 아니다.

따라서 필요한 온도는 강재의 조성, 제품 두께, 구속 상태, 수소 제어, 용접 공정 및 용접 절차 인정 결과를 바탕으로 선정한다. 과도한 예열에는 자체적인 비용과 부작용도 있다. 냉각 시간을 지나치게 늘려 결정립을 조대화하고, 국부 강도를 낮추며, 뜨임 처리된 강재에서 과도한 연화를 촉진하고, 고온에 노출되는 영역을 확대할 수 있다. 조질강에서는 지나치게 높은 열 사이클이 모재 HAZ를 추가로 뜨임할 수 있다. 석출 강화형 강종이나 크리프 저항성 강종에서는 의도한 석출물 분포를 교란할 수 있다.

예열값을 하나로 지정하더라도 HAZ는 공간적으로 구배를 유지한다. 용융 경계에 가장 가까운 영역에서는 일반적인 강재가 높은 최고 온도에 노출된 후 조대립 영역을 형성할 수 있다. 그보다 멀리 있는 결정립 미세화 영역, 층간 변태 영역 및 뜨임 또는 과뜨임 영역은 서로 다른 최고 온도와 변태 경로를 경험한다. TWI는 최고 온도와 용접부로부터의 거리를 기준으로 일반적인 강재의 HAZ를 이 네 가지 영역으로 구분한다. 예열은 각 영역의 냉각 이력을 변화시키지만, 이들을 금속학적으로 동일하게 만들지는 않는다.

층간 온도와 열 축적

예열 온도는 용접을 시작하기 전 또는 지정된 용접 구간을 시작하기 전에 접합부에 확보해야 하는 최소 온도이다. 층간 온도는 다음 패스를 적층하기 직전 용접 영역의 온도이다. 예열 유지 온도는 용접이 중단되거나 작업 사이에 접합부를 고온 상태로 유지해야 할 때 유지해야 하는 최소 온도이다. 이 용어들을 서로 바꾸어 사용해서는 안 된다.

층간 온도 관리는 열 축적을 제어한다. 다층 용접에서는 두 번째 패스와 그 이후의 패스가 이전 용착 금속과 인접 HAZ를 재가열한다. 층간 온도가 높으면 다음 열 사이클이 더 높은 초기 온도에서 시작하므로 일반적으로 냉각 속도가 느려지고 Δt8/5가 감소한다. 또한 이전 패스가 반복적인 뜨임 또는 부분적인 재오스테나이트화를 겪게 할 수 있다. 그 결과 불과 수 밀리미터 떨어진 위치에 서로 다른 경도와 인성을 갖는 좁은 밴드가 미세조직 내에 형성될 수 있다.

최대 층간 온도 제한은 최소 예열 요건만큼 중요한 경우가 많다. 특히 조질강과 크리프 저항성 강재에서는 열이 축적되면 과도한 결정립 성장, 연화 또는 인성 저하가 발생할 수 있다. 온도가 지정된 최소값 아래로 떨어지면 급속 냉각과 수소 균열 위험이 다시 나타날 수 있다. 적절한 값은 용접 공정 자체에 고정된 특성이 아니라, 해당 용접 절차에 따라 정해진다.

Grade 91은 단순한 온도 규칙이 실패하는 이유를 보여준다. ASM International과 EPRI가 2016년에 수행한 연구는 모재 HAZ에서 발생하는 Type IV 균열을 설명하며, 특히 미세립 영역과 층간 변태 영역에서의 발생을 강조한다. 이러한 영역은 단순화된 도해에서 자주 나타나는 조대립 띠가 아니다. 모사 열 사이클은 층간 변태 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 저하될 수 있다는 점도 보여주었다. 반복적인 패스 재가열은 일부 마르텐사이트를 뜨임하는 동시에 다른 위치에 새로운 층간 변태 영역을 형성할 수 있다. 따라서 층간 온도 측정값이 규정에 적합하다는 사실만으로 Type IV 손상에 대한 저항성을 입증할 수는 없다.

동일한 원리는 스테인리스강에도 적용된다. TWI가 2002년에 수행한 슈퍼마르텐사이트계 스테인리스강 용접 연구는 부식, 응력 부식 균열 및 황화물 응력 균열과 관련하여 HAZ 미세조직을 조사했으며, 후속 패스에 의한 재가열과 용접 후 열처리(PWHT)도 함께 검토했다. 국부적인 재가열은 크롬 분포, 마르텐사이트의 뜨임 및 부식 거동을 변화시킬 수 있다. 따라서 HAZ 관리는 경도와 균열뿐 아니라 사용 중 열화까지 다루어야 한다.

EN 1011-2 및 ISO 13916:2025

EN 1011-2는 페라이트계 강의 아크 용접에 관한 권고사항을 제공한다. 적용 범위는 페라이트계 강이며 페라이트계 스테인리스강은 제외된다. 이 문서는 수소 관리, 입열량, 예열 및 냉각 조건과 같은 용접 절차 요인을 다루며, 기술자가 HAZ 경도와 저온 균열 위험을 평가하는 데 도움을 준다. 이는 용접 절차를 선정하고 관리하기 위한 지침이지, 인정 시험의 근거 또는 강종별 요건을 대신하는 것은 아니다.

ISO 13916:2025는 절차의 전체 금속학적 설계가 아니라 온도 측정을 다룬다. 이 표준은 용융 용접 중 예열, 층간 및 예열 유지 온도를 측정하기 위한 요건을 규정한다. PWHT 온도의 측정은 적용 범위에 포함되지 않는다. 이 제외 사항은 중요하다. 용접 패스 전에 기록된 온도는 이후의 응력 제거 또는 뜨임 처리가 지정된 온도나 균일성에 도달했다는 증거가 아니다.

측정 위치와 시점은 단순히 측정하기 편한 가장 뜨거운 표면이 아니라 용접의 열 사이클을 지배하는 재료를 대표해야 한다. 특히 구속된 단면, 부착물 및 두꺼운 벽 부품에서는 두께 방향과 접합부 주변의 온도가 달라질 수 있다. 용접 절차에는 측정 시점, 측정 위치 및 허용되는 최소 또는 최대 온도를 명시해야 한다.

입열량과 패스 순서는 또 다른 제어 요소를 추가한다. 아크 에너지는 일반적으로 전류, 전압 및 이동 속도와 관련되며, 공정 효율과 비드 형상은 실제로 모재에 전달되는 열에 영향을 준다. 일반적으로 입열량이 높으면 가열 영역이 넓어지고 냉각 시간이 길어지지만, 접합부 형상, 판 두께 및 구속 상태에 따라 단순한 예측과 반대되는 결과가 나타날 수 있다. 스트링거 비드 순서, 넓은 위빙, 교대 측면 시공 또는 계획된 층간 일시정지는 어느 영역이 언제 재가열되는지를 변화시킨다. 따라서 동일한 명목 예열 온도를 적용한 두 용접부라도 HAZ의 결정립 크기, 경도, 인성 및 균열 민감도가 서로 다를 수 있다. 용접 절차는 단일 온도 측정값이 아니라 전체 열 이력을 제어해야 한다.

8. 다층 용접: 재가열, 뜨임 및 HAZ 중첩

다층 용접에서는 용융 경계 옆에 하나의 고정된 HAZ만 형성되지 않는다. 각 패스는 새로운 열사이클을 추가하며, 해당 패스에서 형성된 온도장이 앞선 패스에 의해 이미 변형된 재료와 중첩된다. 한때 조대립 HAZ였던 영역이 이후 하부 임계온도 이하로 재가열되어 뜨임될 수 있으며, 다른 영역은 일부 페라이트가 오스테나이트로 변태하는 임계간 영역까지 가열될 수 있다. 이후의 용융 경계에 더 가까운 재료는 완전히 재오스테나이트화된 후 냉각 과정에서 다시 변태할 수 있다.

따라서 최종 단면에는 하나의 사건이 아니라 일련의 과정이 기록된다. 최고 온도, 해당 온도에서 유지된 시간, 변태 범위를 통과하는 냉각 과정, 그리고 재가열 사이클의 횟수와 간격이 모두 중요하다. TWI는 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 일반 강의 HAZ 영역을 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 영역 및 뜨임 영역으로 설명한다. 다층 이음부에서 이러한 명칭은 여러 패스에 대한 국부적 반응을 나타내는 것이지, 반드시 영구적으로 평행한 네 개의 띠를 의미하는 것은 아니다.

후속 패스에 의한 앞선 HAZ 영역의 재가열

후속 비드는 앞선 용접 금속과 앞선 HAZ의 일부를 재가열한다. 그 범위는 비드 크기, 이동 속도, 아크 에너지, 이음부 형상, 판 또는 벽 두께, 패스 간 온도 및 해당 패스의 위치에 따라 달라진다. 입열과 열전도율은 주변 금속이 특정 온도에 얼마나 빠르게 도달하는지를 좌우하며, 새로운 용융 경계로부터의 거리는 최고 온도를 결정한다. 동일한 지점이 한 패스에서는 고온 사이클을, 다음 패스에서는 더 낮은 온도의 뜨임 사이클을 겪을 수 있다.

실용적인 냉각 변수 Δt8/5는 재료가 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 동안의 경과 시간을 나타낸다. 이 온도 범위에서 강의 오스테나이트 분해가 일어나는 경우에는 유용하지만, 다층 용접의 열 이력을 완전히 설명하지는 못한다. National Institute of Standards and Technology의 배관 보고서는 Δt8/5를 입열, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 연관시킨다. 그러나 이는 이음부의 모든 지점이 하나의 공통된 냉각 시간을 갖는다는 뜻이 아니다. 인접한 지점들도 상당히 다른 사이클을 겪을 수 있으며, 후속 패스는 첫 번째 사이클에 의해 형성된 조직을 변화시킬 수 있다.

저합금 페라이트계 강에서는 첫 번째 패스가 용융 경계 바로 옆에 조대한 구 오스테나이트 결정립을 형성할 수 있다. 이후 패스의 최고 온도가 오스테나이트 영역에 도달하면, 국부적인 최고 온도와 사이클 지속 시간에 따라 새로운 오스테나이트 결정립이 형성되어 해당 조직이 미세화될 수 있다. 후속 패스의 최고 온도가 임계간 영역에만 도달하는 경우에는 기존 페라이트의 일부가 오스테나이트로 변태한다. 냉각 시 이 부분은 새로운 베이나이트, 마르텐사이트 또는 다른 변태 생성물이 될 수 있으며, 변태하지 않은 기지는 앞선 조직의 일부 특징을 유지한다. 더 낮은 온도의 사이클은 강을 재오스테나이트화하지 않을 수 있지만, 마르텐사이트를 뜨임하거나 앞서 경화된 영역을 연화할 수 있다.

이 때문에 용접 절차 관리는 공칭 아크 에너지로만 단순화할 수 없다. 패스 간 온도는 각 패스가 시작되는 온도를 변화시키며 유효 냉각 시간을 단축할 수 있다. ISO 13916:2025는 융합 용접 중 예열 온도, 패스 간 온도 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하며, 용접 후 열처리 온도 측정은 명시적으로 제외한다. EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강의 아크 용접을 다루며, 관련 페라이트계 강종의 용접 조건 관리에 대한 지침을 제공한다.

뜨임 및 과뜨임 조직

하부 임계 변태 온도 이하에서 재가열하면 새로운 오스테나이트 영역을 형성하지 않고 마르텐사이트 또는 베이나이트 HAZ를 뜨임할 수 있다. 탄소가 재분포하고, 전이 탄화물이 형성되거나 변화할 수 있으며, 잔류 응력이 감소하고, 일반적으로 경도가 낮아진다. 그 결과 조직은 담금질 직후의 마르텐사이트 영역보다 수소 유기 균열에 대한 저항성이 높아질 수 있지만, 이러한 변화는 강도를 저하시킬 수도 있다. 결과는 원래의 구성상, 재가열 온도, 유지 시간 및 사이클 횟수에 따라 달라진다.

따라서 “뜨임 HAZ”는 하나의 단일한 미세조직을 의미하지 않는다. 비교적 낮은 온도에서 짧게 진행되는 사이클은 제한적인 뜨임만을 일으킬 수 있지만, 더 높은 온도의 반복 사이클은 탄화물의 상당한 조대화와 석출 강화의 손실을 초래할 수 있다. “과뜨임”이라는 용어는 열 노출로 인해 특성이 의도된 뜨임 상태를 넘어 저하되었음을 나타낸다. 담금질 및 뜨임 강에서는 이러한 연화 영역이 국부적인 최소 강도 지점이 될 수 있다. 크리프 저항강에서는 재가열로 인해 장기 강도를 뒷받침하는 석출물의 정밀하게 제어된 분포가 교란될 수 있다.

Grade 91은 연화를 자동으로 유익한 현상으로 간주할 때의 위험성을 보여준다. ASM International과 EPRI는 2016년에 Grade 91이 모재 HAZ, 특히 미세립 영역과 임계간 영역에서 Type IV 균열에 취약하다고 보고했다. 열사이클 시뮬레이션에 따르면 임계간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장강도가 저하될 수 있다. 중요한 위치는 눈에 띄게 조대한 영역에만 국한되지 않는다. 임계간 영역을 반복적으로 통과하는 열 이력은 크리프 변형과 손상 거동에 불리한 미세립의 부분 변태 조직을 형성할 수 있다. 후속 용접 패스는 일부 마르텐사이트를 뜨임하는 동시에 이러한 취약 영역을 형성하거나 확대할 수 있다.

용접 후 열처리는 이음부 전체에 추가로 제어된 열사이클을 부여한다. 이는 경질 변태 생성물을 뜨임하고 잔류 응력을 줄일 수 있지만, 탄화물 또는 석출물의 변화를 촉진하고, 경도 구배를 변화시키며, 재가열된 영역을 추가적인 열화에 노출할 수도 있다. 따라서 PWHT는 HAZ의 차이를 없애는 것으로 가정하지 말고, 강종, 두께, 용접 절차 및 사용 조건에 맞게 규정해야 한다.

Supermartensitic stainless steels는 부식 효과가 더해진 형태로 같은 점을 보여준다. TWI의 2002년 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 PWHT와 관련하여 이 강종의 HAZ 미세조직을 조사했다. 후속 패스는 새로 형성된 마르텐사이트를 뜨임하거나, 앞선 영역을 부분적으로 재오스테나이트화하거나, 좁은 재가열 띠 전체에 혼합 조직을 형성할 수 있다. 이러한 변화는 크롬 분배, 탄화물 형성, 경도, 잔류 응력 및 표면의 전기화학적 거동에 영향을 준다. 경도가 낮아지면 특정 균열 경향은 감소할 수 있지만, 국부적인 조성 또는 상의 변화는 내식성을 저하시키거나 수소가 포함된 사용 환경에서 취약 경로를 형성할 수 있다.

용접 단면에 중첩된 열 이력이 존재하는 이유

다층 이음부의 단면은 열적 최고점과 냉각 경로의 지도로 해석해야 한다. 한 패스에 가까운 금속은 용융되었거나 완전히 재오스테나이트화되었을 수 있다. 더 멀리 떨어진 금속은 결정립 성장 영역, 결정립 미세화 영역, 임계간 영역 또는 단순히 뜨임 온도에만 도달했을 수 있다. 다음 패스는 이러한 경계를 이동시키고 또 다른 영역군을 중첩시킨다. 이 영역들은 깔끔하게 층층이 쌓이는 것이 아니라 곡선 형태이고, 서로 변위되어 있으며, 일부가 일치한다.

이러한 중첩은 여러 규모에서 특성의 불균일성을 만든다. 급속 냉각으로 마르텐사이트가 형성되는 곳에서는 경도가 상승할 수 있고, 마르텐사이트가 뜨임되는 곳에서는 경도가 낮아질 수 있으며, 이후 사이클에서 새롭게 뜨임되지 않은 변태 생성물이 형성되는 곳에서는 경도가 다시 달라질 수 있다. 인성은 결정립 크기, 상의 균형, 변태된 분율의 탄소 함량 및 국부 잔류 응력의 영향을 받으므로, 용접부까지의 거리만으로 추정할 수 없다. 균열 민감성 역시 지점마다 달라진다. ESDEP는 HAZ 액화 균열, 수소 유기 균열 및 재가열 균열을 구조용 강의 용접성 문제로 서로 구별되는 현상으로 제시하며, 응고 균열은 용접 금속에서 발생하고 라멜라 테어링은 두께 방향 연성과 관련된다. 재가열이 이러한 기구들을 서로 동일하게 만드는 것은 아니다.

동일한 공간적 특성 변화는 스테인리스 용접부의 부식 및 사용 중 균열도 좌우한다. 재가열된 띠는 인접 금속과 경도, 부동태 피막 안정성, 석출물 분포 및 인장 응력에서 차이를 보일 수 있다. 따라서 금속조직 검사와 경도 측정선은 실제 비드 순서를 고려하여 위치를 정해야 한다. 용융 경계에서 단 한 번 측정하면 연화된 임계간 띠, 재가열된 마르텐사이트 띠 또는 파손을 지배하는 과뜨임 영역을 놓칠 수 있다.

9. Grade 91 및 Type IV 균열

Grade 91은 용접성 문제가 눈에 보이는 용융 경계에만 국한되지 않는다는 점에서 유용한 사례 연구 대상이다. 이 강은 뜨임 마르텐사이트계 내크리프 합금으로, 일반적으로 관에는 Grade 91 및 P91, 보일러 튜브에는 T91로 지정되며, 약 9%의 크롬과 몰리브덴, 바나듐, 니오븀, 질소 등의 원소를 첨가한다. 고온에서의 강도는 안정한 석출물, 특히 장시간 뜨임과 관련된 탄질화물 및 크롬이 풍부한 탄화물 집단을 포함하는 미세하게 뜨임된 마르텐사이트 조직에 좌우된다.

용접은 이렇게 신중하게 형성된 조직을 국부적인 일련의 열 사이클로 대체한다. 용융선 바로 옆의 위치는 완전히 오스테나이트화된 후 조대한 마르텐사이트로 변태할 수 있다. 그보다 조금 더 먼 곳에서는 최고 온도가 오스테나이트를 미세화하지만 동일한 정도의 결정립 성장을 일으키지는 않을 수 있다. 더 멀리 떨어진 곳에서는 원래 미세조직의 일부만 변태할 수 있다. 그 결과는 균일한 띠가 아니라 구배를 가진 HAZ이다.

2016년에 발표된 ASM-EPRI Grade 91 연구는 특히 미세립 및 부분변태 영역을 포함하는 모재 HAZ에서 Type IV 균열에 대한 취약성을 확인했다. 이 구분은 중요하다. 파괴면이 용접부 근처에 있을 수는 있지만, 용접부와 가깝다는 사실만으로 용융 경계가 지배적인 야금학적 위치가 되는 것은 아니다.

Grade 91의 미세립 및 부분변태 HAZ 영역

미세립 HAZ는 최고 온도가 오스테나이트 변태 범위보다 높지만, 조립립 HAZ에서 나타나는 이전 오스테나이트 결정립 성장을 일으킬 만큼 높지 않거나 충분히 오래 유지되지 않는 곳에서 형성된다. 용접 중 일부 석출물이 용해되거나 재분포된 후, 급속 냉각으로 새로운 마르텐사이트가 생성된다. 이전 오스테나이트 결정립이 조립립 영역보다 작기 때문에, 변태된 패킷 및 블록 조직도 달라진다. 이후 제작 및 사용 중 뜨임은 원래의 석출물 분포와 결정립 형상이 이미 교란된 영역에 작용한다.

부분변태 HAZ는 더 낮은 최고 온도 범위에 위치한다. 용접 열 사이클 동안 재료의 일부만 오스테나이트 영역으로 들어가며, 나머지는 뜨임된 Grade 91 조직을 유지한다. 냉각 시 새로 형성된 오스테나이트는 변태하지 않은 재료 또는 부분적으로 뜨임된 재료 옆에서 변태한다. 이로 인해 경도, 탄소 분포, 석출물 상태 및 내크리프성에 국부적인 차이가 있는 혼합 미세조직이 형성된다. 따라서 부분변태 영역은 HAZ에서 가장 두드러진 부분으로 경도가 나타나지 않더라도 기계적으로 더 약할 수 있다.

TWI는 일반 강의 HAZ 하위 영역을 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 조대 결정립 영역, 미세화 결정립 영역, 부분변태 영역 및 뜨임 영역으로 설명한다. NIST는 배관용 강 HAZ에 대해 이와 관련된 용어로 조립립, 미세립, 부분변태 및 과뜨임 영역을 사용한다. 이러한 명칭은 모든 합금계에서 서로 바꾸어 사용할 수 있는 것은 아니지만, 기본적인 요지는 Grade 91에도 적용된다. 즉 각 위치는 서로 다른 열 이력을 기록한다.

냉각 역시 똑같이 중요하다. 실무적 매개변수인 Δt8/5는 용접 영역이 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 필요한 시간을 나타낸다. NIST의 분석은 Δt8/5를 입열량, 강의 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 연관시킨다. 이러한 변수는 변태 속도론과 용접으로 부여되는 뜨임의 정도를 변화시킨다. Grade 91의 HAZ는 최고 온도만으로 평가할 수 없다.

TWI는 HAZ 미세조직과 경도가 주로 변태 범위를 통과하는 냉각 속도, 조성 및 경화능, 그리고 이전 오스테나이트 결정립 크기에 좌우된다고 설명한다. Grade 91에서는 동일한 변수들이 국부 영역에서 경한 신생 마르텐사이트가 형성되는지, 추가 뜨임이 진행되는지, 또는 혼합된 부분변태 조직이 발달하는지를 결정한다. 경도 분포 측정은 유용하지만, 크리프 손상이나 Type IV 취약성을 완전하게 보여 주는 지도는 아니다.

페라이트 형성과 고온 강도

ASM-EPRI 연구는 모사된 Grade 91 용접 열 사이클도 조사했으며, 부분변태 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 감소할 수 있다고 보고했다. 이 관찰 결과는 용접이 “HAZ를 약화시킨다”는 일반적인 설명보다 Type IV 문제에 대해 더 구체적인 야금학적 근거를 제공한다.

페라이트는 Grade 91에 고온 강도를 부여하는 뜨임 마르텐사이트 기지보다 연하고 내크리프성이 낮다. 페라이트의 형성은 국부적인 탄소 및 합금 원소의 재분포, 석출물 안정성의 변화, 그리고 정밀하게 제어된 래스 마르텐사이트 조직의 소실을 수반할 수 있다. 지속 하중이 작용하면 변형이 이러한 변화가 발생한 영역에 집중될 수 있다. 주변의 용착금속, 영향을 받지 않은 모재 및 더 경한 HAZ 영역은 이에 구속을 가하고, 그 결과 미세립 또는 부분변태 재료에 작용하는 국부 응력과 변형률 요구도가 증가한다.

그 결과는 단순한 경도 불일치가 아니다. 고온 인장 거동은 소성 유동과 크리프에 대한 미세조직의 저항성, 석출물의 변화, 결정립 및 아결정립 구조, 그리고 용접 이음부 전체에 걸친 변형 분포에 좌우된다. 측정된 경도가 중간 수준인 영역이라도 부분변태 또는 페라이트 형성으로 내크리프성이 감소했다면 장기 강도가 낮을 수 있다.

이러한 결과를 보편적인 수명 추정치로 바꾸어 해석해서는 안 된다. 용접된 Grade 91 부품의 거동은 응력, 온도, 형상, 용접 절차, 구속 조건, 용접 후 열처리, 사용 이력 및 실제 HAZ 미세조직 분포에 좌우된다. 열 사이클 모사는 메커니즘을 확립하고 취약 영역을 식별하지만, 그 자체로 특정 용기, 튜브 또는 관이 언제 파손될지를 정하지는 않는다.

예열, 층간 온도 제어 및 용접 입열량은 열 사이클과 변태 거동에 영향을 미치므로 여전히 중요하다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열 온도, 층간 온도 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, 용접 후 열처리 온도의 측정은 명시적으로 제외한다. 이 구분은 Grade 91 작업에서 중요하다. 용접 온도 제어와 PWHT는 서로 관련된 작업이지만, 하나의 측정 요구사항은 아니다.

Type IV 파괴가 모재 HAZ 문제인 이유

유형 IV 균열유형 IV 균열 특히 91급에서 모재 열영향부의 약화된 미세 결정립 영역 및 임계 구간 영역과 관련된 사용 온도 크리프 파괴.

Type IV 균열은 일반적으로 미세립 및 부분변태 모재 HAZ에서 발생하는 크리프 손상과 관련된다. 따라서 이를 일반적인 “용접 균열” 현상으로 설명하거나 그 원인을 자동으로 용융 경계에 있다고 보는 것은 오해의 소지가 있다. 용접은 열적 교란과 이음부 형상을 제공할 수 있지만, 취약한 미세조직은 대개 인접한 모재에서 형성된다.

장기간 사용 중에는 약화된 HAZ에서 공동이 핵생성되고 결정립계에 따라 성장할 수 있다. 국부적인 변형률 축적, 결정립계 미끄럼 및 석출물 변화가 손상 발생에 기여한다. 균열은 변화된 HAZ 재료와 더 강한 인접 영역 사이의 경계를 따라 대략적으로 진행할 수 있지만, 정확한 경로는 응력 상태, 미세조직 및 제작 이력에 좌우된다. 따라서 검사는 용착금속과 용융선뿐만 아니라 모재 HAZ까지 포함해야 한다.

이 메커니즘은 수소 유기 균열, 응고 균열, 층상 찢김, 액화 균열 및 재가열 균열과 구별된다. ESDEP는 구조용 강에서 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유기 균열 및 재가열 균열을 제시하지만, 이러한 메커니즘은 서로 다른 야금학적 및 하중 조건에서 발생한다. Type IV 손상은 주로 취약한 Grade 91 HAZ에서 발생하는 사용 온도하의 크리프 문제이다.

따라서 신뢰성 있는 평가는 용접 절차 기록, PWHT 이력, 열 사이클 정보, 경도 및 미세조직 검사와 사용 중 응력 및 온도 데이터를 종합해야 한다. 페라이트와 고온 인장 강도 감소에 관한 ASM-EPRI의 발견은 미세립 및 부분변태 영역에 집중적인 주의가 필요한 이유를 설명하는 데 도움이 된다. 그러나 이것이 모든 Grade 91 용접부를 동일하게 취약하다고 취급할 근거가 되지는 않으며, 부품별 증거 없이 고정된 허용 사용 기간을 뒷받침하지도 않는다.

재가열은 또 다른 요인을 추가한다. 후속 용접 패스는 앞선 HAZ를 뜨임하거나 부분적으로 변태시키거나 그 밖의 방식으로 변화시킬 수 있으며, PWHT는 경도를 낮추는 동시에 석출물과 아구조의 상태도 변화시킬 수 있다. 다른 합금에서도 이와 유사한 공간적 효과가 나타난다. TWI의 2002년 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접에 관한 논의는 HAZ 미세조직을 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 PWHT와 연관시킨다. 재료별 파괴 메커니즘은 달라지지만, 지배 원리는 동일하다. HAZ는 국부적인 열 이력들의 집합이며, 사용 중 거동은 영역별로 평가해야 한다.

10. HAZ 부식 및 환경 지원 균열

열영향부(HAZ)는 부식 변수이기도 하다. 경도 조사를 통해 고도로 경화된 띠를 식별할 수는 있지만, 크롬이 풍부한 석출물이 형성되었는지, 보호성 합금 원소가 편석되었는지, 국부적인 페라이트와 마르텐사이트가 균형을 이루는지, 또는 용접으로 인해 인장 잔류응력이 남았는지는 확인할 수 없다. 이러한 세부 사항이 부식과 환경 지원 균열을 좌우한다.

따라서 HAZ는 사용 환경을 기준으로 평가해야 한다. 염화물이 포함된 물, 이산화탄소, 황화수소, 용존 산소, 산성 응축수 및 고온 증기는 서로 다른 요구 조건을 부과한다. 동일한 열 사이클이라도 건조한 대기 노출에서는 허용될 수 있지만, 수소 흡수와 인장 응력이 취약한 미세조직과 결합할 수 있는 사워 생산 환경에서는 안전하지 않을 수 있다.

부식 변수로서의 미세조직

HAZ 미세조직은 용융 경계에서 하나의 뚜렷한 계면을 기준으로 급격히 변하는 것이 아니라, 그 경계로부터의 거리에 따라 연속적으로 변화한다. TWI는 일반 강재의 영역을 용접부로부터의 최대 온도와 거리에 따라 조대립 영역, 세립 영역, 부분 변태 영역 및 뜨임 영역으로 구분한다. National Institute of Standards and Technology (NIST)의 배관용 강재 연구에서는 이와 밀접하게 관련된 용어인 조립 영역, 세립 영역, 임계간 영역 및 과뜨임 영역을 사용한다.

각 영역은 서로 다른 부식 거동을 나타낼 수 있다. 결정립 조대화는 결정립계의 밀도와 특성을 변화시킨다. 임계간 가열은 원래의 조직을 부분적으로 변태시키며, 냉각 후 경도가 높고 탄소가 농축된 마르텐사이트 섬을 형성할 수 있다. 뜨임은 강화상의 용해 또는 조대화를 일으키고 국부적인 전기화학적 거동을 변화시킬 수 있다. 스테인리스강에서는 크롬이 풍부한 탄화물 주변의 크롬 고갈, 금속간 화합물상의 석출, 델타 페라이트의 형성 또는 용해, 그리고 마르텐사이트와 오스테나이트의 분율 및 화학 조성 변화가 중요한 변화에 포함될 수 있다.

지배적인 열적 기술은 단순히 “용접 온도”가 아니다. 변태 온도 범위를 통과하는 냉각 과정이 중요하며, Δt8/5—800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 걸리는 시간—는 해당 온도들이 관련 변태 구간을 나타내는 경우 유용한 용접 변수이다. NIST는 Δt8/5가 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께에 따라 달라진다고 설명한다. 따라서 구속 조건, 두께 또는 열 흐름이 다르면 용접부에서 공칭상 동일한 거리에 있는 두 위치라도 동일한 조직이 형성되지 않을 수 있다.

페라이트계 강에서 TWI는 변태 온도 범위를 통과하는 냉각 속도, 조성 및 경화능, 그리고 이전 오스테나이트 결정립 크기를 HAZ 미세조직과 경도를 좌우하는 주요 요인으로 제시한다. 부식 평가에서는 여기에 국부 화학 조성, 상 분포 및 석출물 상태를 추가해야 한다. 경질의 마르텐사이트 영역은 수소 지원 균열에 취약할 수 있는 반면, 보다 연한 과뜨임 영역은 전기화학적으로 다른 구성상(構成相)을 포함하거나 석출물 형성으로 인해 내식성을 상실했을 수 있다. 어느 조건도 경도만으로 신뢰성 있게 추론할 수 없다.

부식과 균열을 구분하는 것은 중요하다. 일반적인 금속 손실, 공식, 입계부식 및 갈바닉 공격은 서로 다른 미세조직적 특징에서 시작될 수 있다. 용접 캡, 루트, 오버랩 또는 틈새는 HAZ 전체의 경도와 무관하게 전해질을 집중시킬 수도 있다. 따라서 표면 상태, 산화 피막, 용접 슬래그 제거 및 용접 후 세척을 금속조직학적 검사와 함께 고려해야 한다.

응력부식 및 황화물 응력 균열

응력부식균열(SCC)이 발생하려면 취약한 재료, 적절한 환경 및 인장응력이 필요하다. 용접은 잔류응력을 통해 마지막 조건을 제공할 수 있으며, 국부적인 변태 생성물과 석출물은 첫 번째 조건을 제공할 수 있다. 작용 하중이 클 필요는 없다. 부품이 치수상 안정된 것처럼 보인 후에도 용접부 주변에 고착된 인장 잔류응력이 상당한 수준으로 남아 있을 수 있다.

염화물 응력부식균열은 온도, 염화물 활성도, 전기화학적 전위 및 국부 수동 피막의 안정성에 특히 민감하다. 크롬 고갈 영역을 가진 스테인리스강 HAZ는 특정 결정립계에서 재부동태화가 효과적으로 이루어지지 않을 수 있으며, 이로 인해 국부 공격이 균열 개시 부위가 될 수 있다. 이 효과는 공간적으로 선택적이므로, 겉보기에 균일한 하나의 HAZ를 보여주는 연마 단면만으로는 열 구배 전반에 걸친 민감도의 급격한 차이를 확인하지 못할 수 있다.

황화물 응력 균열(SSC)은 수성 황화수소 사용 환경과 관련된 수소 지원 파손 메커니즘이다. 부식 중 생성된 수소가 강재 내부로 유입되고, 이후 인장응력이 취약한 미세조직에서 균열의 개시와 성장을 촉진한다. 높은 경도는 많은 사워 서비스 평가에서 인정되는 경고 신호이지만, 경도는 선별 지표일 뿐 완전한 메커니즘을 설명하지는 못한다. 균열 민감도는 강도, 개재물, 이전 오스테나이트 결정립 구조, 변태 생성물, 잔류응력 및 실제 H₂S 함유 환경에도 좌우된다.

2002년 TWI가 발표한 슈퍼마르텐사이트 스테인리스강 연구는 HAZ 금속조직을 부식과 균열이 결합된 문제로 다룬다는 점에서 유용하다. 이 연구는 HAZ 미세조직을 부식, SCC, SSC, 후속 용접 패스에 의한 재가열 및 용접 후 열처리(PWHT)와 연계한다. 슈퍼마르텐사이트계 강종은 크롬 및 기타 합금 첨가 원소를 포함하는 저탄소 마르텐사이트 기지를 기반으로 설계되지만, 용접은 마르텐사이트의 뜨임, 잔류 또는 역변태 오스테나이트, 페라이트 및 석출물 분포에 국부적인 변화를 일으킬 수 있다. 이러한 변화는 수동 부식 거동과 수소 지원 균열에 대한 응답 모두를 변화시킨다.

따라서 용접 절차를 승인하기 전에 사용 환경의 메커니즘을 확인해야 한다. ISO 15156은 H₂S 함유 환경에서의 석유 및 가스 생산에 적용되는 경우 재료 선정과 균열 저항성을 다룬다. 생산 용접 평가에서는 실제 사용 매질에서의 시험이 추가로 요구될 수도 있다. 경도 지도만으로는 SSC 저항성을 확립할 수 없으며, 영향을 받지 않은 모재에서 수행한 부식 시험은 HAZ를 대표할 수 없다.

Grade 91은 고온에서 동일한 원리를 보여주는 사례이지만, 주된 우려 사항은 수성 SSC가 아니라 크리프 손상이다. ASM International과 EPRI는 2016년에 Grade 91이 모재 HAZ, 특히 세립 영역과 임계간 영역에서 Type IV 균열에 취약하다고 보고했다. 모사 열 사이클은 임계간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장강도가 감소할 수 있음을 보여주었다. 이 사례는 더 넓은 원칙을 뒷받침한다. 즉, 용접 금속과 영향을 받지 않은 모재가 각각의 요구 조건을 충족하더라도, 폭이 좁고 기계적으로 더 약한 하위 영역이 파손을 지배할 수 있다.

스테인리스강에서 재가열과 PWHT의 영향

후속 용접 패스는 단순히 금속을 추가하는 것이 아니다. 그 열 사이클은 앞서 형성된 HAZ를 재가열한다. 재가열 영역은 뜨임되거나, 부분적으로 재오스테나이트화되거나, 용체화 처리를 받거나, 탄화물·질화물 또는 금속간 화합물의 석출을 촉진하는 온도 범위에 노출될 수 있다. 최종 상태는 최고 온도, 유지 시간, 냉각 속도 및 후속 패스의 횟수와 간격에 따라 달라진다.

슈퍼마르텐사이트 스테인리스강에서 재가열은 경질 마르텐사이트를 뜨임하여 국부적으로 더 연한 영역을 만들 수 있으며, 재가열 최고 온도가 더 높으면 냉각 중 새롭게 뜨임되지 않은 마르텐사이트가 형성될 수 있다. 그 결과 형성된 띠는 첫 번째 패스의 HAZ 및 모재와 비교하여 부식 전위, 경도 및 수소 민감도가 다를 수 있다. 반복되는 용접 패스는 오스테나이트 안정성과 상 균형도 변화시킬 수 있으므로, 최종 미세조직은 첫 번째 열 사이클만으로 예측할 수 없다.

PWHT는 또 하나의 의도적인 열 이력을 추가한다. 뜨임은 잔류응력을 감소시키고 뜨임되지 않은 마르텐사이트를 연화하여 균열 민감성의 한 원인을 줄일 수 있다. 동시에 석출 또는 크롬 재분포를 촉진하여 부동태와 국부 부식 거동을 변화시킬 수도 있다. 따라서 과도하거나 부적절하게 제어된 처리는 한 가지 위험을 다른 위험으로 바꿀 수 있다. 올바른 사이클은 강종별로 달라지며, 절차 인정시험, 금속조직학적 검사 및 사용 조건에서 요구되는 경우 환경 시험을 통해 검증해야 한다.

온도 측정 요구 사항을 PWHT 관리와 혼동해서는 안 된다. ISO 13916:2025는 용융 용접 중 예열, 층간 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, 용접 후 열처리 온도 측정은 제외한다. PWHT에는 별도의 계측 장비, 온도 기록 및 합격 기준이 필요하다. 스테인리스강 HAZ 평가에서 증거 자료는 이러한 기록을 상 균형, 석출물, 잔류응력 및 관련 부식 또는 균열 시험과 연결해야 하며, 경도 측정만으로 끝나서는 안 된다.

11. 열영향부(HAZ) 검사 및 특성 규명

신뢰성 있게 방어 가능한 열영향부(HAZ) 검사는 경도값이 아니라 용접 단면에서 시작해야 한다. HAZ는 용접 열에 의해 변형되었으나 용융되지는 않은 모재이므로, 그 경계가 하나의 선명한 선으로 형성되는 경우는 드물다. 용융 경계에서 멀어질수록 최고 온도는 낮아지며, 냉각 속도 또한 위치, 판 두께, 접합부 구속, 입열량 및 패스 간 온도에 따라 달라진다. 그 결과 형성되는 조직은 공간적으로 점진적인 분포를 보인다.

따라서 검사는 다음 순서로 진행해야 한다. 먼저 용접 형상과 용접 조건을 기록하고, 용융 경계와 열적 영역을 드러낸 다음, 상, 결정립 크기 및 변태 생성물을 식별한다. 그 후 용접부 전반의 경도를 매핑하고, 의심되는 사용 중 고장에 대응하는 기계시험 또는 균열시험을 선택한다. 파손, 누설 또는 조기 정지는 HAZ와 관련될 수 있지만, 균열 경로와 발생 기전이 확립되기 전에는 이를 “HAZ 균열”이라고 명명해서는 안 된다.

매크로에칭, 금속조직학 및 영역 식별

용접부를 가로지르는 대표적인 횡단면을 준비하되, 양쪽에 영향을 받지 않은 모재를 포함하도록 한다. 판 또는 부품의 두께, 개선 형상, 패스 수와 순서, 용접 크기, 진행 방향, 예열, 패스 간 온도, 입열량 및 용접 후 열처리(PWHT) 여부를 기록한다. 이러한 세부 정보는 단면을 해석하는 데 필요한 열적 맥락을 제공한다. ISO 13916:2025는 용융용접 중 예열, 패스 간 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, PWHT 온도의 측정은 다루지 않는다.

절단, 마운팅 및 연마 후 매크로에칭을 실시하면 용착금속, 용융 경계, 용입 형상, 융합 불량, 아크 스트라이크 및 열적으로 변형된 재료의 대략적인 폭을 드러낼 수 있다. 에칭액은 합금과 검사 목적에 맞아야 한다. 매크로그래프는 지도이지 상을 식별하는 방법이 아니다. 에칭 대비는 좁은 영역을 과장하거나 가릴 수 있으며, 단일 단면만으로는 토치 각도, 다층 용접에 따른 재가열 또는 인접한 기하학적 구속으로 인한 비대칭을 놓칠 수 있다.

TWI가 설명하듯이 일반적인 강은 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 또는 임계간 영역, 그리고 뜨임 또는 과뜨임 영역으로 흔히 구분된다. NIST의 배관용 강재 설명에서는 조대 결정립 영역, 미세 결정립 영역, 임계간 영역 및 과뜨임 영역이라는 용어를 사용한다. 이러한 명칭은 유용하지만 보편적인 물리적 경계를 의미하지는 않는다. 조대 결정립 영역은 오스테나이트 결정립 성장이 일어날 수 있을 만큼 상부 변태 온도 범위를 초과한 영역이다. 미세 결정립 영역은 더 낮은 온도에서 오스테나이트화된 영역이며, 임계간 영역은 부분 변태를 경험한 영역이다. 과뜨임 영역은 변태 범위 이하에 머무르면서 기존의 마르텐사이트 또는 베이나이트가 연화된 영역이다.

그다음 금속조직 검사는 용융 경계에서 바깥쪽으로, 알려진 거리 간격을 두고 진행해야 한다. 광학현미경 검사를 통해 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트, 뜨임 마르텐사이트, 개재물 및 눈에 보이는 결정립 크기 변화를 확인할 수 있다. 파면 형상, 탄화물 분포 및 미세 석출물을 관찰하려면 주사전자현미경이 필요한 경우가 많다. 전자후방산란회절은 결정학적 집합조직, 적합한 합금에서의 prior-austenite 재구성, 그리고 변형 또는 변태와 관련된 국부 방위차를 측정할 수 있다. Grade 91과 같이 석출물 조대화가 강도를 지배하는 경우에는 투과전자현미경 검사가 필요할 수 있다.

영역의 명칭 자체보다 열 이력이 더 중요하다. TWI가 설명하듯이 페라이트계 강의 HAZ 미세조직과 경도는 주로 변태 범위를 통과하는 냉각 속도, 조성 및 경화능, 그리고 prior-austenite 결정립 크기에 좌우된다. Δt8/5는 800 °C에서 500 °C까지 냉각하는 데 걸리는 시간으로, 해당 온도가 적절한 경우 실용적인 지표가 된다. NIST의 한 배관용 강재 보고서는 Δt8/5를 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 연관시킨다. 그러나 Δt8/5는 다른 재료에 그대로 적용할 수 있는 재료 상수가 아니다. 동일한 명칭의 영역으로 분류된 두 지점이라도 냉각 경로가 다르면 서로 다른 변태 생성물을 가질 수 있다.

검사에서는 또한 발생 기전을 구별해야 한다. 수소 유기 균열은 확산성 수소와 인장 구속이 존재하는 조건에서 취약한 경질 HAZ 미세조직에 흔히 발생한다. 응고 균열은 용접금속이 응고하는 과정에서 발생한다. 라멜라 테어링은 취약한 판 두께 방향 조직 및 개재물을 따라 판 내부로 진행하며, 액화 균열은 결정립계 또는 개재물 인근의 국부 용융과 관련된다. 재가열 균열은 취약한 합금에서 응력 제거 또는 사용 중 노출 과정에서 발생한다. ESDEP는 구조용 강재의 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유기 균열 및 재가열 균열을 제시하지만, 그렇다고 해서 모든 용접 불연속부가 HAZ 균열인 것은 아니다.

경도 매핑 및 기계시험

경도 매핑은 시험 방법과 간격을 보고한다는 전제하에, 관찰된 조직과 국부적인 재료 응답을 연결한다. 영향을 받지 않은 모재에서 HAZ, 용융 경계 및 용접금속을 가로지르도록 압입하고, 용접부가 비대칭이거나 다층 용접인 경우에는 추가 횡단선을 설정한다. 좁은 미세 결정립 영역 또는 임계간 영역을 분해하여 확인할 수 있을 만큼 충분히 작은 하중과 간격을 사용하되, 인접 압흔 간 상호작용과 가장자리 효과는 피해야 한다. Vickers HV0.5 또는 HV1 측정은 실험실 경도 매핑에 흔히 적합하지만, 하중이 다른 측정값은 자동으로 서로 호환되지 않으므로 선택한 경도 스케일을 명시해야 한다.

경도 횡단 측정은 과뜨임 연화대, 경질 마르텐사이트 영역, 연화된 임계간 영역 또는 비정상적인 국부 최고값의 위치를 확인할 수 있다. 또한 첫 번째 패스의 HAZ와 후속 패스에 의해 재가열된 영역 사이의 차이도 드러낼 수 있다. 그러나 경도는 지표일 뿐, 완전한 특성 평가를 대신하지는 못한다. 경질 HAZ는 수소 균열 저항성이 낮을 수 있지만, 경도만으로 파괴인성, Charpy 충격인성, 피로균열 성장, 응력부식균열 저항성 또는 사용 수명을 확정할 수는 없다. 반대로 연화된 영역은 크리프 강도를 잃을 수 있지만 수소 균열의 발생원이 될 가능성이 높은 것은 아닐 수 있다.

기계시험은 고장 우려 사항에 따라 수행해야 한다. Charpy V-노치 시험은 지정된 온도에서 노치 인성을 평가하지만, 흡수 에너지가 평면변형률 파괴인성과 동일한 것은 아니다. CT 또는 SEN(B) 파괴인성 시험편은 정의된 구속 조건에서 균열 개시와 성장을 평가하는 데 사용할 수 있다. 인장시험편은 항복강도, 연성 및 강도 불일치를 나타내지만, 일반적인 시험편은 여러 HAZ 영역의 평균값을 반영할 수 있다. 굽힘시험은 큰 규모의 융합 불량, 균열 및 연성 문제를 드러낸다. 반복하중, 장기간 고온 또는 환경 균열이 성능을 지배하는 경우에는 피로시험, 크리프시험 및 지속하중 균열시험이 필요하다.

Grade 91은 뜨임 마르텐사이트계 내열 크리프강으로, Type IV 균열이 특히 미세 결정립 영역과 임계간 영역을 포함하는 모재 HAZ와 관련된다. ASM International과 EPRI가 2016년에 발표한 자료는 이러한 취약성을 확인한다. 국부적인 약화는 벌크 인장시험이나 좁은 연화 영역을 분해하지 못하는 경도 측정으로는 놓칠 수 있다. 검사에는 prior-austenite 결정립 조직, 마르텐사이트 래스 상태, 탄화물 및 MX 석출물의 분포, PWHT 상태, 그리고 크리프 공극 또는 균열의 위치가 포함되어야 한다.

부식 평가는 경도만으로 수행할 수 없다. TWI가 2002년에 발표한 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부에 관한 논의에서는 부식, 응력부식균열 및 황화물 응력균열과 관련하여 HAZ 미세조직을 검토했으며, 후속 패스에 의한 재가열과 PWHT도 포함했다. 이러한 합금에서는 국부적인 상 균형, 크롬이 풍부한 부동태 피막의 안정성, 잔류응력, 수소 노출 및 뜨임 이력이 성능을 지배할 수 있다.

모사 HAZ 열사이클 실험의 해석

모사 HAZ 시험편은 별도의 강재 조각에 제어된 열사이클을 가하여 제작하며, 흔히 Gleeble 유형의 열·기계 시뮬레이터를 사용한다. 이러한 시험편을 이용하면 실제 용접에서 나타나는 공간적 중첩 없이 최고 온도, 가열 속도, Δt8/5, 반복 패스 재가열 또는 인가 변형률과 같은 한 가지 변수를 한 번에 연구할 수 있다. 생성된 미세조직은 현미경 검사, 경도시험, 인장시험, 충격시험, 크리프시험 또는 균열시험으로 평가할 수 있다.

그러나 그 가치는 실제 용접과의 일치 정도에 달려 있다. 단일 최고 온도와 Δt8/5만으로는 전체 열 구배, 다축 구속, 수소 분포, 용착금속 희석 또는 재가열 사이클의 순서를 재현할 수 없다. 시험편의 치수도 열 흐름을 변화시킨다. 따라서 모사 재료는 HAZ 전체가 아니라 HAZ 내 한 지점을 나타낼 수 있다.

Grade 91은 이러한 한계를 명확히 보여 준다. 모사 열사이클을 통해 임계간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장강도가 감소할 수 있음이 확인되었으며, 이는 Type IV 손상이 해당 영역에 집중되는 이유를 설명하는 데 도움이 된다. 이 결과는 하나의 발생 기전을 뒷받침하지만, 그 자체로 용접된 압력 부품의 사용 수명을 예측하지는 못한다. 실제 용접에는 잔류응력, 국부 형상, 화학적 편석, 이전 열 노출 및 PWHT 변동이 추가로 존재한다.

가장 신뢰성 있는 해석은 모사 시험과 실제 용접에 대한 증거를 비교하는 것이다. 측정 또는 계산된 열사이클을 재현하고, 미세조직과 경도를 확인한 다음, 의심되는 고장과 관련된 특성을 시험해야 한다. 경도가 일치하면 유용한 확인 근거가 된다. 그러나 인성, 균열 저항성, 부식 거동 또는 장기 사용 성능도 일치한다는 증거는 아니다.

12. 용접 표준 및 절차인정 읽기

용접 표준이 모두 동일한 질문에 답하는 것은 아니다. 기술 지침 문서는 예열, 패스 간 온도, 입열량 또는 수소 제어 조치를 권고할 수 있다. 온도 측정 표준은 그러한 온도를 어떻게 측정하고 기록하는지를 규정할 수 있다. 절차인정 표준은 제안된 용접절차가 명시된 한계 내에서 허용 가능한 특성을 입증했는지를 결정한다. 이러한 기능을 혼동하면 다음과 같은 일반적인 오류가 발생한다. 즉, 권고된 열 제어 또는 측정된 온도를 특정한 하나의 HAZ 미세조직에 대한 증거로 간주하는 것이다.

HAZ는 균일한 띠가 아니라 공간적으로 구배를 이루는 영역이다. TWI는 일반 탄소강의 HAZ 하위 영역을 입자 조대화 영역, 입자 미세화 영역, 부분 변태 영역 및 뜨임 영역으로 설명하며, 이를 최고 온도와 용융 경계로부터의 거리에 따라 분류한다. NIST의 파이프라인 강재 연구에서는 이와 관련된 용어로 조립 영역, 미립 영역, 층간 영역 및 과뜨임 영역을 사용한다. 각 위치에서는 서로 다른 최고 온도, 최대 오스테나이트 입자 크기, 변태 경로 및 냉각 속도가 나타날 수 있다.

EN 1011-2가 제공하는 내용

EN 1011-2, 용접 — 금속 재료의 용접에 대한 권고 — 제2부: 페라이트계 강의 아크 용접은 페라이트계 강에서 용접성 위험을 제어하기 위한 지침이다. 적용 범위는 문언 그대로 해석해야 한다. 이 표준은 페라이트계 강의 아크 용접을 다루며 페라이트계 스테인리스강은 제외한다. 따라서 모든 강재, 용접 공정 또는 스테인리스강 HAZ에 적용되는 보편적인 규정집이 아니다.

이 문서는 강재의 화학 조성, 두께, 구속도, 수소 상태, 입열량 및 예열을 바람직하지 않은 용접부 및 HAZ 상태의 발생 위험과 연계한다. 이러한 방법은 예열 및 패스 간 온도에 관한 결정과 수소 유발 균열에 관련된 냉각 거동의 제어를 뒷받침한다. 탄소당량 접근법은 경화능과 민감도를 나타낼 수 있지만, 인정된 용접절차 또는 용접 이음부에 대한 직접 검사를 대신할 수는 없다. 탄소당량 값이 유사한 두 강재라도 합금 원소의 균형, 이전 가공 이력, 입자 크기 및 변태 속도가 다르기 때문에 서로 다른 HAZ 조직을 형성할 수 있다.

EN 1011-2의 실질적인 가치는 금속학을 용접 제어 변수로 전환하는 데 있다. 일반적으로 예열 온도가 높아지면 냉각이 느려지고, 입열량이 달라지면 열 사이클이 변하며, 수소 제어는 균열에 관여할 수 있는 확산성 수소의 양을 줄인다. 그러나 이러한 설명 중 어느 것도 모든 국부 구성상을 예측하지는 못한다. 판 두께, 이음부 형상, 아크 효율, 용접 자세 또는 용접부로부터의 거리가 달라지면 동일한 공칭 입열량에서도 서로 다른 Δt8/5 값이 나타날 수 있다.

Δt8/5는 해당 강재와 검토 대상 변태에 그 온도 구간을 적용할 수 있는 경우, 800 °C에서 500 °C 사이를 냉각하는 데 걸리는 시간이다. NIST의 파이프라인 보고서는 이를 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 연계한다. 이러한 관계는 WPS 변수와 HAZ 금속학 사이를 연결하는 유용한 가교이지만, 보편적인 환산식은 아니다. 측정되거나 계산된 냉각 시간은 강종과 열 사이클을 함께 고려하여 해석해야 한다.

또한 이 지침을 인성, 경도 또는 사용 수명에 대한 직접적인 합격 시험으로 해석해서는 안 된다. TWI가 설명하듯이 페라이트계 강 HAZ의 미세조직과 경도는 주로 변태 온도 범위에서의 냉각 속도, 강재의 화학 조성과 경화능, 그리고 이전 오스테나이트 입자 크기에 좌우된다. 경화능이 있는 강재에서는 빠른 냉각으로 경질의 마르텐사이트 또는 베이나이트 생성물이 증가할 수 있으며, 느린 냉각은 더 연한 변태 생성물을 촉진할 수 있지만 입자를 조대화하거나 강도를 변화시킬 수도 있다. 허용 가능한 균형은 설계 사양과 사용 조건에 따라 달라진다.

ISO 13916:2025가 측정하는 내용

ISO 13916:2025는 더 좁고 명확한 기능을 갖는다. 이 표준은 융합 용접 중 예열, 패스 간 및 예열 유지 온도를 측정하기 위한 요구사항을 규정한다. 용접 후 열처리 온도의 측정은 다루지 않는다. 이 제외 사항은 중요하다. 예열 제어에 허용된 열전대 배치 또는 적외선 측정값이 PWHT 사이클이 요구된 온도, 유지 시간 또는 두께 방향 균일성을 충족했다는 것을 자동으로 입증할 수는 없다.

이 표준은 용접 중 어떤 온도를 측정하는지와 측정을 어떻게 적용하는지를 다룸으로써 온도 기록의 비교 가능성을 높인다. 절차인정에서는 이를 통해 용접사 또는 용접 작업자가 규정된 열 제어를 따랐다는 증거를 뒷받침할 수 있다. 그러나 HAZ 경도를 측정하거나, 조립 영역을 식별하거나, 모든 이음부에서 Δt8/5를 직접 결정하거나, 사용 중 Type IV 균열이 발생할지를 밝히지는 않는다.

따라서 측정 위치는 공학적 판단의 일부이다. 용융 경계에서 떨어진 표면 온도는 좁은 HAZ 영역의 열 이력을 대표하지 못할 수 있다. 마찬가지로 패스 간 측정값은 다음 패스가 시공되기 전의 상태를 기록하는 것이지, 해당 패스로 인해 발생한 전체 최고 온도 이력을 기록하는 것은 아니다. 후속 패스에 의한 재가열은 이전 HAZ 재료를 뜨임하거나, 미세화하거나, 부분적으로 변태시킬 수 있다. 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부에 관한 TWI의 2002년 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 PWHT와 관련하여 HAZ 미세조직을 조사했다. 열 기록과 금속조직학적 결과는 서로 관련되지만 상호 대체할 수는 없다.

절차 변수를 HAZ 합격 기준과 연결하기

절차인정은 제어 가능한 변수와 입증된 이음부 특성을 연결한다. WPS에는 강종, 두께 범위, 이음부 형상, 공정, 용가재, 예열, 패스 간 온도, 입열량 또는 용접 속도 한계, 차폐 조건 및 필요한 경우 PWHT가 명시된다. 이후 인정 기록에는 실제로 사용한 값과 수행한 시험이 문서화된다. ISO 15614-1과 같은 해당 절차인정 체계에 따라 용접절차 시험을 수행하는 경우, 허용된 범위를 벗어난 변경에는 HAZ가 동등한 상태로 유지될 것이라는 비공식적인 가정이 아니라 재인정이 필요할 수 있다.

합격 기준은 제어하려는 파손 메커니즘과 연계되어야 한다. 경도 시험은 과도하게 경화된 HAZ를 식별하고 수소 균열 제어를 뒷받침할 수 있지만, 경도만으로 충분한 파괴인성을 입증할 수는 없다. 인장 시험과 굽힘 시험은 이음부 성능의 서로 다른 측면을 평가한다. Charpy 충격 시험은 규정된 위치와 온도에서 시편을 채취하며, 모든 HAZ 하위 영역을 대표하지는 않는다. 매크로 검사로는 용입, 형상 및 육안으로 확인 가능한 결함을 드러낼 수 있고, 비파괴검사는 금속조직학적으로 보이지 않을 수 있는 불연속부를 다룬다.

균열 메커니즘을 구분하는 것은 필수적이다. ESDEP는 구조용 강재의 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유발 균열 및 재가열 균열을 제시하며, 응고 균열은 용접 금속에서 발생하고 층상 찢김은 두께 방향 변형 및 개재물에 민감한 모재와 관련된다. 모든 지시를 “HAZ 균열”이라고 부르면 관련 제어 방법이 불분명해진다. 수소 유발 균열에는 수소, 경화능, 구속도 및 냉각에 대한 관리가 필요하다. 재가열 균열은 응력 제거 또는 사용 중 노출 과정에서 취약한 미세조직과 관련된다. 액화 균열은 HAZ에서 국부적인 용융이 발생하는 현상이다.

Grade 91은 인정이 공칭 예열값에서 끝날 수 없는 이유를 보여준다. ASM International과 EPRI는 2016년에 Grade 91이 모재 HAZ, 특히 미립 영역과 층간 영역에서 Type IV 균열에 취약하다고 보고했다. 모사 열 사이클에서는 층간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 감소할 수 있음도 확인되었다. 절차가 온도 및 외관 요구사항을 충족하더라도, 적용 사양에서 이러한 위험을 규정하고 있다면 대상 경도, 인성, 금속조직학적 평가 또는 크리프 사용 평가가 추가로 필요할 수 있다.

따라서 올바른 해석은 여러 층으로 이루어진다. EN 1011-2는 페라이트계 강 용접에 대한 권고를 제공하고, ISO 13916:2025는 융합 용접 중 규정된 온도 측정을 관리하며, 절차인정 표준은 필수 변수의 범위 내에서 입증된 합격 기준을 정의한다. 어느 표준도 그 적용 범위를 넘어 인용해서는 안 된다. 신뢰성 있는 인정 절차에서는 측정된 열 제어 결과를 증거로 활용한 다음, 실제 HAZ와 제작 공정 및 사용 조건에 중요한 특성을 시험한다.

13. HAZ 진단을 위한 실용적 야금학 프레임워크

재료, 용접 공정 및 열 이력부터 확인하기

신뢰성 있는 HAZ 진단은 현미경 관찰 전에 시작된다. 먼저 제품 규격, 강종, 히트 번호, 두께, 납품 상태, 그리고 이전의 용접 또는 열처리 이력을 확인한다. “탄소강”이라는 정보만으로는 충분하지 않다. ASTM A516 Grade 70, API 5L X65, EN 10025-2 S355J2, ASTM A387 Grade 91 및 담금질 및 뜨임 처리된 합금강은 동일한 아크 조건에서도 매우 다른 HAZ 조직을 형성할 수 있다. 판재 또는 배관의 방향, 편석에 민감한 영역, 성형 이력, 그리고 원재료가 노멀라이징되었는지, 담금질 및 뜨임 처리되었는지, 열간가공 제어를 받았는지 또는 제작 후 뜨임 처리되었는지를 기록한다.

그 다음에는 용접 기록을 재구성해야 한다. 용접 공정이 SMAW, GMAW, FCAW, GTAW, SAW 또는 기타 공정인지 확인하고, 소모재 분류, 극성, 전류, 전압, 용접 속도, 비드 크기, 아크 효율, 이음부 형상, 패스 순서 및 패스 간 온도를 함께 기록한다. 예열, 패스 간 열처리, 구속 조건 및 환경 노출도 동일한 기록에 포함해야 한다. EN 1011-2는 페라이트계 강의 아크 용접에 대한 지침을 제공하지만, 페라이트계 스테인리스강은 그 적용 범위에서 제외되므로 적용 가능성을 확인하지 않은 채 해당 권고사항을 이러한 재료에 그대로 적용해서는 안 된다. ISO 13916:2025는 융합 용접 중 예열, 패스 간 온도 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, 용접 후 열처리 온도의 측정은 규정하지 않는다.

핵심 질문은 용접부가 단순히 얼마나 뜨거워졌는지가 아니라, 각 위치가 어떤 열 사이클을 겪었는가이다. HAZ는 용융되지 않은 상태에서 용접 열에 의해 변화된 고체 금속이다. 용융 경계부에 가까운 곳에서는 최고 온도로 인해 조대 prior-austenite 결정립 조직이 형성될 수 있다. 그보다 먼 곳에서는 더 낮은 최고 온도로 결정립이 미세화되거나 원래 조직이 부분적으로 변태되거나, 이미 경화되었거나 담금질 및 뜨임 처리된 상태가 뜨임될 수 있다. TWI는 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 일반 강의 HAZ 하위 영역을 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 또는 임계 영역, 그리고 뜨임 영역으로 설명한다. NIST는 배관용 강의 HAZ 영역에 대해 이와 밀접하게 관련된 용어로 조대 결정립, 미세 결정립, 임계 영역 및 과도 뜨임 영역을 사용한다.

거리만으로 추론하지 말고 냉각 이력을 추정해야 한다. 적용 가능한 경우 Δt8/5, 즉 800 °C에서 500 °C까지 냉각되는 데 걸리는 시간은 용접부와 위치 간의 실용적인 비교 기준이 된다. NIST의 배관 보고서는 Δt8/5가 입열량, 강의 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 벽 두께와 관련된다고 설명한다. 짧은 냉각 시간은 경화능이 있는 강에서 마르텐사이트 또는 베이나이트의 형성을 촉진할 수 있으며, 긴 냉각 시간은 페라이트, 펄라이트 또는 뜨임 반응을 가능하게 할 수 있다. 따라서 동일한 명목 입열량이라도 얇은 판재, 두꺼운 배관 및 구속된 이음부에서는 서로 다른 조직이 형성될 수 있다.

균열, 연화, 경화 및 부식 증거를 구분하기

파괴 메커니즘을 지정하기 전에 영향을 받은 영역을 매핑한다. 매크로 에칭한 단면을 이용해 용융 경계를 확인하고 HAZ 폭을 대략적으로 측정한 다음, 균열부, 인접한 영향받지 않은 모재, 용접 금속 및 필요한 경우 여러 패스를 통과하는 연마·에칭 단면을 검사한다. 경도 분포 측정은 여러 거리와 방향에서 용융 경계를 가로지르도록 수행해야 한다. 경도 최고값은 마르텐사이트 또는 베이나이트 영역을 나타낼 수 있지만, 그것만으로 수소 유기 균열이 입증되는 것은 아니다. 반대로 연화된 띠는 임계 영역 변태, 뜨임 또는 과도 뜨임을 나타낼 수 있지만, 반드시 파괴의 기점이라는 의미는 아니다.

TWI는 HAZ 미세조직과 경도가 주로 변태 온도 범위를 통과하는 냉각 속도, 조성, 경화능 및 prior-austenite 결정립 크기에 좌우된다고 설명한다. 이러한 변수는 서로 연계하여 해석해야 한다. 조대 결정립 영역은 경도가 중간 수준이더라도 인성이 낮을 수 있다. 미세 결정립 영역 또는 임계 영역은 더 연할 수 있지만 크리프 하중에서 취약해질 수 있다. Grade 91의 경우, ASM International과 EPRI가 2016년에 발표한 연구는 모재 HAZ, 특히 미세 결정립 영역과 임계 영역에서 발생하는 Type IV 균열을 규명했다. 모사 열 사이클은 임계 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장 강도가 감소할 수 있음을 보여주었다. 경도 분포만으로는 이러한 메커니즘을 파악할 수 없다.

균열은 위치, 형태, 발생 시점 및 하중에 따라 분류해야 한다. 응고 균열은 마지막 액상이 응고할 때 용접 금속에서 발생하며, 자동으로 HAZ 균열이 되는 것은 아니다. 액화 균열은 용융 경계부 또는 그 인근의 국부 구성 성분이 용접 또는 재가열 중 부분적으로 액화될 때 형성된다. 수소 유기 균열에는 일반적으로 확산성 수소, 취약한 경화 미세조직, 인장 응력 또는 구속 조건이 필요하며, 균열이 지연되어 발생하는 경우가 많다. 층상 찢김은 일반적인 “경질 HAZ”와 관련된 현상이 아니라, 모재 판재 내 길게 늘어난 개재물로 인한 두께 방향 변형과 낮은 연성에 관련된다. 재가열 균열은 취약한 합금강에서 용접 후 가열 또는 사용 중 노출 과정에서 발생한다. ESDEP는 구조용 강에서 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유기 균열 및 재가열 균열을 제시한다.

부식 증거는 별도로 검사해야 한다. 전해질, 온도, 전위, 오염 물질, 음극방식 상태, 잔류 응력 또는 작용 응력을 확인한다. 좁은 HAZ 띠는 용접 금속과 모재 모두에 비해 상 균형, 탄화물 분포, 경도 또는 수동 피막의 반응이 다를 수 있다. 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부에 관한 TWI의 2002년 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 PWHT와 관련하여 HAZ 미세조직을 조사했다. 후속 패스의 열 사이클은 이전 HAZ를 뜨임하거나 재오스테나이트화하거나 그 밖의 방식으로 변화시킬 수 있으며, PWHT는 경도를 낮추는 동시에 탄화물 석출과 국부적인 부식 반응을 변화시킬 수 있다.

관찰된 영역에서 방어 가능한 메커니즘으로

관찰에서 메커니즘으로 나아갈 때에는 명시적인 단계에 따라 진행한다. 첫째, 측정된 단면에서 균열, 공식, 연화된 띠 또는 파괴 기점을 표시한다. 둘째, 그 위치를 최고 온도 하위 영역 및 경도와 연계한다. 셋째, 광학현미경, SEM 및 필요한 경우 EBSD, X선 회절 또는 투과전자현미경을 이용해 상을 확인한다. Grade 91 및 기타 크리프 저항성이 높은 강의 탄화물을 검사하려면 탄소 추출 레플리카 또는 분석 방법이 필요할 수 있다. 파면 분석을 통해 파괴가 벽개, 준벽개, 연성 미세공동 합체, 입계 파괴 또는 환경 보조 파괴인지 확인해야 한다.

다음으로 관련 기여 조건을 검증한다. 수소 가설의 경우 소모재 건조 상태, 확산성 수소, 예열, 지연 균열 발생 시간, 구속 조건 및 경도를 측정하거나 문서화해야 한다. 수소 장입 시험 또는 제어된 지연 균열 시험은 비교 자료를 제공할 수 있다. 액화 균열 또는 응고 균열의 경우 부분적으로 용융된 결정립계와 편석된 구성 성분을 검사한다. 층상 찢김의 경우 개재물 형태와 두께 방향 연성을 조사한다. 재가열 균열 또는 Type IV 균열의 경우 열 노출과 사용 중 응력을 재현한 다음, 영향받지 않은 재료와 크리프 또는 응력 파단 거동을 비교한다.

마지막으로 제안한 설명을 반증할 수 있는 시험을 사용한다. 경도 매핑을 반복하거나, 미세화학 분석을 수행하거나, 대응 시편을 사용 환경에 노출하거나, 제어된 Δt8/5 및 재가열 조건으로 용접 열 사이클을 재현한다. 눈에 보이는 균열은 불연속의 존재를 입증할 뿐 원인을 입증하지는 않는다. 경도 최고값은 국부적인 반응을 입증할 뿐 파괴 형태를 입증하지는 않는다. 방어 가능한 진단은 재료 상태, 열 이력, 공간적 미세조직, 하중 및 환경을 연결하고, 이후 표적 시험을 통해서도 유효성이 유지되는 진단이다.

14. 종합: HAZ 야금학이 용접 강재 성능을 좌우하는 이유

공간적으로 등급화된 재료로서의 HAZ

열영향부(HAZ)는 하나의 예측 가능한 조직을 갖는 단일 재료 띠가 아니다. HAZ는 용융되지 않은 상태에서 용접 열에 의해 변형된 모재의 일부이며, 용융 경계로부터의 거리에 따라 그 상태가 연속적으로 변화한다. 최고 온도, 해당 온도에서의 유지 시간, 냉각 속도, 기존 미세조직 및 재가열 조건에 따라 각각의 미소 영역이 겪는 열 이력이 결정된다. 따라서 불과 몇 밀리미터 떨어진 두 위치에도 서로 다른 상, 결정립 크기 및 잔류응력이 존재할 수 있다.

일반 탄소강 및 저합금강에서 TWI는 최고 온도와 용접부로부터의 거리에 따라 HAZ를 결정립 조대화 영역, 결정립 미세화 영역, 부분 변태 영역 및 템퍼링 영역으로 구분한다. 결정립 조대화 영역은 용융 경계에 가장 가까우며, 오스테나이트 결정립 성장을 일으킬 만큼 높은 온도에 도달한다. 이 영역의 조대한 선행 오스테나이트 결정립은 불리한 변태 생성물의 형성을 촉진하고 충격 인성을 저하시킬 수 있으며, 특히 냉각이 충분히 빨라 경질 베이나이트 또는 마르텐사이트가 형성되는 경우 그러하다. 이보다 먼 곳에 위치한 결정립 미세화 영역은 더 낮은 최고 온도에서 오스테나이트화되며, 일반적으로 더 작은 선행 오스테나이트 결정립을 형성한다. 이러한 미세화는 인성을 향상시킬 수 있지만, 화학 조성이나 냉각 속도의 영향까지 제거하지는 않는다.

변태 중간 영역, 즉 부분 변태 영역은 하부 임계 온도와 상부 임계 온도 사이에서 가열된다. 이 영역의 원래 조직 중 일부만 오스테나이트로 변태한다. 냉각 시 변태된 부분은 주변 재료보다 더 경질화될 수 있는 반면, 변태하지 않은 페라이트 또는 템퍼링된 구성상은 서로 다른 강도와 연성을 유지한다. 용접부에서 더 멀리 떨어진 템퍼링 또는 과도 템퍼링 영역에서는 완전한 오스테나이트화 없이 연화, 석출물 조대화 또는 석출 강화의 손실이 발생할 수 있다.

National Institute of Standards and Technology의 파이프라인 강재 설명에서는 이와 관련된 용어로 조대 결정립 영역, 미세 결정립 영역, 변태 중간 영역 및 과도 템퍼링 영역을 사용한다. 이러한 명칭은 열 이력의 위치를 파악하는 데 도움이 되지만, 성능 분류는 아니다. 지배적인 변수는 전체 열 사이클이며, 특히 변태 온도 범위를 통과하는 냉각 과정이 중요하다. TWI는 HAZ 미세조직과 경도가 주로 해당 온도 범위를 통과하는 냉각 속도, 강재의 조성과 경화능, 그리고 선행 오스테나이트 결정립 크기에 의해 좌우된다고 설명한다. 실무 매개변수인 Δt8/5, 즉 800 °C에서 500 °C까지 냉각하는 데 걸리는 시간은 페라이트계 강재에서 이 열 사이클 구간을 나타내는 데 흔히 사용된다. NIST는 Δt8/5가 입열량, 화학 조성, 용접부로부터의 거리 및 판 두께에 따라 달라진다고 주의한다. 따라서 이는 유용한 기술 지표이지만, 열 사이클 측정을 보편적으로 대체할 수 있는 값은 아니다.

강도, 인성, 연성 및 내식성 사이의 상충 관계

용접 이음부는 인장강도 요건을 충족하면서도 파괴를 지배하는 HAZ를 포함할 수 있다. 급속 냉각은 마르텐사이트 또는 경질 베이나이트 조직을 통해 높은 경도를 유발할 수 있으며, 이로 인해 국부 강도는 증가하지만 확산성 수소와 구속이 존재할 때 수소 유기 균열에 대한 민감성도 높아진다. 냉각이 느려지면 경도와 수소 균열 위험을 줄일 수 있지만, 과도한 입열량이나 고온에서의 장시간 유지는 결정립을 조대화하고 HAZ를 연화시키거나 인성을 저하시킬 수 있다. 예열은 냉각 사이클을 변화시키지만, 그 자체만으로 안전한 미세조직을 보장하지는 않는다.

강도와 인성은 결정립 크기 및 변태 생성물을 통해서도 상충한다. 미세한 결정립은 일반적으로 취성 파괴에 대한 저항성을 높이는 반면, 조대한 결정립은 연성-취성 천이 온도를 상승시킬 수 있다. 연화된 변태 중간 영역이나 과도 템퍼링 영역은 국부 연성이 더 크기 때문에 변형을 수용할 수 있지만, 인장 하중이나 반복 변형을 받을 때 가장 취약한 부분이 될 수 있다. 크리프 저항강에서는 석출물 분포와 아결정립 구조의 작은 변화가 장기 강도를 좌우할 수 있으므로 문제가 더욱 심각하다.

Grade 91은 “HAZ가 더 경질이다”와 같은 일반적인 설명만으로는 충분하지 않은 이유를 보여준다. ASM International 및 EPRI가 2016년에 발행한 학술대회 자료는 모재 HAZ, 특히 미세 결정립 영역과 변태 중간 영역에서 발생하는 Type IV 균열을 확인하였다. 모사 열 사이클 시험에서는 변태 중간 HAZ에서 페라이트가 형성되면 고온 인장강도가 저하될 수 있음이 나타났다. 따라서 파괴 위치는 단순히 가장 뜨거운 영역과 관련되는 것이 아니라, 부분 변태, 약화된 크리프 조직, 응력 및 사용 온도가 특정하게 결합된 결과와 관련된다.

균열 메커니즘도 서로 구별해야 한다. ESDEP는 구조용 강재의 주요 용접성 문제로 HAZ 액화 균열, 수소 유기 균열 및 재가열 균열을 제시한다. 응고 균열은 용접 금속이 응고할 때 용접 금속에서 발생하지만, 인접한 HAZ의 액화는 저융점 구성 성분이나 석출물이 풍부한 경계와 관련될 수 있다. 층상 찢김은 주로 길게 늘어난 개재물을 포함한 취약한 판에서 두께 방향 변형에 의해 발생하며, 수소 균열과 같은 것으로 취급해서는 안 된다. 재가열 균열은 취약한 미세조직과 잔류응력이 상호작용할 때 응력 제거 또는 사용 중 노출 과정에서 발생한다. 모든 용접 불연속을 “HAZ 균열”이라고 부르면 필요한 방지 방법이 불분명해진다.

부식은 여기에 또 다른 요인을 더한다. HAZ 변태는 국부적인 갈바닉 차이, 크롬 고갈 영역 또는 석출물의 영향을 받은 영역, 경도 구배 및 잔류 인장응력을 형성할 수 있다. 초마르텐사이트계 스테인리스강 용접부에 관한 TWI의 2002년 연구는 부식, 응력 부식 균열, 황화물 응력 균열, 후속 패스에 의한 재가열 및 용접 후 열처리(PWHT)와 관련하여 HAZ 미세조직을 조사하였다. 후속 용접 패스는 한 영역을 템퍼링하는 동시에 다른 영역을 변태 중간 상태로 재가열할 수 있다. PWHT는 잔류응력을 줄이고 경질 구성상을 템퍼링할 수 있지만, 석출 거동과 부식 응답을 변화시킬 수도 있다. 염화물, 사워 생산 유체, 수소, 온도 및 작용 응력으로 이루어진 사용 환경이 어떤 취약성이 결정적인 요인이 될지를 좌우한다.

타당한 HAZ 평가가 답해야 하는 질문

신뢰성 있는 평가는 일반적인 HAZ 폭이 아니라 실제 용접 절차에서 출발해야 한다. EN 1011-2는 페라이트계 스테인리스강을 제외한 페라이트계 강재의 아크 용접을 다루며, 입열량, 예열 및 수소 제어와 관련된 지침을 제공한다. ISO 13916:2025는 융합 용접 중 예열 온도, 패스 간 온도 및 예열 유지 온도의 측정을 규정하지만, PWHT 온도 측정은 다루지 않는다. 이러한 구분은 중요하다. 기록된 온도 관리와 실제 PWHT는 서로 별개의 증거이기 때문이다.

금속조직 검사는 용융 경계를 확인하고 각 열적 하위 영역, 결정립 크기 및 변태 생성물을 식별해야 한다. 경도 분포 측정은 HAZ 값을 하나만 제시하는 것이 아니라 용접 금속, 조대 결정립 영역, 미세 결정립 영역, 변태 중간 영역 및 과도 템퍼링 영역을 가로질러 수행해야 한다. 인성 시험은 중요한 위치와 사용 온도를 반영해야 하며, 인장 시험, 크리프 시험 또는 굽힘 시험은 연화 영역과 판재의 이방성 특성을 고려해야 한다. 열 사이클 추정에서는 입열량, 두께, 화학 조성, 구속 조건 및 Δt8/5에 관한 가정을 명시해야 한다.

최종 판단은 조직을 파괴 메커니즘 및 환경과 연계해야 한다. 다음 질문을 제기해야 한다.

• 평가 대상 HAZ 영역은 어디이며, 용융 경계로부터 어느 위치에 있는가?
• 첫 번째 열 사이클과 재가열 과정에서 어떤 변태가 발생했는가?
• 경도 분포는 마르텐사이트, 베이나이트, 템퍼링, 연화 또는 국부적인 불일치 중 무엇을 나타내는가?
• 지정된 사용 온도와 하중 속도에서 인성은 충분한가?
• 어떤 균열 메커니즘이 타당한가? 수소 유기 균열, 액화 균열, 응고 균열, 층상 찢김, 재가열 균열 또는 Type IV 균열 중 어느 것인가?
• HAZ에 어떤 부식, 수소, 염화물 또는 황화물 노출이 작용하는가?
• 어떤 적용 표준, 절차 인정 및 측정 방법이 합격 판정을 지배하는가?

HAZ 거동은 조성, 기존 미세조직, 열 사이클, 구속 조건, 재가열 및 사용 환경이 결합된 결과이다. 단일 HAZ 명칭만으로는 용접 강재의 성능을 예측할 수 없다.

참고 문헌

1. [1]ASM International, Electric Power Research Institute. Grade 91 Type IV cracking and simulated HAZ thermal cycles. ASM International and EPRI proceedings, 2016. https://www.asminternational.org/
2. [2]TWI. Supermartensitic stainless-steel weld HAZ microstructures and environmental cracking. TWI study, 2002. https://www.twi-global.com/