용접은 금속의 열처리 방법 중 하나입니다. 특히 탄소 함량이 높은 일반적인 저합금 구조용 강재 및 후판을 용접할 때 국부 금속은 고온 가열 및 냉각의 용접 열 사이클에 영향을 받아 금속의 내부 구조에 다양한 변화를 일으켜 용접 접합부의 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다.
또한 용접 야금 조건과 다양한 가열 및 냉각 속도의 영향으로 인해 용접 및 열 영향 영역의 구조가 고르지 않아 용접 조인트의 기계적 특성에 직간접적으로 영향을 미칩니다. 따라서 용접 전, 도중 및 후에 국부적으로 또는 전체적으로 가열, 보온 및 냉각 속도를 제어하여 용접 조인트의 기계적 특성을 변경하거나 개선하는 것이 매우 필요합니다.
I. 용접 전 예열
1. 예열의 역할
1) 예열은 열 영향 영역에서 냉간 균열, 고온 균열 및 경화 구조의 형성을 방지하는 효과적인 조치입니다. 고탄소강, 저합금강, 내열강 및 강성이 높은 일반 저탄소강 부품을 용접할 때 용접부의 빠른 냉각 속도로 인해 용접부 및 열 영향 영역에 경화된 구조가 쉽게 형성되어 균열이 발생할 수 있습니다. 따라서 용접부의 예열이 필요합니다. 예열은 냉각 속도를 늦추는 목적을 달성하여 용접부에 균열이 형성되는 것을 방지할 수 있습니다.
2) 언제 용접 조인트 구속력이 높은 경우 급격한 냉각 및 가열로 인해 접합 부위에 수축 응력이 발생하여 균열이 발생할 수 있습니다. 용접하기 전에 접합 부위를 예열하면 수축 응력을 줄이고 균열이 생기는 것을 방지할 수 있습니다.
3) 추운 지역에서 용접할 때는 균열이 생기지 않도록 두께가 20m를 초과하는 저탄소강이라도 예열을 해야 합니다.
4) 예열은 또한 오일, 습기 및 용접 품질에 영향을 미치는 기타 요인을 제거 할 수 있으며 용접에서 수소의 탈출을 촉진하여 다공성과 같은 결함을 방지하고 균열 형성을 방지하는 데 상응하는 역할을 할 수 있습니다.
예열 온도
공작물을 올바르게 예열하려면 주로 금속 재질에 따라 예열 온도를 다르게 결정해야 합니다. 예를 들어 탄소강의 경우 예열 온도는 일반적으로 탄소 함량에 따라 결정됩니다. 탄소 질량 비율이 0.2%보다 큰 경우 예열 온도는 100~200°C이며, 탄소 함량이 증가하면 예열 온도도 비례하여 증가해야 합니다. 다른 재료도 재료에 따라 예열 온도가 다릅니다.
일반적으로 사용되는 강종의 용접 예열 온도는 표 2-30에 나와 있습니다.
표 2-30 일부 강종의 용접 예열 온도
| 강철 등급 | 두께 범위/mm | 최소 예열 온도/℃ | 비고 |
| Q235, Q245R, 25, ZG25 | ≤25 | >5 | 강성이 높은 용접 및 구조물의 포지셔닝은 50°C까지 상승해야 합니다. |
| 25~50 | >40 | ||
| 50 ~100 | ≥100 | ||
| Q345、Q345R | ≤25 | >5 | |
| 25~50 | >100 | ||
| 50 ~100 | >150 | ||
| 20MnMo | ≤12 | >5 | |
| 12~25 | >40 | ||
| 25~50 | ≥100 | ||
| 50 ~100 | ≥150 | ||
| 15CrMo, 12Cr1MoV | ≤25 | ≥150 | |
| 25 ~100 | ≥200 | ||
| 18MnMoNb, 20MnMoNb | 25~50 | ≥150 | |
| 50 ~100 | ≥200 | ||
| ZG15Cr1Mo1V | ≤25 | ≥250 | |
| 25 ~100 | ≥300 | ||
| ZG20CrMo | 12~25 | ≥250 | |
| 25~50 | ≥300 |
예열 방법
예열 방법에는 화염 가열, 고주파 유도 가열, 원적외선 가열, 용광로 가열 등 여러 가지가 있습니다. 예열 방법은 가열 범위에 따라 선택해야 합니다. 현재 원적외선 히터가 널리 사용되고 있으며, 난방 효과가 좋고 난방 범위가 넓습니다.
일반적으로 용접 접합부의 양쪽 예열 폭은 판 두께의 5배 이상이어야 하며, 베벨의 양쪽에서 75~100mm의 균일한 가열 영역을 유지해야 합니다. 최종 예열 온도는 공정 테스트를 통해 결정해야 합니다.
레이어 간 절연
용접 시공, 특히 다층 용접 시 특정 강재는 각 용접 층에서 특정 온도를 유지해야 하는데, 이를 층간 온도라고 합니다. 층간 온도의 역할은 예열과 유사하여 용접 및 열 영향 영역에서 수소의 확산과 탈출을 촉진하고 냉간 균열을 방지하는 역할을 합니다.
탄소강, 저합금강 및 내열강의 경우 층간 온도의 하한은 일반적으로 용접물의 예열 온도이고 상한은 일반적으로 350~400°C이며, 오스테나이트 스테인리스강의 경우 층간 온도는 일반적으로 일반적으로 250°C 미만으로 더 낮게 제어됩니다.
예열 및 층간 온도가 너무 높아서는 안 되며, 그렇지 않으면 일부 강철 용접 조인트의 미세 구조와 특성이 변경될 수 있습니다.
용접 후 열처리
방금 용접한 용접부를 석면재, 뜨거운 모래(석회)에 즉시 넣거나 용광로에서 냉각하여 용접 접합부를 천천히 식히는 것은 내부 응력을 줄이고 변형을 최소화하며 균열을 방지하는 것을 목표로 합니다. 담금질 경향이 높고 강성이 높은 용접물의 경우 용접 후 냉각은 용접 품질을 보장하기 위한 중요한 기술적 조치입니다.
가열 후 수소 방출 처리
"후가열"은 모든 용접 작업이 완료된 후 일정 기간 동안 용접 접합부를 층간 온도보다 높은 온도로 유지하는 것입니다. "후가열"의 가열 온도와 기간은 용접물의 두께, 접합부의 유형, 용접부의 초기 수소 함량 및 수소 균열에 대한 강철의 민감도에 따라 달라집니다.
일반적으로 후가열 온도는 250~350°C이며, 유지 시간은 용접물의 두께에 따라 다르며 일반적으로 1~3시간입니다. 일부 저합금 고강도 강철 두꺼운 벽 용기의 경우 300~350°C에서 1시간 동안 후가열을 사용하면 지연 균열을 완전히 방지하고 예열 온도를 50°C까지 낮출 수 있습니다. 후가열은 수소의 확산과 탈출을 가속화할 수 있으므로 "수소 방출 처리"라고도 합니다.
후가열의 주요 목적은 수소의 확산과 탈출을 가속화하여 지연 균열의 발생을 방지하는 것입니다. 예열, 층간 온도 및 기타 조치로 지연 균열을 궁극적으로 제거할 수 없는 경우 후가열은 간단하고 실현 가능하며 효과적인 방법입니다. 후가열은 주로 고강도 저합금 강철의 용접 구조물에 사용됩니다.
후가열은 용접 후 열처리와 많은 유사점이 있지만 일반적으로 후가열은 용접 후 열처리를 대체할 수 없습니다. 용접 후 열처리가 필요하고 용접 후 즉시 용접 후 열처리를 할 수 있는 용접물의 경우 후 가열을 생략할 수 있습니다. 용접 후 열처리를 용접 후 즉시 수행 할 수없고 용접물을 적시에 탈수소화해야하는 경우 후 가열을 생략 할 수 없습니다.
예를 들어 용접 후 결함 검출 검사를 통과한 대형 고압 용기가 있지만 용접 후 제때 열처리를 하지 않고 수소 제거 처리를 하지 않아 보관 중 지연 균열이 발생했습니다. 용기를 열처리한 후 수압시험을 실시한 결과 시험 압력이 설계 사용 압력에 도달하지 못해 심각한 취성파괴 사고가 발생해 용기 전체를 폐기해야 하는 상황이 발생했습니다.
후가열을 위한 가열 방법, 가열 영역 폭, 온도 측정 위치 요건은 예열과 동일합니다. 국부 후가열도 예열과 마찬가지로 베벨 양쪽에서 75~100mm의 균일한 가열 영역을 유지해야 합니다. 담금질 및 템퍼링 강재는 템퍼링 온도 이상의 국부 과열을 방지해야 합니다.
용접 후 열처리
열처리는 고체의 내부 구조를 개선하는 공정입니다. 금속 가열, 유지, 냉각을 통해 원하는 특성을 얻을 수 있습니다. 용접 조인트의 용접 후 열처리는 용접 조인트의 구조와 특성을 개선하거나 잔류 응력을 제거하기 위한 것입니다. 일반적인 용접 후 열처리에는 응력 제거 어닐링, 정규화, 정규화 플러스 템퍼링, 담금질 플러스 템퍼링(템퍼링 처리)이 포함됩니다.
용접 후 열처리의 주요 목적은 잔류 응력을 줄이고, 구조적 안정성을 높이고, 경화 영역을 부드럽게 하고, 수소 탈출을 촉진하고, 응력 부식에 대한 저항성을 높이고, 접합부의 가소성, 인성 및 고온 기계적 특성을 개선하는 것입니다. 응력 완화는 용접 후 열처리의 주요 기능이기 때문에 일반적으로 용접 후 열처리라고 합니다.
용접 후 열처리는 일반적으로 중요한 제품에 대해 특별한 상황에서만 필요합니다. 일부 용접 제품의 경우 용접 후 잔류 응력이 크지 않거나 일부 잔류 응력을 유지해야 하는 경우(예: 다층 용기 포장판의 용접 후 잔류 응력) 용접 후 열처리가 필요하지 않습니다. 경화된 구조가 없거나 소량만 있지만 여전히 일정한 가소성과 인성을 유지하여 작동 중 부작용을 일으키지 않는 경우에도 용접 후 열처리가 필요하지 않습니다.
스트레스 완화 어닐링
응력 제거 어닐링의 가열 온도 범위는 고온 템퍼링과 동일하며 일반적으로 용접물의 전체 또는 일부를 550~650°C로 가열한 후 충분한 유지 및 천천히 냉각합니다. 일반 강철의 유지 시간은 두께 1mm당 2.5분으로 계산되지만 15분 이상이어야 합니다. 두께가 50mm 이상인 경우 25mm가 추가될 때마다 15분씩 추가합니다.
전반적인 열처리
전체 열처리를 위해 용접물을 가열로에 넣으면 만족스러운 결과를 얻을 수 있습니다. 용광로에 들어가고 나올 때 용접물의 온도는 300°C 미만이어야 합니다. 가열 및 냉각 속도는 판 두께와 관련이 있어야 하며 다음 요구 사항을 충족해야 합니다:
공식에서 U는 냉각 속도(°C/h)이고 δ는 플레이트 두께(mm)입니다.
벽이 두꺼운 용기의 경우 가열 및 냉각 속도는 50~150°C/h이며, 전체 열처리 중 용광로 내부의 최대 온도 차이는 50°C를 초과하지 않아야 합니다. 용접물이 너무 길어서 두 번에 걸쳐 열처리해야 하는 경우 겹치는 가열 부분은 1.5m 이상이어야 합니다.
국소 열처리
전체 열처리를 하기에는 너무 길지만 일정한 모양을 가진 간단한 용기 및 파이프의 경우 국부 가열 처리를 수행할 수 있습니다. 국부 가열 처리 시에는 용접 양쪽에 충분한 가열 폭을 확보해야 합니다. 실린더의 가열 폭은 실린더 반경 및 벽 두께와 관련이 있으며 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다:
공식에서,
- B는 실린더의 가열 폭(mm)입니다;
- R은 원통 반경(mm)입니다;
- δ는 실린더 벽 두께(mm)입니다.
예를 들어 직경이 1200mm이고 벽 두께가 24mm인 원통형 용접의 경우 용접을 중심으로 한 가열 폭은 위의 공식을 사용하여 계산됩니다. 즉, 이 원통형 용접의 국부 열처리 시 용접부를 중심으로 600m 범위는 지정된 열처리 온도로 가열해야 합니다.
국소 열처리를 위한 일반적인 방법으로는 화염 가열, 적외선 가열, 산업용 주파수 유도 가열 등이 있습니다.
다음과 같은 상황에서는 응력 완화 어닐링 처리를 고려해야 합니다: 고강도 등급의 모재, 균열이 지연되는 경향이 있는 일반적인 저합금강, 저온 조건에서 작동하는 압력 용기 및 기타 용접 구조물, 특히 취성 전이 온도 이하에서 사용되는 것, 피로 강도가 필요한 교대 하중을 받는 부품, 대형 압력 용기, 응력 부식 저항 및 용접 후 치수 안정성이 필요한 용접 구조물입니다.
응력 제거 어닐링은 일반적으로 용광로에서 수행되며, 80% 이상의 잔류 응력을 제거할 수 있습니다. 국소 응력 제거 어닐링은 기본적으로 전체 응력 제거 어닐링과 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.
이 열처리에는 결정 구조의 변화가 수반되지 않습니다.
2. 정규화 또는 정규화 플러스 템퍼링
이 용접 후 열처리는 일반적으로 접합부의 구조와 성능을 개선하기 위해 일렉트로슬래그 용접 구조에 적합합니다.
정규화에는 강철을 Ac 이상으로 가열하는 작업이 포함됩니다.3 두께 1mm당 2분으로 계산된 유지 시간은 30분 이상이며, 용광로에서 나온 후 공기 중에서 냉각합니다. 재결정화 공정이기 때문에 더 미세한 입자 구조를 얻을 수 있고 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다.
노멀라이징 플러스 템퍼링은 노멀라이징 후 템퍼링입니다. 템퍼링의 목적은 노멀라이징의 냉각 과정에서 발생하는 구조적 응력을 제거하여 강철 또는 용접 조인트의 종합적인 성능을 더욱 향상시키는 것입니다.
3. 담금질 및 템퍼링 처리
이 용접 후 열처리는 용접 후 담금질 및 템퍼링 처리가 필요한 담금질 및 템퍼링 강철 또는 기타 용접 구조물에 적합합니다. 담금질 및 템퍼링 후 강철 또는 용접 조인트는 포괄적 인 기계적 특성에서 강도와 인성의 좋은 조합을 얻을 수 있습니다.
담금질은 강철을 임계점 Ac까지 가열하는 것입니다.1 또는 Ac3 에 30~50°C를 더한 후 일정 시간 유지한 다음 물이나 기름으로 급속 냉각하여 고경도 구조를 얻습니다.
용접 후 열처리 시 주의해야 할 사항
용액 처리는 용접 접합부를 1000~1050°C로 가열하여 용접 과정에서 결정립 경계에 침전된 탄화물이 오스테나이트로 재용융되도록 한 다음 급속 냉각하여 오스테나이트 구조를 고정하는 과정을 포함합니다. 안정화 처리에는 용접 접합부를 850~900°C로 가열하고 2시간 동안 유지한 다음 공기 냉각하여 오스테나이트 입자의 크롬이 입자 경계로 점차 확산되어 입자 경계에서 크롬이 고갈된 층을 제거하여 입계 부식에 대한 내성을 개선하는 것이 포함됩니다.
용액 처리와 안정화 처리는 모두 오스테나이트 스테인리스강 용접 조인트의 입계 부식에 대한 내성을 개선하는 데 목적이 있습니다.
용접 후 열처리 시 주의해야 할 사항은 다음과 같습니다.
- 일정량의 V, Ti 또는 Nb가 함유된 저합금강의 경우 약 600°C에서 장시간 유지하면 재료 강도는 증가하는 반면 가소성과 인성은 현저히 감소하는 템퍼 취성이 발생할 수 있으므로 이를 피해야 합니다.
- 용접 후 응력 완화 어닐링은 일반적으로 모재의 템퍼링 온도보다 30~60°C 낮아야 합니다.
- Cr, Mo, V, Ti, Nb와 같은 원소가 포함된 일부 저합금강 용접 구조의 경우 재열 균열을 방지하기 위해 응력 완화 어닐링 중에 주의를 기울여야 합니다.
- 열처리 중에는 구조적 변형을 방지하기 위해 주의를 기울여야 합니다.
표 2-31 ~ 2-34는 일반적으로 사용되는 몇 가지 용접 후 열처리 사양의 주요 파라미터를 보여줍니다.
표 2-31 용접 후 열처리(400°C 이상) 가열 및 냉각 속도
| 두께/mm | 최대 가열 속도/(℃/h) | 최대 냉각 속도/(℃/h) |
| ≤25 | 220 | 275 |
| >25 | 220 x25/두께 | 275×25/두께 |
표 2-32 특정 강종에 대해 용접 후 응력 제거 어닐링이 필요한 두께 범위
| 강철 등급 | 두께 범위/mm | |
| 용접 전 예열되지 않음 | 용접 전 100℃ 이상으로 예열 | |
| 탄소강 | >34 | >38 |
| Q345(16Mn) | >30 | >34 |
| 15MnVR | >28 | >32 |
| 12CrMo | / | >16 |
| 기타 합금강 | / | 모든 두께 |
표 2-33 일부 강종에 대한 용접 후 응력 제거 어닐링 온도
| 강철 등급 | 난방 온도/°C |
| Q235, 20g, 22g, 25, ZG25, Q345(16Mn), 16Mng, 16MnR | 600 ~650 |
| 15MnVg | 550~580 |
| 20MnMo | 600~650 |
| 15CrMo | 680 ~720 |
| 20MnMoNb | 580 ~620 |
| ZG20CrMo | 650 ~680 |
| 12CrlMoV | 710~750 |
| ZG15Cr1Mo1V | 720~760 |
표 2-34 일반적인 저합금강 용접 후 열처리 온도
| 강철 등급 | 플레이트 두께/mm | 용접 후 열처리 온도① | |
| 아크 용접 | 일렉트로슬래그 용접 | ||
| Q345(16Mn) 16MnXt 14MnNb | ≤40 | 600~650℃에서 열처리 또는 응력 완화 어닐링이 필요하지 않습니다. | 900~930℃에서 노멀라이징 600~650℃에서 템퍼링 |
| >40 | |||
| Q390(15MnV) Q390(15MnTi) 14MnMoNb | ≤32 | 560~590℃, 630~650℃에서 열처리 또는 응력 완화 어닐링이 필요하지 않습니다. | 950~980℃에서 노멀라이징 560~590℃ 또는 630~650℃에서 템퍼링 |
| >32 | |||
| 18 MnMoNb 14MnMoV | / | 600~650℃에서 스트레스 완화 어닐링 | 950~980℃에서 노멀라이징 600~650℃에서 템퍼링 |
| 14MnMoNbB | / | 600~630℃에서 응력 완화 어닐링 | 600~630℃에서 템퍼링 |
다양한 용접 구조물의 용접 후 열처리는 관련 제품 제조 기술 조건에 따라 수행해야 합니다.
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