용접에서 수소 산소 질소의 영향




1. 수소의 영향

용접 금속 내에는 일반강재에 비해 수소량이 10³~ 10⁴배로 존재하고 이들 수소는 여러 가지 문제점들을 만들어 낸다.







(1) 수소 취성

철이 수소를 용해하면 취화하여 연성이 저하하고 단면 수축률의 감소 등을 일으켜, 그 기계적 성질을 저하한다. 그러나, 극저온 혹은 급속 부하의 경우에는 수소의 확산 속도가 늦기 때문에 취성이 나타나지 않는 경우도 있다. 용접 금속중의 수소는 시간이 경과(응고가 진행됨)함에 따라 농도가 낮은 쪽으로 확산하여 간다. 용융선상의 HAZ부가 가장 경화도가 높고 수소 취화를 일으키므로 파단 강도는 저하하고 용접부에 가해지는 인장 잔류 응력에 따라 어느 정도의 잠복기간을 거쳐 균열이 일어난다.







Fig. 1 강중의 수소 용해도 (1 atm, H2)




이 수소 취화는 다음과 같은 특성을 보인다.

- 약 -150℃ ~ 150℃사이에서 일어나며, 실온보다 약간 낮은 온도에서 취화의 정도가 제일 현저하다.

- 견고하고 강한 재질일수록 취화의 정도가 현저하다.

- 잠복기간을 거쳐서 용접 균열이 일어난다,




이러한 수소 취성은 전기 도금을 실시한 고장력 강재의 경우에도 심각한 문제를 일으킬 수 있다. 도금 과정에서 침입된 수소에 의해 강재의 파단 강도가 약 1/5정도가 되기도 한다. 아래에 설명될 Under Bead Cracking이나 Root Cracking은 모두 수소 취성의 한 종류로 분류할 수 있다.


(2) Under Bead Cracking







용접 Bead직하의 열 영향부에서 발생하는 균열로 이것은 용접 금속으로부터 확산된 수소가 주요 원인이다. 급냉 상태의 용접 조직에서 수소가 외부로 방출 되지 못하고 모재 쪽으로 향한 수소는 Bond인접부 까지 확산하여 Bond부분에서 수소가 집중하게 된다. 집중된 수소는 수소 취화를 일으키고 내부 응력과의 상호 작용에 의해 균열을 발생시킨다. 이 균열은 열 영향부가 경화된 경우 쉽게 발생하며, 용접부의 Ms점 근방의 냉각 속도에 영향을 크게 받는다. 이와 같은 수소 취성을 방지 하기 위해서는 기본적으로 수소의 방출 시간을 가능한 길게 하고, 수소의 용해량을 작게 하는 것이다. 즉, Arc용접에서 입열을 크게 하여 용융금속의 고온 유지 시간을 길게 함으로서 수소의 방출을 촉진시킬 수 있으며, 수소 균열을 일으킬 수 있는 마르텐사이트 조직의 석출을 저지할 수 있다. 또한 용접 전후에 예열과 후열을 실시하여 같은 효과를 기대한다.




(3) Fish Eye (銀点)







용접부를 파단한 경우 파단면에 Fish Eye상의 점으로 수소가 존재하는 경우에 잘 발생된다. 이것은 수소가 용접 금속내의 공공 및 비금속 개재물 주변에 집중되어 취화를 일으켜 시험편을 파단하면 국부적인 취화 파면으로 관찰 된다. 파단면에 고기의 눈과 같이 원형으로 수소가 집중 (석출)되어 있기 때문에 Fish Eye라고 불린다.




(4) 미소 균열







수소를 만이 함유한 용접금속 내부에는 0.01 ~ 0.1 mm 정도의 미소 균열이 다수 발생하여 용접 금속의 굽힘 강도를 저하시키는 경우가 있다. 이 미소균열은 비 금속 개재물의 주변 및 결정 입계의 열간 미소 균열등에 수소가 집적되어 발생된다. 이로 인해 용착 금속의 연성이 저하되고 피로강도 및 굽힘 강도가 저하 한다.




(5) 선상 조직 (Ice Flow Like Structure)







이것도 수소가 국부적으로 집중하여 존재하는 현상으로 Fish Eye에 비해 가늘고 긴 선상으로 석출하여 용착 금속중의 SiO2 등의 개재물 및 기포 주변에 많이 집중되어 전술한 각 현상과 마찬가지로 용접 금속의 연성을 저하시켜 취성 파괴의 원인이 된다.




2. 질소의 영향




용접 금속 중에 가스가 침입하거나 기타 가공 또는 열처리에 의해서 용접 금속의 기계적 성질 특히 연성이나 인성이 저하하는 현상을 취화라고 한다. 용접 금속 내에 산소는 고용하지 않고 산화물로써 존재 하지만 질소는 질화물로써 존재하는 동시에 고용되어 있어서 이로 인해 다음과 같은 문제점들이 예상될 수 있다..













Fig. 2 강중의 질소 용해도




(1) 석출 경화







강(Steel)을 저온에서 Tempering하면 시간의 경과와 더불어 경도가 증가한다. 이것은 소입할 때 과포화 고용된 질소 및 탄소가 각각 질화물 및 탄화물로 석출되어 경화를 일으키기 때문이다. 산소는 고체 상태의 철에 고용되지 않기 때문에 응고부 석출현상을 일으키지 않지만, 질소의 확산을 조장하여 질화물의 생성을 용이하게 하여 석출 경화를 조장 한다고 보고 되어져 있다.




(2) Quench Aging







강중의 산소, 질소 탄소의 용해도는 저온에서 급격히 감소하기 때문에 약 600℃이상에서 급냉하면 이들의 원소가 과포화 상태에서 서서히 석출하는 현상을 일으킨다. 이것이 담금질 시효 (Quench Aging)이다.




(3) Strain Aging







냉간 가공된 강을 실온에서 장시간 방치하거나 저온에서 가열(Tempering)하면 시간의 증가와 함께 경도가 증가하고 신율 및 충격치가 저하하는 현상이다.

냉간 가공의 Slip으로 전위가 증가한 곳에 산소나 질소가 집적되어 전위 이동을 방해한다. 냉간 가공 후 일어나는 시효 현상을 변형 시효 (Strain Aging)라고 한다. 질소의 증가와 더불어 충격값의 저하율은 증가하고 동일한 질소량에서 탄소량의 증가에 따라 충격값의 저하율은 감소한다. 산소도 Strain Aging을 조장하지만 그 영향은 질소 보다 적다

용접 금속이 급냉 되면 내부 응력 (변형)이 남게 되고 또한 질소, 산소량이 많으면 용접 금속은 냉간 가공이 없어도 Strain Aging 을 일으키는 경우가 많다. 이 현상은 냉간 가공에 의해 격자 결함이 증가되고 질소가 많이 고용되면 이것이 전위 주변에 차차 모여 들어 전위의 이동을 방해하기 때문에 시간의 경과와 더불어 강의 경도는 증가한다.




(4) 청열 취성 (Blue Shortness)







200 ~ 300℃범위에서 저 탄소강을 인장 시험하면 인장 강도는 증가한다. 연성이 저하하는 경우를 청열 취성 이라고 한다. 이 현상은 변형 시효와 같은 이유에 의해서 일어난다고 생각된다. 청열 취성의 주요 요인은 질소이며 산소는 이것을 조장하는 작용을 한다. 또 탄소도 다소 영향이 있다. Al, Ti등 질화물을 형성하는 원소를 첨가하면 청열 취성은 나타나지 않는다. Mn, Si등도 효과가 있다. 취화가 일어나기 시작하는 온도도 질소량이 많으면 저하한다.




(5) 저온 취성







실온 이하의 저온에서 취약한 성질을 나타내는 현상을 말한다.

저온 취성은 산소 및 질소가 현저한 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

용접 금속은 통상 산소나 질소가 강재 보다 많고 또 주조 조직이 있는 등의 원인으로 일반적으로 Notch 취성이 높다. 이러한 이유로 탈산이 불충분한 Rimmed강에서 천이 온도가 일반적으로 높고 Killed강은 비교적 낮다.

Al, Ti등 강력한 탈산 및 탈 질소 성분을 포함한 강에서 천이 온도는 매우 낮다.

천이 온도는 결정 입도에도 영향을 받아 강력 탈산 및 탈 질소 처리에 의해 결정핵이 증가하며, 미세 화합물이 결정 내부와 입계에 존재하여 조립화를 방지하기 때문에 천이 온도는 일반적으로 낮다.

저온 취성을 예방하기 위한 방법으로는 저 수소계 용접봉을 사용하여 수소의 발생원인을 최소화 하고, 용접 금속의 성분이나 용착 방법 조정으로 개선할 수 있다.




(6) 뜨임 취성 (Temper Embrittlement)







용접 구조물은 용접후 응력을 제거하기 위하여 변태점 이하에서 Annealing을 하고 있다.

그러나, 어떤 합금 원소를 함유한 용접 금속은 응력 제거를 위한 Annealing 열처리로 경도가 증가하고 신율 및 Notch 인성이 현저히 저하되는 현상이 있다. 이렇게 강을 Annealing 하거나 900℃전후에서 Tempering하는 과정에서 충격 값이 저하되는 현상을 뜨임 취성이라고 한다.

뜨임 취성은 Mn, Cr, Ni V등을 품고 있는 합금계의 용접 금속에서 많이 발생한다. 이 취성의 원인은 결정입의 성장과 결정입계에 석출한 합금 성분 때문이다. 산소, 질소가 많으면 결정입이 성장하기 쉽고, 탄소가 많으면 합금 성분의 석출이 현저하게 되기 때문에 뜨임 취성을 방지하기 위해 이들 원소의 함량을 가능한 저하시키는 것이 좋다. 고강도 합금계의 다층 육성 용접 금속에서 앞의 용접층이 뒷층의 용접으로 뜨임 취화를 받는 경우도 있다.




(7) 적열 취성 (Hot shortness)







불순물이 많은 강은 열간 가공 중 900 ~ 1200℃온도 범위에서 적열 취성을 나타낸다. 이 취성의 주요 원인으로는 저 융점의 FeS의 형성에 기인된다고 볼 수 있지만 산소가 존재하면 강에 대한 FeS의 용해도가 감소하기 때문에 산소도 이 취화의 한 원인으로 볼 수 있다. Mn을 첨가 하면 MnS 및 MnC를 형성하여 이 취성을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.







3. 산소의 영향




산소는 1500℃ 이상의 고온에서만 용해하고 그 용해도가 다른 원소에 비해 매우 크다. 용융철과의 반응은 피복제의 염기도, 용접봉의 탈산제 함유량 및 합금원소의 종류에 의해 크게 좌우되며, 용접봉 직경, 용접 조건등에도 영향을 받는다. 용융철 중에 산소와의 친화력이 Fe보다 큰 원소를 첨가하면 용강중의 산소와 결합하여 탈산 산화물이 생기며 이 반응이 탈산 작용이다.

용접시에는 대기중으로 부터 용융금속으로 산소가 침투하여 각종 원소를 산화하여 소모 시킨다. 또한 응고시에는 CO2기체로 되어 기공을 생성시킨다. 더욱이 응고시에는 용접 금속의 기계적 성질을 약화시키기 때문에 용접금속 중에서의 탈산은 매우 중요한 문제이다.

용강중의 산소 함유량(O %)은 용융Slag 중의 FeO 함유량 (FeO%)에 거의 비례한다. 이론적으로 산소함유량은 용융강 중의 원소량, 용융Slag의 염기도, 용융Slag중의 탈산생성물의 함유량에 따라 좌우된다. Titania계와 저수소계를 비교할 때 저수소계의 산소 함유량이 적은 것은 Slag의 염기도가 크기 때문이다.













Fig. 3 용융철 중의 산소 용해도




자료제공:LG 건설 기술사 이진희