용접 후 열처리 및 응력 완화

용접 후 열처리(PWHT)는 강철 부품의 내부 응력을 줄이고 강도를 강화하며 재료의 균열과 취성 파손을 방지하는 데 사용되는 중요한 공정입니다.

PWHT(압력 세척 가열 및 토칭)는 재료를 임계 변형 온도 이하로 가열한 후 특정 시간 동안 균일하게 냉각하는 방식입니다. 원하는 결과를 얻기 위해 다양한 PWHT 온도와 담금 시간을 활용할 수 있습니다.

내부 스트레스 감소

용접은 소재에 높은 내부 응력을 발생시켜 파괴 인성 특성을 저하시키고 응력 부식 균열(SCC)에 대한 취약성을 증가시킬 수 있습니다. PWHT는 이러한 잔류 응력을 줄이기 위한 효율적인 열처리 공정으로, 용접 부위를 변형 범위 이하로 가열한 후 천천히 냉각하여 내부 응력을 줄이는 동시에 용접 접합부의 기계적 특성을 개선합니다.

용접 후 열처리(PWHT)는 일반적으로 특정 임계값을 초과하는 두께의 압력 장비에 대해 규정에 의해 요구되며 탱크, 용기 및 배관과 같은 구조 구성 요소를 보호하는 데에도 사용됩니다. 프로젝트에 PWHT가 필요한지 여부를 결정할 때는 재료 유형, 온도 요구 사항, 담금 시간 등 다양한 요소를 고려하여 결정해야 합니다.

PWHT는 치수 허용 오차를 복원하고 고르지 않은 가열 및 냉각 조건으로 인한 왜곡을 최소화하기 위해 종종 사용됩니다. 용접 금속은 주변 모재와 다른 속도로 냉각될 수 있으므로 왜곡을 최소화하기 위해 응력을 완화해야 하는 불균일하게 분산된 응력이 발생할 수 있습니다. 응력 완화는 이러한 응력을 제거하고 재분배하여 왜곡을 최소화하는 데 도움을 줍니다.

PWHT는 또한 수소 유발 균열(HIC)을 줄일 수 있습니다. HIC는 연성 금속이 산성 환경에서 인장 응력에 노출되어 스트레스를 받을 때 발생하며, 진단과 치료가 어렵습니다. PWHT는 SCC의 원인이 되는 인장 응력을 완화하여 HIC 발생률을 낮추는 데 도움이 될 수 있습니다.

경도 감소

용접은 재료에 응력 부식 및 수소 유발 균열로 이어지는 내부 응력을 유발할 수 있으며, 이러한 위험을 해결하기 위해 용접 후 열처리(PWHT) 공정이 종종 사용됩니다. PWHT는 재료를 장시간 가열한 후 서서히 다시 냉각하는 방식으로 작동하며, 경도를 낮춰 용접사가 더 쉽게 작업할 수 있도록 도와줍니다.

온도와 시간은 용접되는 재료, 사용되는 용접 프로세스, 원하는 결과에 따라 달라집니다. 효과적인 PWHT를 위해서는 적절한 장비와 시설을 활용하고, 적절한 온도에서 적절한 시간 동안 가열하고, 그에 따라 냉각 속도를 제어하는 것이 필수적입니다.

PWHT 절차가 잘못되거나 부주의하면 잔류 응력이 하중 응력과 결합하여 재료 설계 한계를 초과하여 용접 실패, 균열 가능성 증가 및 취성 파괴의 취약성을 초래할 수 있습니다. 이는 궁극적으로 용접 실패를 초래할 수 있습니다.

PWHT는 이러한 문제를 완화하는 데 도움이 될 수 있으며, 그 과정에서 여러 가지 이점을 제공합니다. 예를 들어, 금속의 경도를 낮추어 작업하기 쉽게 만들 수 있습니다. 또한 PWHT는 특정 용접 공정에서 수소로 인한 균열을 유발할 수 있는 흡수된 수소를 제거하여 수소로 인한 균열을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

힘 증가

응력 완화는 용접 후 강철 부품의 내부 응력을 완화하는 효과적인 방법으로 종종 규정에 의해 의무화되어 있습니다. 응력 완화는 동적 하중 조건에서 균열을 방지하면서 강도를 향상시키는 데 도움이 되며, 나아가 용접부의 연성 및 인성 특성을 유지할 수 있게 해줍니다.

이 공정은 용접 부위를 일정 온도까지 가열한 후 냉각하는 방식으로 응력을 줄이고 금속 전체에 고르게 재분배하여 경도와 연성을 향상시켜 피로 저항성을 높이고 특정 등급의 강철에서 수소로 인한 균열을 완화하는 데 도움이 됩니다.

처리되는 재료와 용접의 유형에 따라 어닐링, 템퍼링, 담금질, 정규화 등 다양한 열처리 방법을 적용할 수 있습니다. 각 방법에는 고유한 장단점이 있으므로 적절한 방법을 사용하고 권장 시간/온도 매개변수를 준수하는 것이 중요합니다.

잔류 응력 완화 역학에 대한 연구는 예상보다 해석이 어렵고 종종 이해할 수 없는 혼합된 결과를 낳았습니다. 항복 강도와 영 계수의 변화로 입증된 소성 변형이 응력 완화에 어떤 역할을 하는지는 아직 불분명하며, 현재로서는 원하는 결과를 얻기 위한 PWHT 온도와 유지 시간 간의 정량적 관계도 존재하지 않습니다.

피로 균열 감소

용접으로 인한 응력은 부품의 장기적인 성능을 저하시키고 피로 균열을 유발할 수 있지만 응력 완화는 용접으로 인한 응력을 제거하고 주기적인 하중 하에서 부품의 피로 파괴에 대한 저항력을 높여 이러한 불안감을 완화할 수 있습니다. 또한 응력 완화는 재료의 템퍼링 침전 또는 노화 과정을 가능하게 하여 잠재적으로 연성을 개선하는 동시에 취성 파괴의 위험을 줄일 수 있습니다.

PWHT는 부품을 변형 온도 이상으로 일정 시간 동안 가열합니다. 이렇게 하면 내부 응력이 완화되는 온도 구배가 생성되어 응력 부식과 수소 유발 균열을 방지하는 동시에 사용 중 하중에 대한 용접 민감도를 낮추는 데 도움이 됩니다. 용접 또는 주조 공정 중에 특별한 고려가 필요한 치수 공차가 엄격하고 임계 하중이 있는 복잡한 제작물이나 주조물을 작업할 때 PWHT가 필요할 수 있습니다.

연구에 따르면 균일한 PWHT는 특정 용접물에 상당한 잔류 응력 완화를 가져올 수 있으며, 재료 특성, 형상 및 용접물의 크기와 같은 다양한 요인에 따라 차이가 있습니다. 용광로 기반의 균일한 PWHT 공정에서는 소성 변형보다 크리프 변형이 훨씬 더 큰 역할을 하며, 대부분의 크리프 변형은 PWHT 홀드 시간을 시작하기 전에 발생하므로 PWHT 홀드 시간이 짧아도 긴 경우와 유사한 응력 완화 효과를 얻을 수 없습니다.