용접 후 열처리에 대한 진실: 장단점

용접 잔류 응력은 용접 부품의 불균일한 온도 분포, 용접 금속의 열팽창 및 수축 등으로 인해 발생하므로 용접 시공을 동반하면 필연적으로 잔류 응력이 발생하게 됩니다.

잔류 응력을 제거하는 가장 일반적인 방법은 고온 템퍼링, 즉 용접 부품을 특정 온도로 가열하고 열처리 용광로에서 일정 시간 동안 유지하는 것입니다.

고온에서 재료의 항복 한계를 줄임으로써 내부 응력이 높은 영역에서 소성 흐름이 발생하고 탄성 변형이 점차 감소하며 소성 변형이 점차 증가하여 응력이 감소합니다.

1. 열처리 방법 선택

용접 후 열처리가 금속의 인장 강도 및 크리프 한계에 미치는 영향은 열처리의 온도 및 유지 시간과 관련이 있습니다. 열처리 후 용접 금속의 충격 인성은 강종에 따라 달라집니다.

일반적으로 용접 후 열처리에는 단일 고온 템퍼링 또는 노멀라이징 플러스 고온 템퍼링이 선택됩니다. 가스 용접 조인트의 경우, 용접부의 입자 및 열 영향 구역 의 가스 용접은 거칠기 때문에 정규화를 통해 다듬어야 합니다.

그러나 한 번의 정상화 치료로 다음을 제거할 수는 없습니다. 잔류 스트레스따라서 응력을 제거하려면 고온 템퍼링이 필요합니다. 단일 중간 템퍼링은 잔류 응력을 부분적으로 제거하고 수소를 제거하기 위한 목적으로 건설 현장에서 대형 일반 저탄소 강철 용기의 조립 용접에만 적합합니다.

대부분의 경우 단일 고온 템퍼링이 선택됩니다. 열처리 중 가열 및 냉각 속도가 너무 빠르지 않아야 하며 내벽과 외벽이 모두 균일하게 가열되어야 합니다.

2. 압력 용기에 사용되는 열처리 방법

압력 용기에 사용되는 열처리 방법에는 기계적 특성을 개선하기 위한 열처리와 용접 후 열처리(PWHT)의 두 가지 유형이 있습니다.

일반적으로 PWHT는 공작물을 용접한 후 용접 부위 또는 용접된 부품에 열처리를 하는 것을 말합니다.

구체적인 콘텐츠에는 스트레스 해소가 포함됩니다. 어닐링완전 어닐링, 고용체 처리, 정규화, 정규화 플러스 템퍼링, 템퍼링, 저온 스트레스 완화, 침전 처리 등입니다.

좁게 보면 PWHT는 용접 영역의 성능을 개선하고 잔류 용접 응력의 유해한 영향을 제거하기 위해 용접 영역과 관련 부품을 금속 상전이 온도 이하로 균일하고 충분히 가열한 다음 균일하게 냉각하는 응력 제거 어닐링만을 의미합니다.

대부분의 경우 PWHT에 대해 논의되는 열처리는 용접 후 응력 완화 어닐링이 기본입니다.

3. 용접 후 열처리의 목적

(1) 휴식 용접 잔류 응력.

(2) 구조의 모양과 크기를 안정화하고 왜곡을 줄입니다.

(3) 비금속의 성능을 개선하고 용접 조인트를 포함합니다:

• a. 용접 금속의 가소성을 개선합니다.
• b. 열 영향을 받는 영역의 경도를 낮춥니다.
• c. 골절 인성 향상.
• d. 개선 피로 강도.
• e. 복원 또는 개선 항복 강도 콜드 성형 중에 감소합니다.

(4) 응력 부식에 대한 내성을 개선합니다.

(5) 용접 금속에서 유해 가스, 특히 수소를 추가로 방출하여 균열 지연을 방지합니다.

4. PWHT의 필요성 평가

압력 용기에 용접 후 열처리가 필요한지 여부는 설계에 명확하게 명시되어야 하며, 현재 압력 용기 설계 표준에는 이에 대한 요구 사항이 있습니다.

압력 용기의 용접 부위에는 상당한 잔류 응력이 존재하며, 잔류 응력의 악영향은 특정 조건에서만 나타납니다. 잔류 응력이 용접부의 수소와 결합하면 열 영향을 받는 부위가 경화되어 냉간 균열이 발생하고 균열이 지연될 수 있습니다.

용접부에 존재하는 정적 응력 또는 작동 중 동적 하중 응력이 매체의 부식과 결합하여 응력 부식 균열(SCC)을 일으킬 수 있습니다.

용접으로 인한 잔류 용접 응력과 마르텐사이트 경화는 응력 부식 균열 발생의 중요한 요인입니다.

연구 결과에 따르면 금속 재료에 대한 변형 및 잔류 응력의 주된 영향은 균일 부식을 국부 부식, 즉 입계 또는 입계 부식으로 변환하는 것입니다. 물론 부식 균열과 입계 부식은 모두 특정 금속에 대해 특정 특성을 가진 매체에서 발생합니다.

잔류 응력이 있는 경우 부식성 매체의 구성, 농도, 온도, 모재와 용접 부위 간의 구성, 구조, 표면 상태, 응력 상태의 차이에 따라 부식 손상의 특성이 달라질 수 있습니다.

용접 압력 용기에 용접 후 열처리가 필요한지 여부는 용기의 용도 및 크기(특히 벽 패널의 두께), 사용된 재료의 성능 및 작업 조건을 고려하여 결정해야 합니다. 다음 상황 중 하나라도 발생하면 용접 후 열처리를 고려해야 합니다:

• 저온에서 부서지기 쉬운 파손 위험이 있는 용기, 벽이 두껍고 하중을 번갈아 가며 받는 용기 등 열악한 조건에서 작업하는 용기.
• 보일러, 석유화학 압력용기 등 두께가 일정 한도를 초과하는 용접 압력용기는 전용 규정 및 표준이 있습니다.
• 치수 안정성에 대한 요구 사항이 높은 압력 용기.
• 경화 경향이 큰 강철로 만든 용기.
• 응력 부식 균열의 위험이 있는 압력 용기.
• 전용 규정, 사양 및 도면이 있는 기타 압력 용기.

항복점에 도달하는 잔류 응력이 항복점 부근에 형성됩니다. 용접 솔기 강철 용접 압력 용기에서. 이 응력의 발생은 오스테나이트 함유 구조의 변형과 관련이 있습니다.

많은 연구자들은 650°C에서 템퍼링 공정을 통해 강철 용접 압력 용기의 용접 후 잔류 응력을 효과적으로 제거할 수 있다고 지적했습니다.

동시에 적절한 용접 후 열처리 없이는 부식에 강한 용접 조인트를 얻을 수 없다고 믿어집니다.

일반적으로 응력 완화 열처리는 용접된 공작물을 500~650°C까지 가열한 후 천천히 냉각하는 공정을 말합니다. 응력 감소는 탄소강의 경우 450°C, 몰리브덴 함유 강철의 경우 550°C에서 시작되는 고온에서의 크립으로 인해 발생합니다.

온도가 높을수록 응력을 더 쉽게 제거할 수 있습니다. 그러나 강철의 원래 템퍼링 온도를 초과하면 강철의 강도가 감소합니다. 따라서 응력 제거 열처리에서는 온도와 시간을 모두 제어할 필요가 있습니다.

그러나 내부 스트레스 용접부의 인장 응력과 압축 응력은 항상 공존하며 응력과 탄성 변형이 동시에 존재합니다.

강철의 온도가 상승하면 항복 강도가 감소하고 원래의 탄성 변형이 소성 변형이 되어 응력 이완이 발생합니다.

가열 온도가 높을수록 내부 응력을 더 완벽하게 제거할 수 있습니다. 그러나 온도가 너무 높으면 강철 표면이 심각하게 산화됩니다.

또한 PWHT 온도의 경우 담금질 및 템퍼링 강철의 경우, 일반적으로 강철의 원래 템퍼링 온도보다 약 30도 낮은 온도를 초과하지 않는 것이 원칙입니다.

그렇지 않으면 재료가 담금질 효과를 잃고 강도와 파괴 인성이 감소합니다. 이 점은 열처리 작업자가 특별히 주의해야 합니다.

응력 완화를 위한 용접 후 열처리 온도가 높을수록 강철의 연화 정도가 커지고 일반적으로 강철의 재결정 온도까지 가열되어 내부 응력이 제거될 수 있습니다. 재결정 온도는 용융 온도와 밀접한 관련이 있습니다.

일반적으로 재결정 온도 K = 용융 온도(K)의 0.4배입니다. 열처리 온도가 재결정 온도에 가까울수록 잔류 응력 완화 효과가 더 높습니다.

4. 전반적인 PWHT 효과에 대한 고려 사항

용접 후 열처리가 항상 유리한 것은 아닙니다. 일반적으로 용접 후 열처리는 잔류 응력을 완화하는 데 유리하며 응력 부식에 대한 엄격한 요구 사항이 필요한 경우에만 수행됩니다.

그러나 시편의 충격 인성 시험 결과 용접 후 열처리는 용접 금속 및 열 영향 영역의 인성 향상에 해롭고 때로는 열 영향 영역의 입자 거칠기 범위 내에서 입자 간 균열이 발생할 수 있음을 보여줍니다.

또한 PWHT는 고온에서 재료 강도의 감소에 의존하여 응력 완화를 달성합니다. 따라서 PWHT 중에는 구조물의 강성이 떨어질 수 있습니다.

전체 또는 부분 PWHT를 채택하는 구조물의 경우, 열처리 전에 고온에서 용접 조인트의 지지력을 고려해야 합니다.

따라서 용접 후 열처리 여부를 고려할 때는 열처리의 장점과 단점을 종합적으로 비교해야 합니다.

구조적 성능의 관점에서 보면 성능을 향상시킬 수 있는 측면과 성능을 저하시킬 수 있는 측면이 모두 존재합니다. 두 가지 측면을 종합적으로 고려하여 합리적인 판단을 내려야 합니다.