용접 후 열처리, PWHT

용접 후 열처리, PWHT

 

 

안녕하세요. 스칸디대디 엔지니어입니다.

 

 

개발 업무를 진행하다보면 다양한 용접을 접하게 됩니다. 사용하는 재료의 특성이나 경제적인 비용 문제 등을 고려하여 용접 방법을 결정하게 됩니다. 일반적으로 용접을 한 후에는 재질의 특성이 변하기도 하고, 잔류 응력 등을 내포하고 있어 후작업에서 개발자가 원하는 방향대로 작업이 되지 않을 때가 많이 있습니다.

 

이번 포스팅을 통해 저와 같은 시행착오를 하지 마셨으면 합니다.

(시간은 시간대로 보내고, 비용은 비용대로 쓰고, 욕은 욕대로 먹고 ㅠㅠ)

 

 

1. 용접 후 열처리(PWHT)란?

용접 후 열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment)는 용접 후 용접부의 미세조직과 기계적 성질을 개선하기 위해 가열 및 냉각하는 공정이며, 다르게는 응력 완화(SR, Stress Relif)라고도 합니다.

용접은 금속을 용융시켜 접합하는 공정으로, 이 과정에서 높은 열이 발생하여 용접부와 열 영향부(HAZ, Heat Affected Zone)에 잔류응력(열응력)이 발생하고 조직의 경화가 이루어지게 됩니다. 잔류응력은 재료의 성질을 저하시키고, 피로균열, 응력 부식, 탈락, 기계적 파괴 등의 원인이 될 수 있습니다. 또한, 용접으로 인해 모재의 조직이 경화되어 취성이 증가하게 되는데 이 경우 기계적 성질이 저하됩니다.

 

용접 후 열처리를 통해 이러한 문제를 해결할 수 있습니다. 용접 후 열처리를 하면 잔류응력이 감소하고, 경화된 조직이 미세화되어 기계적 성질이 개선됩니다. 또한, 용접 후 열처리를 하면 용접부의 미세조직이 모재의 조직과 유사해져서 용접부의 강도와 내구성이 향상됩니다.

용접 후 응력분포

 

2. 용접 후 열처리의 목적

용접 후 열처리의 목적은 다음과 같습니다.

- 잔류응력 제거 : 용접으로 인해 발생한 잔류응력을 제거하여 피로균열, 탈락, 기계적 파괴 등의 위험을 감소시킵니다.

- 경화된 조직의 연화 : 용접으로 인해 경화된 조직을 연화하여 기계적 성질을 개선시킵니다.

- 용접부의 조직 개선 : 용접부의 미세조직을 모재의 조직과 유사하게 만들어서 용접부의 강도와 내구성을 향상시킵니다.

 

3. 용접 후 열처리의 종류

용접 후 열처리의 종류는 다음과 같습니다.

- 풀림처리 : 용접부를 변태점 이상의 온도로 가열한 후 공기 중에서 냉각하는 열처리 방법입니다.

- 응력제거처리 : 용접부를 변태점 이하의 온도로 가열한 후 공기 중에서 냉각하는 열처리 방법입니다.

- 고온균열방지처리 : 용접부를 고온에서 가열한 후 급냉하는 열처리 방법입니다.

- 탄소함량조절처리 : 용접부를 탄소 함량이 낮은 분위기에서 가열하는 열처리 방법입니다.

 

4. 용접 후 열처리의 수행 방법

용접 후 열처리는 용접 재료의 종류, 용접 방법, 용접부의 크기 및 형상 등에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다. 일반적으로 용접 후 열처리는 다음과 같은 방법으로 수행됩니다.

- 노내 PWHT : 온도는 가열부를 대상으로 하여 열전대를 이용하여 계측하는 것이 원칙이나 노내 온도에서 가열부 각부의 온도를 추정할 수 있을때는 이 방법이 인정되는 경우도 있습니다.

- 국부가열 PWHT : 가열방법에는 전기저항가열, 전기 유도가열, 버너가열, 화학반응에 의한 발열체 등 시공대상이나 시공 장소등의 조건에 따라 결정됩니다.

- 현지 전체 PWHT : 내부가열 PWHT라고 하며, 대형 탱크와 같이 노내 PWHT가 불가능한 구조물은 현지 전체 PWHT가 적용됩니다.

용접 후 열처리 수행 방법(上:노내 PWHT, 下:국부가열 PWHT(Ceramic Heat Pad))

 

용접 후 열처리에 대한 자세한 문헌은 ASTM(ASME SEC.IX QW-407.1) 에서 찾을 수 있습니다. 해당 내용을 자세히 다루면 그 포스팅이 길어지게 되고, 깊어지게 되니 필요하신 분들만 규격을 찾아보시길 권합니다. (제가 협력사 담당자들과 얘기하는 수준도 이정도이며, 더 깊이 들어가면 모르는 내용입니다. ㅠㅠ)

또한 규정 상 열처리를 해야하는 상황도 있고 예외되는 상황도 있으니 참고하시면 좋을 듯 합니다.

 

일반적으로 많이 사용하는 탄소강의 PWHT 온도는 720℃ 전후이며, 합급강은 810℃ 전후입니다. PWHT 이후 여러 사유로 급냉을 하면 다시 재료들이 응력을 받게 되므로 반드시 서냉을 하도록 해야 합니다.