HAZ(열 영향부)란 무엇이며 중요한 이유 - 지식

금속을 용접할 때마다 두 조각을 융합하는 데 필요한 열로 인해 용접 주변의 금속이 - 육안으로 보이지 않는 방식으로 변하는 경우가 많습니다. 변경된 영역을열 영향부(HAZ). HAZ를 이해하는 것은 단순한 학술 활동이 아닙니다. 이는 스테인리스강 및 니켈 합금 부품의 오래 지속되고 안정적인 성능을 요구하는 모든 엔지니어, 제작업체 또는 구매자에게 실질적인 필수품입니다.{1}}

What Is HAZ Heat Affected Zone and Why It Matters

석유 및 가스 분야의 압력 용기를 설계하든, 제약{0}}등급 배관을 제작하든, 아니면 단순히 용접 접합부가 작동하지 않는 이유를 이해하려고 하든 HAZ는 거의 항상 이야기의 일부입니다.

주요 통찰: 열 영향부는 녹지 않습니다. 융점에 도달하지 않고 열에 의해 영구적으로 변경되는 용접부에 인접한 영역입니다. 이러한 미묘한 미세 구조 변화는 내식성, 인성 및 기계적 강도를 크게 감소시킬 수 있습니다.

정의:열 영향부(HAZ)는 용융되지 않았지만 용접 공정 중 발생하는 열로 인해 미세 구조 변화가 발생한 용접부에 바로 인접한 모재 영역입니다. 이러한 변화는 금속이 빠르고 제어되지 않는 열 주기 - 가열 후 급속 냉각 -을 겪어 결정 구조, 상 구성 및 화학적 분포를 변경하기 때문에 발생합니다.

용접 금속(실제로 녹았다가 재응고된 부분)과 달리 HAZ는 공정 전반에 걸쳐 고체 상태를 유지합니다. 그러나 약 200도에서 융점 - 바로 아래까지 범위를 가질 수 있는 이 영역 -에 도달하는 온도는 다양한 야금학적 변형을 유발하기에 충분합니다.

세 가지 뚜렷한 용접 영역

모든 용접 조인트는 실제로 세 가지 영역으로 구성되며 각 영역은 서로 다른 특성을 갖습니다.

용접 금속(WM): 녹았다가 재{0}}응고된 영역입니다. 이는 주조-와 같은 미세 구조를 가지며 주로 충전재 구성에 따라 결정됩니다.

열 영향부(HAZ): 열 순환이 발생한 용접부에 인접한 고체 영역입니다. 미세구조는 변경되었으나 녹지는 않았습니다. 이것은 야금학적으로 가장 복잡하고 흔히 가장 약한 연결고리입니다.

모재(BM): 용접부에서 멀리 떨어진 영향을 받지 않은 모재로 원래의 미세 구조와 특성을 유지합니다.

뜨거운 팬 옆에 얼음 조각을 놓는 것을 상상해보십시오. 팬에 가장 가까운 얼음이 먼저 녹고, 멀리 있는 얼음만 부드러워집니다. 금속은 용접 중에 유사한 방식으로 작용합니다. - 아크에 가장 가까운 금속은 녹고, 아크 바로 너머의 금속은 매우 뜨거워지지만 단단하게 유지됩니다.

HAZ는 열 전도성으로 인해 열이 용접 풀에서 주변 모재로 바깥쪽으로 흘러가기 때문에 형성됩니다. 이 열이 금속을 통해 이동함에 따라 서로 다른 온도대가 동시에 발생합니다. 각 온도대는 합금 구성에 따라 다양한 금속 반응을 유발합니다.

How Does the HAZ Form

열주기

HAZ의 열주기에는 4가지 중요한 단계가 있습니다.

급속 가열: 주변 온도에서 최고 수준까지 몇 초 내에 온도가 상승합니다.

최고 온도 고원: 최고 온도가 잠시 유지됩니다. 용접부에 가까울수록 피크가 높아집니다.

급속 냉각: 열이 모재와 주변 환경으로 분산됩니다.

반복 사이클링(다중-패스 용접): 각 후속 용접 패스는 재가열되고 이전 패스의 HAZ를 다시 변환합니다.-

최고 온도, 온도 도달 시간 및 냉각 속도의 조합에 따라 HAZ -의 미세 구조가 결정되고 그에 따른 기계적 특성과 부식 특성이 결정됩니다.

모든 금속이 HAZ 열에 동일한 방식으로 반응하는 것은 아닙니다. 내식성과 고온 강도로 유명한 스테인리스강과 니켈 합금은 HAZ-로 인한 열화에 특히 민감합니다. 이유는 다음과 같습니다.

HAZ in Stainless Steel and Nickel Alloys

오스테나이트계 스테인리스강

오스테나이트 등급전 세계적으로 가장 널리 사용되는 스테인리스강입니다. 그러나 HAZ 현상에 매우 취약합니다.감작. 오스테나이트 강철을 425도 –870도 온도 범위로 가열하면 - 종종감작 범위-크롬 탄화물(Cr²₃C₆)은 결정립계에 침전됩니다.

이러한 크롬 침전은 인접한 보호 크롬 함량 영역(임계 10.5% 임계값 미만)을 고갈시켜 결정립 경계를 다음에 취약하게 만듭니다.입계 부식(IGC). 그 결과 표면은 완벽하게 괜찮아 보이지만 부식성 환경에 노출되면 입자 경계를 따라 분해될 수 있는 재료가 탄생했습니다.

실제-세계적 결과: 화학 공장의 316L 스테인리스강 파이프 용접은 용접 후처리가 적절하게 이루어지지 않으면 사용 후 몇 달 내에 HAZ를 따라 입계 부식이 발생하여 심각한 누출로 이어질 수 있습니다.

듀플렉스 스테인레스 스틸

이중 등급오스테나이트와 페라이트의 균형 잡힌 50/50 미세 구조를 갖도록 설계되었습니다. HAZ 열 입력은 이러한 균형을 깨뜨려 과도한 페라이트 형성 또는 해로운 금속간 상 -의 침전을 일으킬 수 있습니다.시그마 위상(σ)- 인성과 내식성을 대폭 감소시킵니다.

니켈 합금

니켈 합금극한 환경 - 고온, 공격적인 화학 물질 및 까다로운 기계적 부하를 위해 설계되었습니다. HAZ에서 주요 위험은 다음과 같습니다.

고온에서 입자가 성장하여 항복 강도와 피로 저항이 감소합니다.

결정립계에 Laves 상(Inconel 625) 또는 탄화물 상이 석출되어 연성이 손상됩니다.

특히 염화물-함유 환경에서 응력 부식 균열(SCC) 민감성.

표 1: 재료별 HAZ 온도 구역 및 주요 위험

재료	최고 온도 범위(도)	위험 폭(mm)	주요 위험
304/316 오스테나이트계 SS	800 – 1,450	2 – 8	감작, IGC
듀플렉스 2205 SS	800 – 1,400	1 – 5	위상 불균형, 시그마 위상
인코넬 625(Ni 합금)	900 – 1,350	1 – 6	라베스 상 강수
Hastelloy C-276 (Ni 합금)	850 – 1,300	1 – 5	입자 성장, 탄화물 석출
17-4 PH 스테인레스 스틸	700 – 1,400	2 – 7	과도한-노화, 경도 변화
탄소강 (A36)	700 – 1,500	3 – 12	마르텐사이트, 냉간 균열

최고 HAZ 온도는 열 입력, 용접 공정(TIG, MIG, SAW) 및 비금속 열전도율에 따라 다릅니다. 데이터는 아크 용접 공정의 일반적인 범위를 나타냅니다.

통제되지 않거나 제대로 관리되지 않는 HAZ의 결과는 용접 작업 현장을 훨씬 뛰어넘습니다. 이는 조기 장비 고장, 안전 사고, 비용이 많이 드는 수리 및 규정 위반으로 나타납니다.-

부식 저항성에 미치는 영향

내식성은 일반적으로 엔지니어가 스테인리스강이나 니켈 합금을 지정하는 주된 이유입니다. HAZ-로 인한 민감화는 오스테나이트계 스테인리스강의 효과적인 내식성을 몇 배나 감소시킬 수 있습니다. 염화물, 산 또는 고온 증기-와 같은 공격적인 매체-에서 이러한 감소는 예상되는 수십 년이 아닌 몇 주 만에 고장을 일으킬 수 있습니다.

기계적 특성에 미치는 영향

HAZ 열 순환은 주요 기계적 특성을 변경합니다. 일부 영역에서는 경도가 증가할 수 있지만(특정 등급의 마르텐사이트 형성으로 인해) 다른 영역에서는 경도가 감소할 수 있습니다(-석출의 과도한 노화-경화 합금으로 인해). 인성 - 충격 에너지를 흡수하는 능력 -은 대부분의 합금의 HAZ에서 지속적으로 감소합니다.

표 2: HAZ 대 비금속의 기계적 특성 변화(오스테나이트계 SS - 대표 데이터)

재산	비금속	HAZ(일반)	변화 (%)
인장강도(MPa)	520 – 720	480 – 680	-5~-10%
항복강도(MPa)	210 – 450	190 – 420	-5~-15%
경도(HV)	150 – 230	160 – 290*	+5 ~ +25%*
충격인성(J)	80 – 200	40 – 150	-20~-50%
부식 저항	훌륭한	축소(현지화)	합금에 따라 다름
연성(%EL)	30 – 55%	20 – 45%	-15~-25%

융합선에 인접한 국부적인 하위{0}}영역에서는 경도가 증가할 수 있습니다. 데이터 범위는 표준 열 입력에서 GTAW(TIG) 용접 오스테나이트 스테인리스강을 나타냅니다.

구조적 무결성에 미치는 영향

구조 및 압력이 포함된 애플리케이션에서 HAZ 성능 저하로 인해 제작된 전체 어셈블리의 무결성이 손상될 수 있습니다. 수소- 유도 균열(HIC), 응력 부식 균열(SCC) 및 피로 균열 시작은 일반적으로 HAZ의 미세 구조 변경 및 잔류 응력 상승으로 인해 HAZ에서 발생합니다.

업계 고장 분석 데이터에 따르면 HAZ는 스테인리스강 압력 장비의 모든 용접 관련 고장의 약 30~40%가 시작되는 지점입니다.{2}}

좋은 소식은 HAZ 영향을 관리할 수 있다는 것입니다. 적절한 프로세스 설계, 재료 선택 및 용접 후 처리를 통해 엔지니어는 HAZ-관련 저하를 크게 제한할 수 있습니다.

How to Minimize HAZ Damage

표 3: 스테인리스강 및 니켈 합금에 대한 HAZ 완화 전략

전략	설명	유효성
용접 전 열처리-	미세구조를 표준화합니다. 잔류 응력 감소	높은
제어된 열 입력	줄/mm 제한; 멀티{0}}패스 기술을 사용하세요	높은
사후-용접 열처리(PWHT)	1,010~1,120도에서 용액 어닐링 또는 응력 완화	매우 높음
필러 금속 선택	저-탄소/안정화된 필러와 일치 또는 초과 일치	높은
차폐 가스 최적화	Ar/He 혼합을 사용하여 아크 온도 제어	중간
층간 온도 조절	대부분의 SS에서는 150도 이하로 유지하십시오. 이중의 경우 93도	높은
사후-용접 산세 및 패시베이션	민감한 표면을 제거하십시오. Cr 산화물 층 복원	중간-높음

효율성 등급은 ASME, AWS 및 EFC 지침의 업계 합의 데이터를 기반으로 합니다. 실제 결과는 합금 등급, 사용 환경 및 실행 품질에 따라 달라집니다.

용접후열처리(PWHT)의 역할-

용접 후 열처리(PWHT)는 틀림없이 HAZ 특성을 복원하는 가장 효과적인 도구입니다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 경우, 전체용액 어닐링1,010~1,120도에서 빠른 물 담금질을 통해 민감성 탄화물을 용해하고 내식성-미세 구조를 복원합니다.

니켈 초합금의 경우 PWHT 프로토콜은 합금-에 따라 다르며 ASME BPVC 섹션 IX 및 AWS D10.18과 같은 문서의 적용을 받습니다. PWHT 매개변수를 정의하기 전에 항상 재료{2}}별 용접 절차 사양(WPS)을 참조하세요.

저입열 용접

용접 엔지니어는 열 입력(줄/mm)을 최소화하여 HAZ 폭과 심각도를 줄일 수 있습니다. 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW/TIG)은 서브머지드 아크 용접(SAW)과 같은 공정에 비해 정밀한 아크 제어와 낮은 전체 열 입력을 제공하므로 스테인리스강과 니켈 합금에 선호됩니다.

실제 규칙: 열 입력을 30% 줄이면 합금 및 접합 형상에 따라 HAZ 폭을 20~40% 줄일 수 있습니다.

업계에서는 HAZ 성능을 평가하고 인증하기 위해 표준화된 테스트 및 코드에 의존합니다. 아래 표에는 스테인리스강 및 니켈 합금 제조에 가장 관련성이 높은 표준이 요약되어 있습니다.

표 4: HAZ 테스트 및 인증을 위한 주요 산업 표준

표준 / 테스트	목적	적용 가능한 재료
ASTM A262(연습 E)	감작/입계 부식 감지	오스테나이트계 SS
AWS D1.6	스테인레스강 구조용접	모든 SS 등급
ISO 15614-1	용접 절차 자격	모든 금속
ASTM E384(비커스)	HAZ 전체의 미세 경도 매핑	모든 금속
ASTM G48(방법 C/D)	HAZ의 공식/틈새 부식	듀플렉스/슈퍼듀플렉스
샤르피 V-노치(ASTM E23)	HAZ의 충격 인성	모든 금속
ASTM E562 / E1245	상 정량화(페라이트/오스테나이트 비율)	이중 SS

표준은 정기적으로 업데이트됩니다. 항상 현재 버전을 참조하십시오. 필수 테스트 요구 사항은 프로젝트 사양이나 해당 설계 코드를 참조하세요.

HAZ 관리는 여러 산업 분야에서 필수 엔지니어링 고려 사항입니다.

해양 파이프라인 용접 및 압력 용기 제작은 Sour 서비스 환경에 대한 NACE MR0175/ISO 15156을 충족해야 합니다. 황화물 응력 균열(SSC)을 방지하기 위해 HAZ 경도 제한(일반적으로 최대 250 HV10)이 엄격하게 적용됩니다.

316L 또는 합금 20으로 제작된 원자로 용기 및 열 교환기는 산성 서비스에서 HAZ 부식 저항성을 보장하기 위해 민감성 테스트(ASTM A262)가 필요합니다.

위생 응용분야에는 전해연마 처리된 결함이 없는-용접이 필요합니다. HAZ-로 인한 표면 거칠기 또는 부식 구멍은 박테리아의 서식처가 될 수 있으며 FDA/GMP 표준을 위반할 수 있습니다.

니켈 초합금으로 제작된 터빈 블레이드와 연소 부품은 800도를 초과하는 작동 온도에서 크리프 및 피로 특성을 유지하기 위해 신중하게 제어되는 HAZ가 필요합니다.

염화물-이 풍부한 환경에서는 HAZ 내식성이 필요합니다. 슈퍼 듀플렉스 스테인리스강(2507) 및 니켈 합금이 지정되어 있으며 ASTM G48에 따라 공식 부식 테스트가 필수입니다.

용접 제작용 스테인리스강 또는 니켈 합금 제품을 구매할 때 올바른 합금을 지정하는 것은 방정식의 절반에 불과합니다. 구매자와 엔지니어는 다음 사항도 고려해야 합니다.

HAZ Considerations in Stainless Steel and Nickel Alloy Product Selection

탄소 함량이 - 더 낮은- 탄소 등급(예: 304L, 316L)임을 확인하는 공장 테스트 보고서(MTR)를 요청하면 본질적으로 감작에 덜 민감합니다.

우선적으로 탄화물을 형성하고 HAZ에서 크롬 고갈을 방지하기 위해 티타늄 또는 니오븀을 사용하는 안정화 등급(예: 321, 347)을 지정합니다.

공급업체가 합금-별 용접 지침을 제공하고 WPS 개발을 지원할 수 있는지 확인합니다.

특정 히트/로트를 용접 절차 자격에 연결하는 추적성 문서화를 고집합니다.

HAZ 내식성이 중요한 경우 표준 316에서 316L로 업그레이드하거나 ASTM A240에 따라 저탄소 열을 지정하는 것을 고려하세요.- 더 큰 보증을 위해 안정화된 321 또는 높은-몰리브덴 317L은 감작-되기 쉬운 온도 범위에서 추가적인 안전 여유를 제공합니다.

열 영향부는 용접의 피할 수 없는 결과입니다. 이는 그 자체로는 결함이 아니지만 엄격한 엔지니어링 주의, 정보에 입각한 재료 선택, 규율 있는 프로세스 제어 및 검증된 테스트가 필요한 취약성 영역-입니다.

내식성과 기계적 무결성이 기본 가치 제안인 스테인리스강 및 니켈 합금 응용 분야의 경우 HAZ 관리를 마스터하는 것은 협상할 수 없습니다.- HAZ를 이해하는 엔지니어는 더 나은 설계 결정을 내립니다. HAZ를 제어하는 제작자는 우수하고 안정적인 제품을 제공합니다. 그리고 HAZ 요구 사항을 지정하는 구매자는 자신의 자산과 수익을 보호합니다.

자재 성능과 인프라 신뢰성이 점점 더 면밀히 조사되는 세상에서 열 영향 구역은 매우 큰 영향을 미치는 작은 구역입니다.