용접 야금학(Wdlding Metallurgy)은 금속의 용융(Fusion)과 응고(Solidification)의 변화를 핵생성과 성장 등의 온도에 따른 상변태(Phase Transformation)로 이해하고, 용접 방법(Welding Process)와 용접 변수(Welding variable)의 영향을 연계하여 복합적으로 정리하는 학문이라고 정의할 수 있다. 저자는 한글로 체계적이면서도 좀더 쉽게 이해할 수 있도록 설명된 자료가 부족한 현실을 아쉬워하면서 용접을 공부하는 학생, 용접 관련 산업에 종사하는 직원, 용접기술사 시험을 준비하는 엔지니어 등 용접 야금학의 체계적인 학습이 필요한 모든 이들이 이해하기 쉽게 용접 야금학을 정리하였다. 첫 번째와 두 번째 장에서는 용접 방법(Welding Process) 및 금속의 기본적인 특성에 대해 설명하였으며, 세 번째 장부터는 본격적으로 용접 야금학에 대해 다루었다.

제1부 금속과 용접의 기초

1장 전기아크의 이해

1.1 플라즈마(Plasma)와 전기아크(Electric Arc)

1.1.1. 플라즈마(Plasma)

1.1.2. 전기아크(Electric Arc)

1.1.3. 전자와 이온의 움직임과 에너지의 전달

1.2 전극에서 전자의 방출 유형

1.2.1. 열전자 방출(Thermionic Emission)

1.2.2. 전기장에 의한 방출(Field Emission, Cold Emission)

1.3 방출 자유전자 유형에 따른 용접 특성

1.3.1. GTAW, PAW

1.3.2. SMAW, GMAW, FCAW

1.4 직류역극성의 청정효과

1.5 아크에 의한 용탕의 대류

1.5.1. 부력(Buoyancy Force)

1.5.2. 전자기력(Lorenz Force)

1.5.3. 표면 장력(Surface Tension)

1.5.4. 아크의 전단력(Arc Shear Stress)

1.6 금속의 기화(Metal Evaporation)

1.6.1. 금속 성분의 손실

1.6.2. 스패터 발생

1.7 용접 이음 유형 및 용접 자세

1.8 용접기 전원 특성

1.8.1. 정전류 특성

1.8.2. 정전압 특성

2장 용접 Process

2.1 개요

2.1.1. 용접 Process 종류

2.1.2. 열원의 에너지 밀도에 따른 용접 방법별 특성 비교

2.2 산소 아세틸렌 용접

2.2.1. 용접 방법 및 장비

2.2.2. 용접 불꽃 유형

2.2.3. 장점 및 단점

2.3 피복 아크 용접(SMAW)

2.3.1. 용접 방법 및 장비

2.3.2. 용접봉 피복의 역할

2.3.3. 장점과 단점

2.3.4. 전원 특성

2.3.5. 전류

2.3.6. 전압

2.4 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)

2.4.1. 용접 방법 및 장비

2.4.2. 극성(Polarity)

2.4.3. 텅스텐 전극

2.4.4. 보호 가스

2.4.5. 장점 및 단점

2.5 플라즈마 아크 용접(PAW)

2.5.1. 용접 방법 및 장비

2.5.2. 아크 발생

2.5.3. 키홀 용접기술(Keyhole Welding Technique)

2.5.4. 장점 및 단점

2.6 가스 메탈 아크 용접(GMAW)

2.6.1. 용접 방법 및 장비

2.6.2. 보호 가스

2.6.3. 금속 이행 모드

2.6.4. 장점 및 단점

2.7 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)

2.7.1. 용접 방법 및 장비

2.7.2. 장점 및 단점

2.7.3. FCAW 와이어(Wire)

2.7.4. 보호가스의 종류와 특성

2.7.5. 충전 Flux의 종류와 특성

2.8 잠호 용접(SAW)

2.8.1. 용접 방법 및 장비

2.8.2. 장점 및 단점

2.8.3. SAW의 적용

2.8.4. 용접용 와이어의 특성

2.8.5. 플럭스(Flux) 제조

2.8.6. 플럭스(Flux)의 선택

2.9 일렉트로 슬래그 용접(ESW)

2.9.1. 용접 방법 및 장비

2.9.2. 비소모성 가이드 방식

2.9.3. 소모성 가이드 방식

2.9.4. 장점 및 단점

2.10 전자빔 용접(EBW)

2.10.1. 용접 방법 및 장비

2.10.2.장점 및 단점

3장 금속 기초

3.1 금속 결합

3.2 상변태 속도

3.2.1. 균일 핵생성

3.2.2. 불균일 핵생성

3.2.3. 성장 및 변태 속도

3.3 금속 결정구조에 따른 금속의 특성

3.3.1. BCC 구조

3.3.2. FCC 구조

3.3.3. HCP 구조

3.3.4. BCC 및 FCC 구조 비교

3.4 상태도의 이해와 지렛대 법칙(Lever Rule)

3.5 열처리

3.5.1. 소둔(燒鈍) 및 소준(燒準)

3.5.2. 고용화 열처리(Solution Annealing)

3.5.3. ㅤㅌㅖㄶ칭(담금질, 소입, Quenching)

3.5.4. 템퍼링(뜨임, 소려, Tempering)

4장 용접부에 미치는 질소, 산소, 수소의 영향

4.1 용융부에서의 화학반응

4.2 질소의 영향

4.3 산소의 영향

4.4 수소의 영향

5장 용접부의 잔류 응력, 변형 및 피로

제2부 재질별 특성

1장 탄소강

1.1 Fe-Fe3C 상태도

1.2 항온 변태 곡선(TTT Diagram)및 연속 냉각 변태 곡선(CCT Diagram)

1.2.1. 펄라이트(Pearlite) 생성

1.2.2. 베이나이트(Bainite) 생성

1.3 마르텐사이트 형성

1.3.1. 경화도와 경도

1.4 합금 원소

2장 저합금강(Low Alloy Steel)

2.1 내열강

2.1.1. 내열강의 종류와 특성

2.1.2. 내열강의 용접성

2.2 저온용 강

2.2.1. 알루미늄킬드(Al-Killed) 강

2.2.2. 2.5%, 3.5% 니켈강

2.2.3. 9% 니켈강

3장 스테인리스강 136

3.1 오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic Stainless Steel)

3.1.1. 예민화 및 입계 부식

3.1.2. δ 페라이트의 역할

3.1.3. 가공 마르텐사이트 생성

3.2 페라이트계 스테인리스강(Ferritic Stainless Steel)

3.2.1. 입계 예민화

3.3 마르텐사이트계 스테인리스강(Martensitic Stainless Steel)

3.4 듀플렉스 스테인리스강(Duplex Stainless Steel)

3.4.1. 듀플렉스 스테인리스강의 특성

4장 니켈 합금

4.1 니켈 합금의 종류와 성질

4.2 니켈 합금의 종류

4.2.1. 고용 강화형 합금

4.2.2. 석출 강화형 합금

4.2.3. 분산 강화형 합금

4.3 니켈 합금의 특성

4.3.1. 니켈합금의 장단점

4.3.2. 용접, 접합성

5장 알루미늄 합금(Aluminum Based Alloy)

5.1 종류 및 성질

5.1.1. 비열처리 합금

5.1.2. 열처리 합금

5.2 알루미늄 합금의 특성

5.2.1. 가공 경화

5.2.2. 열 및 전기 전도도

5.2.3. 열 팽창 및 응고 수축률

5.2.4. 산화성

5.2.5. 저온 특성

5.3 알루미늄 합금의 용접

5.3.1. 알루미늄 합금 용접부 강도 저하

제3부 용용부

1장 기본 응고 개념

1.1 용질 원소의 재분배

1.1.1. 평형 편석 계수(Equilibrium Segregation Coefficient)

1.1.2. 평형 편석 계수에 따른 편석량 및 응고 온도 구간 변화

1.2 확산에 의한 용질 원소의 재분배

1.2.1. 용질의 재분포 유형 네 가지

1.2.2. 액상에서 제한된 확산 모델을 이용한 용질의 재분배 현상

1.3 조성적 과냉(Constitutional Supercooling)

1.3.1. 응고 모드

1.3.2. 조성적 과냉

1.3.3. 용접 속도의 영향

1.4 편석 현상

1.4.1. 미세 편석(Microsegregation)

1.4.2. 거시 편석(Macrosegregation)

1.5 냉각속도에 따른 용접금속의 조직

2장 용접 금속의 응고: 입자 구조(Grain Structure)

2.1 용접의 핵생성 원리

2.2 용접시 에피택셜 성장(Epitaxial Growth)

2.3 용접시 비에피택셜 성장(Nonepitaxial Growth)

2.4 경쟁 성장(Competitive Growth)

2.5 용접 속도에 따른 응고 형상의 변화

2.6 용접 금속의 입자 미세화 방법

2.6.1. 용탕의 유동에 의한 핵생성

2.6.2. 황(S) 농도에 따른 표면 장력과 유동 방향의 변화

2.6.3. 이종 핵생성(Heterogeneous Nucleation)

2.6.4. 표면 핵생성

3장 용접 금속의 응고: 입자 내의 미세 구조

3.1 응고 모드

3.1.1. 응고 속도(R, Growth Rate)와 온도 기울기(G, Temperature Gradient)

3.1.2. 용탕 내 위치에 따른 응고 모드의 변화

3.2 수지상정과 셀의 입자 크기(또는 간격)

3.3 용접 변수의 영향

3.3.1. 아크의 횡방향 저주파 진동(1Hz Transverse Oscillation)

4장 응고 후 상변태

4.1 오스테나이트계 스테인리스강의 페라이트에서 오스테나이트로 상변태

4.1.1. 의사 이원 상태도(Pseudo-binary Phase diagram)

4.1.2. 초정이 γ 오스테나이트인 스테인리스강의 상변태

4.1.3. 초정이 δ 페라이트인 스테인리스강의 상변태

4.1.4. Schaeffler Diagram을 이용한 Ferrite 함량 예측

4.1.5. 냉각 속도에 따른 δ Ferrite 함량의 변화

4.1.6. 수지상정의 끝단(Tip) 과냉에 따른 응고 모드의 변화

4.1.7. 재가열 중 Ferrite의 분해

4.2 저탄소강과 저합금강(Low Alloy)의 응고 후 상변태

4.2.1. CCT(Continuous Cooling Transformation) Diagram

4.2.2. 미세조직의 페라이트 형상에 영향을 주는 요소

4.2.3. Acicular Ferrite

5장 용접 금속의 화학적 불균일 현상

5.1 미세 편석(Microsegregation)

5.1.1. 고상 확산의 영향

5.1.2. 수지상정의 Tip 과냉의 영향

5.2 밴딩(Banding)에 의한 편석 현상

5.3 개재물(Inclusion)과 기공(Gas Porosity)

5.4 용탕 인근의 불균일한 용질 농도

5.5 용접 금속의 거시 편석(Macro Segregation) 현상

5.5.1. 단층(Single-Pass) 용접

5.5.2. 다층(Multi Pass) 용접

6장 용접 금속의 응고 균열

6.1 응고균열의 특징, 원인 및 시험 방법

6.1.1. 입계 균열(Intergranular Cracking)

6.1.2. 응고 균열 민감도 시험

6.2 응고 균열 민감도에 영향을 주는 요인

6.2.1. 황(S)과 인(P)의 불순물에 의한 응고 온도 구간 증가

6.2.2. 최종 응고부의 액상의 양

6.2.3. 초기 응고상

6.2.4. 용접 금속의 입자 형상

6.2.5. 기계적 요인

6.3 응고 균열 저감법

6.3.1. 용접 금속의 조성 조절

6.3.2. 응고 조직 조절

6.3.3. 구속 및 응력 저감

제4부 부분 용융부

1장 부분 용융부(PMZ)의 형성

1.1 액화 현상

1.1.1. 액화 기구

1.1.2. 입자 경계(Grain Boundary) 액상의 응고

2장 부분 용융부와 관련된 결함

2.1 액화 균열(Liquation Cracking)

2.1.1. 액화 균열 민감도 시험

2.1.2. 액화 균열(Liquation Cracking) 기구

2.2 액화 균열 방지 방법

2.2.1. 용접봉 선택

2.2.2. 입열량 최소화

2.2.3. 구속 최소화

2.2.4. 모재의 조건

2.3 강도와 연성의 손실

2.4 수소 균열(Hydrogen Cracking)

제5부 영영향부

1장 변태 강화 재료: 탄소강 및 저합금강

1.1 평형 상태도

1.2 용접시 상변태 및 입자 성장

1.2.1. 가열시 A1, A3 상변태

1.2.2. 페라이트(A3 변태) 및 펄라이트(A1 변태) 생성

1.2.3. 베이나이트(Bainite) 생성

1.2.4. 마르텐사이트(Martensite) 생성

1.2.5. 입자 성장(Grain Growth)

1.3 탄소 함량에 따른 탄소강의 조직 변화

1.3.1. 저탄소강(Low Carbon Steel) 및 연탄소강(Mild Carbon Steel)의 용접시 조직 형상

1.3.2. 연 탄소강(Mild Carbon Steel)의 LBW 및 EBW시 조직 형 상

1.3.3. 저탄소 및 연탄소 주강의 용접시 조직 형상

1.3.4. 중탄소강(Medium Carbon Steel) 및 고탄소강(High Carbon Steel)의 용접시 조직 형상

1.4 저합금강(Low Alloy Steel)

1.4.1. 고강도 저합금강(HSLA Steel)

1.4.2. QT 저합금강(QTLA Steel)

1.4.3. 열처리형 저합금강(HTLA Steel)

1.5 용접시 결함

1.5.1. 수소 균열(Hydrogen Cracking)

1.5.2. 재열 균열(Reheat Cracking)

1.5.3. 라멜라 티어링(Lameller Tearing)

2장 내식성 재료: 스테인리스강

2.1 스테인리스강의 종류

2.2 오스테나이트계 스테인리스강

2.2.1. 오스테나이트계 스테인리스강의 예민화

2.2.2. Knife Line Attack

2.2.3. 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking, SCC)

2.3 페라이트계 스테인리스강

2.3.1. 페라이트계 스테인리스강의 예민화

2.3.2. 열영향부 마르텐사이트 형성과 입자 성장(Grain Growth)

2.3.3. 노치 인성 향상 방안

2.4 마르텐사이트계 스테인리스강

2.4.1. Underbead Cracking(비드밑 균열)

3장 가공 경화 합금

3.1 회복 – 재결정 – 성장 현상

3.1.1. 회복(Recovery)

3.1.2. 재결정(Recrystalization)

3.1.3. 성장(Growth)

3.2 용접 조직

3.3 입열량의 영향

4장 석출 경화형 재료: Ni Base 합금

4.1 Ni Base 합금의 석출 경화 현상

4.2 석출물의 재고용과 강도 저하

4.3 재열 균열(Reheat Cracking)

4.3.1. 재열 균열 현상

4.3.2. 재열 균열 방지법

5장 석출 경화형 재료: Al 합금

5.1 알루미늄 합금의 석출 경화

5.1.1. 석출 경화 현상

5.1.2. 시효에 따른 강도(경도) 변화

5.2 Al-Cu-Mg(2000계열) 및 Al-Mg-Si계(6000계열) 합금의 용접

5.2.1. 인공 시효 상태(T6)에서의 용접

5.2.2. 자연 시효 상태(T4)에서의 용접

5.2.3. 인공 시효 상태(T4)와 자연 시효 상태(T6)에서의 용접 비교

5.3 Al-Zn-Mg(7000계열) 합금의 용접

윤강중 (지은이) 

•공학석사, 기술사(용접, 금속재료)

•대한용접기술사협회 기술이사

•종합기술정보망 ㈜테크노넷 기술위원

•실전용접기술사, 실전금속재료기술사 등 출간

이진희 (지은이) 

•공학박사, 기술사(용접, 금속재료)

•대한용접기술사협회 회장

•종합기술정보망 ㈜테크노넷 운영자 대표

•용접기술실무, 재료와 용접 등 출간

유일 (지은이) 

•공학박사, 기술사(용접, 금속재료)

•대한용접기술사협회 기술이사

•아부다비국영석유회사(ADNOC) 재료부식 담당

•실전금속재료기술사 등 출간

최병학 (지은이) 

•공학박사, 금속재료손상 분야 전문가

•강릉원주대학교 신소재금속공학과 교수

•대한금속재료학회 부회장

•금속손상진단 등 출간