예열(Preheat)은 용접 전 모재 온도를 규정온도까지 미리 상승시켜 용접 후 냉각속도를 늦춤으로써, 용접부·열영향부(HAZ)의 급냉 경화 및 확산성 수소에 의한 저온균열(수소균열)을 방지하는 조치이다. 후열(Post-Heat)은 용접 직후 일정온도를 유지·서냉시켜 잔류응력 완화 및 모재 내 확산성 수소를 방출시키는 조치이다. 강재 두께가 두꺼워지고 탄소당량(Ceq)이 높은 고장력강 적용이 늘면서 냉각속도 제어의 중요성이 커졌고, 예열·후열 관리 미흡은 용접부 저온균열에 의한 취성파괴로 이어질 수 있어 철골공사 용접관리의 핵심 기준으로 기술사 시험에 반복 출제된다.
2. 예열·후열 온도관리 개념 (그림)
그림① 온도-시간 관리 개념 — 예열로 서서히 승온 후 용접, 후열로 유지·서냉하면 저온균열 위험구간을 회피(관리 부재 시 급냉으로 위험구간 통과)
그림② 예열 측정위치 상세 — 용접선 양측 규정 이격거리에서 접촉식 온도계·온도초크로 모재 표면온도 측정
3. 핵심 기준/원리 (KCS 41 31 철골공사 용접관련 기준)
항목
기준
예열 필요성 판단
모재 두께·탄소당량(Ceq)·이음부 구속도·시공 시 기온에 따라 시방서/시공요령서의 예열기준표로 판단(두께·강종이 클수록 예열 필요성 증가)
예열온도
강종·판두께별 예열기준표 값 적용(일반적으로 알려진 범위는 수십~150℃ 내외이며, 정확한 값은 시공요령서에 따름)
예열 유지범위
용접선 양측 규정 이격거리 전체에 대해 예열온도 이상 유지
층간온도(Interpass Temperature)
다층 용접 시 각 패스 사이 온도가 예열온도 이상~상한 이하로 유지되도록 관리
온도 측정
접촉식 온도계 또는 온도초크(Tempil Stick) 등으로 모재 표면온도 실측·기록
후열(수소방출)
용접 직후 일정온도 유지 후 서냉하여 확산성 수소 방출(일반적으로 통용되는 범위는 200~350℃ 수준이며, 유지시간·온도는 강종·판두께별 규정에 따름)
응력제거소둔(PWHT, 별도 개념)
잔류응력 제거 목적의 노내 열처리로, 일반적으로 알려진 기준온도는 600℃ 전후이며 적용 여부·조건은 설계도서·시방에 따름
용접재료 관리
저수소계 용접봉 건조·보관(습기 흡수 시 확산성 수소 증가) 및 사용 전 재건조 규정 준수
4. 저온균열 3요소 — 두문자 「수·조·구」
수소(확산성 수소 - 용접봉 습기·모재 유분) · 조직경화(급냉에 의한 마르텐사이트 등 취성조직) · 구속응력(이음부 구속도가 높은 두꺼운 강재·복잡 이음)
5. 대책/유의
예열 실시: 시방서 예열기준표에 따라 판두께·탄소당량·구속도별 예열온도 확보 후 용접 개시
온도 측정·기록: 용접선 양측 규정 위치에서 접촉식 온도계·온도초크로 실측하고 기록 관리
층간온도 관리: 다층 용접 시 각 패스 사이 온도가 하한 미만으로 내려가지 않도록 관리, 과도한 상한 초과도 지양
용접재료 관리: 저수소계 용접봉 건조보관·재건조 규정 준수로 확산성 수소 저감
후열 즉시 시행: 용접 완료 후 냉각 전 즉시 후열(유지)하여 수소 방출, 서냉 유도
기상조건 관리: 저온·강풍·강우 시 예열유지 곤란하므로 방풍막·가열설비 병행 또는 작업 제한
이음부 설계 배려: 구속도가 큰 이음(맞대기+필렛 교차부 등)은 용접순서·개선형상으로 구속응력 저감
1. 정의용접 전 모재 온도를 규정온도까지 미리 상승시켜 용접 후 냉각속도를 늦추는 조치이다.2. 목적열영향부의 급냉 경화 및 확산성 수소 집적으로 인한 저온균열(수소균열)을 방지하고 용접부 인성을 확보하기 위함이다.3. 필요성 판단 요소모재 두께, 탄소당량(Ceq), 이음부 구속도, 시공 시 기온이 핵심 요소이며, 값이 클수록(또는 기온이 낮을수록) 예열 필요성이 증가한다.
용어예상후열(Post-Heat)과 응력제거소둔(PWHT)의 차이. (10점)
1. 후열용접 직후 일정온도를 유지·서냉시켜 확산성 수소를 방출하는 조치로, 저온균열 방지가 주 목적이다.2. 응력제거소둔(PWHT)별도의 노(爐)에서 상대적으로 고온(일반적으로 알려진 기준 600℃ 전후)으로 가열·유지 후 서냉하여 잔류응력을 완화시키는 열처리로, 목적·적용온도가 후열과 다른 개념이다.3. 유의사항후열은 대부분의 현장용접에 상시 적용되는 관리항목인 반면, PWHT는 설계도서·시방에서 별도로 요구하는 경우에 한해 적용되는 특수 열처리라는 점을 구분해야 한다.
용어예상층간온도(Interpass Temperature) 관리의 의미. (10점)
1. 정의다층(멀티패스) 용접에서 선행 패스와 후행 패스 사이의 모재·용접부 온도를 말한다.2. 관리 의미 및 유의사항층간온도가 예열온도 하한 이하로 떨어지면 재예열 없이 용접 시 급냉 위험이 재발하므로, 각 패스 사이에도 예열온도 이상을 유지해야 하며, 과도한 상한 초과 또한 조직 열화를 유발할 수 있어 지양한다.
서술형예상철골 용접부의 저온균열(수소균열) 발생원인과 예열·후열 관리방안에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요저온균열은 용접 후 상온 부근까지 냉각되는 과정에서 지연 발생하는 균열로, 두꺼운 고장력강 적용이 늘면서 예열·후열을 통한 냉각속도 제어가 품질관리의 핵심이 되었다.Ⅱ. 발생 원리(구조)용접부는 아크열로 국부적으로 용융된 후 주변 저온 모재에 의해 급속히 냉각되며, 이 과정에서 열영향부(HAZ)에 마르텐사이트 등 취성조직이 생성되고, 용접봉·모재에 함유된 확산성 수소가 이 취성조직으로 확산·집적된다. 여기에 두꺼운 강재·복잡한 이음형상에 의한 구속응력이 더해지면 임계조건을 넘어서는 순간 균열이 지연 발생한다.Ⅲ. 발생원인 (두문자 수·조·구)① 수소: 저수소계 용접봉 미건조·모재 유분/수분에 의한 확산성 수소 집적.② 조직경화: 급냉에 의한 열영향부 마르텐사이트 등 취성조직 형성.③ 구속응력: 두꺼운 강재·복잡 이음형상의 높은 구속도로 인장응력이 집중.Ⅳ. 예열·후열 관리방안① 예열: 두께·탄소당량·구속도·기온을 종합해 예열기준표 온도를 확보하고, 용접선 양측 규정범위를 실측한다.② 층간온도: 다층용접 시 패스 간 온도를 유지하고, 하한 미달 시 재예열을 실시한다.③ 용접재료: 저수소계 용접봉을 건조·재건조로 관리해 확산성 수소를 저감한다.④ 후열: 용접 직후 유지·서냉으로 수소를 방출시키고 급냉을 방지한다.⑤ 측정·기록: 온도초크·접촉식 온도계로 실측·기록하여 품질관리 이력을 확보한다.⑥ 이음부 설계 배려: 구속도가 큰 이음은 용접순서·개선형상 조정으로 구속응력을 저감한다.
저온균열은 통상 용접 완료 후 수 시간~수일 이내 지연파괴(Delayed Cracking) 형태로 나타나며, 확산성 수소가 열영향부의 경화조직으로 확산·집적되어 임계 응력에 도달할 때 발생한다는 점에서 즉시 검사만으로는 발견이 어려워 예방적 온도관리가 근본대책이다.
동절기 저온 환경에서 예열 없이 후판 맞대기 용접을 진행하여 용접 완료 수 시간 후 균열이 지연 발생, 비파괴검사에서 검출된 사례가 있다. 조사 결과 시공 당시 기온 하강을 반영한 예열기준 미적용이 원인으로 확인되었다.
Ⅴ. 맺음말저온균열은 사후 보수비용이 크고 구조 안전에 직결되므로, 예열·층간온도·후열을 하나의 연속된 온도관리 체계로 인식하고 시공 전 조건별 기준표를 현장에 게시·준수하도록 해야 한다.
서술형예상철골공사 용접 예열·후열 시공관리 및 품질확인 방법에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요예열·후열은 용접부 냉각속도를 제어해 저온균열을 방지하는 조치로, 현장에서는 온도 측정·기록의 표준화가 관리의 실효성을 좌우한다.Ⅱ. 관리 원리예열은 용접 개시 전 모재온도를 올려 냉각기울기를 완만하게 하고, 층간온도 관리는 다층용접 중 이 상태를 지속시키며, 후열은 용접 완료 직후 일정온도를 유지해 확산성 수소가 조직 밖으로 빠져나갈 시간을 확보하는 것으로, 세 단계가 하나의 연속된 온도제어 곡선을 이룬다는 점이 핵심 원리이다.Ⅲ. 시공관리 절차① 강종·두께·이음형상별 예열기준 확인(시공요령서) → ② 용접선 양측 규정 위치 예열 → ③ 온도초크·접촉식 온도계로 실측 확인 후 용접 개시 → ④ 다층용접 시 층간온도 유지 → ⑤ 용접 완료 즉시 후열(유지) → ⑥ 서냉 후 외관·비파괴검사.Ⅳ. 품질확인 방법① 온도기록: 예열·층간·후열 온도를 시점별로 측정·기록해 이력을 관리한다.② 용접재료 확인: 저수소계 용접봉의 건조로(재건조) 사용 이력을 확인한다.③ 외관검사: 비드 형상·언더컷·기공 유무를 확인한다.④ 비파괴검사: 초음파(UT)·자분(MT) 등으로 내부 결함(지연균열 포함)을 확인한다.⑤ 기상조건 대응: 저온·강풍 시 방풍막·보조가열 등으로 예열온도를 유지한다.
지연균열 특성상 용접 직후 검사에서는 발견되지 않을 수 있어, 비파괴검사 시점을 일정 시간 경과 후로 설정하는 것이 관리 포인트로 언급된다(정확한 대기시간은 시방·규정에 따름).
용접 직후 검사에서는 이상이 없었으나 수일 후 정밀점검에서 균열이 발견된 사례가 있어, 이후 현장에서는 후열 관리 강화와 검사 시점 조정이 이루어졌다.
Ⅴ. 맺음말예열·후열 관리는 용접 순간의 품질뿐 아니라 이후 지연균열까지 좌우하므로, 온도 실측·기록을 표준화하고 검사 시점까지 포함한 종합 품질관리체계를 갖추어야 한다.
📚 출처·근거
KCS 41 31
KCS 14 31 xx (강구조공사 표준시방서)
KDS 14 31 xx (강구조 설계기준)
KS D (강재 규격)
※ 본 정리는 위 기준을 바탕으로 학습용으로 재구성한 것으로, 세부 수치·조항은 최신 개정본 확인 필요. 예상문제 출처는 "예상"이며, 실제 출제 회차는 기출 수집(/crawl) 후 표기됩니다.