가. 최고 온도 방정식(Peak Temperature Equation)
1층 (One Pass)으로 완전 용입이 되는 맞대기 용접에 있어서, 용접부 부근의 모재에 달하는
최고 온도 분포는 아래 식으로 주어진다.
1/Tp - To = 4.13ρC t Y / Hnet + 1 / Tm - To
C : 비열, J/g. ℃ t : 판 두께, mm Y : 본드에서 측정한 거리, fi : 열전달 효율
Tp : 본드에서 Ymm 떨어진 점에서 최고 온도,℃ To : 모재의 초기 온도, ℃
V : 열원의 이전 속도 mm/sec
Tm : 용융 온도,℃ Hnet : 실 에너지 입력=f1 EI/V, ρ: 밀도, g/㎣
이 최고 온도 방정식은 다음과 같이 여러 가지 목적에 사용된다.
① 열 영향부 내의 특정 점에서의 최고 온도
② 열 영향부 폭의 예측
③ 열 영향부의 폭에 미치는 예열의 영향
나. 열 영향부 폭의 계산(Width of HAZ)
열 영향부 폭을 정확히 계산하기 위해서는 특정 최고 온도로 정확히 구분되는 열 영향부의
최외곽 부분을 알아야 한다. 예컨대, 대부분의 보통 탄소강이나 저합금강은 단면을 부식 시
험해 보면 부식 경계가 분명히 나타나며 이는 곧 730℃라는 최고 온도에 해당한다.
이 최고 온도 분포식은 박판에 적합한 식이다. 1층(One Pass)으로 용접이나 절단이 가능할
때는 판 두께에 관계없이 적용된다. 피복 아크 용접에 있어서 용접 이음부를 4패스 이내로 완
성하는 경우에는 적용해도 좋다.
다. 냉각 속도(Cooling Rates)
용접부의 어떤 점이 최고 온도에 도달한 다음에 냉각될 때, 그 냉각 속도는 그 재료의 조직 및
성질을 변화시키며, 열 영향부 모재의 건전성도 바꾸어 놓는다. 이는 열처리가 가능한 철강
에서는 대단히 중요하다. 용접부에서의 냉각 속도는 위치와 시간에 따라 다르며, 특히 용접
선상에서 어떤 특정한 온도 Tc에서의 냉각 속도는 의미가 깊다. 특히 Tc=550℃는 대부분의
강에 있어서 깊은 뜻이 있다.
냉각속도 식은 실제에 있어서는 예열 온도를 계산하는데 주로 사용된다.
아래의 식은 6패스 이상을 용접해야 하는 후판(厚板)용 냉각속도 식이다.
R = 2 πK(Tc - To)²
R : 용접 중심선상의 Tc를 지날 때의 냉각속도, ℃/sec K : 금속의 열전도도, J/mm . sec . ℃
냉각 속도는 용접 중심선상에서 제일 크다. 그러나 본드 근처에서는 용접 중심선보다 몇 %
낮을 뿐이다. 따라서 상기 식은 전 용착금속과 그에 가까운 열 영향부에 적용된다. 판이 얇을
때는(4패스이하) 다음 냉각속도 식을 적용해야 한다.
R = 2 πKPC (t / Hnet ) (Tc - To)³