Melt, fuse, cool.
용접 & 접합, 용융부·열영향부·모재의 3 영역
Welding & joining — weld metal, HAZ, and base metal
배 한 척, 다리 하나, 송유관 수백 킬로미터를 한 덩어리의 쇠로 만들 수는 없습니다. 결국 여러 조각을 이어 붙여야 하는데, 그 가장 강력한 방법이 두 금속을 국부적으로 녹여 하나로 굳히는 용접 (welding)입니다. 볼트나 리벳과 달리, 용접은 두 금속이 원자 단위로 한 몸이 되므로 모재만큼 강한 이음매를 만들 수 있습니다.
No ship hull, bridge, or pipeline spanning hundreds of kilometres can be forged from a single piece of steel. Components must be joined, and the most powerful method is welding, which locally melts two metals and lets them solidify as one. Unlike bolts or rivets, welding unites the metals atom by atom, so the joint can match the strength of the base material itself.
그런데 한 지점을 1500°C 가까이 달궜다 식히는 일은 그 주변에 흔적을 남깁니다. 용접부를 잘라 보면 세 영역이 나타납니다. 완전히 녹았다 굳은 용융부 (weld metal), 녹지는 않았지만 열을 받아 조직이 바뀐 열영향부 (HAZ), 그리고 열이 거의 닿지 않은 모재입니다. 이 가운데 가장 까다로운 곳이 바로 열영향부입니다. 결정립이 거칠어지거나 단단하고 깨지기 쉬운 조직이 생겨, 큰 구조물이 무너질 때 균열이 자주 시작되는 자리이기 때문입니다.
Heating a single spot to nearly 1500°C and then cooling it leaves marks on everything nearby. A cross-section through any weld reveals three distinct zones: the weld metal, which melted and resolidified; the heat-affected zone (HAZ), which did not melt but had its microstructure altered by heat; and the base metal, essentially untouched. The most problematic zone is the HAZ, where grain coarsening or brittle martensite can form, making it the frequent starting point of cracks in large structures.
아래 작업대에서 SMAW(수동 아크), GMAW(MIG), GTAW(TIG), 레이저 네 공법을 바꿔 보세요. 입열이 클수록 열영향부가 넓어지고 잔류응력과 변형이 커지는 반면, 입열이 너무 작으면 덜 녹아 결함이 생기는 줄다리기가 한눈에 보입니다. 자동차 차체, 조선, 파이프라인까지 거대한 강구조물의 신뢰성은 결국 이 작은 용접부 하나에 달려 있습니다.
Use the workbench below to switch among four processes: SMAW (manual arc), GMAW (MIG), GTAW (TIG), and Laser. As heat input rises, the HAZ widens and residual stress grows; if heat input falls too far, incomplete fusion creates defects. The reliability of every large steel structure — from a car body to a shipyard to a pipeline — ultimately rests on the quality of these tiny weld joints.
국부 용융이 만드는 3 영역.
Local melting creates three zones.
한 점만 녹였는데 왜 그 주변까지 성질이 바뀔까요?
용접 토치가 지나간 자리는 순간적으로 1500°C 가까이 올랐다가 빠르게 식습니다. 그런데 열은 한 점에 머물지 않고 옆으로 퍼져 나가지요. 그래서 용접부를 단면으로 잘라 보면, 가열 정도에 따라 세 영역이 띠처럼 나타납니다. 완전히 녹았다 굳은 용융부(weld metal), 녹지는 않았지만 열을 받아 조직이 변한 열영향부(HAZ, Heat-Affected Zone), 그리고 거의 영향을 받지 않은 모재(base metal)입니다.
가장 골치 아픈 곳은 가운데의 열영향부입니다. 녹지 않았으니 새로 설계할 수도 없는데, 열만큼은 충분히 받아 결정립이 거칠게 자라거나(조대화) 강철에서는 단단하고 깨지기 쉬운 마르텐사이트가 생기기도 합니다. 게다가 식으면서 수축하려는 부분을 주변이 붙잡아 잔류응력까지 갇힙니다. 강도와 인성이 떨어진 데다 응력까지 쌓인 열영향부가, 큰 강구조물에서 균열이 가장 먼저 시작되는 자리가 되는 이유입니다.
Why does only one spot melt yet the surrounding material also changes?
As a welding torch passes, the metal beneath it spikes to nearly 1500°C and then cools rapidly. But heat does not stay in one spot; it spreads outward. Cut a cross-section through any weld and you will see three distinct bands, each defined by how much heat it received: the weld metal, which melted and resolidified; the heat-affected zone (HAZ), which did not melt but whose microstructure was altered by heat; and the base metal, which was barely touched.
The most troublesome zone is the middle one, the HAZ. Because it did not melt, it cannot be redesigned through solidification; yet it absorbed enough heat for grains to coarsen, or, in steels, for brittle martensite to form. On top of that, as the region tries to contract on cooling the surrounding material restrains it, trapping residual stress inside. Reduced strength, reduced toughness, and locked-in stress together make the HAZ the most common starting point for cracks in large steel structures.
Q1 입열(heat input)은 크게 줄까요, 작게 줄까요?Should heat input be larger or smaller?
Q2 강철 용접에서 왜 미리 데우거나(예열) 천천히 식힐까요?Why preheat or slow-cool steel welds?
Q3 알루미늄을 잇는 마찰교반용접(FSW)은 왜 안 녹이고도 붙일까요?How does friction stir welding (FSW) join without melting?
완전히 녹았다가 다시 굳은 영역으로, 응고 과정에서 주물처럼 수지상정·등축정 미세조직이 생깁니다. 채움재(filler)의 합금 성분으로 화학·기계적 성질을 어느 정도 설계할 수 있는 영역이기도 합니다.
녹지는 않았지만 열을 받아 조직이 변한 영역입니다. 결정립 조대화로 강도와 인성이 떨어지고, 강철에서는 마르텐사이트가 생겨 수소 균열에 취약해집니다. 용접부에서 가장 약한 고리이며 균열의 출발점이 되기 쉽습니다.
열의 영향을 거의 받지 않은 본래의 금속입니다. 용접 품질을 평가할 때 기준이 되는 영역으로, 이상적인 이음매는 모재만큼의 강도와 인성을 회복하는 것을 목표로 합니다.
단위 길이당 열인 입열 $Q = \eta\,VI/v$가 모든 결과를 좌우합니다. 크면 열영향부가 넓어지고 변형이 커지며, 작으면 융합 불량과 균열 위험이 커집니다. 재료와 두께에 맞는 입열을 고르고, 필요하면 예열로 냉각 속도를 조절하는 것이 핵심입니다.
SMAW(수동 아크, 야외·현장에 만능), GMAW(MIG/MAG, 자동화가 쉬워 차체에 표준), GTAW(TIG, 정밀·고품질, 스테인리스·알루미늄), 레이저(좁은 열영향부와 깊은 침투), FSW(마찰교반, 녹이지 않아 알루미늄에 유리)로 나뉩니다. 입열이 작은 공법일수록 열영향부가 좁고 변형이 적습니다.
The zone that fully melted and resolidified. During solidification it develops a cast-like microstructure of dendrites and equiaxed grains. Because the filler alloy composition can be chosen independently, the chemical and mechanical properties of this zone can be engineered to a meaningful degree.
This zone never melted, but received enough heat for its microstructure to change. Grain coarsening reduces strength and toughness; in steels, martensite can form, creating vulnerability to hydrogen cracking. The HAZ is the weakest link in a weld and the most common crack-initiation site.
The parent material, essentially unaffected by heat. It serves as the benchmark for weld quality: an ideal joint restores the strength and toughness of the base metal at the joint line.
Heat input per unit length $Q = \eta\,VI/v$ governs every outcome. Too high: wide HAZ, excess distortion, large residual stress. Too low: incomplete fusion, and in steels the rapid cooling promotes martensite and hydrogen cracking. Selecting the right heat-input window for a given material and thickness, supplemented by preheat when needed, is the central task of weld procedure qualification.
SMAW (manual arc, versatile for field and outdoor use), GMAW (MIG/MAG, easy to automate, standard for automotive body assembly), GTAW (TIG, precision and high quality, preferred for stainless steel and aluminium), Laser (narrow HAZ, deep keyhole penetration), and FSW (friction stir, sub-melt joining advantageous for aluminium). Lower heat-input processes generally produce narrower HAZs and less distortion.
촛농을 떨어뜨려 종이 두 장을 붙인다고 생각해 보세요. 촛농이 굳은 자리(용융부)뿐 아니라 그 둘레의 종이도 열을 받아 쭈글쭈글해지지요(열영향부). 용접도 똑같이, 녹인 자리보다 그 옆의 달궈진 부분이 더 약해지기 쉽습니다. 그래서 열을 너무 많이도 적게도 주지 않는 것, 그리고 두꺼운 쇠는 미리 데워 천천히 식히는 것이 요령입니다.
Picture dripping candle wax to stick two sheets of paper together. The wax patch (weld metal) bonds them, but the paper around it also warps from the heat (HAZ). Welding works the same way: the zone beside the melt is often weaker than the melt itself. That is why the trick is to use neither too much nor too little heat, and to warm thick steel up first so it cools slowly.
입열 $Q = \eta\,VI/v$가 클수록 냉각 속도가 느려지고 열영향부가 넓어집니다. 강철에서는 800°C에서 500°C로 식는 시간 $t_{8/5}$가 미세조직을 가르는 핵심 지표로, 이 시간이 짧으면 마르텐사이트가, 길면 연한 페라이트·펄라이트가 우세합니다. 예열은 $t_{8/5}$를 늘려 경화와 균열을 억제합니다.
강재가 얼마나 잘 용접되는지는 탄소당량 $\mathrm{CE} = \mathrm{C} + \frac{\mathrm{Mn}}{6} + \frac{\mathrm{Cr+Mo+V}}{5} + \frac{\mathrm{Ni+Cu}}{15}$ (IIW 식)로 가늠합니다. CE가 높을수록 열영향부가 쉽게 경화되어 균열 위험이 커지므로, 그만큼 높은 예열 온도가 필요합니다.
국부 가열·냉각으로 생긴 비균일 수축은 인장 잔류응력(흔히 항복강도 수준)과 각변형·휨을 남깁니다. 이를 줄이려면 용접 순서 설계, 구속 관리, 후열처리(PWHT)를 쓰며, 잔류응력은 피로·응력부식 균열의 한 원인이 되므로 정밀 구조물에서 특히 중요하게 다룹니다.
Higher heat input $Q = \eta\,VI/v$ means slower cooling and a wider HAZ. For steels, the cooling time from 800°C to 500°C, denoted $t_{8/5}$, is the key microstructural indicator: short $t_{8/5}$ favours martensite; long $t_{8/5}$ favours soft ferrite and pearlite. Preheating increases $t_{8/5}$, thereby suppressing hardening and cracking.
The susceptibility of a steel to HAZ hardening is estimated by the carbon equivalent $\mathrm{CE} = \mathrm{C} + \frac{\mathrm{Mn}}{6} + \frac{\mathrm{Cr+Mo+V}}{5} + \frac{\mathrm{Ni+Cu}}{15}$ (IIW formula). The higher the CE, the more easily the HAZ hardens and the greater the cracking risk, requiring correspondingly higher preheat temperatures.
Non-uniform contraction from local heating and cooling leaves behind tensile residual stresses (often at yield-strength level) together with angular distortion and bending. Mitigation strategies include weld sequence design, restraint management, and post-weld heat treatment (PWHT). Because residual stress contributes to fatigue and stress-corrosion cracking, it receives particular attention in precision and safety-critical structures.
용접은 두 금속을 원자 단위로 한 몸으로 만들어 가장 강한 이음매를 주지만, 가열과 냉각의 흔적인 용융부·열영향부·잔류응력을 함께 남깁니다. 그 가운데 가장 약한 고리가 열영향부이며, 거기서 균열이 시작되곤 합니다. 좋은 용접의 핵심은 입열을 균형 있게 다스리고, 강철은 필요하면 예열·후열로 냉각을 관리하며, 완성 후 비파괴 검사로 결함을 잡아내는 데 있습니다. 다음 레슨에서는 이렇게 만들고 이어 붙인 부품의 표면을 보호하고 기능을 더하는 표면 처리로 마무리합니다.
Welding unites two metals atom by atom to produce the strongest possible joint, but it also leaves behind a thermal legacy: weld metal, a heat-affected zone, and residual stress. The HAZ is typically the weakest link, and cracks most often initiate there. Good welding practice balances heat input carefully, manages cooling rate through preheat and post-weld heat treatment, and verifies joint integrity through non-destructive examination. The next lesson closes Chapter 14 by looking at surface treatment: the thin skin applied to finished parts to protect them and extend their function.
CHECK 스스로 확인하기Self-check
1. 용접부의 세 영역 중 보통 가장 약한 곳은 어디일까요?
→ 열영향부(HAZ)입니다. 녹지 않았지만 열을 받아 결정립이 조대화되거나 단단하고 깨지기 쉬운 조직이 생겨, 강도·인성이 떨어지고 균열이 시작되기 쉽습니다.
2. 입열을 너무 작게 주면 어떤 문제가 생길까요?
→ 충분히 녹지 않아 융합 불량이 생기고, 강철은 너무 빨리 식어 마르텐사이트가 형성되며 수소 균열에 취약해집니다.
3. 알루미늄을 FSW(마찰교반용접)로 잇는 이점은 무엇일까요?
→ 융점 아래에서 무르게만 만들어 휘저어 섞으므로, 녹였다 굳힐 때 생기는 응고 결함과 열영향부 강도 손실이 작습니다.
1. Which of the three weld zones is usually the weakest?
→ The heat-affected zone (HAZ). It did not melt, but heat caused grain coarsening or brittle microstructure formation, reducing both strength and toughness and making it the most common crack-initiation site.
2. What problems arise if heat input is too low?
→ Incomplete fusion creates defects, and in steels the rapid cooling promotes martensite formation, increasing susceptibility to hydrogen-induced cracking.
3. What is the key advantage of joining aluminium by FSW?
→ Because FSW plasticises rather than melts the metal, solidification defects are eliminated and the loss of HAZ strength that normally accompanies fusion welding of aluminium is greatly reduced.