용접 입열 계산 공식과 열영향부 냉각시간

입열량 식 H = 60 × E × I / v의 60은 분을 초로 바꾸는 환산값입니다. 속도 단위를 잘못 넣으면 결과가 10배, 60배로 틀어집니다. 단위를 맞춰도 같은 용접이 ASME와 ISO 기록지에 다른 값으로 적힙니다.

식의 60은 분을 초로 바꾸는 숫자다

용접 입열량 계산은 아크의 전력을 이동 속도로 나누는 일입니다. 전압과 용접 전류를 곱하면 초당 줄(J/s)이 나옵니다. 속도는 분 단위로 재므로 60을 곱해 시간을 맞춥니다.

식에서 H는 J/mm, E는 V, I는 A, v는 mm/min입니다. 전압 24V, 전류 110A, 속도 150mm/min을 가정해 대입합니다.

H = 60 × 24 × 110 / 150 = 1,056 J/mm = 1.056kJ/mm

이 값은 가정 조건의 계산 결과이며 실측값이 아닙니다.

표 1. 속도 단위별 입력과 계산값(단위: J/mm)

입력	계산값	오차
150mm/min	1,056	기준
15cm/min 그대로	10,560	10배
2.5mm/s 그대로	63,360	60배
2.5mm/s, 60 제외	1,056	일치

* 전압 24V, 전류 110A 가정. 세 속도는 모두 같은 값임

* 식 H = 60 × E × I / v 의 v 자리에 넣은 값 기준

자료: ASME BPVC Section IX QW-409.1(a) 식 기준 필자 계산

틀리는 자리는 거의 속도 칸입니다. 같은 속도를 15cm/min으로 적어 그대로 넣으면 10배가 됩니다. 초 단위 속도라면 60을 빼고 계산해야 합니다.

저는 속도 칸에 단위가 빠진 입열량은 검증할 수 없는 숫자라고 봅니다.

출처: ASME BPVC Section IX QW-409.1(a) (조문을 인용한 자료로 확인, 원문 미열람)

같은 용접이 ASME와 ISO 기록지에 다른 숫자로 적힌다

미국 규격이 입열량이라 부르는 값을 유럽 규격은 아크 에너지(arc energy)라고 부릅니다. 이 글은 전력을 속도로 나눈 값을 아크 에너지, 열효율을 곱한 값을 입열량으로 구분합니다. 현장에서는 두 말이 섞여 쓰입니다.

TWI는 입열량을 아크 에너지에 공정별 열효율 계수 k를 곱한 값으로 정리합니다. 계수는 서브머지드 아크용접(SAW)을 기준으로 둔 상대값입니다. SAW 1.0, 피복아크·MAG·플럭스코어드 0.8, TIG·플라스마 0.6입니다.

앞의 계산을 피복아크용접으로 보면 입열량은 1,056 × 0.8 = 844.8J/mm입니다. ASME 기록지와 ISO 기록지에 서로 다른 값이 적히지만 둘 다 맞는 계산입니다.

이 20% 차이는 실수가 아니라 정의의 차이입니다. 저는 두 체계의 값을 한 표에 섞는 순간 적합과 부적합이 뒤바뀌어 읽힌다고 봅니다.

출처: TWI 「What is the difference between heat input and arc energy?」

제조사 권장 전류 안에서만 움직여도 입열량은 44% 벌어진다

Kobe Steel 용접 핸드북에서 LB-52(AWS A5.1 E7016)를 봤습니다. 3.2mm봉의 아래보기·수평 권장 전류는 90~130A입니다. 전압과 속도를 앞의 가정대로 고정하고 양 끝을 대입합니다.

90A일 때 H = 60 × 24 × 90 / 150 = 864 J/mm

130A일 때 H = 60 × 24 × 130 / 150 = 1,248 J/mm

상한이 하한의 1.44배입니다. 전압 고정은 계산을 단순히 하려는 가정입니다. 핸드북은 전압을 제시하지 않았습니다.

ISO 15614-1은 충격시험이 요구될 때 인정 상한을 정해 둡니다. 시험편 입열량보다 25% 높은 값까지입니다. 864J/mm로 인정받았다면 상한은 1,080J/mm입니다.

ASME QW-409.1은 같은 경우 인정값보다 커지는 것 자체를 추가 필수변수로 봅니다. 권장 전류 범위 안이라는 말은 절차 인정 범위 안이라는 뜻이 아닙니다. 저는 충격시험이 붙은 공사라면 전류계보다 WPS의 입열량 상한을 먼저 봐야 한다고 봅니다.

출처: Kobe Steel 「Welding Handbook」 LB-52 권장 용접 조건

출처: ISO 15614-1 8.4.7 (WDC 인용으로 확인, KS B ISO 15614-1 원문 미열람)

열영향부는 입열량이 아니라 냉각시간으로 반응한다

열영향부 조직을 가르는 값은 800℃에서 500℃까지 식는 시간 t8/5입니다. EN 1011-2 부속서 D는 두꺼운 판의 t8/5를 이렇게 구합니다.

t8/5 = (6700 − 5 × T0) × Q × (1/(500 − T0) − 1/(800 − T0)) × F3

Q는 열효율을 곱한 입열량(kJ/mm), T0는 예열 온도(℃)입니다. 판 두께 25mm, 비드 올림 용접(F3 1), 예열 없음(T0 20℃)을 가정했습니다.

이 조건들의 천이 두께는 12.19~15.10mm로 계산됩니다. 25mm는 그보다 두꺼우므로 3차원 열흐름 식을 씁니다.

110A 조건을 대입하면 t8/5 = 6,600 × 0.8448 × (1/480 − 1/780) = 4.47초입니다.

표 2. 전류·예열 조건별 입열량과 t8/5(단위: kJ/mm, 초)

조건	입열량	t8/5
90A · 20℃	0.6912	3.66
110A · 20℃	0.8448	4.47
130A · 20℃	0.9984	5.28
110A · 150℃	0.8448	6.63

* 입열량은 아크 에너지 × 0.8(피복아크용접 열효율 계수)임

* 24V, 150mm/min, 판 두께 25mm, F3 1 가정. 20℃·150℃는 예열 온도 T0

* 계산값이며 실측 아님. 전류 범위는 Kobe Steel LB-52 3.2mm 권장값

자료: EN 1011-2 부속서 D 식(MIGAL.CO 설명 기준), Kobe Steel 「Welding Handbook」 기준 필자 계산

권장 전류 전체 폭보다 150℃ 예열이 t8/5를 더 늘립니다. 표 2의 계산값이 그렇습니다.

Migal이 EN 1011-2를 인용해 제시한 범위에서 비합금·저합금강의 중간층·표면층 t8/5는 보통 10~25초입니다. 네 조건 모두 이보다 짧습니다. 얇은 비드를 두꺼운 판에 놓으면 그만큼 빨리 식는다는 뜻입니다.

저는 두꺼운 판의 열영향부를 논할 때 입열량보다 예열 온도를 먼저 확인해야 한다고 봅니다. 경화와 균열 판단은 이 계산이 아니라 WPS의 경도·충격시험 결과로 내려야 합니다.

출처: EN 1011-2:2001+A1:2003 부속서 D (MIGAL.CO t8/5 계산기 설명으로 확인, 원문 미열람)

입열량 기록에 함께 적어야 할 세 가지

입열량 숫자 하나로는 열영향부를 말할 수 없습니다. 아래 셋이 같이 적혀야 검증과 비교가 됩니다.

1. 속도 단위: mm/min인지 mm/s인지
2. 계산 체계: 아크 에너지인지, k를 곱한 입열량인지
3. 예열·패스간 온도와 판 두께

이 글이 확인하지 못한 것도 있습니다. ASME Section IX, ISO 15614-1, EN 1011-2 원문은 직접 열람하지 못했고 조문을 인용한 자료로 확인했습니다. Migal은 t8/5 계산값이 실제와 10% 안팎 어긋난다고 설명합니다.

저는 입열량을 열영향부의 결론이 아니라 첫 입력값으로 읽어야 한다고 봅니다.

출처: TWI 「What is the difference between heat input and arc energy?」

자주 묻는 질문

kJ/in로 적어야 하면 어떻게 환산하나

1인치는 25.4mm이므로 kJ/mm 값에 25.4를 곱합니다. 1.056kJ/mm는 26.82kJ/in입니다. TWI는 속도 단위가 결과 단위를 정한다고 설명하므로, 속도를 in/min으로 재서 넣어도 같은 결과가 나옵니다.

출처: TWI 「What is the difference between heat input and arc energy?」

펄스나 파형 제어 용접기에도 이 식을 쓰나

ASME QW-409.1은 파형 제어 용접에서 (a)항 식 대신 용착 부피나 순간 에너지 측정을 쓰게 합니다. 순간 에너지 방식은 측정한 총에너지(J)를 비드 길이로 나눕니다. 평균 전류·전압으로 구한 값은 이런 장비에서 실제와 어긋날 수 있습니다.

출처: ASME BPVC Section IX QW-409.1(b)(c) (조문을 인용한 자료로 확인, 원문 미열람)

입열량은 낮을수록 안전한가

그렇지 않습니다. 너무 빨리 식으면 경화되고, 너무 느리면 인성이 떨어집니다. Migal은 t8/5를 하한이 아니라 범위로 보라고 설명합니다. 예열과 입열량 조건은 적용 규격과 안전관리자 확인을 거쳐 정해야 합니다.

출처: MIGAL.CO t8/5 계산기 설명 (EN 1011-2 부속서 D 기준)