원저우 톈위 전자 유한회사의 이 글에서는 스테인리스강 용접 시 용가재를 선택할 때 고려해야 할 사항을 설명합니다.
스테인리스강을 매우 매력적인 소재로 만드는 특성, 즉 기계적 특성을 맞춤 설정할 수 있고 부식 및 산화에 대한 저항성이 뛰어나다는 점은 용접에 적합한 용가재를 선택하는 데 있어 복잡성을 더합니다. 특정 모재 조합에 대해 비용, 사용 조건, 원하는 기계적 특성 및 다양한 용접 관련 요소를 고려하여 여러 유형의 용접봉 중 하나가 적합할 수 있습니다.
이 글은 독자들이 해당 주제의 복잡성을 이해할 수 있도록 필요한 기술적 배경 지식을 제공하고, 용접봉 공급업체에 가장 자주 묻는 질문들에 대한 답변을 제시합니다. 적절한 스테인리스강 용접봉을 선택하기 위한 일반적인 지침을 설명하고, 이러한 지침의 예외 사항들도 기술합니다. 용접 절차는 별도의 글에서 다루기 때문에 이 글에서는 포함하지 않습니다.
네 가지 등급, 다양한 합금 원소
스테인리스강은 크게 네 가지 종류로 나뉩니다.
오스테나이트계
마르텐사이트
페라이트
듀플렉스
이 이름들은 상온에서 일반적으로 발견되는 강철의 결정 구조에서 유래되었습니다. 저탄소강을 912℃ 이상으로 가열하면 강철 원자들이 상온에서의 페라이트 구조에서 오스테나이트 구조로 재배열됩니다. 냉각되면 원자들은 원래의 페라이트 구조로 되돌아갑니다. 고온 구조인 오스테나이트는 비자성이고 가소성이 있으며, 상온의 페라이트보다 강도는 낮지만 연성은 더 큽니다.
강철에 크롬을 16% 이상 첨가하면 상온 결정 구조인 페라이트가 안정화되어 모든 온도에서 페라이트 상태를 유지합니다. 따라서 이러한 합금을 페라이트 스테인리스강이라고 합니다. 강철에 크롬을 17% 이상, 니켈을 7% 이상 첨가하면 고온 결정 구조인 오스테나이트가 안정화되어 매우 낮은 온도부터 거의 녹는점에 이르는 모든 온도에서 유지됩니다.
오스테나이트계 스테인리스강은 일반적으로 '크롬-니켈' 유형으로 불리며, 마르텐사이트계 및 페라이트계 스테인리스강은 일반적으로 '순수 크롬' 유형으로 불립니다. 스테인리스강 및 용접 금속에 사용되는 특정 합금 원소는 오스테나이트 안정화 원소로, 다른 원소는 페라이트 안정화 원소로 작용합니다. 가장 중요한 오스테나이트 안정화 원소는 니켈, 탄소, 망간, 질소입니다. 페라이트 안정화 원소는 크롬, 실리콘, 몰리브덴, 니오븀입니다. 합금 원소의 균형을 맞추면 용접 금속 내 페라이트의 양을 조절할 수 있습니다.
오스테나이트계 스테인리스강은 니켈 함량이 5% 미만인 스테인리스강보다 용접이 더 용이하고 만족스러운 결과를 제공합니다. 오스테나이트계 스테인리스강으로 제작된 용접부는 용접 직후에도 강하고 연성이 뛰어나며 인성이 우수합니다. 일반적으로 예열이나 용접 후 열처리가 필요하지 않습니다. 오스테나이트계 스테인리스강은 용접되는 스테인리스강의 약 80%를 차지하며, 이 소개 글에서는 오스테나이트계 스테인리스강에 대해 중점적으로 다룹니다.
표 1: 스테인리스강의 종류 및 크롬과 니켈 함량.
tstart{c,80%}
thead{유형|% 크롬|% 니켈|유형}
tdata{오스테나이트|16 - 30%|8 - 40%|200, 300}
tdata{마르텐사이트|11 - 18%|0 - 5%|403, 410, 416, 420}
tdata{페라이트|11 - 30%|0 - 4%|405, 409, 430, 422, 446}
tdata{듀플렉스|18 - 28%|4 - 8%|2205}
추세{}
올바른 스테인리스강 용접봉을 선택하는 방법
두 판의 기본 재질이 동일한 경우, 기존의 지침 원칙은 '기본 재질을 일치시키는 것부터 시작하라'였습니다. 이는 일부 경우에 효과적입니다. 예를 들어 310형 또는 316형을 접합할 때는 해당되는 접합재를 선택하면 됩니다.
서로 다른 재료를 접합할 때는 '합금 함량이 더 높은 재료에 맞는 필러를 선택하라'는 원칙을 따르십시오. 예를 들어 304와 316을 접합하려면 316 필러를 선택하십시오.
안타깝게도 '짝짓기 규칙'에는 예외가 너무 많아서, 차라리 용접봉 선택표를 참조하는 것이 더 나은 원칙입니다. 예를 들어, 304형은 가장 흔한 스테인리스강 모재이지만, 304형 용접봉을 판매하는 곳은 없습니다.
304형 용접봉 없이 304형 스테인리스강을 용접하는 방법은 무엇인가요?
304형 스테인리스강을 용접할 때는 308형 용접봉을 사용하십시오. 308형 용접봉에 포함된 추가 합금 원소가 용접 부위를 더욱 안정화시켜 줍니다.
하지만 308L 또한 사용 가능한 충전재입니다. 모든 종류 뒤에 붙는 'L'은 저탄소강을 나타냅니다. 3XX형 스테인리스강은 탄소 함량이 0.03% 이하인 반면, 표준 3XX형 스테인리스강은 최대 0.08%의 탄소 함량을 가질 수 있습니다.
L형 필러는 비L형 제품과 동일한 분류에 속하므로, 제조업체는 L형 필러 사용을 적극적으로 고려해야 합니다. 탄소 함량이 낮아 입자간 부식 문제가 발생할 위험이 줄어들기 때문입니다. 실제로 저자들은 제조업체가 제조 공정을 개선하기만 하면 L형 필러의 사용이 더욱 확대될 것이라고 주장합니다.
GMAW 용접 공정을 사용하는 제조업체는 실리콘이 첨가된 3XXSi형 용접봉을 사용하는 것을 고려해 볼 수 있습니다. 실리콘은 용접부의 젖음성을 향상시켜 줍니다. 용접부의 크라운이 높거나 거칠거나, 필렛 용접이나 겹침 용접의 끝부분에서 용접 풀이 잘 붙지 않는 경우, 실리콘 재질의 GMAW 용접봉을 사용하면 용접 비드를 매끄럽게 하고 용융을 개선할 수 있습니다.
탄화물 석출이 우려되는 경우, 소량의 니오븀을 함유한 347형 용접봉을 사용하는 것을 고려해 보십시오.
스테인리스강과 탄소강을 용접하는 방법
이러한 상황은 구조물의 일부에 내식성 외부 표면이 필요하지만 비용 절감을 위해 탄소강 구조 요소에 접합해야 하는 경우에 발생합니다. 합금 원소가 없는 모재와 합금 원소가 있는 모재를 접합할 때는 용접 금속 내 희석 비율이 스테인리스 모재와 균형을 이루거나 더 높은 합금 농도를 갖도록 과합금 용접봉을 사용해야 합니다.
탄소강과 304 또는 316형 스테인리스강을 접합하거나, 이종 스테인리스강을 접합할 경우 대부분의 용도에서 309L형 용접봉을 사용하는 것이 좋습니다. 크롬 함량이 더 높은 용접봉이 필요한 경우에는 312형 용접봉을 고려하십시오.
주의할 점은 오스테나이트계 스테인리스강은 탄소강보다 열팽창률이 약 50% 더 높다는 것입니다. 이러한 열팽창률 차이로 인해 접합 시 내부 응력이 발생하여 균열이 생길 수 있으므로 적절한 용접봉과 용접 절차를 사용하는 것이 중요합니다.
올바른 용접 준비 세척 절차를 사용하십시오.
다른 금속과 마찬가지로, 먼저 염소계가 아닌 용제를 사용하여 오일, 그리스, 얼룩 및 먼지를 제거해야 합니다. 그 후, 스테인리스 용접 준비의 가장 중요한 원칙은 '탄소강과의 오염을 피하여 부식을 방지하는 것'입니다. 일부 회사는 교차 오염을 방지하기 위해 '스테인리스 작업장'과 '탄소강 작업장'을 별도의 건물로 운영하기도 합니다.
용접 전 모서리를 다듬을 때는 연삭 휠과 스테인리스 브러시를 '스테인리스 전용'으로 지정하십시오. 일부 절차에서는 접합부에서 5cm(2인치) 안쪽까지 세척해야 합니다. 또한, 용접봉 조작 시 발생하는 불규칙성을 보정하기가 탄소강보다 어렵기 때문에 접합부 준비가 더욱 중요합니다.
녹 발생을 방지하려면 용접 후 올바른 세척 절차를 따르십시오.
우선 스테인리스강이 스테인리스강인 이유를 생각해 봅시다. 바로 크롬이 산소와 반응하여 재료 표면에 크롬 산화물 보호막을 형성하는 것입니다. 스테인리스강에 녹이 스는 이유는 탄화물 석출(아래 참조)과 용접 과정에서 용접 금속이 가열되어 용접 표면에 페라이트 산화물이 형성되기 때문입니다. 용접된 상태 그대로 두면, 완벽하게 용접된 것처럼 보이는 경우에도 24시간 이내에 열영향부 경계면에 마치 수레바퀴 자국처럼 녹이 생길 수 있습니다.
순수한 크롬 산화물 층이 제대로 재형성되려면 스테인리스강은 용접 후 연마, 산세척, 연삭 또는 브러싱을 통해 세척해야 합니다. 이때에도 작업 전용 연삭기와 브러시를 사용해야 합니다.
스테인리스강 용접선이 자성을 띠는 이유는 무엇일까요?
완전 오스테나이트 스테인리스강은 비자성입니다. 그러나 용접 온도에서는 미세 구조에 상대적으로 큰 결정립이 생성되어 용접 부위가 균열에 취약해집니다. 고온 균열에 대한 민감성을 완화하기 위해 용접봉 제조업체는 페라이트를 포함한 합금 원소를 첨가합니다. 페라이트상은 오스테나이트 결정립을 훨씬 미세하게 만들어 용접 부위의 균열 저항성을 향상시킵니다.
자석은 오스테나이트계 스테인리스강 용접봉에 달라붙지 않지만, 자석을 든 사람은 용접봉에 남아 있는 페라이트 때문에 약간의 인력을 느낄 수 있습니다. 불행히도 이 때문에 일부 사용자는 제품 라벨이 잘못 표시되었거나 잘못된 용접봉을 사용하고 있다고 생각하는 경우가 있습니다(특히 와이어 바스켓에서 라벨을 떼어낸 경우).
용접봉에 함유된 페라이트의 적정량은 사용 온도에 따라 달라집니다. 예를 들어, 페라이트 함량이 너무 높으면 저온에서 용접부의 인성이 저하됩니다. 따라서 LNG 배관에 사용되는 308형 용접봉은 표준 308형 용접봉의 페라이트 넘버(8)와 달리 페라이트 넘버가 3~6입니다. 요컨대, 용접봉은 겉보기에는 비슷해 보일 수 있지만, 미세한 조성 차이가 중요합니다.
듀플렉스 스테인리스강을 쉽게 용접하는 방법이 있을까요?
일반적으로 듀플렉스 스테인리스강은 페라이트 50%와 오스테나이트 50%로 구성된 미세구조를 가지고 있습니다. 간단히 말해, 페라이트는 높은 강도와 응력 부식 균열에 대한 저항성을 제공하고, 오스테나이트는 우수한 인성을 제공합니다. 이 두 상의 조합으로 인해 듀플렉스강은 매력적인 특성을 나타냅니다. 다양한 종류의 듀플렉스 스테인리스강이 있으며, 가장 일반적인 것은 2205형으로 크롬 22%, 니켈 5%, 몰리브덴 3%, 질소 0.15%를 함유하고 있습니다.
듀플렉스 스테인리스강을 용접할 때, 용접 금속에 페라이트가 과다하게 생성되면 문제가 발생할 수 있습니다(아크의 열로 인해 원자들이 페라이트 기지 구조를 형성하게 됨). 이를 보완하기 위해, 용접봉은 모재보다 니켈 함량이 2~4% 더 높은 오스테나이트 구조를 형성하도록 해야 합니다. 예를 들어, 2205형 스테인리스강 용접용 플럭스 코어드 와이어는 니켈 함량이 8.85%일 수 있습니다.
용접 후 페라이트 함량은 25~55% 범위가 적당하지만, 그보다 높을 수도 있습니다. 냉각 속도는 오스테나이트가 재형성될 수 있도록 충분히 느려야 하지만, 금속간 화합물이 생성될 정도로 너무 느려서도 안 되고, 열영향부에 과도한 페라이트가 생성될 정도로 너무 빨라서도 안 됩니다. 선택한 용접 공정 및 용가재에 대해서는 제조업체에서 권장하는 절차를 따르십시오.
스테인리스강 용접 시 매개변수 조정
스테인리스강 용접 시 전압, 전류, 아크 길이, 인덕턴스, 펄스 폭 등과 같은 매개변수를 지속적으로 조정하는 제조업체에게 있어 가장 흔한 원인은 용접봉의 조성 불균형입니다. 합금 원소의 중요성을 고려할 때, 화학 조성의 로트별 변동은 용접 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있으며, 이는 용접봉의 젖음성 저하나 슬래그 제거 어려움으로 이어질 수 있습니다. 전극 직경, 표면 청결도, 주조 및 나선 형상의 변화 또한 GMAW 및 FCAW 용접 성능에 영향을 미칩니다.
오스테나이트계 스테인리스강에서 탄화물 석출 제어
426~871℃ 범위의 온도에서 0.02%를 초과하는 탄소 함량은 오스테나이트 구조의 결정립계로 이동하여 크롬과 반응하여 크롬 카바이드를 형성합니다. 크롬이 탄소와 결합되어 있으면 내식성에 기여할 수 없습니다. 부식성 환경에 노출되면 입계 부식이 발생하여 결정립계가 침식됩니다.
탄화물 석출을 제어하려면 저탄소 용접봉을 사용하여 탄소 함량을 가능한 한 낮게(최대 0.04%) 유지해야 합니다. 또한 니오븀(이전에는 콜럼븀)과 티타늄은 크롬보다 탄소에 대한 친화력이 강하기 때문에 탄소를 포집할 수도 있습니다. 347형 용접봉은 이러한 목적으로 제조되었습니다.
용접봉 선택에 대한 토론을 준비하는 방법
최소한 용접 부품의 최종 용도에 대한 정보를 수집해야 합니다. 여기에는 사용 환경(특히 작동 온도, 부식성 물질 노출 정도 및 예상 내식성)과 원하는 사용 수명이 포함됩니다. 작동 조건에서 요구되는 기계적 특성(강도, 인성, 연성 및 피로도 포함)에 대한 정보도 매우 유용합니다.
대부분의 주요 전극 제조업체는 용가재 선택에 대한 안내서를 제공하며, 저자들은 이 점을 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 용가재 사용 안내서를 참조하거나 제조업체의 기술 전문가에게 문의하십시오. 그들은 올바른 스테인리스강 전극을 선택하는 데 도움을 줄 것입니다.
TYUE의 스테인리스강 용접봉에 대한 자세한 정보와 전문가와의 상담을 원하시면 www.tyuelec.com을 방문하십시오.
게시 시간: 2022년 12월 23일