스테인리스강 용접 시 8가지 필수 주의 사항

1. 크롬 스테인리스 스틸

특히 산화성 산, 유기산, 캐비테이션 침식에 대한 탁월한 내식성으로 잘 알려진 크롬 스테인리스 스틸은 내열성과 내마모성 또한 뛰어납니다. 이러한 특성은 주로 강철 표면에 수동적 산화 크롬 층이 형성되어 다양한 부식 환경에 대한 보호막을 제공하기 때문입니다.

이 다용도 합금은 발전소, 화학 처리 시설, 석유 정제소, 다양한 고성능 장비 및 재료 등 중요한 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있습니다. 열악한 작동 조건을 견디는 능력 덕분에 부식성 매체나 고온에 노출되는 열교환기, 압력 용기, 배관 시스템과 같은 부품에 없어서는 안 될 필수 요소입니다.

하지만 크롬 스테인리스 스틸은 특히 용접성 측면에서 제작에 어려움이 있습니다. 크롬 함량이 높으면 내식성에는 유리하지만 용접 시 민감화 및 고온 균열과 같은 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 완화하려면 정밀한 용접 절차와 세심하게 제어된 열처리 체계를 구현하는 것이 중요합니다. 주요 고려 사항은 다음과 같습니다:

1. 모재와 호환되는 적절한 필러 재료 선택
2. 저열 입력 용접 기술을 활용하여 열 영향 영역을 최소화합니다.
3. 적절한 예열 및 용접 후 열처리 프로토콜을 구현하여 카바이드 침전을 방지하고 내식성을 회복합니다.
4. 대기 오염으로부터 용접 풀을 보호하기 위한 차폐 가스 사용

2. 크롬 13 스테인리스 스틸

타입 410 또는 EN 1.4006이라고도 하는 크롬 13 스테인리스 스틸은 용접 후 경화성이 높고 마르텐사이트 미세 구조로 인해 균열이 발생하기 쉽습니다. 이 소재는 열 영향 구역(HAZ) 경화에 민감하기 때문에 구조적 무결성을 유지하기 위해 세심한 용접 절차가 필요합니다.

균열 위험을 줄이려면 다음과 같은 용접 방법을 권장합니다:

1. 필러 금속 선택:

• 기본 옵션: G202 및 G207과 같은 일치하는 Chrome 13 스테인리스 스틸 전극(예: AWS E410 또는 E410NiMo)을 활용합니다. 이러한 전극은 구성 호환성과 최적의 기계적 특성을 제공합니다.
• 대체 옵션: 용접 후 열처리(PWHT)가 불가능한 경우, A107 및 A207과 같은 오스테나이트 스테인리스 스틸 전극(예: AWS E309 또는 E308L)을 사용하세요. 오스테나이트 구조는 연성이 높아 균열 저항성이 우수합니다.

1. 예열:

• 용접하기 전에 최소 300°C(572°F)로 예열하세요. 이렇게 하면 냉각 속도를 줄이고 열 응력을 최소화하여 냉간 균열의 위험을 낮출 수 있습니다.

1. 인터패스 온도 제어:

• 과도한 경화를 방지하고 용접물 전체에 걸쳐 일관된 기계적 특성을 보장하기 위해 인터패스 온도를 300°C ~ 350°C(572°F ~ 662°F) 사이로 유지합니다.

1. 용접 후 열처리(PWHT):

• 가능하면 용접 후 약 700°C(1292°F)에서 천천히 냉각 처리하세요. 템퍼링이라고 하는 이 프로세스는 잔류 응력을 완화하고 열 영향을 받는 부위의 연성을 개선하는 데 도움이 됩니다.
• 템퍼링되지 않은 마르텐사이트가 형성되지 않도록 냉각 속도를 시간당 약 50°C(시간당 90°F)에서 실온으로 제어해야 합니다.

1. 용접 기술:

• 스트링거 비드 또는 좁은 직조 패턴과 같은 저열 투입 기술을 사용하여 열 영향 영역을 최소화하고 균열의 위험을 줄이세요.
• 열팽창과 수축을 허용하기 위해 용접된 부품을 과도하게 구속하지 마세요.

3. 크롬 17 스테인리스 스틸

430계 페라이트계 스테인리스강으로도 알려진 크롬 17 스테인리스강은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 등의 안정화 원소를 전략적으로 첨가하여 성능을 향상시켰습니다. 이러한 합금 원소는 특히 염화물이 함유된 환경에서 내식성을 크게 향상시키고 용접성을 향상시킵니다. 개선된 야금 구조는 특히 입계 부식 및 응력 부식 균열에 대한 저항성 측면에서 크롬 13 스테인리스강에 비해 우수한 성능을 제공합니다.

크롬 17 스테인리스강을 필러 금속(예: ER430 또는 E430 전극, G302 및 G307에 해당)을 사용하여 용접할 때는 적절한 열 관리 기술을 구현하는 것이 중요합니다. 냉간 균열의 위험을 최소화하기 위해 최소 200°C(392°F)로 예열할 것을 강력히 권장합니다. 응력을 완화하고 원하는 미세 구조를 복원하려면 약 800°C(1472°F)에서 용접 후 열처리(PWHT)를 수행해야 합니다. 이 템퍼링 프로세스는 잔류 응력을 줄이면서 연성과 인성을 개선하는 데 도움이 됩니다.

현실적인 제약이나 장비의 한계로 인해 용접 후 열처리가 불가능한 상황에서는 오스테나이트 크롬-니켈 스테인리스 스틸 전극(예: ER308L 또는 E308L, A107, A207에 해당)을 활용하는 것이 대안이 될 수 있습니다. 이 이종 금속 용접 기술은 PWHT 없이도 냉간 균열의 위험을 완화하고 전반적인 용접 품질을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 하지만 이 방법을 사용하면 용접 금속과 모재 간의 내식성이 약간 불일치할 수 있으므로 용접 부품의 설계 및 서비스 조건에서 이를 고려해야 한다는 점에 유의해야 합니다.

4. 크롬 니켈 스테인리스 스틸

크롬-니켈 스테인리스강을 용접할 때 가열 사이클을 반복하면 입자 경계에서 카바이드 침전을 유도할 수 있으며, 이러한 현상을 감광화라고 합니다. 이 과정은 재료의 내식성, 특히 입계 부식에 대한 저항성을 크게 저하시키고 연성 및 인성과 같은 기계적 특성에 악영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 문제를 완화하기 위해 몇 가지 전략을 사용할 수 있습니다:

1. 열 입력 제어: 저열 입력 용접 기술을 활용하고 용접 패스 횟수를 제한하여 임계 온도 범위(450~850°C)에서 소요되는 시간을 최소화합니다.
2. 안정화된 등급을 사용하세요: 티타늄 또는 니오븀과 같은 원소가 함유된 안정화된 스테인리스 스틸 등급(예: 321 또는 347)을 선택하면 용액에 크롬을 남기고 탄화물을 우선적으로 형성합니다.
3. 용액 어닐링: 1000°C 이상의 온도에서 용접 후 열처리한 후 급속 냉각하면 탄화물을 용해하고 내식성을 회복할 수 있습니다.
4. 저탄소 등급: 저탄소(<0.03%) 스테인리스 스틸 등급(예: 304L, 316L)을 선택하면 탄화물 형성에 사용되는 탄소 양을 줄일 수 있습니다.
5. 최신 용접 기술: 펄스 아크 용접 또는 레이저 또는 전자빔 용접과 같은 고에너지 밀도 공정을 사용하여 열 영향 영역의 폭을 최소화하고 감작 위험을 줄입니다.

5. 크롬 니켈 스테인리스 스틸 전극

크롬 니켈 스테인리스 스틸 전극은 부식과 산화에 대한 탁월한 저항성으로 유명하며, 수요가 많은 다양한 산업 분야에서 없어서는 안 될 필수 요소입니다. 이 전극은 일반적으로 18-20% 크롬과 8-12% 니켈을 함유하고 있으며, 표면에 수동 산화물 층을 형성하여 공격적인 환경에 대한 탁월한 보호 기능을 제공합니다.

여러 분야에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있습니다:

1. 화학 산업: 원자로, 저장 탱크, 부식성 화학물질을 취급하는 배관 시스템에서 사용됩니다.
2. 화학 비료 생산: 질소 기반 화합물 및 인산에 노출되는 장비에 활용됩니다.
3. 석유 정제: 원유 증류 장치, 촉매 크래커 및 저장 시설에 적용됩니다.
4. 의료 기계 제조: 생체 적합성과 멸균 용이성으로 인해 수술 기구, 임플란트 및 진단 장비 생산에 필수적입니다.
5. 식품 가공: 위생과 내식성이 가장 중요한 탱크, 믹서, 컨베이어 시스템에서 사용됩니다.

이 전극은 용접성이 뛰어나며 일반적으로 최대 800°C(1472°F)의 고온에서도 기계적 특성을 유지합니다. 또한 극저온에서도 우수한 연성과 충격 강도를 제공합니다.

6. 크롬 니켈 스테인리스 스틸 코팅

크롬 니켈 스테인리스강 코팅은 일반적으로 티타늄 안정화 전극과 저수소 전극이라는 두 가지 주요 유형의 용접 전극을 사용하여 적용됩니다. 티타늄 안정화 전극은 AC 및 DC 전원 모두와 호환되는 다목적 전극입니다. 하지만 AC 용접을 사용할 때는 침투 깊이가 제한되어 있고 고온 균열의 위험이 높다는 점에 유의해야 합니다. 최적의 결과를 얻으려면 더 깊은 침투 깊이와 더 나은 아크 안정성을 제공하는 DC 용접, 특히 DC+(역극성)를 강력히 권장합니다.

전극 선택은 용접 위치 및 조인트 구성에 따라 달라집니다. 직경 4.0mm 이하의 전극은 모든 위치 용접에 적합하며 복잡한 형상 및 위치 외 작업에 탁월한 유연성을 제공합니다. 평평하고 수평인 필렛 용접의 경우, 더 큰 직경의 전극(5.0mm 이상)이 더 높은 증착률과 향상된 효율을 제공하기 때문에 선호됩니다.

크롬 니켈 스테인리스강 코팅을 적용할 때는 재료의 내식성과 기계적 특성을 보존하기 위해 적절한 인터패스 온도(일반적으로 150°C 이하)를 유지하는 것이 중요합니다. 또한 적절한 보호 가스(예: GTAW용 Ar/2-3% N2)를 사용하면 용접 품질을 향상하고 크롬 산화를 최소화할 수 있습니다.

7. 용접봉

고품질 용접을 위해서는 적절한 전극 취급과 준비가 중요합니다. 용접 결함을 방지하고 최적의 성능을 보장하려면 사용 중 전극의 건조 상태를 유지하는 것이 가장 중요합니다.

전극 유형에 따라 특정 건조 절차가 필요합니다:

• 티타늄 칼슘 전극: 150°C(302°F)에서 1시간 동안 건조합니다.
• 낮은 수소 전극: 200-250°C(392-482°F)에서 1시간 동안 건조합니다.

반복적인 건조 사이클은 균열 및 벗겨짐 등의 코팅 열화를 초래할 수 있으므로 권장하지 않습니다. 이러한 열화는 전극의 무결성과 용접 성능을 저하시킬 수 있습니다.

전극을 올바르게 보관하고 건조하는 가장 큰 목적은 습기 흡수와 오염을 방지하는 것입니다. 오일, 먼지 또는 기타 오염 물질에 노출되면 전극 코팅에 악영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 불순물은 용접 풀에 바람직하지 않은 요소를 도입하여 잠재적으로 용접 금속의 탄소 함량을 증가시킬 수 있습니다. 탄소 수준이 높아지면 용접물의 기계적 특성과 전반적인 품질에 부정적인 영향을 미쳐 연성 감소, 경도 증가, 균열 취약성 등의 문제가 발생할 수 있습니다.

전극 품질을 유지하고 일관된 용접 결과를 보장하려면 다음 모범 사례를 구현하세요:

1. 습도가 조절되는 깨끗하고 건조한 환경에 전극을 보관하세요.
2. 최적의 수분 수준을 유지하도록 설계된 전극 오븐 또는 보관 용기를 사용하세요.
3. 사용 직전에 필요한 수의 전극만 보관에서 제거합니다.
4. 선입선출(FIFO) 재고 시스템을 구현하여 전극의 장기 보관을 방지합니다.
5. 사용하기 전에 정기적으로 전극의 손상 또는 오염 징후를 검사합니다.

8. 용접 전류

스테인리스강 용접 시 재료의 열화를 방지하고 최적의 용접 품질을 보장하려면 용접 전류를 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다. 크롬 카바이드 침전 및 그에 따른 입계 부식의 위험을 완화하려면 일반적으로 탄소강 전극에 사용되는 것보다 약 20% 낮은 용접 전류를 사용하는 것이 필수적입니다. 이렇게 전류를 줄이면 열 입력을 최소화하고 감응 온도 범위(450~850°C)에서 소요되는 시간을 제한하는 데 도움이 됩니다.

짧은 아크 길이를 유지하는 것도 마찬가지로 중요한데, 이는 열 집중도를 높이고 열 영향 영역(HAZ)을 줄이는 데 기여하기 때문입니다. 이 방법은 용접 관통력을 향상시킬 뿐만 아니라 왜곡과 잔류 응력을 제어하는 데도 도움이 됩니다.

스테인리스강 용접에서는 중간층을 빠르게 냉각하는 것이 매우 중요합니다. 이는 다음을 통해 달성할 수 있습니다:

1. 적절한 방열판 기술 구현
2. 해당되는 경우 백킹 바 사용
3. 펄스 용접 기술을 사용하여 간헐적 냉각 가능

최적의 결과를 얻으려면 좁은 용접 비드를 사용하는 것이 좋습니다. 이 접근 방식은 몇 가지 장점을 제공합니다:

• 열 입력에 대한 향상된 제어
• 비금속 희석 감소
• 용접의 기계적 특성 향상
• 왜곡 및 잔류 스트레스 최소화