스테인리스강 용접 재료 선택하기: 전문가 조언
스테인리스 스틸에 적합한 용접 재료를 선택하는 방법에 대해 궁금한 적이 있나요? 이 기사에서는 다양한 유형의 스테인리스강 용접의 복잡성에 대해 자세히 알아보고 주요 고려 사항을 강조합니다...
튼튼하고 내구성 있는 용접을 위해서는 올바른 용접 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 이 가이드에서는 용접 조인트의 성능 요구 사항, 제조 공정 고려 사항 및 경제적 요인에 따라 용접 재료를 선택하는 원칙과 모범 사례를 살펴봅니다. 탄소강부터 스테인리스강까지 다양한 재료에 대한 자세한 기준을 제시하여 최적의 용접 결과를 얻기 위한 정보에 입각한 결정을 내리는 데 도움을 줍니다. 고온 조건을 다루든 비용 효율적인 솔루션을 찾고 있든, 용접 프로젝트를 개선할 수 있는 귀중한 통찰력을 얻을 수 있습니다.
고품질 용접 조인트를 얻으려면 용접 재료의 선택이 합리적이어야 합니다. 용접 부품의 작동 조건에 큰 차이가 있기 때문에 기본 재료의 재료 특성과 구성이 크게 다르며 부품의 제조 공정이 복잡하고 다양합니다.
따라서 해당 용접 재료를 결정하기 위해서는 다양한 측면을 종합적으로 고려해야 합니다.
용접 재료의 선택은 다음 원칙을 따라야 합니다:
(1) 다음 요건을 충족해야 합니다. 용접 조인트 실온 및 고온 단기 강도, 굽힘 성능, 충격 인성, 경도, 화학적 조성, 장기 강도, 크리프 한계, 고온 산화 저항, 내식성 등 기술 표준 및 설계 도면의 접합부에 대한 특수 성능 요구 사항 등의 성능을 포함합니다.
(2) 제조 공정 성능 및 용접 공정 성능의 요구 사항을 충족합니다. 용접 조인트.
용접 조인트를 구성하는 부품은 제조 공정 중에 스탬핑, 압연, 굽힘, 선삭, 대패질 등과 같은 다양한 성형 및 절단 공정이 필연적으로 필요하므로 용접 조인트는 특정 소성 변형 능력, 절단 성능, 고온 종합 성능 등을 갖추어야 합니다.
용접 공정에는 다음과 같은 우수한 공정 성능이 필요합니다. 용접 재료 모재의 용접 특성 차이에 따른 균열과 같은 결함에 대한 저항력.
(3) 합리적인 경제성.
위에서 언급한 다양한 성능 및 제조 성능에 대한 최소 요구 사항을 충족하면서 제조 비용을 절감하고 경제적 이점을 높이기 위해 저렴한 용접 재료를 선택해야 합니다.
예를 들어, 수동 아크 용접을 사용하여 중요 부품에 저탄소 강철을 용접하는 경우 알칼리 코팅 전극은 완전히 탈산, 탈황되고 수소 함량이 낮으며 용접 금속의 균열 저항성과 충격 인성이 우수하므로 선호해야 합니다.
일부 비 중요 부품의 경우 산성 전극을 사용할 수 있는데, 이는 비 중요 부품의 성능 요구 사항을 충족하고 가공성이 우수하며 가격이 저렴하여 제조 비용을 절감할 수 있기 때문입니다.
탄소강 및 저탄소강 용접 재료 선택 시 합금강 (저합금 내열강 및 저합금 고강도강 포함)의 경우 다음 요소를 고려해야 합니다:
(1) 동등한 강도와 동등한 인성의 원칙
내압 부품의 경우 강도 계산은 일반적으로 재료의 허용 인장 응력을 기준으로 합니다.
허용 인장 응력은 재료의 표준 인장 강도의 하한, 즉 허용 응력 [σ] = σ와 관련이 있습니다.b / nb (n의 값b 표준에 따라 다름), 여기서 [σ]는 재료의 허용 인장 응력, σb 는 재료의 표준 인장 강도의 하한값이고, nb는 안전 계수입니다(nb의 값은 표준에 따라 다릅니다).
따라서 구성 요소의 일부로서 용접의 인장 강도는 모재의 표준 인장 강도의 하한보다 작아서는 안 됩니다.
동시에 용접 재료의 증착 된 금속의 인장 강도가 모재의 인장 강도보다 훨씬 높아서는 안되며, 이는 용접의 가소성 감소 및 경도 증가로 이어질 수 있으며 이는 후속 제조 공정에 도움이되지 않는다는 사실에주의를 기울여야합니다.
강도 계산은 재료의 인장 강도만 고려하고 다양한 공정 평가 표준은 다음을 요구하지 않습니다. 항복 강도 용접 재료를 선택할 때 용접 재료의 증착 금속의 항복 강도도 모재의 항복 강도보다 낮지 않도록 고려해야 하며, 일정한 항복 대 인장 강도 비율을 보장하는 데 주의를 기울여야 합니다.
조인트가 고온에서 작동하는 경우 허용 응력 계산은 일반적으로 작동 온도(또는 설계 온도)에서 재료가 지정한 단기 고온 인장 강도의 하한, 즉 [σ]를 기준으로 합니다.t] = σbt / nb여기서 [σt] 는 온도 t에서 단기 고온 인장 강도의 하한을 기준으로 계산된 허용 응력, σbt 는 온도 t에서 재료가 지정한 단기 고온 인장 강도의 하한이거나, 허용 응력은 작동 온도에서 재료의 장기 강도 및 크리프 한계, 즉 [σD t] = σDt / nD여기서 [σDt] 는 온도 t에서의 장기 강도를 기준으로 계산된 허용 응력, σDt 는 온도 t에서 재료의 장기적인 강도이고, nD 는 안전 계수(nD 표준에 따라 다름).
따라서 고온 작동 용접 조인트용 용접 재료를 선택할 때는 단기 고온 인장 강도 또는 장기 강도가 모재의 해당 값보다 낮아서는 안 됩니다.
탄소강 및 일반 저합금강의 경우 용접 재료의 선택은 주로 용접 재료의 인장 강도를 고려하며 증착된 금속과 모재 간의 화학적 조성 일치는 고려되지 않을 수 있습니다.
그러나 Cr-Mo 내열강의 경우 용접 재료의 선택은 동일한 강도를 고려해야 할뿐만 아니라 합금 원소 를 사용하여 용접 조인트의 종합적인 성능이 모재와 일치하는지 확인합니다.
재료의 항복 강도에 따라 부품을 설계하는 특수한 경우, 동일한 항복 강도 원칙이 중요한 고려 요소가 되어야 합니다.
부품의 작동 조건이 다르기 때문에 특히 저온에서 작동하는 부품이나 고강도 두꺼운 벽을 가진 부품의 경우 인성이 부족하여 작동 중에 취성 파손이 발생하는 경우가 많습니다.
따라서 관련 표준에는 용접 조인트의 충격 인성에 대한 명확한 요구 사항이 있습니다. 용접 재료를 선택할 때는 용접의 충격 인성이 관련 표준의 요구 사항을 충족하는지 확인해야 합니다.
그러나 표준마다 접합부의 충격 인성에 대한 요구 사항이 다릅니다. 증기 보일러 안전 감독 규정은 용접 조인트의 충격 인성이 모재에 지정된 충격 인성의 하한보다 낮아서는 안 된다고 규정하고 있습니다.
기본 재료에 충격 인성 지수가 없는 경우 27J보다 낮지 않아야 합니다. 그리고 강철 압력 용기 표준 GB150은 조인트의 충격 인성 값이 강철의 최저 인장 강도에 따라 결정된다고 명시하고 있습니다. 탄소강 및 저합금강의 경우 조인트의 최소 충격 인성은 다음과 같습니다:
저온 용기의 경우 충격 인성 값은 기본 재료의 지정된 값의 하한보다 낮아서는 안 됩니다.
그러나 ASME 규정 VIII-1은 강도 수준, 두께, 작동 온도 및 재료의 허용 응력에 대한 설계 응력의 비율에 따라 조인트의 충격 인성 성능을 보장해야 하는지 여부를 결정합니다.
조인트에 충격 인성 요구 사항이 있는 경우, 재료의 강도 수준과 두께에 따라 충격 인성의 최소 보증 값이 지정됩니다.
요약하면 용접 재료를 선택할 때 제품의 설계, 제조 및 검사 표준에 따라 접합부의 충격 인성 요구 사항을 결정하고 표준 요구 사항, 즉 사용 성능 요구 사항을 충족하는 데 적합한 용접 재료를 선택해야 합니다.
충격 인성 요구 사항을 고려할 때는 구조물의 설계 온도와 작동 온도에 주의를 기울여야 합니다.
작동 온도가 실온 이상인 경우 접합부의 실온 충격 인성만 유지하면 되고, 실온 미만인 경우 해당 온도에서 표준 또는 도면에 명시된 충격 인성 값을 보장해야 합니다.
물론 용접 조인트의 성능은 용접 재료뿐만 아니라 특정 용접 재료와도 관련이 있습니다. 용접 프로세스.
따라서 조인트의 용접 재료 선택은 복잡한 문제입니다.
(2) 제조 공정의 요구 사항과 영향을 고려합니다.
부품을 용접한 후에는 종종 다양한 성형 프로세스 롤링, 누르기, 구부리기, 보정 등의 작업을 수행합니다.
따라서 용접 조인트와 모재는 일정한 변형 용량, 특히 조인트의 굽힘 시험으로 측정되는 냉간 변형 용량을 가져야 합니다. 많은 표준에서 다양한 재료의 용접 조인트의 굽힘 테스트에 대한 명확한 요구 사항을 제시하고 있습니다.
"증기 보일러 안전 기술 감독 규정"은 굽힘 시험 중 굽힘 축 직경 D = 3a (a는 시편의 두께)를 규정하고 있으며 탄소강은 다음을 충족합니다. 굽힘 각도 180°, 저합금강은 100°로 인증되었습니다.
GB150-99 강압용기 및 ASME 섹션 IX는 모든 재료가 굽힘 테스트를 받을 때 굽힘축 직경 D=4a, 굽힘 각도 180°를 충족하도록 규정하고 있습니다.
따라서 용접 재료를 선택할 때 용접 금속의 굽힘 성능은 위 표준의 요구 사항을 충족해야 합니다.
또한 용접 재료의 선택은 용접 후 열처리 공정(예: 용접 후 어닐링, 정규화)의 영향도 고려해야 합니다, 담금질 및 템퍼링등)를 용접 금속 특성에 적용합니다.
용접 후 어닐링 열처리, 특히 용접 후 노멀라이징은 용접 금속 특성에 상당한 변화를 일으킬 수 있습니다. 용접 부품이 비교적 얇은 경우 용접 후 응력 제거 열처리는 필요하지 않습니다.
용접된 상태의 용접 금속의 성능이 관련 요구 사항을 충족하는 경우. 벽 두께가 두꺼운 용접 부품의 경우 관련 제조 표준에 따라 벽 두께가 특정 한계를 초과하는 경우 용접 후 응력 제거 어닐링을 수행해야 합니다.
열처리 중 가열 온도와 유지 시간이 다르면 용접 금속의 특성이 다르게 변화합니다.
엔지니어링에서는 템퍼링 파라미터라고도 하는 라슨-밀러 파라미터를 사용하여 응력 완화 어닐링의 가열 온도 및 유지 시간에 영향을 받는 접합 특성을 논의합니다. 템퍼링 파라미터의 공식은 다음과 같습니다:
[P]=T(20+logt)×10-3
여기서 T는 켈빈 단위의 절대 온도, t는 시간 단위의 시간입니다.
템퍼링 매개변수〔P〕=T(20+Logt)×10-3
일반적으로 [P] 값이 증가하면 용접 금속의 인장 강도와 항복 강도가 감소하고 연신율이 증가하며 충격 인성이 변동합니다.
그림 1과 2는 각각 용접봉 CMA96과 CMA106의 증착된 금속의 템퍼링 파라미터와 기계적 특성 간의 관계를 보여줍니다.
따라서 용접 재료의 용접 후 열처리를 선택할 때는 해당 [P] 값에서 증착된 금속의 기계적 특성이 관련 표준을 충족하는지 여부를 고려해야 합니다.
용접 조인트가 용접 후 핫 스탬핑, 핫 보정, 열간 압연 또는 기타 열간 성형 공정을 거쳐야하는 경우 가열 온도가 재료의 AC3 온도 이상에 도달하고 정지 공기에서 냉각하기 전에 일정 시간 동안 유지되는 경우 냉각 속도 중 정규화 프로세스 는 용접 과정에서 이보다 훨씬 느립니다.
표준화된 프로세스를 통해 용접 금속은 용접 프로세스보다 800-500℃에서 더 오래 유지됩니다.
정상화 공정 중에 강철을 AC3 이상으로 가열하면 완전한 오스테나이트화가 발생하고 냉각 중에 재결정화가 발생하여 원래 과냉각된 용접 금속의 구조가 파괴되고 크게 감소합니다. 용접 강도.
가장 심한 감소는 100MPa를 초과할 수 있습니다. 따라서 열간 성형 공정을 거쳐야 하는 용접 조인트의 경우 선택한 용접 재료는 용접 상태 또는 응력 완화 처리가 된 용접 재료보다 50-100 MPa 더 높은 강도 수준을 가져야 합니다.
예를 들어, 19Mn6의 경우 용접 상태 그대로의 서브머지드 아크 용접 와이어는 H08MnMO이며, 정규화 및 템퍼링 상태의 경우 H08Mn2Mo를 대신 사용해야 합니다.
최소 인장 강도가 485MPa인 300,000kW 스팀 드럼 리프팅 로드 재료인 SA675의 경우 일반적으로 수동 아크 용접에 J507 용접봉이 사용됩니다.
그러나 열간 굽힘 및 정규화 처리를 거치는 굽힘 구간의 용접 조인트의 경우 실험 결과에 따라 J607을 권장합니다.
정규화 및 템퍼링 처리를 거친 용접 조인트의 용접 재료를 선택할 때는 강도가 일반적인 조건보다 50-100MPa 증가하는 것을 고려해야 할 뿐만 아니라 용접 금속의 화학적 조성도 모재와 동일해야 합니다. 이는 합금의 구성과 함량에 따라 재료의 AC3 온도가 결정되기 때문입니다.
용접 금속과 모재의 화학 성분이 크게 다르면 AC3 온도도 크게 달라집니다. 모재와 용접 금속이 함께 정규화되면 적절한 정규화 온도를 결정할 수 없습니다.
또한 용접된 접합부에 담금질 및 템퍼링 처리가 필요한 경우, 이러한 처리가 접합부의 성능에 미치는 영향도 고려해야 합니다. 담금질 및 템퍼링 조인트의 용접 재료 강도는 일반화 및 템퍼링 조인트의 용접 재료 강도보다 낮을 수 있습니다.
예를 들어, BHW35의 경우 전기 아크 용접 및 노멀라이징 후 H10Mn2NiMo를 사용하고, 담금질 및 템퍼링 처리에는 H10Mn2Mo를 대신 사용할 수 있습니다.
다음 사항을 고려하십시오. 용접성 재료와 용접 방법의 야금학적 특성을 고려해야 합니다. 재료마다 용접성이 다르며 특정 주요 요소 함량에 대한 요구 사항이 다릅니다. 용접 재료를 선택할 때는 재료의 용접성을 고려해야 합니다.
예를 들어, 2.25Cr-1Mo 내열강의 용접 금속은 332-432℃의 온도 범위에서 유지하거나 천천히 냉각할 때 소위 성질 취화 현상을 경험할 수 있으며, 이는 용접 금속의 취성 전이 온도를 크게 증가시킵니다.
연구에 따르면 성질에 대한 민감도는 다음과 같습니다. 용접 유형 금속은 입자 경계에서 편향된 P, As, Sb 및 Sn 불순물에 의해 발생합니다. 일반적으로 용접 금속의 저온 취성은 P 및 Si 함량과 관련이 있는 것으로 알려져 있습니다. 용접 금속의 P 및 Si 함량은 P≤0.015% 및 Si ≤0.15%로 감소되어야 합니다.
따라서 Cr-Mo 내열강 서브머지드 아크 용접의 경우, HJ350 용접 플럭스 중간 망간 및 중간 실리콘이 포함된 HJ431 대신 H08Cr3MnMoA 와이어와 일치하는 HJ431을 선택해야 합니다. 용접 금속의 성질 취성의 민감도는 용접 금속의 합금 계열에 따라 달라집니다. 마찬가지로 C-Mo, Mn-Mo 및 Mn-Ni-Mo 시리즈 용접 금속도 템퍼 취성 문제가 있습니다.
용접 금속의 Si 함량을 줄이려면 앞서 언급한 시리즈의 서브머지드 아크 용접 와이어에는 HJ350 용접 플럭스와 일치하는 용접 재료를 사용해야 합니다. 예를 들어, 서브머지드 아크 용접 와이어 H08Mn2Mo는 BHW35 용접을 위해 HJ350 용접 플럭스와 일치해야 합니다. 용접 금속의 충격 인성이 더 높아야 하는 경우 용접 플럭스도 HJ250 또는 HJ250+HJ350 혼합 플럭스를 사용해야 합니다.
그러나 H08MnA 및 H10Mn2와 같은 저실리콘 용접 와이어의 경우 용접 금속에 템퍼 취화 현상이 없습니다. 이 두 가지 유형의 용접 와이어는 20# 또는 16Mn 강철 용접 시 고실리콘 및 고망간 용접 플럭스 HJ431과 함께 사용해야 합니다.
고망간 및 고실리콘 용접 플럭스를 사용하면 용접 풀이 실리콘화되고 용접 금속에 일정량의 실리콘 함량이 용접 금속의 탈산 공정에 도움이되어 기공 발생을 방지합니다. 용접 재료를 선택할 때는 다양한 용접 방법의 야금학적 특성도 고려해야 합니다.
예를 들어, CO2 또는 CO2+Ar를 사용하는 가스 금속 아크 용접의 경우 차폐 가스용접 공정 중에 플럭스 또는 용접 와이어와 금속 사이에 야금학적 반응이 일어나지 않습니다. 그러나 CO2와 용접 와이어 사이에 금속 요소 를 사용하여 산화철 FeO를 형성합니다.
따라서 용접 와이어는 환원 반응을 줄이고 조밀한 용접 구조를 형성하기 위해 적절한 양의 실리콘과 망간을 포함해야 합니다. 텅스텐 불활성 가스 용접산화-환원 반응이 없으며 필러 와이어와 기본 재료가 실제로 재용융됩니다.
따라서 아르곤 아크 용접 와이어는 완전히 탈산해야 하며 끓는 강철 재료를 사용해서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 용접부에 기공이 발생합니다. Calm 강철 소재 을 대신 사용해야 하며, 용접 와이어에 특정 Si 및 Mn 함량을 가질 필요는 없습니다.
예를 들어 아르곤 아크 용접에 15CrMo 내열강을 사용하는 경우, 용융 전극의 경우 H08CrMo 용접 와이어를 선택해야 합니다. 가스 차폐 용접H08CrMnSiMo 용접 와이어를 선택해야 합니다.
용접 재료와 모재의 강도가 같아야 한다는 원칙은 오스테나이트 스테인리스강에는 완전히 적용되지 않습니다. 특정 강도 요구 사항이 없는 부식성 환경에서 사용하는 경우 주요 관심사는 용접 조인트의 부식 방지 특성입니다.
단기간 작업으로 고온 및 고압 조건에서 사용하는 경우 특정 고온 및 단기 강도가 필요하며, 장기 작업에는 용접 금속의 충분한 내구성 강도와 크리프 한계가 필요합니다.
예를 들어, 고압 및 고온 조건에서 SA213-TP304H 파이프를 사용하는 경우 E308H 용접 재료를 선택해야 합니다.
오스테나이트 계 스테인리스강을 용접할 때 용접 재료의 선택은 주로 증착된 금속의 화학 성분이 모재와 동일해야 한다는 점을 고려합니다.
용접 재료의 증착 금속의 화학 성분이 모재와 동일하다면 용접 금속의 성능은 기계적 특성, 내식성 등을 포함하여 모재의 성능과 동등할 수 있습니다.
제조 공정 조건 또는 도면에 따른 내식성에 대한 특별한 요구 사항에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
용접 중 입계 균열을 방지하려면 탄소(초저탄소) 함량이 낮고 Ti와 Nb를 함유한 스테인리스강 용접 재료를 사용하는 것이 가장 좋습니다.
용접봉의 코팅 또는 플럭스의 SO2 함량이 너무 높으면 니켈 함량이 높은 오스테나이트강 용접에는 적합하지 않습니다.
용접부의 고온 균열(응고 균열)을 방지하기 위해 P, S, Sb 및 Sn과 같은 불순물의 함량을 제어해야 하며 단상 형성을 피하는 것이 바람직합니다. 오스테나이트 용접 금속의 구조를 최대한 유지합니다.
많은 재료가 오스테 나이트 계 스테인리스 강 용접 금속의 페라이트 함량이 용접 경향을 줄이는 데 도움이된다고 제안하지만 금속 균열다량의 순수 오스테나이트 스테인리스강 용접 금속이 수년 동안 사용되어 왔으며 조인트의 성능이 우수합니다.
적절한 페라이트 함량은 특정 매체에서 내식성에는 유리하지만 저온 조건에서 용접 금속의 충격에는 해롭습니다.
종합적인 요소를 고려할 때, 일반적으로 오스테나이트 계 스테인리스강의 페라이트 함량은 4%에서 12% 사이가 바람직하며, 이는 5%의 페라이트 함량이 입계 부식에 대한 만족스러운 저항성을 달성할 수 있기 때문입니다.
용접부의 페라이트 함량은 미세 구조 차트를 통해 용접 금속의 화학 성분을 Cr 환산 및 Ni 환산으로 변환하여 추정할 수 있습니다.
일반적으로 사용되는 차트에는 WRC-1988, 에셉테인, 델롱 등이 있습니다.
WRC-1988 차트는 300 시리즈 스테인리스강 및 듀플렉스 스테인리스강에 적합하지만 N>0.2% 및 Mn>10%의 재료에는 적용되지 않습니다. 엡스타인 차트는 200 시리즈 질소 강화 오스테나이트 스테인리스강(Mn<1.5% 및 N<0.25%)에 적합합니다.
오스테나이트 선택 시 스테인리스 스틸 용접 재료의 경우 용접 방법이 증착된 금속의 화학적 조성에 미치는 영향에 주의를 기울여야 합니다. 텅스텐 불활성 가스 용접은 용접 금속의 화학적 조성 변화에 가장 적은 영향을 미치며, 희석되지 않은 용접 금속에서 C와 N을 제외한 다른 변화는 작습니다.
특히 C 손실이 가장 큽니다. 예를 들어 전극의 C 함량이 0.06%인 경우 아르곤 아크 용접의 비희석 증착 금속의 함량은 0.04%이고 용접 금속의 N 함량은 약 0.02% 증가합니다.
용융 전극 가스 차폐 아크 용접 시 증착된 금속의 Mn, Si, Cr, Ni 및 Mo 함량은 약간의 변화를 겪을 수 있지만 C의 손실은 아르곤 아크 용접의 1/4에 불과하며 N 함량의 증가는 훨씬 더 높습니다. 증가량은 용접 공정에 따라 다르며 최대 0.15%까지 증가합니다.
수동 아크 용접 및 서브머지드 아크 자동 용접 시 용접 금속의 합금 원소는 코팅, 플럭스, 용접 와이어 및 전극의 영향을 공동으로 받습니다.
특히 코팅이나 플럭스를 통해 합금 원소가 전이되는 용접 재료의 경우 용접 와이어 또는 전극의 화학 성분으로 용접 금속의 화학 성분을 추정하는 것은 불가능합니다.
물론 용접 금속의 합금 함량으로 용접부의 페라이트 함량을 추정할 수 있지만, 용접 공정 중 냉각 속도도 페라이트 함량에 영향을 미치기 때문에 이 추정 값은 실제 값과 어느 정도 편차가 있습니다.
일반적으로 용접 금속의 합금 원소 함량이 정확히 같으면 용접 방법에 따라 페라이트 함량이 달라진다는 데 동의합니다.
페라이트 함량은 스트립 클래딩에서 가장 높고 아르곤 아크 용접에서 가장 낮습니다. 동일한 스트립 클래딩을 사용하더라도 용접 시작과 끝의 페라이트 함량이 중간 세그먼트보다 약 2~3% 낮은 것으로 나타났습니다.
표준화를 통해 스테인리스 스틸 소재 용접 재료의 선택이 간단해졌습니다. 오스테나이트 스테인리스강 용접 재료의 선택이 간단해졌습니다. 해당 용접 재료 등급은 다음을 기준으로 선택할 수 있습니다. 스테인리스 스틸 소재 등급SA240-316 스테인리스 스틸용 E316 전극을 선택하는 것과 같은 예입니다.
For 마르텐사이트 스테인리스 스틸의 경우 모재와 동일한 용접 재료를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 예를 들어 1Cr13 강철은 E410 시리즈 용접 재료를 사용해야 하며 수동 아크 용접의 용접 전극 번호는 G217입니다.
그러나 1Cr13에 해당하는 일반 용접 재료의 용접 금속 구조는 거친 마르텐사이트와 페라이트를 가지고 있어 단단하고 부서지기 쉬우며 균열이 발생하기 쉽습니다. 또한 용접물은 250-350℃에서 예열해야 합니다.
성능을 향상시키려면 용접 재료의 S 및 P 함량을 제한하고 Si 함량을 제어해야 하며(≤0.30%), C 함량을 줄여야 합니다. 소량의 Ti, Al 및 Ni를 첨가하여 입자를 정제하고 경화성을 줄일 수 있습니다.
일부 데이터에 따르면 용접 재료에 Nb 함량(최대 약 0.8%)을 추가하면 단상 페라이트 구조를 얻을 수 있습니다. CO2 용접 와이어에서는 탈산 목적을 달성하기 위해 Ti와 Mn 원소를 추가해야 합니다.
마르텐사이트계 스테인리스강은 오스테나이트계 스테인리스강 용접 재료도 사용할 수 있습니다. 이때 용접 금속의 조성에 대한 모재 희석의 영향을 고려해야 합니다. 적절한 Cr 및 Ni 함량에 따라 다음과 같은 형성이 가능합니다. 마르텐사이트 구조 을 피할 수 있습니다. 예를 들어 A312(E309Mo) 용접 재료는 1Cr13 마르텐사이트강 용접에 사용할 수 있습니다.
For 페라이트계 스테인리스 스틸의 경우 일반적으로 모재와 동일한 용접 재료로 용접됩니다. 그러나 용접부의 페라이트 구조는 거칠고 인성이 좋지 않습니다. 담금질된 페라이트의 미세 구조는 용접 재료의 Nb 함량을 증가시킴으로써 개선할 수 있습니다.
한편, 용접 금속의 인성을 향상시키기 위해 열처리를 사용할 수 있습니다. 용접 후 열처리가 불가능한 페라이트 계 스테인리스강의 경우 순수 오스테나이트 용접 재료를 사용하여 포괄적인 특성을 가진 용접 조인트를 얻을 수도 있습니다.
일반 페라이트강에 속하는 저탄소강과 저합금강 사이의 용접과 다른 저합금강 사이의 용접은 동일한 재료의 다른 강 용접에 속합니다.
이러한 강철을 용접하는 경우 용접 야금 특성이 하위 등급의 재료 요구 사항을 충족할 수 있도록 낮은 강도 수준 또는 낮은 합금 원소 함량을 기준으로 용접 재료가 선택됩니다.
또한 낮은 등급의 재료를 선택하면 상대적으로 저렴한 가격에 더 나은 용접 성능을 제공하여 제조 비용을 절감하는 데 도움이 됩니다.
예를 들어, 20# 강철, SA106 탄소강, 16Mn, 19Mn6, 15MnMoV, BHW35 및 기타 저 합금강에 대해 동일한 재료의 다른 강철을 용접 할 때 사용되는 용접 재료는 완전히 동일합니다. 저탄소강 용접 그 자체입니다.
수동 아크 용접, 서브머지드 아크 용접 및 가스 차폐 용접에 해당하는 용접 재료는 각각 J507, H08MnA+HJ431 및 H08Mn2Si입니다.
저합금강 내열강 및 중합금강 내열강의 용접
화학 성분의 불연속성으로 인해 용접 솔기 동일한 소재의 다른 강재에서는 그에 상응하는 성능 불연속성이 발생합니다. 이러한 불연속성이 사용 성능에 큰 영향을 미치는 경우, 저급 원칙에 따라 용접 재료를 선택할 수 없습니다.
예를 들어, SA213-T91 및 SA213-T22 재료를 용접할 때 일반적인 저급 원칙에 따라 2.25Cr-1Mo 용접 재료를 선택하면 심각한 탄소 농축이 발생하고 탈탄 T91 쪽의 융합 라인의 T91 모재 근처에 있습니다.
이는 T91에는 약 9%의 크롬이 포함되어 있는 반면, 2.25Cr-1Mo 용접 와이어에는 약 2.25%의 탄소가 포함되어 있기 때문입니다.
용접 후 어닐링 처리 후 T91 측 열 영향 영역의 크롬 함량은 용접 이음새 측보다 훨씬 높아져 많은 양의 탄소가 모재 쪽으로 이동하고 탄소 농축층이 생성되어 경도가 증가하고 미세 구조가 더욱 단단해집니다.
반대로 용접 이음새 쪽은 경도가 낮아지고 미세 구조가 부드러워지는 등 탈탄이 심해져 조인트의 성능이 저하됩니다.
9Cr-1Mo 용접 재료를 선택하면 T22 측의 용접 이음새에서 모재의 탄소 농축 및 탈탄이 발생합니다. 이러한 화학 성분 불연속성을 가진 부품이 고온에서 작동하면 탄소 이동이 장시간 지속되어 접합부의 성능이 심각하게 저하되고 작동 고장을 일으킬 수 있다는 점에 유의해야 합니다.
연구에 따르면 위의 현상을 피하거나 줄이기 위해 5Cr-1Mo의 중간 화학 성분을 가진 용접 재료를 용접에 사용하거나 Nb 및 V와 같은 탄화물 안정화 원소를 용접 재료에 첨가하여 탄소 원소를 응고시키고 탄소 편차 발생을 줄일 수 있습니다.
국내 한 업체에서 실시한 예비 실험에서 위와 같은 동일 재질의 다른 강재를 용접할 때 CM-9cb, TGS-9cb, MGS-9cb 등 Nb와 V가 포함된 T91 용접재를 사용하면 좋은 결과를 얻을 수 있었습니다.
탄소강, 저합금강, 오스테나이트 스테인리스강의 이종강 접합부를 용접할 때는 접합부의 작업 온도와 응력 조건에 따라 용접 재료를 선택해야 합니다.
압력을 견디고 315°C 이하의 온도에서 작동하는 이종강 접합부의 경우, 오스테나이트 스테인리스강에 Cr 및 Ni 합금 함량이 높은 용접 재료를 사용할 수 있습니다. 탄소강(합금강)과 오스테나이트강의 화학적 조성 및 용융 비율의 크기에 따라 용접부에 마르텐사이트가 다량으로 형성되지 않도록 특정 니켈 등가 및 크롬 등가 구조도에 따라 적절한 Cr 및 Ni 함량을 가진 오스테나이트 스테인리스강의 적절한 용접 재료를 선택합니다.
물론 탄소강 또는 저합금강의 용융 라인 근처에는 작은 마르텐사이트 영역이 발생할 수 있습니다. 하지만 탄소 함량 용접 재료인 마르텐사이트 구조는 가소성이 우수한 저탄소 마르텐사이트가 될 수 있어 조인트의 우수한 성능을 보장할 수 있습니다.
압력을 견디고 315°C 이상의 온도에서 작동하는 이종 강철 조인트의 경우 니켈 기반 용접 재료를 사용해야 합니다. 예를 들어 ECrNiFe-2, ERCrNiFe-3 등이 있습니다. 일반 오스테나이트 스테인리스강 용접 재료를 사용하면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있기 때문입니다:
a) 페라이트와 페라이트의 열팽창 계수의 현저한 차이로 인해 오스테나이트고온 작동 시 열 스트레스 및 열 피로 손상이 발생할 수 있습니다.
b) 합금 원소 함량의 큰 차이로 인해 고온 작동 시 용접 조인트에 심각한 탈탄 및 탄소 농축 층이 발생하여 고온 성능이 저하될 수 있습니다.
c) 용융 라인 근처의 마르텐사이트 영역 구조로 인해 용접부의 국소 미세 구조가 담금질되고 경화됩니다.
니켈 기반 용접 재료를 사용하면 위의 현상을 피할 수 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다:
a) 니켈 기반 재료의 열팽창 계수는 페라이트와 오스테나이트의 열팽창 계수 사이에 있습니다.
b) 니켈 기반 재료는 용접 조인트에서 탈탄 또는 탄소 농축을 일으키지 않습니다.
c) 니켈 기반 재료는 용접 중에 마르텐사이트 구조를 생성하지 않습니다.
이는 관절의 고온 성능을 크게 향상시킵니다.
그러나 고온에서 작동하는 비내압 용접 조인트의 경우 니켈 기반 전극을 사용하면 성능 요구 사항을 충족할 수 있지만 제조 비용이 비싸서 사용할 필요가 없습니다.
다른 저렴한 용접 재료도 동일한 목적을 달성할 수 있습니다. 외국에서는 수많은 실험 연구를 통해 비내압 용접의 경우 다음과 같은 사실을 발견했습니다. 필렛 용접 보일러 제조에서 파이프가 탄소강 또는 저합금강으로 만들어지고 부착물이 오스테나이트 스테인리스강으로 만들어진 경우, 용접 재료는 하위 등급 원칙에 따라 선택해야 합니다.
예를 들어 SA210C 파이프와 SA240-304 어태치먼트 용접 시 수동 아크 용접에는 AWS E7018-A1(GB E5018-A1)을 사용하고, 가스 차폐 용접에는 오스테나이트 스테인리스강 용접 재료를 사용하는 대신 MGS-M 또는 TGS-M(KOBE 용접 재료)을 사용할 수 있습니다.
주된 이유는 오스테 나이트 계 스테인리스 강 용접 재료를 사용하면 파이프 측의 융착 라인 근처에 마르텐 사이트 영역이 생성되고 작동 중에 파이프 측에 균열이 발생하면 파이프 누출이 발생하기 때문입니다. 그러나 일반 저급 용접 재료를 사용하면 부착물 측의 융착 라인 근처에 마르텐사이트 영역이 생성됩니다. 균열이 발생하더라도 부착 측의 배관에 해를 끼치지는 않습니다.
반대로 파이프가 오스테나이트 스테인리스강으로 만들어지고 어태치먼트가 저탄소강 또는 저합금강으로 만들어진 경우, E309Mo(L) 용접 재료를 사용하여 어태치먼트 측의 용융 라인 근처에서 마르텐사이트 영역이 발생하도록 해야 합니다.
이러한 원칙은 300,000kW 및 600,000kW 난방 표면 파이프 생산에 적용되었으며, 200,000kW 난방 표면 파이프 생산에 공식적으로 적용되었습니다.
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