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I. 철금속의 용접
1. 탄소강의 용접(Carbon Steel)
a. 종류와 성질
탄소강의 용접성은 탄소 함유량에 따라 결정되며, 일반적으로 탄소량이 0.3% 이하인 강을 보통 탄소강 (연강)이라 말하며 용접 구조물에 사용되는 탄소강의 대부분은 저탄소강(연강)이며 가장 일반적으로 사용되고 있다.
탄소강의 대부분은 압연 그대로(as-rolled) 혹은 Normalizing, Annealing 같은 열처리를하여 제공된다. 탄소량이 증가함에 따라 인장강도와 항복강도는 증가하며 연신율은 감소한다.
☞ 탄소가 경도를 높이는데 가장 큰 영향의 화학성분이지만 Mn, Si, Ni, Cr등의 성분도 경도를 높이는 성분들이다.
모재에 주는 열량이 일정하다고
하면 판 두께가 두꺼울수록
냉각속도가 빠르며 경화성이
증대된다.
대책으로는 균열에 강한
저수소계용접봉을 사용하던지
예열, 후열을 해서 냉각속도를
완만하게 하는 방법이 통례로
되어있다
b. 탄소강 중에 존재하는 원소들 (강의 5대 원소)
1) 탄소 (C)
함유량이 많아지면 강도가 높아지나 용접성이 저하되어 균열발생이 쉽다.
2) 망간 (Mn)
황과 화합하여 MnS(절삭성 우수)로 되어 황의 해를 제거시키고 고온 가공을 용이하게 한다.
강도, 경도, 인성(노치인성), 소성을 증가시키며 주조성을 좋게 한다.
담금질 효과를 크게 하며 탈산효과가 있다. 강재조직은 미세화 시키나 너무 많으면 상온에서 가단성이 나빠지고 결정입자의 성장을 방해하며 탄소가 높을 경우 고온균열이 발생한다.
3) 규소 (Si)
강의 경도, 탄성 한계, 인장 강도를 증가시키며, 연신율 및 충격값은 감소 시킨다.
결정입자의 크기를 증대시켜 가단성, 전성을 감소시킨다. 노치 인성을 향상시키나 너무 많으면 피트(Pit) 또는 균열의 원인이 되고 선상조직도 일어나기 쉽다.
4) 인 (P)
황과 더불어 엄격히 규제됨. 강재 속에서 고르지 못한 분포를 갖고 연신율,인성을 감소하며 또한 용접성을 저해한다. 기포가 없는 주물을 만들 수 있고, 절삭성이 좋아진다.
5) 황 (S)
인(P)과 더불어 유해한 원소이며 그 양이 많으면 띠모양이 되어 소위 설퍼밴드를 만들고 균열,피트를 일으킨다. 두꺼운 판이나 고장력강등에서 라메라테어 현상이 발생하는데 이것은 황의 원인이기도 한다. 강의 유동성을 해치고 기포를 발생시킨다. 인과 함께 낮을수록 용접성이 증가한다.
c. 용접야금
1)용접부 경화
탄소강의 용접부는 용융선 근방에서 최고경도를 나타내며 최고 경도는 조직 및 탄소량에 의해 결정된다.
용융선근방에는 급속냉각에 의해 경화조직인 마르텐사이트계가 형성되며 이때의 경도는 마르텐사이트내의 탄소량에 의해
결정된다.
용접에 따른 경화조직은 용접부에 저온균열이 발생하는 원인이 된다.
즉 모재가 두꺼워질수록 경화도를 완화할 목적으로 예열과 후열처리가 요구되며 탄소강의 경우 Hv350이 한계값으로 많이 적용되고 있다.
이러한 경도값을 기준으로 하면 0.5% 탄소강의 경우 약 200 ℃의 예열이 필요하다
연성이 적고 내부응력이 존재하는 어떠한 경화조직도 냉간균열에 대한 감수성을 갖게 된다.
용접부 응고시 경화 조직중에서 마르텐사이트(Martensite)조직이 균열에 가장 민감하기 때문에 이의 생성 조건을 간단히 살펴보자.
옆의 상태도에서 상온에서 가장 안정한 조직이 Ferrite와 Pearlite이다. 그러나, 실제용접에서 빠른 냉각 상태로는 예측할 수 없다.
0.3%C의 경우를 보면
1) 723℃ 이상으로 가열된 모재는 조직의 변태를 일으킬 수 있다.
2) 응력제거 열처리는 723℃ 이하에서 행해야한다.
3) 곡직을 위해 가열, 급냉할경우 723℃를 초과하면 경화될 수 있다.
2)수소
수소원자는 철원자보다 아주 작아서 격자내부에서 아주 용이하게 움직(확산)일 수 있다.
응고시 과포화된 수소는 조직에 잔류하여 미세결함부로 확산되어 모여서 어느농도 이상이면 균열을 야기 시키고 더욱 증가하면 균열을 전파 시킨다고 알려져 있다.
▶ 감소를 위한 작업 조치사항
- 수소공급원 최소화 : 저수소계용접봉을 사용, 피복제 플럭스 흡습 방지, 이음부 청결건조
- 예열, 후열 실시 : 예열 냉각속도를 느리게하여 경화조직 생성을 억제하는 효과, 수소방출 용이
3)응력의 영향
용접에 의하여 발생되는 수축응력, 변태응력등은 연성이 작은 경화조직을 균열시킬만큼 큰 경우도 있다 노치, 즉, 언더컷, Root용입부족, 과도한 보강등과 같이 응력집중을 유발시키는 것이 존재하면 균열의 감수성은 훨씬 증가한다.
4)기 공
탄소강의 용접중에 발생하는 기공은 주로 모재의 C와 O₂가 반응하여 발생하는 CO가스에 기인한다. ( FeO + C → Fe + CO ) 따라서 기공을 방지하기 위해서는 Si, Mn등의 탈산원소를 함유하는 용접재료를 선정하는 것이 효과적이다. 또한 기공의 발생은 강판의 탈산정도에도 의존한다.
즉, 림드강이 킬드강보다 기공이 쉽게 발생하며 탄소가 증가함에 따라 기공이 발생하기 쉽게 때문에 탈산원소를 많이 함유하는 저수소계 용접봉을 사용한다.
d. 연강용접 시공법
ü 종래에는 일반구조용 압연강재(SS41)을 많이 사용했으나, 용접성이 낮아서 대형구조물에는 적합치 않다.
ü 용접구조용 압연강재(SM재)는 탄소량을 적게하고 Mn량을 증가시켜 노치인성을 향상시켜서 용접성을 좋게 한 재료이다.
ü 연강용접에 있어서는 어떠한 용접법을 적용 하더라도 건전한 용접부를 얻을 수 있다. 특히, 노치인성과 용접균열에 대한 배려만 충분하다면 그다지 문제시 될게 없다.
ü 탄소량이 증가하고 판 두께가 증가함에 따라서 용접부에는 저온균열이 발생할 염려가 커지므로 관련 시방서 규정에 따라 예열이나, 용접봉의 선택 등에 특별히 주의를 해야 한다.
e. 중,고탄소강 용접
ü 탄소량이 증가함에 따라 용접부에서 저온균열이 발생할 염려가 커지므로 관련 규정에 따라 예열할 필요가 있다. 또한 탄소량이 0.4% 이상인 강재에는 후열처리도 고려 하여야 한다.
ü 탄소량이 높기 때문에 기공이나 균열이 발생할 위험성이 증가하므로 충분한 주의가 필요하다.
ü 탄소량이 0.5% 이상의 고탄소강에는 용접부의 경화가 현저하여 용접균열이 발생할 위험이 매우 높기 때문에 용접이 쉽지 않다. 그러므로 이들 재료에 대한 용접은 보수용접, 마모부위의 오버레이, 철도용 레일등에 한정되는 경우가 많다. 그리고 예열과 후열은 필수적으로 적용되는데 200℃ 이상의 예열이 필요하고 용접 직후 650℃ 이상으로 후열처리가 바람직하다.
ü 일반적으로 용접봉은 저수소계가 사용되며 용접금속의 강도가 문제되지 않을 경우 오스테나이트계 용접봉이 적용되기도 한다.
2. 고장력강 용접 (High Tensile Steel)
고장력강은 높은 강도와 인성 및 우수한 용접성을 확보하기 위하여 탄소량을 줄이는 대신 합금 원소를 첨가하여 열간 압연된 강재를 Normalizing-Tempering처리를 하여 조직을 미세화 함으로서 필요한 강도와 인성을 높인 인장강도 490Mpa 이상의 고강도 강을 통칭한다.
a. 열처리에 의한 분류
1) 비Quenching-Tempering강
490MPa 강과 일부 588MPa강은 일반적으로 Si-Mn계 고장력강으로 압연 그대로 혹은 Nomarlizing 처리를 하여 제조되고 있다. 비교적 낮은 탄소당량으로 용접성이 우수하여 널리 사용되고 있다.
2) Quenching-Tempering 고장력강
퀀칭-템퍼링을 실시하면 동일성분의 비퀀칭-템퍼링보다 높은 강도가 얻어진다
이러한 강은 인성이 우수하여 588MPa급 강이나 784MPa급 강으로 사용되며 안전성이 중요시되는 구조물에 널리 사용되고 있다.
b. 특별한 특성에 의한 분류
1) 저온용 고장력강
저온에서 인성보증이 요구되는 고장력강을 의미하며 종래의 저온용강으로 분류되는 Al킬드강, 2.5%, 3.5%, 9% Ni강 등은 포함되지 않는다. 저온용 고장력강으로 가장 수요가 많은 곳은 한냉지역용으로 사용되는 라인파이프 강재이다 이 강재는 주로 제어 압연으로 제조되며 조관에 의한 소성 스트레인을 받아도 - 40 ℃ 부근의 저온에서 고인성을 나타낸다. ASTM 규격 A537강 등도 저온용강으로 분류된다.
2) 고온용 고장력강
고온장치에 사용되는 0.5% Mo강이나 Cr-Mo강의 대부분은 상온에서 인장강도가 490MPa 이상으로 고온용 고장력강으로 분류된다.
ASTM 규격의 대표적 강종에는 0.5%Mo강에 A204 및 A302가 있으며
Cr-Mo강에는 A387 Gr12 (1%Cr-0.5%Mo), Gr11 (1.25%Cr-0.5%M0), Gr22 (2.25%Cr-1%Mo), Gr21(3%Cr-1%Mo), Gr5 (5%Cr-0.5%Mo) 등이 있다
3) 내후성 고장력강
내후성강은 대기, 비, 해수 및 황산등에 강한 재료이다.
내후성은 Cu첨가에 의해 향상되며 P, Cr, Ni을 동시에 첨가하면 그 특성이 더욱 향상된다고 알려져 있다.
일반적으로 강판표면에 흑갈색 혹은 짙은 자색의 안정한 녹이 형성되기 때문에 부식도가 탄소강에 비해 매우 낮다.
국내에서는 KS D3529에 용접구조용 내후성 열간압연 강재로 제정되어 있으며 SM 41A,B,C SM 50A,B,C 그리고 SM58로 구분되어 있다.
c. 초고장력강
일반적으로 고장력강중 인장강도 980MPa 이상의 것을 초고장력강이라 한다.
초고장력강은 합금성분에 따라 저, 중, 고합금강으로 분류할 수 있다.
1) 저합금 초고장력강
저합금 초고장력강은 기계구조용 합금강인 SCr, SCM, SNCM등을 개량한 것으로 중탄소의 저온 템퍼드 마르텐사이트를 이용하고 있다.
Ni-Cr-Mo강인 4340(SNCM)이 대표적인 강종이며 조직 균질화, 저온인성의 향상을 고려한 Si, V, Co, Ni등이 첨가된 강들이 있다.
2) 중합금 초고장력강
5Cr-Mo-V 열간공구강을 중심으로 하는 중합금 초고장력강은 특히 내열성이 뛰어나 초음속 제트기의 재료로 사용되고 있다.
3) 고합금 초고장력강
주로 제트기 재료로 사용되는 이 종류의 강은 인장강도 1600MPa 정도인 17-4H와 같은 석출경화형 스테인레스강을 들 수 있다. 본격적으로 마레이징강의 출현이라고 말할 수 있다.
d. 용접성
1) 용접금속
고장력강은 연강에 사용하는 용접법이 그대로 이용되며, 용접금속은 용접 열에 의하여 모재 와 용접재료가 매우 짧은 시간에 용융, 응고를 형성 하기 때문에 주조조직을 나타내고 산소, 질소 같은 불순물 원소나 탈산 생성물을 많이 함유하여 노치인성이 나쁘다.
일반적으로, 용접금속의 노치인성은 용접법, 용접재료, 용접 열 사이클에 의하여 결정되는 조직(결정입도), 분산입자, 기지특성 등의 세가지 요인에 의하여 지배된다.
n 노치 인성 개선 방법
- 조직의 미세화
ü 784 Mpa급 이상 강에서는 저입열, 다층용접을 실시한다.
ü 저온인성을 향상하는 Ni을 첨가한다.
- 산소함량 저감 방법
ü SAW, SMAW에서 고염기성 플럭스 및 저수계 피복 용접봉 사용
ü 차폐가스 아크용접에서 Ar 등 불활성가스 혼합비가 큰 차폐가스 이용
2) 용접 열 영향부
용접부의 경도, 연성, 노치 인성 등 기계적 성질은 용접 후 800~500℃의 냉각시간에 지배되며 이 냉각시간은 용접법, 입열량, 예열온도, 강재크기, 이음부 형상에 의해 변화하며 고탄소 강재일수록 취화가 심하므로 주의한다.
n 취화 원인
ü 용접 열 영향부의 노치 인성은 특히 강재의 화학성분, 용접 열 사이클의 영향이 가장 크다.
e. 용접시공법
고장력강의 용접시공에서 가장 중요한 것은 용접균열과 노치 인성의 저하를 방지하는 것이다. 그러므로 각종 고장력 강에 적합한 용접재료의 선택과 적정한 용접조건을 선정하는 것이 매우 중요하다.
즉, 용접부의 수소함량을 적게 하고 모재에 필적하는 강도와 인성을 갖도록 용접방법과 용접재료를 선택하며 이음부의 강한 구속을 피하고 적당한 예열과 후열을 실시하여 용접 균열을 방지 하여야 한다.
특히 대전류를 사용하는 자동용접에서는 입열량을 제한하여 용접부의 인성저하를 방지할 필요가 있다.
1) 용접법의 선택
용접 법을 선택 할 때는 고장력강의 종류, 특히 강도, 열처리 유무, 판두께, 구조물의 사용목적,의 부하정도, 저온인성, 시공의 난이, 능률, 경제성을 종합적으로 고려 하여야 한다.
용접법 | 490MPa | 588MPa | 686및 784MPa |
SMAW | O | O | O |
SAW | O | O | O |
CO2용접 | O | O | - |
MIG용접 | O | O | O |
GTAW | O | O | O |
ESW | O | - | - |
a) SMAW
용접자세의 적용범위가 넓고 저수소계를 사용하면 용접이음부의 노치인성이 양호하므로 널리 사용된다
b) 자동및 반자동용접
ü일반적으로 SAW, GMAW가 적용되며 고능률화를 위해서 입향 자동용접에 적용되는 ESW는 두꺼운강판에 대해서는 획기적인 고능률 용접법이지만 용접부 노치인성의 저하, 특히 저온인성이 저하하는 결점으로 조립 열영향부의 취화가 현저한 686 및 784MPa급 강에는 입열량이 큰 ESW의 적용이 제한된다.
ü가스메탈용접(MIG)의 능률화를 위하여 CO2용접이 사용되나 CO2용접은 용접금속의 인성이 비교적 낮기 때문에 그 적용 범위는 490 ~ 588MPa급 강에 제한되고 686MPa급 이상의 강에는 MIG용접을 사용하는 것이 좋다.
üEBW용접법은 용입이 깊고 폭이 좁기 때문에 후판의 용접에 적합하다. 그러나 장치가 고가이고 진공분위기가 필요하다는 제한성 때문에 대형 구조물에 적용하기 위해서는 특별장치가 필요한 결점이 있다.
2) 예열, 후열관리
저온균열을 방지하기 위해서는 예,후열 조건 및 관리가 중요하다.
예열과 병행하여 후열을 하는 것이 예열만을 하는 것 보다 예열온도를 낮출 수 있고 용접부에 흡습된 확산성 수소가 방출되기 때문이다.
일반적으로 예,후열은 작업자 스스로가 관리하는 경우가 많으나 700Mpa 이상급 고장력 강에 예,후열의 상한값과 하한값이 설정된 경우에는 작업자와 용접기술관리자가 협의하여 작업과 기록을 확실히 할 필요가 있다.
3) 응력의 영향
용접에 의하여 발생되는 수축응력, 변태 응력 등은 연성이 작은 경화조직을 균열 시킬 만큼 큰 경우도 있다 노치, 즉, 언더컷, 루트 용입부족, 과도한 보강등과 같이 응력집중을 유발시키는 것이 존재하면 균열의 감수성은 훨씬 증가하므로 적절한 용접순서와 조건을 고려할 필요가 있다.
f. 저온균열 방지방안
특히 고장력 강에는 수소의 영향에 의한 첫 층 용접시의 루트 균열과 다층 용접시의 균열이 문제로 되어 있다. 그러므로 가장 일반적인 균열방지법은
n 예열을 한다.
n 입열을 크게 하여 냉각속도를 늦춘다. 그러나 용접 입열이 너무크면 노치 인성이 나빠지므로 서로간의 용접조건에 따라 양자간을 기술적으로 잘 양립할 필요가 있다.
n 용접봉을 충분히 건조 시켜 사용한다.
n 아크거리는 가능한 짧게 하고 위빙 폭은 용접봉 직경의 3배를 넘지 않게 한다.
n 바람이 불면 방풍막을 설치한다.
n 용접부 이외에는 아크를 발생하지 않는다.
n 적정전류 범위를 지킨다.
3. 스테인레스 강의 용접
a. 종류와 특성
스테인레스 강은 Cr함량이 11~12% 이상 함유되어 있는 강으로 Cr에 의해 얇은 산화 피막이 형성되어 표면을 화학반응으로부터 보호하여 내식성,내산성,내열성 및 저온특성 을 갖게 한 것으로 흔히 304, 316등을 연상하게 하고 실제로 현업에서 가장 많이 사용하는 재질 들이다.
◎ Stainless Steel의 일반적인 구분
조직 분류 | 대표 강종 | 기본 조성 | 일반적인 주요 특성 |
Martensite | 410 S/S | 13 Cr | 자성이 있고, 녹이 발생 할 수 있다. 충격에 약하고 연신률이 작다. 뛰어난 강도와 내 마모성이 있다. 열처리에 의해 경화된다. |
Ferrite | 430 S/S | 18 Cr | 자성이 있다. 충격에 약하고 연신률이 작다. 용접구조물로 사용이 제한된다. 열처리에 의해 경화되지 않는다. |
Austenite | 304 S/S 316 S/S | 18 Cr-8 Ni | 자성이 없고, 뛰어난 내식성이 있다. 충격에 강하고, 연신률이 크다. 열처리에 의해 경화되지 않는다. Cr탄화물이 형성되는 예민화에 의해 고온 사용이 제한된다. |
Duplex | SAF 2205 SAF 2507 | 18 ~ 30 Cr 4 ~ 6 Ni - 2 ~ 3 Mo | Austenite Stainless Steel 의 단점을 보완한 강종, Ferrite기지위에 Austenite가 50 %정도 공존하는 조직이다. Ferrite보다 양호한 인성, Austenite보다 월등한 기계적 강도가 있다. 열팽창계수가 작고, 열전도도가 높다. |
◎ Stainless Steel의 종류별 특성
강 종 | AISI | 조 성 | 특 성 | |||||||
자성 | 가공성 | 내식 내산화 | 고온강도 | 저온강성 | 소입성 | 용접 | 열처리 | |||
Martensite | 410 | 13Cr-0.1C | 유 | O | O | O | △ | 유 | △ | 예열후열 |
Ferrite | 430 | 18Cr-0.1C | 유 | ◎ | ◎ | △ | △ | 무 | △ | 예열후열 |
Austenit | 304 | 18Cr-8Ni | 무 | ⊙ | ⊙ | ⊙ | ⊙ | 무 | ⊙ |
◎ : 우수, ⊙ : 양호, O : 보통, △ : 저하
1) 종류별 용도
각 Stainless Steel 강 종 별로 적용되는 용도와 특성은 다음과 같이 정리될 수 있다.
n Stainless Steel의 종류별 용도
종류 | AISI | 조 성 | 성질 및 용도 |
Martensite | 410 | 13Cr--0.1C | 내식, 내열 일반용 |
Ferrite | 430 | 18Cr--0.1C | 내식성 우수로 질산 Tank, 싱크대 |
Austenite | 301 | 7Cr-7Ni-0.1C | 철도 차량 |
302 | 18Cr-8Ni -0.1C | 항공기 Engine Cover 주방용품 | |
304 | 18Cr - 8Ni | 일반용, 화학제품, 식품제품 | |
304L | 18Cr - 8Ni - 0.04C | 입계 탄화물 석출방지 원자력용 | |
308 | 19Cr - 10Ni | 용접봉용 | |
309 | 22Cr - 12Ni - 0.2C | 열처리 설비, 노 Cover | |
310 | 25Cr - 20Ni - 0.2C | 내열성 우수, 열 교환기 | |
316 | 18Cr - 12Ni - 2.5Mo - 0.08C | 내식성 우수, 고 Creep 저항, 화학 및 제지 공업 | |
317 | 18Cr - 12Ni - 3.5Mo - 0.08C | 316보다 내식성 우수 | |
347 | 18Cr - 10Ni - Nb - 0.08C | 304에 Nb 첨가 용접을 요하는 설비 |
2) 성질
a) 물리적 성질
탄소강과 비교하면 스테인레스 강은 일반적으로 용접 시발열이심하고(3배) 열전도율이 낮아(1/3배) 냉각속도가 느려진다. 또한, 열팽창 계수가 커서 변형이 심하게 되므로 가급적 낮은 전류를 사용하여 용접하는 것이 좋다. 통상적으로 탄소강 보다 10% 전류를 낮추어 용접하는 것을 추천한다.
b) 야금학적 성질
n 475℃ 취화
n 입계 탄화물 석출
n σ상 석출
n 고온 취성
c) 금속학적 특징
일반강이 Fe를 기지원소로 하여 탄소(C) 를 첨가한 것 이라면 스테인레스강은 Fe에 Cr을 첨가한것이다 평행상태도에서 BCC 결정격자인 페라이트계(α,δ)와 FCC 결정격자인 오스테나이트가 존재한다.
ü Cr은 함량이 증가하면 오스테나이트 구역이 좁아지며 페라이트 형성을 촉진하는 안정화 원소이고, Ni함량이 증가하면 이와 반대로 오스테나이트 구역이 확대 된다.
ü Cr함량이 13% 이상이 되면 용융점에서 상온까지 페라이트 조직을 나타내며 변태는 일어나지 않으며, 변태는 Cr-C가 결합하여 크롬탄화물을 석출하여 결정 입계에 망상으로 석출한다. 그러므로 탄소 함유량이 많아질수록 소위 입계부식을 일으키기 쉽다
ü 한편 오스테나이트 조직을 가지려면 Ni, Mn등 치환형 오스테나이트 안정화 원소를 첨가하면 전온도 구간에 오스테나이트 조직을 유지한다
ü Ni량은 오스테나이트 스테인레스강의 종류에 따라 결정된다
ü 오스테 상을 안정하게 유지하기 위해서는 17% Cr 이 첨가된 경우에는 7% Ni이 필요하고 26% Cr이 첨가된 경우에는 20% Ni이 필요하게 된다
b. 강종 별 용접특성
다음은 위에 열거한 Stainless Steel의 강 종 구분에 따른 개략적인 특성과 용접봉의 선택 및 용접 시 주의점에 대해 알아본다.
1) 페라이트 스테인레스강 (Ferritic Stainless Steel )
대표적인 강 종이 430이며 페라이트계 S/S강은 자성이 있고, 실외에서는 약간의 녹이 발생하는 문제점이 있다. 일반부식에 강하고, 고온에서 산화가 적으며, 황(S)부식과 염화분위기(Chloride)에서의 저항성이 크고, 열처리에 의해 경화되지 않는 특성이 있다.
최대 사용온도는 475℃(885℉)에서 취화로 인해 343℃(650℉)정도로 제한된다. 용접 시 HAZ(열영향부)부의 조직이 조대 화 되고, 인성이 급격히 저하하며, 550 ~ 850℃ 사이에서 Fe-Cr의 금속간 화합물이 생겨 취성 이 발생하므로 용접 구조물로는 사용이 제한된다.
주로 사용되는 용접봉은 E309계열의 용접봉이 사용되고 열처리가 요구될 때는 E430 or Ni-Cr-Fe계의 용접봉을 사용한다.
E309로 용접한 구조물은 260℃(500℉)이상에서 사용하면 모재 와 열팽창 차이로 인해 높은 응력(Stress)이 발생하므로 E309의 최대 사용온도는 이보다 하향으로 제한된다.
n 용접시공 시 주의점
용접부나 HAZ의 균열을 방지하기 위하여 예열은 필수적 이며 통상 예열온도 범위는 150~230℃이다. 그러나 저 침입형 Ferrite계는 결정립 성장과 취화를 막기 위하여 용접 입열을 최소화 하기 위해 예열을 해서는 안 된다.
용가재는 오스테나이트계(연성확보)나 페라이트계 용접봉을 사용한다.
보호가스는 불활성 가스인 Ar이나 Ar+He을 사용하며 O2, H2가스는 기공결함을 촉진 할 수 있다.
2) 마르텐사이트 스테인레스강(Martensite S/S)
마르텐사이트계 S/S강은 페라이트계 S/S강과 매우 유사한 특성을 보이지만 가장 큰 차이점은 열처리에 의해 경화된다는 점이다. SUS강 중에 유일하게 열에 의해 경화되는 특징이 있다.
410S로 대표되는 강 종으로 상온에서 강자성체를 가지며 일반적으로 Cr함량이 낮고 C를 다량 함유함으로 다른 S/S 강에 비해 내식성은 약간 떨어지지만 강도가 우수하여 고강도 구조용으로 사용되며 Solid상태 보다는 Cladding재료로 주로 사용된다.
높은 강도와 내 마모성을 가지고 있어서, Valve의 Disk나 Seat Ring의 본 재료 혹은 Weld Overlay용으로 사용되기도 한다.
강한 인장 응력이 있으나, 연성과 인성이 작아서 충격에 쉽게 파단 된다.
440 ~ 450℃에서는 탄화물이 석출하여 충격치가 급격히 감소하므로 사용이 제한된다. 통상 사용 온도는 -29 ~ 440℃정도 이다.
용접조건이 부적절하면 경화가 극심하고, HAZ부(열영향부)가 조대 화 되며, 조직과 내부응력의 불 균일화(잔류응력)로 인해 운전 중에 Stress Corrosion Cracking이나 Delayed Hydrogen Cracking이 발생하기 쉽다.
용접은 주로 E309 or Ni-Cr-Fe계와 E410의 용접봉으로 실시한다.
E309 or Ni-Cr-Fe로 용접하면 ASME Sec.VIII UHA-32에 따라 열처리를 면제 받을 수 있는 방법이 있으나, E410으로 용접하면 두께에 무관하게 용접 후 열처리를 실시해야 한다.
마르텐사이트계는 염화물(Chloride)분위기에 강하지만 오스테나이트계 용접봉으로 용접할 경우에는 Chloride에 약한 오스테나이트계의 특성으로 인해 강한 Chloride분위기에 적용될 경우에는 E410용접봉의 사용이 요구된다.
용접시에는 예열이 반드시 필요하고, 후열은 모재의 두께와 사용되는 용접봉의 종류 및 예열조건에 따라 결정된다. 자세한 사항은 ASME Sec.VIII UHA-32에 따라 시행한다.
사용되는 용접재료 마다 예열, 후열조건과 적용되는 특성이 다소 다르다. 일본 Kobe용접봉을 기준으로 분류한 개략적인 용접 적용 방법은 다음의 Table과 같다.
n 용접 조건 비교 (용접봉의 특성 기준)
용접봉 종류 | 예열 조건(℃) | 후열 조건(℃) | 층간 온도(℃) | 용접전류 (3.2Ø, F,HF기준) | |
309 SS | NCA-309 | - | - | - | 70 ~ 115 A (AC or DC-EP) |
HIMELT-309 | - | - | - | 80 ~ 140 A (AC or DC-EP) | |
410 SS | CR-40Cb | 100 ~ 250℃ | 700 ~ 760℃ | 200 ~ 400℃ | 70 ~ 115 A (AC or DC-EP) |
Ni-Cr-Fe | Nic-70A | - | - | - | 70 ~ 115 A (AC) |
NIC-703D | - | - | - | 80 ~ 110 A (DC-EP) |
a) 마르텐사이트계 용접 시공시 주의점
n 수소(H)의 침투만 주의하면 모든 용융 용접 법으로 용접할 수 있다.
n 용접 후에는 PWHT 열처리를 실시하여야 한다.
n 용접성이 좋아 현업에 주로 사용되는 410SS는 C를 0.08% 이하로 규제
탄소 함유량 | 예열 온도 |
0.1%이하 | 예열이 필요 없지만 실시하면 용접 후 PWHT |
0.1 ~ 0.2% | 250℃ |
0.2 ~ 0.5% | 250℃ + PWHT |
0.5% 이상 | 250℃ + 높은 입열량 으로 용접 후 PWHT |
n 취성이 높고 노치에 균열발생이 민감하므로 용입불량, 언더컷, 비금속개재물이 용접부에 발생되지 않도록 주의한다.
n 용착 금속 내에 수소 취화 균열이 방지 되도록 적절한 용가재 선택, 층간온도의 조절, PWHT실시, 수소 저 감화 등에 신경을 써야 한다.
n C의 함량 0.25~0.3%이상인 경우에는 용접이 상당히 어려우며 용접봉은 되도록 C함량이 적은 용접봉을 사용한다.
3) 오스테나이트-스테인레스강(Austenite S/S)
오스테나이트계 S/S강은 16~25% Cr과 7~20% Ni를 함유한 Fe-Cr-Ni의 삼원계 합금조성으로 가장 널리 사용되는 재료는 304 / 316 S/S가 대표적인 강 종 이다.
상온 상태에서 페라이트 스테인레스강과 같이 급랭에 의해 경화하지는 않는다. 즉, 용접성이 좋으므로 예열 및 후열이 필요 없다.
고온 산화성이 적고, 뛰어난 내식성으로 인해 산, 알칼리 등의 광범위한 부식 환경에 사용 가능하지만 염화물(Chloride) 성분이 있는 곳에서의 사용은 Stress Corrosion Cracking의 위험성으로 인해 제한된다.
오스테나이트는 탄소(C)를 어느 정도 함유하고 있으나 온도가 낮아짐에 따라 급격히 감소하고 냉각속도가 느린 경우는 Cr-C가 결합하여 크롬탄화물을 석출하여 결정 입계에 망상으로 석출한다.
또한 탄소함유량이 많아질수록 소위 입계부식을 일으키기 쉽다.
적절한 강도를 가지면서도 연성이 크고, 충격에 강하며 성형성이 좋아 가공하기 쉽다. 대부분의 경우에 저온 충격시험(Impact Test)은 요구되지 않는다.
a) 입계부식균열(IGC : Intergranular Corrosion Cracking)
Austenite S/S 용접에서 가장 주의해야할 사항이다. Stainless Steel이 내식성을 갖기 위해선 최소 12%의 Cr이 존재 하여야 한다. 그러나, 425~870℃ 온도영역(예민화영역)에 장시간 노출되면 C와 Cr이 화합하여 크롬탄화물(Cr23C6)이 임계를 따라 석출하게 된다. 그 결과로는 탄화물 바로 인접부위는 Cr이 12% 이하로 저하되어 내식성을 잃게 되고 부식 분위기 하에서 집중적으로 부식이 임계를 따라 발생하게 된다. => 예민화 현상
1) 예민화방지 대책
(a) 탄소함량이 적은 자재를 사용한다.
(b) 예열을 하지않고 층간 온도를 낮게 유지하여 예민화 온도 영역을 빨리 통과하도록 한다. WPS에서 탄소강보다 낮은 Max. 176℃ 층간온도를 규정하는 것은 이러한 이유이다.
(c) 저탄소 용접 자재를 사용하여 Cr과 화합할 수 있는 탄소량을 줄인다.
가동온도가 높을 경우 308L, 316L과 같은 “L” GRADE(0.04% C이하)를 사용한다
(d) 후열처리를 행하지 않는다. 특별히 요구 될때는 1100℃까지 가열하는 고용화 처리를 하고 급랭시켜야 한다.
(e) 탄소와 친화력이 높은 Ti, Cb, Nb의 원소를 첨가하여 TiC 또는 NbC를 생성하게 하여 크롬탄화물 석출을 억제시킨다-(321, 347, 348 스테인레스강)
(f) 탄소강과 접촉을 피한다. 탄소강에 사용하는 공구와의 분리, 작업장의 분리가 요구된다.
b) 응력부식균열(SCC : Stress Corrosion Cracking)
SCC는 재료, 인장응력의 존재, 부식환경의 3가지 요인이 상호작용하여 발생하며, 잠복기를 거친후 균열이 급격히 진행한다.
n SCC에 강한 강재개발
ü 새로이 개발된 것이 이종계(duplex계) 스테인레스강이다.
c) 스테인레스강의 용접봉
열팽창이 크고, 용접시에 변형이 크므로 주의를 요구 한다. 사용되는 용접봉은 모재와 동일 강종인 오스테나이트 계열의 용접봉과 Ni-Cr-Fe / Ni-Cr-Mo계열의 용접봉이 사용될 수 있다.
Ni계 용접봉이 사용되는 경우는 주로 이종 금속과의 용접이나 특별히 용접부의 부식성이 우려될 경우 및 고온용으로 사용할 경우에 사용되며, 용접성은 매우 좋지만 가격이 비싸다.
(1) 종류
300계열 용접봉 - 300계열 모재에 용접한다.
300,400 계열 용접봉 - 400계열 모재에 용접한다.
그 이유는- 400계열 모재는 용접중 용접부 및 인접부 연성저하로 미 열처리시 연성이 좋은 300계열 용접봉을 사용하고 풀림열처리시는 모재와 동일한 400계열 용접봉을 사용한다.
(1) E308
19Cr-9Ni로 AISI 301, 302, 304 및 308 강종의 용접
(2) E308H
강도를 높이기 위하여 C량을 0.04~0.08로함. 308H Base Metal 용접
(3) 308L
E308에서 C-0.04 Max로 제한 SUS304L용접, 입계부식 방지용, 용접후 열처리 곤란한곳
(4) 308Mo
ASTM CF8M Stainless 주강용접, 페라이트 함량이 높은 316계 용접
(5) E308MoL
ASTM CF3M Stainless 주강용접, 페라이트 함량이 높은 316계 용접
(6) E309
25Cr-12Ni로 이종재 용접봉, 304크래드용접
(7) E309L
E309의 탄소가 낮은형, 18Cr-8Ni SUS CLAD강의 밑깔기용접, 각종SUS강의 육성용접을 행할 경우의 밑깔기용접, 입계부식 방지용, 고온에서 E309나 Cb 안정화강 만큼 강하지 못함
스텐레스와 연강, 연강용기에 13Cr 내장의경우 SUS-309L 용접
(8) E309 Cb
E309에 Cr첨가형, 입계부식 감소, 고온강도향상
347 TYPE CLAD강 또는 347계와 탄소강의 용접
(9) E309 Mo
E309에 Mo 첨가, 탄소의 제한감소, 316계 CLAD강 혹은 Mo함유 오스테나이트계SUS강과 탄소강의 이종금속의 용접
(10) E310 ( 25Cr-20Ni 같은 조성의 310S용접-완전 오스테나이트)
탄소강, 저합금강에 사용되는경우 강인한 용착금속이 얻어지며 소입경화성강을 용접할 경우 예열 및 후열이 필요없다. 방탄강 등의 용접
(11) 310H
C함량이 0.35~0.45%로 규정됨 고합금내열, 내식, 주강의 용접
(12) E310 Cb
Cb첨가 C-0.12% Max, 347계 CALD강 혹은 Cb함유강과 탄소강의 이종금속 용접
(13) E310 Mo
Mo첨가 C-0.12% Max. 316 CLAD 강 또는 Mo 함유 SUS와 탄소강의 이재용접
(14) E312 : 29Cr-9Ni
동일계 조성의 주강용접 일반오스테나이트계에 비해 페라이트량이 많고 통상 2층 합금이 얻어진다. 용접균열 감수성이 현저히 낮아 이종금속용접에 사용하며 2층합금 (오스테나이트 기지에 페라이트)이므로 고온에서 사용은 좋지 않다
(15) E316 : 18Cr-12Ni-2.5Mo
316계용접 Ni,Mo로 비산화성 산에 내식우수 Mo첨가로 고온에서의 Creep가 높기 때문에 내열강의 용접
(16) E347 : 19Cr-9Ni-Nb
탄화물 안정용으로 Nb함유 E308보다 내입계 부식성우수 고온에서 크립파단 강도우수.
SUS321(18Cr-8Ni-Ti), SUS347용접
(17) E410 : 13Cr
SUS403, 410, 420-T2 용접, 내식-내마모성을 주기위한 육성용접 자경성이 있으므로 예,후열이 필요하다
d) 용접결함
(1) 고온균열(Hot Crack)
오스테나이트 결정입계에 존재하는 저융점 개재물(S,P,Si,O)때문인데 용융금속응고시 오스테나이트가 먼저 석출함에 따라서 융점이 낮은 공정물(Ni-NiS)들은 가장 늦게 응고되기 때문에 성장된 금속조직들의 입계에 모여서 응고시 체적변화로 인하여 미세균열을 형성한다.
(2)고온균열 저감법
(a) δ-Ferrite 함량 조절
ü δ-Ferrit가 오스테나이트 조직속에 적당히 함유되면 P, S 등의 유해원소를 고용함으로써 입계에 편석될수 있는 P, S의 양을 줄여 열간균열 발생을 줄일 수 있다.
ü 또한 δ-Ferrite의 낮은 열팽창계수가 열간균열을 야기시키는 수축응력을 감소시키고 다층 용접시 전층비드의 열영향부를 따라 형성되는 피셔(Fissure)의 방지에 결정적 역할을 한다.
ü δ-Ferrite가 과다하면 약 550~900℃의 고온에서 시그마상(Cr, Fe)23C6으로 변태되어 심한 물성 저하를 초래하고 내부 부식성을 감소시키므로 δ-Ferrite의 양을 5~15% 범위로 조절한다.
n 희석의 영향
모재는 용접금속보다 낮은 페라이트 함유량을 가지고 있으며 희석이 발생한 용접금속은 희석되지않은 용접금속보다 낮은 페라이트를 갖는다. 그러나 모재의 페라이트 함량이 높을 경우 희석이 발생한 용접 금속부의 페라이트 함량이 높아진다.
(3) 고온균열 방지를 위한 용접시공법
ü 아크길이는 가능한 짧게 유지하여 대기중의 질소(N2)칩입을 막는다.
ü 모재 두께는 가능 박판일수록 좋다.
ü 입열량이 적은 용접기법을 선택한다.
ü 용접시 시단부에 G/R처리를 한다.
ü Form Factor가 작을수록 고온균열에 민감하다. (비드폭(w) / 용입깊이(d)
ü 희석률을 낮춘다.(30%이하)
ü 용접종료시는 내식성향상을 위해 표면처리한다.(물리 또는 화학처리법)
ü 인(P), 황(S)등의 불순물이 적은 용접재료를 선택한다.
ü Schaeffer 혹은 delong diagram을 이용하여 적당한 함량의 δ-Ferrite 조직을갖도록 용접봉을 선정한다.(ASME SEC III, IX에서 FN5 이상이 되도록 요구)
e) Duplex Stainless Steel
Duplex S/S 강은 가장 최근에 개발된 강으로 기존의 오스테나이트계 S/S강에 Cr의 함량을 더 높이고 약간의 Mo를 추가한 강 종으로 보통 25%정도의 Cr에 2 ~ 3% Mo를 포함하는 강 종이다.
특징은 기존 오스테나이트강이 입계부식(Intergranular Corrosion) 및 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking)에 민감한 단점을 보완하기 위해 개발된 강 종으로Ferrite기지 위에 50%정도의 Austenite조직이 공존하는 Dual Phase의 조직이다.
오스테나이트 조직이 존재 함으로 인해 페라이트 S/S강보다 양호한 인성을 가지고 있다. 또한, 페라이트 조직이 존재 함으로 인해 오스테나이트 S/S강보다 약 2배 이상의 강도를 가지고 있어서 기계 가공 및 성형이 어렵다. 오스테나이트 S/S강보다 열팽창 계수가 낮고, 열전도도는 높아서 열 교환기 등의 튜브(tube)재질로 적합하다.
또한, Ni함량이 적어서 경제적이고 열처리에 의해 경화될 수 있다.
-60℃이하에서는 충격치가 급속히 감소하며, 300℃ 이상에서는 페라이트 조직의 분해가 일어나서 취성이 발생하므로 통상적인 사용온도는 -50 ~ 250℃정도로 제한된다. 전반적으로 용접성은 매우 양호한 재질로 평가되지만, 입열 조절이 무척 중요하다. 따라서 다층 용접 시 각 패스(Pass)사이의 층간 온도(Interpass Temperature)와 용접속도(Travel Speed)의 조절이 매우 중요한 조절인자로 작용한다.
용접시 입열이 부적절하면 2상(Dual Phase)의 상분 률(狀分率) 이 깨어지므로 통상 5 ~ 15KJ/cm정도로 엄격히 제한한다. 층간 온도( Interpass Temperature)는 Max. 150℃정도로 규제한다.
용접봉은 모재 보다 2 ~ 3%정도 Ni함량이 많은 재료를 선정하고, 지나친 급냉 이나 서냉 이 되지 않도록 한다. 용접 시 800 ~ 1000℃ 범위에서 장시간 유지되면 해로운 2상(Secondary Phase)이 생겨서 기계적 성질 및 내식성의 저하를 가져오므로 피해야 한다.
Code상 규정은 없지만 용접부에 대한 충격시험(Impact Test)을 요구하는 경우가 많으며, 별도의 비파괴 검사(NDT)를 실시 하지 않고 용접부의 건전성을 평가하는 가장 손쉬운 방법은 경도(Hardness) 측정과 페라이트(Ferrite)량 측정이다.
4. 이종재 용접
a. 오버레이용접
요구되는 사용상의 특성을 향상시키기 위하여 1mm이상의 두께로 사용 모재에 용접금속을 입히는 것으로 일명, 크래딩(Clading), 라이닝(Lining) 용접이라고도 하며, 용접방법은 가스화염, 아크용접, 플라즈마, 전자빔, 레이저등 사용방법이 많으나 그 중 전기아크, GTAW, GMAW, SAW등 비교적 입열량이 적고 용접능률이 우수한 용접법을 선택한다
ü 육성용접은 본용접 전 PWHT 요구되는 곳은 탄소확산이 어려운 고니켈 합금계가 좋다.
ü 열피로 환경에 사용시는 중간 열팽창계수를 가진 고니켈 합금계가 좋다.
n 용접재료 적용구분 : 400℃이하---E309 용접재료
400℃이상---Inconel 용접재료
★ 실예로서 담수설비의 Brine Heater와 Evaporator Tube Sheet용접을 보면
1) 오버레이 용접재료
대부분의 오버레이 용접재료는 Fe계, Ni계, Co계 기지조성을 갖추고 있으며 Cu계도 용접재료로 사용되고 있다. 기지 조직에는 Cr 최대35%, Mo 또는 W 최대20%, 미량의 Si,Mn이 포함되어 있다.
a) 내마모성 오버레이 용접
b) 내식성 오버레이 용접
2) 오버레이 용접의 적용 사례
a) 제철설비
연속주조롤 : 내마모성, 내열균열성요구 (Cr-Mo-Ni계 합금)
압연롤 : 내마모성, 내식성, 내충격성 요구 (Cr-Mo-V-Co계)
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