스테인레스강의 용접의 이해

[에스엠웰텍]

 스테인리스강의 용접

  오스테나이트계 스테인리스강의 용접

3.4 용접시공

3.4.1 용접재료의 선정

스테인리스강의 용접방법은 용접되는 모재의 종류, 용접금속의 요구성능, 용접자세, 용접 능률, 경제성 등을 고려하려 가장 적합한 방법을 선정하여야 한다. 오스테나이트계 스테인 리스강에 이용할 수 있는 용접방법으로는 피복아크용접(SMAW), 티그용접(GTAW), MIG용접 (GMAW), 서브머지드아크용접(SAW), 전자빔(EBW), 레이저 용접(LBW) 등의 거의 모든 종류의 용접방법을 들 수 있다.

오스테나이트계 스테인리스강의 용접은 기본적으로 탄소강과 동일하지만 스테인리스강 특 유의 특징이 있기 때문에 이들을 잘 이해할 필요가 있다. 스테인리스강과 탄소강의 차이로 는 먼저 스테인리스강이 탄소강에 비해 열팽창 계수가 크고 열전도율이 작은 점과 용융온도 가 낮다는 점을 들 수 있다. 이같은 특징을 잘 이해하여 용접시공 조건을 결정하여야 한다. 또 오스테나이트계 스테인리스강 중에서도 응고균열 감수성이 높은 강종을 용접할 때는 용 접금속의 고온균열을 방지하기 위하여 용접금속에 수 %의 페라이트가 함유되도록 용접재료 를 선정하여야만 한다. 그러나 이같은 페라이트는 응고균열 방지에는 효과가 있으나 내식성 및 기계적 성질을 열화시키기 때문에 강종, 용접방법, 용도에 적절한 페라이트 함량을 갖도 록 설계된 용접재료를 사용하여야만 한다. 또 적절한 용접재료를 선정하여 사용하더라도 보 호가스가 부족하거나 아크 전압이 과다하게 높으면 대기중으로부터 질소 등의 가스가 혼입 되어 페라이트양이 변할 수 있기 때문에 용접시공이 주의깊게 행해져야 한다. 오스테나이트 계 스테인리스강 용접시 주의점을 소재의 주 용도별로 고찰해 보면 다음과 같다.

가. 오스테나이트계 스테인리스강 용도별 용접재료

(가) 내식용도

스테인리스강의 내식성이 우수한 것은 소재 표면에 Cr을 주 성분으로 하는 부동태 피막을 형성하기 때문이다. 소재 사용조건과 부식환경에 의해 이 부동태 피막이 파괴되면 여러 가지 형태의 부식이 일어나게 된다. 용접부의 경우 용체화 처리를 하게 되면 균질한 조직이 얻어지지만 용접에 의해 500∼800℃ 정도로 가열되었거나 이 온도역을 서냉하게 되면 HAZ 입계에 Cr 탄화물이 석출하여 입계 예민화 현상이 나타나 내식성을 떨어뜨리게 된다.

이같은 현상을 막기 위해서는 소재 측면에서는 저탄소계 스테인리스강이나 Ti,Nb 등을 첨가해 탄소를 고정시키는 안정화 스테인리스강을 사용하는 것이 바람직하며 용접시공 측면에서도 용접 입열량을 작게끔 제어하고 패스간 온도를 낮게 관리할 필요가 있다. 또 모재에 비해 용접금속에서는 피트(pit)등이 발생하기 쉽기 때문에 1000℃ 이상의 균질화 열처리가 바람 직하지만 열처리가 어려운 경우에는 Cr,Mo 등 내피트성 향상에 유효한 합금성분을 다량 함유한 용접재료를 사용하는 것이 바람직하다.

SCC(응력부식균열) 측면에서는 그림 3.38에서 와같이 페라이트가 균열의 전파를 억제하는 효과가 있기 때문에 용접금속에 페라이트가 함 유되도록 용접재료를 선정해 사용하는 것이 바람직하며 응력제거소둔은 잔류응력은 저감시 킬 수 있지만 탄화물석출, 시그마상 생성 등의 문제가 발생할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

그림 3.38 MgS12(154℃) 용액에서의 페라이트양과 파단시간과의 관계

(나) 고온용도

오스테나이트계 스테인리스강의 내산화성, 고온강도가 우수하기 때문에 고온용도로는 폭 넓게 사용되고 있다. 고온용도로 사용되는 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 용접금속에 페라이트가 함유되어 있으며 650∼900℃의 온도구간에서 장시간 사용시 전술한 바와같이 페 라이트로부터 취약한 시그마상이 생성되기 때문에 연성과 인성이 크게 떨어지게 된다.

이 시그마상은 Cr,Nb,Mo등의 합금원소 함유량이 많을수록 쉽게 생성되며 강종과 용도에 따라서 는 고온균열에 대한 내식성도 저하시킬 수 있기 때문에 용접금속중의 페라이트 양을 낮게 억제할 수 있는 용접재료 또는 완전 오스테나이트 조직을 얻을 수 있는 용접재료를 사용하 는 것이 바람직하다. (다) 저온용도 오스테나이트계 스테인리스강은 저온인성도 우수하기 때문에 LNG선, 저온 저장탱크 등의 저온용도로도 광범위하게 사용되고 있다.

이같은 오스테나이트계 스테인리스강을 저온용도 로 이용할때의 문제점이 낮은 항복강도인데 최근에는 질소첨가, TMCP(Themo-Mechanically Controlled Process)를 이용하여 강도를 높인 강종도 개발되고 있다. 따라서 저온용도로 이 용되는 소재를 용접할 때 가장 주의하여야 할 점이 강도 및 저온인성 확보이다. 용접금속의 고강도화를 위해서는 C,N,Mo,Ti 등의 석출강화형 원소 또는 고용강화형 원소를 첨가하는 것 이 바람직하다.

그림 3.39는 용접금속의 강도에 미치는 N의 영향을 조사한 결과로서 N 첨가 가 항복강도 향상에 유효함을 알수 있다. 그러나 N 의 과다한 첨가는 용접시 기공을 방생시 키고 용접작업성을 저하시킬 수 있기 때문에 주의하여야만 한다. 또 용접금속에 페라이트가 함유되어 있는 경우에도 페라이트가 저온인성을 열화시키기 때문에 전술한 강화원소가 첨가 된 용접재료를 사용하는 경우에도 충분한 주의를 할 필요가 있다.

그림 3.40은 용접금속의 강도 및 인성에 미치는 페라이트 양의 영향을 조사한 결과로서 페라이트 양이 증가함에 따 라 강도는 증가하고 있는데 이는 조직미세화 효과 때문이다. 저온 인성의 경우 페라이트의 형성도 영향을 미치는데 그림 3.40에 의하면 페라이트 양이 작은 영역뿐만 아니라 영역에서 도 양호한 인성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

그림 3.39 용접금속의 강도에 미치는 N 양의 영향

오스테나이트계 스테인리스강이 저온용으로 이용되는 경우에는 시그마상에 의한 기계적 성질 및 내식성 저하가 문제로 되지 않기 때문에 탄소, 질소 등 강화원소를 적정량 첨가하 고 다량의 침상 페라이트를 분산시킴으로써 강도와 인성을 동시에 향상시킨 용접재료로도 최근 개발되어 실용화되어 있다.

나. 용접재료 규격

오스테나이트계 스테인리스강의 용접에는 거의 모든 종류의 용접방법을 적용할 수 있다. 이같은 용접법들 중에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 SMAW 용접봉, GTAW, GMAW용 심선의 KS 규격과 이들의 표기법, 용도를 간략히 설명하면 다음과 같다.

그림 3.40 용접금속의 인성에 미치는 페레이트 양의 영향

(가) 피복아크용접

스테인리스강의 피복 아크 용접봉은 KSD7014(스테인리스강 피복아크 용접봉)에 규정되어 있다. 이들의 종류는 용착금속의 화학조성에 따라 분류되며 그 종류를 표 3.5에 나타내었다.

표 3.5 오스트리아계 스테인리스강용 피복 용접봉

KS의 용접봉 규격은 다음과 같이 표기한다.

예) D309Mo

D : 전극의 첫글자
309 : 스테인리스강재 귤격과 동일한 번호로서 300번대는 오스테나이트계. 400번대는 페라이트계 또는 마르텐사이트계이다.
Mo : 첨가원소의 기호를 나타내며 L로 표기된 경우에는 저탄소계 스테인리스강이란 의미이다.

이상과 같은 기호 외에도 끝부분에 15 또는 16이란 숫자가 표기되어 있는데 15는 직류전 용, 16은 직류, 교류 모두에 사용할 수 있다는 의미이다. 피복재는 거의 대부분이 라임 티 타니아계이거나 라임계이다. 라임 티타니아계는 라임과 티타니아(산화 Ti)를 주성분으로 하 고 있으며 전 자세로 사용가능하다. 아크의 안정성이 좋으며 스패터도 적고 슬라그 박리성 이 우수하다. 용입은 비교적 적다.

단점으로는 기공, 피트가 비교적 많이 발생하고 슬라그 혼입이 일어나기 쉽다. 한편 라임계는 아크 안정성이 약간 떨어지며 스패터 발생이 많고 슬 라그 박리성은 나쁘지만 기공은 잘 생기지 않는다. 표 3.5는 각종 오스테나이트계 스테인리 스강의 용접에 적합한 피복 용접용의 종류를 보여주고 있다.

(나) 티그 및 미그

티그 및 미그 용접용 와이어도 KS D7026에 규정되어 있다. 와이어의 종류와 화학조성을 표 3.6에 나타내었다.

KS 규격에 나타나 있는 용접용 와이어의 표기방법은 피복 용접봉과 유사하며 다음과 같다

예) Y 316 CuL

Y : 와이어의 영문 첫글자
316 : 강종기호
CuL : 첨가원소 기호 및 저탄소계

표 3.6 오스테나이트계 스테인리스강 GTAW , GMAW용 와이어

(다) 상용되는 용접재료들의 특성

표 3.5, 3.6에 나타낸 용접재료들은 공업적으로 자주 이용되는 오스테나이트계 스테인리 스 강종들에 사용되는 재료들로서 그 특성을 살펴보면 다음과 같다.

① D308, Y308 : 용착금속의 대표적 조성은 19%Cr-9%Ni로서 통상 18-8, 19-9로 불리는 조 성의 강종들의 용접에 이용되는 용접재료이다. 주로 STS304의 용접에 이용되지만 내식성, 내침식성을 주기 위한 육성 용접용 재료로도 이용된다.

② D308L, Y308L : 용착금속의 조성은 Y308과 동일하지만 탄소함량이 낮다. 용접한 그대로 도 입계부식을 충분히 억제할 수 있기 때문에 용접후 열처리를 할 수 없는 경우에 사용된다

③ D309L, Y309 : 용착금속의 조성은 22%Cr-12%Ni로서 Nb를 함유하고 있는 경우도 있다. 통상 동일 조성의 스테인리스강을 용접하는데 이용되지만 부식성이 강한 환경에서 사용되는 구조물 용접에 이용되기도 하며 304강에 이용되는 경우도 있다. 그 외에 이종금속의 용접에 이용된다.

④ D309L, Y309L : Y309의 조성과 동일하며 C함량이 낮다. 주로 저탄소계 304스텐리스강 클래드재의 초층 용접, 각종 저탄소계 스테인리스 용접 재료로 육성용접을 할 때의 초층 용 접재료로 이용된다. 또 304 스테인리스강과 연강, 연강과 13%Cr강과의 용접과 같은 이종금 속 용접 등에도 사용되며 309S강의 용접에도 이용된다.

⑤ D309Mo, Y309Mo : Y309와 유사하나 2.5% 정도의 Mo를 함유하고 있으며 C함량이 낮다. 316 스테인리스 클래드재 또는 탄소강과 Mo를 함유한 오스테나이트계 스테인리스강의 이종 금속 용접에 이용된다.

⑥ D310, D310S, Y310, Y310S : 용착금속의 조성은 25%Cr-20%Ni이며 Mo 또는 Nb를 함유하 고 있는 경우도 있다. 인성이 우수하기 때문에 소입성이 높은 고장력강 및 인성이 우수한 강재의 용접에도 이용된다. 합금원소의 함유량이 높기 때문에 이종금속의 용접에 이용되더 라도 합금원소의 희석은 크게 문제시되지 않지만 균열이 발생하기 쉽기 때문에 주의해야만 한다.

⑦ D316, Y316 : 18%Cr-12%Ni 성분계로서 통상 18-8 Mo, 19-12 Mo 등으로 불리는 강종들이 이 종류에 속한다. 주 용도는 STS316이지만 Mo를 함유해 고온크립 특성이 우수하기 때문에 내열강의 용접에도 사용된다.

⑧ D316L, Y316L : STS 316L용 용접재료로 Y316의 저탄소계 재료이다. Y308L과 유사하게 용접후 열처리가 어려운 장소에 사용된다.

⑨ Y316J1L : STS316J1L용 용접재료로 용착금속의 조성은 18%Cr-13%Ni-2%Mo-2%Cu이다. 유 산계통의 용액을 취급하는 용기의 용접에 적합하며 탄소함량이 낮아 용접한 그대로도 입계 부식을 충분히 억제할 수 있기 때문에 용접후 열처리를 할 수 없는 경우에 사용된다.

⑩ D317, Y317 : Y316보다 Mo 함량이 높고 일반적으로 동일 조성의 스테인리스강 용접에 이용된다. 유산 또는 아류산 용액을 취급하는 용기의 용접에도 이용된다.

⑪ D347, Y347 : 용착금속의 조성은 19%Cr-9%Ni로 Nb를 함유하고 있다. 용도는 STA347 또 는 321용이며 입계부식을 억제하는 효과가 있고 내열 용에도 사용된다.(Y321도 동일함)

3.4.2 용접부 시공조건 및 전·후처리

스테인리스강의 용접에는 거의 모든 종류의 용접방법을 적용할 수 있다. 그림 3.41에 두 께 0.1∼100㎜의 소재를 대상으로 두께별로 적용 가능한 용접방법을 나타냈다. 두께 1㎜ 정 도의 박판재의 용접에는 티그(GTAW), 플라즈마, 전자 빔, 레이저 용접 등을 적용할 수 있으 며 두께 25㎜ 이상의 후판재 용접에는 피복아크, 미그(GMAW), 서브머지드 아크, 전자 빔, 일렉트로가스 용접이 적당하다. 레이저의 경우 최근 레이저 용량이 커지고 빔 접속기술이 발달됨에 따라 후물재의 용접도 가능해졌다.

이 절에서는 오스테나이트계 스테인리스강 용접방법 중 현장에서 범용적으로 적용되는 V 피복아크, 티그, 미그 등의 용접시공시 그루브 가공 등의 용접 전처리, 적정 용접시공 및 용접후처리에 관하여 기술하였다.

그림 3.41 시공 기준에서 다루는 용접 방법의 종류

가. 용접준비

(가) 그루브 형상

스테인리스강 용접시 매우 중요한 것 중의 하나가 그루브 가공이다. 그루브가 지나치게 좁으면 용입불량, 슬라그 혼입 등의 결함이 발생하기 쉬워 용접 이음부의 성능을 저하시킬 수 있으며 반대로 지나치게 넓으면 용접재료의 소모량이 많고 용접 입열량이 커져야 한다. 또한 변형이 심하게 발생하고 HAZ가 넓어질 뿐만 아니라 용접균열이 쉽게 발생하게 된다. 따라서 성능이 우수한 용접부를 얻기 위해서는 적용 용접방법, 소재의 두께, 이음부 형상 등을 고려하여 적절한 그루브 형상을 선정하여야만 한다.

그림 3.42에 피복아크, 티그, 미그 용접을 이용하여 맞대기 용접시의 두께별로 적절한 그 루브 형상의 표준 예를 나타내었다. T형 이음부의 그루브 형상의 그림 3.43, 서브머지드 용 접시의 맞대기 이음부의 그루브 예는 그림 3.44에 나타냈다. 통상 판 두께 12㎜까지는 V형 그루브를 이용하지만 변형방지를 위해서 X 그루브를 이용하기도 한다. 그루브의 각도는 용 접작업이 용이하면서도 용접결함이 잘 발생하지 않도록 해야만 하는데 그림에서 추천한 범 위에서 사용목적에 적합한 각도범위를 선정할 필요가 있다. 판 두께가 서로 다른 재료를 맞 대기 용접하는 경우에는 그림 3.42 아래 쪽에 나타냈듯이 두꺼운 판재 쪽을 가공하여 얇은 판의 두께에 맞게끔 맞추어 주어야 응력집중을 피할 수 있다.

그루브의 가공은 기계 가공이 가장 좋지만 파우더 절단, 텅스텐 아크 절단 또는 플라즈마 절단을 이용하여도 무방하다. 그러나 기계 가공 이외의 방법으로 절단한 경우에는 깨끗하면 서도 침탄면이 없는 소재의 표면이 드러나도록 그라인딩 해줄 필요가 있다

(나) 지그 및 고정장치

오스테나이트계 스테인리스강은 열팽창 계수가 크기 때문에 용접변형이 심하게 일어난다. 이 변형은 적절한 순서에 따라 용접을 하고 지그, 고정장치를 이용함으로써 방지가 가능하 다. 변형을 방지하기 위한 몇가지 방법을 소개하면

① 용접부 형상에 따라 좌우 대칭의 순서로 용접한다.

② 용접선 양쪽을 무거운 물체로 누른다.

③ 뒷면 비드 쪽에 동으로 된 냉각판을 대어 용접부를 급냉시킨다

.

그림 3.42 맞대기 그루브 보기

④ 구속 지그를 이용한다.

⑤ 가접을 이용하여 역 변형을 준다. 이때 가접의 순서, 가접의 길이 등을 고려하여야 한 다.

(다) 받침쇠(Bockingstrip)

받침쇠를 사용하는 목적은 한면 용접을 할 때 발생하는 용접결함을 방지하기 위한 것이기 때문에 받침쇠의 재질은 모재와 같은 것을 사용하는 것이 바람직하다.

일반적으로 이용되고 있는 받침쇠의 형상을 그림 3.45에 나타냈다. 관을 용접하는 경우에 는 받침쇠 대신에 받침링(Insert ring)을 사용하며 이 경우 그루브 칫수를 그림 3.46에 나 타냈는데 초층용접에는 티그 용접을 해야만 한다. 그러나 아르곤이나 헬륨 등의 가스로 뒷 면비드를 보호하는 방법을 이용하면 받침쇠를 사용하지 않아도 무방하다.

(라) 그루브 면 청소

그루브 면에 녹, 수분, 기름, 스케일, 페인트 등으로 오염되어 있으면 용접결함이 발생하 기 쉽기 때문에 제거해 주어야 한다. 그루브 면의 청소는 그라인더, 연마지 등을 사용하는 기계적인 방법과 소재에 적합한 화학약품을 사용하여 오염물질을 제거한 후 물로 씻어주는 화학적인 방법이 있으며 두 가지를 함께 사용할 수도 있다.

그림 3.43 필렛 그루브 보기

그림 3.44 서브 머지드 아크 용접 그루브 보기

나. 용접

(가) 피복아크 용접

피복아크 용접은 설비비가 싸고 수동으로 작업성도 좋아 지금까지도 각정 용접법 중에서 가장 많이 이용되고 있는 방법이다. 최근에는 성력화, 고능률화 및 품질의 균일화 등을 추 구하기 위해서 용접시공의 자동화가 적극 추진되고 있지만 복잡한 형상의 이음부, 현장용접 등 주위의 여건에 의해 자동용접이 적용되는 경우는 아직도 미미하다.

스테인리스강용 피복아크용접봉에 이용되는 피복재로서는 라임계, 티타니아계 및 라임 티 타니아계가 있으나 직류, 교류 모두 사용할 수 있는 라임 티타니아계가 주로 이용된다.

스테인리스강 용접시공에 있어서 주의점은 용접에 필요한 그라인더, 쇠솔, 망치 등의 보 조기구 스테인리스강 전용이라야 하며 탄소강 또는 다른 소재와 공용으로 사용해서는 안된 다는 점이다. 이들을 공용으로 사용하면 보조기구에 부착한 철분 등이 스테인리스강에 부착 해 녹 문제를 야기시킬 수 있기 때문이다.

그림 3.45 이면 금속의 예

그림 3.45 파이프 용접의 인서트링

스테인리스강 용접에 사용되는 용접봉은 잘 관리가 되어야 하는데 용접봉이 습기를 함유 하면 스패터, 블로우 홀 등의 결함이 발생하게 된다. 오스테나이트계 용접봉의 경우 150∼ 250℃에서 30∼60분 정도 건조시키는 것이 바람직한테 온도가 250℃를 넘으면 심선의 열팽 창계수가 크기 때문에 피복에 균열이 발생할 우려가 있다. 균열이 발생하면 용접시 피복재가 떨어져 나갈 수 있고 작업성을 떨어뜨리며 용접결함을 유발시키기 때문에 충분히 주의하여야만 한다.

용접시에는 피복 아크의 용접성에 영향을 미치는 인자들 즉, 피복재의 종류, 용접조건으 로는 용접전류, 아크길이, 용접봉 각도, 용접속도, 온봉법, 적층하는 방법 등이 용접하려는 조건에 적합하게끔 선택하여야만 한다. 이들 각각의 인자들을 검토해 보면 다음과 같다

.

가) 용접전류

용접봉의 직경에 적합한 조건을 선택하여야만 한다. 예를 들어 전류밀도(전류/봉의 단면 적)가 너무 높으면 스패터가 튀기 쉽고 많은 양의 합금성분이 산화에 의해 소실되게 된다. 이 현상이 심각한 경우에는 용착금속의 조성이 규격을 만족시키지 못하는 경우도 생기게 된다.

특히 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 전기저항이 높기 때문에 용접봉이 과열되어 적열현상(용접봉이 가열되어 빨갛게 됨)이 발생하고 용접봉이 타게 되어 용접결함의 발생 가능성이 높아진다. 반대로 용접전류가 너무 낮은 경우에는 충분한 용입이 얻어지지 않기 때문에 융합불량이 생기기 쉽다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접봉의 직경별 적정용접전 류는 다음과 같다.

2.6￠ 50∼70A
3.2￠ 70∼110A
4.0￠ 110∼150A
5.0￠ 140∼180A
6.0￠ 170∼210A

나) 아크길이

아크 길이는 용접작업에 지장을 주지 않는 한 짧게 해야 성능이 우수한 용접부를 얻을 수 있다. 아크 길이가 길면 아크 분위기가 대기의 영향을 받아 질소, 산소 등이 유입될 가능성 이 많아지며 용착금속에 이들의 함량이 높아지면 결함발생, 용접부 성능저하가 일어나게 된다.

다) 용접자세

용접자세는 용접 작업성에 매우 중요하기 때문에 충분히 검토할 필요가 있다. 그루브는 용접봉의 직경에 적합한 각도로 가공되어야 하며 용접자세는 가능한한 아래보기 자세를 채 택해야 지그를 적극적으로 또한 효과적으로 이용할 수 있다. 위보기나 수평자세의 경우는 아래보기에 비해 10∼20% 정도 낮은 전류를 적용하여야만 한다.

라) 용접속도

용접속도는 용접전류와 함께 용접입열량(용접전류X전압/속도)에 크게 영향을 미친다. 용 접속도가 너무 빠르면 입열량 부족으로 융합불량, 슬래그 혼입 등이 발생하며 너무 느리면 과열에 의해서 HAZ가 넓어지고 결정립이 커져 내식성은 물론 내균열성, 기계적 성질도 악화 시키게 된다. 이와 같은 이유로 운봉법으로서는 스트링 비드(직선상으로 용접하는 방법)가 바람직하며 위빙비드를 적용하는 경우에는 위빙 폭을 봉의 직경의 2.5배 이하로 하는 것이 좋다. 두께가 두꺼운 판재를 용접하는 경우에는 융합불량과 같은 결함을 방지하기 위하여 양면 용접이 바람직하다.

그림 3.47 피복 아크 용접의 맞대기 용접의 표준 조건 예

맞대기 용접을 할 때는 판재 양 끝에 동일 재질을 판을 대어 결함이 생기기 쉬운 용접 시 작부와 크레이터부를 용접 이음부 바깥에 위치시키는 것이 좋다. 맞대기 용접과 필렛 용접 의 표준조건 예를 그림 3.47, 3.48에 각각 나타내었다.

그림 3.48 피복 아크 용접의 필렛 용접의 표준 조건 예

마) 예열

오스테나이트계 스테인리스강의 경우 일반적으로 예열은 하지 않는다. 예열을 하게되면 냉각속도가 늦어져 입계 탄화물 석출에 의한 입계 예민화 현상이 나타나 내식성을 떨어뜨리 게 된다. 그러나 구속도가 대단히 큰 경우에는 고온균열을 방지하기 위해서 예열이 필요한 경우가 있는데 이 대는 고용화 열처리(1050∼1100℃)를 해주어야 한다.

표 3.7 각종 용접전류에 대한 아르곤 가스 유량

(나) 티그용접

티그 용접은 미그 용접과 함께 불활성 가스 용접법의 일종이다. 이 용접법은 스테인리스 강의 용접에 폭넓게 사용되고 있으며 두께 3㎜이하의 박물재 용접에 유효하다. 티그 용접은 피복제나 플럭스가 필요없고 불활성 가스 중에서 용접을 행하기 때문에 깨끗한 용접금속을 용이하게 얻을 수 있고 품질도 우수하다. 불활성 가스로는 일반적으로 아르곤을 이용하지만 목적에 따라서는 7% 이하의 수소가 혼합된 아르곤 가스, 헬륨을 이용

하기도 한다

.

그림 3.49 티그 용접의 필렛 용접 표준조건의 예

그림 3.50 티그 용접의 필렛 용접 표준조건의 예

용접부로 공급되는 아르곤 가스의 양이 너무 적으면 용접부 보호효과가 충분하지 않게 되며 반대로 너무 많으면 난류가 형성되어 아크의 안정성을 해치게 되며 용접부의 품질도 저하시키게 된다.

표 3.7에 용접전류별 적정 유량을 나타냈다.

전극으로는 순 텅스텐 또는 토륨이 첨가된 텅스텐이 사용된다. 이 전극들의 경우 극서과 불활성 가스의 종류에 따라서 최고 허용전류 의 값이 결정된다. 토륨 첨가 텅스텐 전극은 통상 토륨이 1∼2% 첨가되어 있는데 이 전극은 순 텅스텐 전극에 비하여 전자 방사능이 우수하고 전극온도가 낮아도 아크 발생이 용이하다. 순 텅스텐 전극은 전극 팁 부분의 온도가 높아지고 용접중 모재와 용접재료와 접촉하거 나 금속 중기에 의해서 쉽게 오염된다. 이처럼 오염된 전극은 전자 조사능을 떨어뜨려 양호 한 용접이 어려워지고 이를 해결하기 위해서는 자주 팁 부모를 억제하기 위해서는 과소 또 는 과대전류를 피하고 용접부재와의 접촉을 가능한한 줄여야 하며 아크를 끈 후 전극이 약 300℃까지 냉각될 때까지 가스를 공급해 주는 것이 좋다.

용접재료의 경우 피복아크 용접봉과 마찬가지로 관리가 필요하다. 두께 3㎜ 이하의 재료 를 용접하는 경우에는 용접재료가 필요 없지만 두께가 3㎜ 이상이거나 이종재료를 용접하는 경우는 용접재료를 사용하여야 한다. 이 경우 용접재료 표면에 부착되어 있는 녹, 스케일, 기름 때 도는 수분은 용접결함의 원분을 연마해 주어야 하기 때문에 전극의 소모가 많아진다. 전극의 소인이 될 수 있기 때문에 완전히 제거해야만 한다.

맞대기 용접시의 적정 조건 예를 그림 3.49에, 필렛용접 조건 예를 그림 3.50에 나타냈 다. 티그용접의 조건은 재질, 판두께, 이음부 형상, 용접자세 등에 따라 달라지지만 일반적 으로 자동용접의 경우에는 수동용접보다 고전류, 고속도용접이 가능하다.

(다) 미그 용접

스테인리스강의 미그 용접은 통상 직류역극성을 이용하여 실시한다. 미그 용접의 특징은 전류밀도가 피복아크용접의 6배 정도. 티그용접의 2배 정도가 크다. 미그 용접에서 아이어 가 모재로 용착해 가는데는 3가지 형태가 있다.

3가지 이행행태는 그림에 나타낸 단락이행 (Dip transfer), 입상용적이행(Grobular transfer) 및 스프레이 이행(Spray transfer)이다. 이 이행현상은 용접조건에 따라 달라지는데 저전압, 저전류 밀도(1.6 에서 230A 이하)에서 는 단락이행, 중전압, 중전류 밀도(1.6 에서 230∼250A)에서는 입상용적이행, 대전압, 대전 류 밀도(1.6 에서는 250A 이상)에서는 스프레이이행이 일어나게된다.

미그 용접 아크는 방 향성이 매우 강해서 자세에 상관없이 용접할 수 있는 장점이 있다. 또 용접속도가 매우 빠 르기 때문에 티그 용접에 비해서 고능률이며 주로 3㎜ 이상의 소재에 적용된다. 용접속도를 결정하는 와이어의 용융속도는 단위 시간당 용융하는 와이어의 길이 또는 무게로 표시되는 데 용융된 금속의 일부는 스패터 또는 증발되어 손실되며 나머지가 모재에 용착된다.

용착 효율은 스프레이 이행이 약 98%로 가장 높고 입상용적이행, 단락이행에서는 약간 낮아진다. 보호가스로는 아르곤 가스가 이용되는데 100% 아르곤 가스는 용적이 크게 되기 쉽고 입상 용적 이행이 곤락하기 때문에 펄스전원을 이용하는 경우가 많다.

그림 3.51 미그 용접의 맞대기 용접 표준 조건의 예

순 아르곤에 1∼5%의 산소 를 섞게 되면 아크가 매우 안정되어 입상용적이행, 단락이행도 가능해진다. 또 두께 3㎜ 이 하의 소재를 용접 할 때에는 용도에 따라 10∼20%의 탄산가스(CO₂)를 혼합한 가스를 사용 하기도 한다. 그림 3.51에 GMA 맞대기 용접시의 표준조건 예를 나타냈다.

스테인레스강의 용접

○ 용접공정을 이용하여 스테인리스강 부품이나 장치를 제작하는 경우 용접금속의 내식성이 열화되고 부식성 균열이 발생하는 등 용접부의 성능이 떨어지는 문제가 뒤따른다. 따라서 스테인리스강의 용접기술을 개발할 때는 용접부의 강도, 인성, 내식성 등을 확보하고 용접균열, σ상 취화, 입계부식 등을 방지할 수 있는 시공기술의 개발이 동시에 이루어져야 한다.

○ 전극 소모식 불활성가스 아크용접(Gas Metal Arc Welding; GMAW)은 연속적으로 송급(feed)이 되는 와이어가 아크의 높은 열에 의해 용융되어 아크 기둥을 거쳐 용융지로 이행하게 되며, 용융지는 가스노즐을 통하여 공급되는 보호가스에 의해 주위의 대기로부터 보호된다. 또한 GMAW는 용접봉을 갈아 끼우는 작업이 불필요하기 때문에 능률적이고 전류밀도가 높기 때문에 용입이 깊은 장점을 갖고 있다.

○ 이글의 루트패스의 용접에 사용되는 GMAW­Sm는 「표준적 단락형 이행모드인 ‘수정된 단락형(modified short circuiting)’으로 ASME Section Ⅸ에서 규정되어 있는 기존의 단락형 이행모드보다 현저하게 앞선 용접기술」로 설명되고 있는데 이를 증명할 수 있도록 GMAW­ Sm 공정의 용접전류에 따른 스패터 발생상태의 실험결과를 제시할 필요가 있다.

○ 이글에서 마무리 용접하는 데 사용된 FCAW 공정을 포함한 GMAW­Sm 공정과 GMAW­P 공정의 장점을 최대한으로 살리고 단점을 최소화시킨 본 발명의 GMAW­Sm/GMAW­P/FCAW 복합용접공정을 올바르게 파악할 수 있도록 용접사양인증서(WPS)를 제시하는 것이 필요하다.

○ 일반적으로 GMAW 용접부에는 언더컷, 기공, 용융불량, 오버랩, 스패터, 불완전 용입 등과 같은 문제점들이 많이 발생하며, 국소부위에 다량의 열량을 집중적으로 급속하게 공급하고 뒤이어 급랭의 과정이 뒤따르게 되어 야금학적, 역학적, 품질적인 측면에서 제일 취약한 곳으로 된다. 따라서 새로운 용접공정법을 개발하는 경우에는 이러한 문제점들이 발생하는 원인과 방지법을 종합적으로 고려하는 것이 필요하다.

피복아크 용접은

설비비가 싸고 수동으로 작업성도 좋아 지금까지도 각종 용접법 중에서 가장 많이 이용되고 있는 방법이다. 최근에는 성력화, 고능률화 및 품질의 균일화 등을 추구하기 위해서 용접시공의 자동화가 적극 추진되고 있지만 복잡한 형상의 이음부, 현장용접 등 주위의 여건에 의해 자동용접이 적용되는 경우는 아직도 미미하다.

 
스테인리스강용 피복아크용접봉에 이용되는 피복재로서는 라임계, 티타니아계 및 라임 티 타니아계가 있으나 직류, 교류 모두 사용할 수 있는 라임 티타니아계가 주로 이용된다. 이와같이 직류 와 교류용접이 모두 사용가능 하나 스테인레스강 용접에서는 크롬의 석출량을 줄이기 위하여는 직류 용접기를 사용하는것이 좋습니다. 직류용접은 용접사의 기량이 중요하고 연속하여 용접시에는 아크쏠림으로 인하여 용접성이 떨어질수 있으므로 연속용접을 피하여 용접을 하면 교류에 비하여 좋은 용접비드를 얻을수 있습니다. 용접효율 과 용접비드,용접결함은 초보자인 경우에는 직류용접을 피하고 교류를 사용하는것이 용접결함을 줄일수가 있습니다.

스테인리스강 용접시공에 있어서 주의점은

용접에 필요한 그라인더, 치핑햄머, 스테인레스 브러쉬 등의 보조기구는 스테인리스강 전용으로 사용하여야 하며 탄소강 또는 다른 소재와 공용으로 사용해서는 안됩니다.다. 이들을 공용으로 사용하면 보조기구에 부착한 철분 등이 스테인리스강에 부착 해 녹 문제를 야기시킬수 있기 때문이다.
스테인리스강 용접에 사용되는 용접봉은 잘 관리가 되어야 하는데 용접봉이 습기를 함유하면 스패터, 블로우 홀 등의 결함이 발생하게 된다. 오스테나이트계 용접봉의 경우 150∼ 250℃에서 30∼60분 정도 건조시키는 것이 바람직한테 온도가 250℃를 넘으면 심선의 열팽창계수가 크기 때문에 피복에 균열이 발생할 우려가 있다. 균열이 발생하면 용접시 피복재가 떨어져 나갈수 있고 작업성을 떨어뜨리며 용접결함을 유발시키기 때문에 충분히 주의 하여야만 한다.

용접시에는 피복 아크의 용접성에 영향을 미치는 인자 들 즉, 피복재의 종류, 용접조건으 로는 용접전류, 아크길이, 용접봉 각도, 용접속도, 온봉법, 적층하는 방법 등이 용접하려는 조건에 적합하게끔 선택 하여야만 한다. 이들 각각의 인자들을 검토해 보면 다음과 같다

용접전류
용접봉의 직경에 적합한 조건을 선택 하여야만 한다. 예를 들어 전류밀도(전류/봉의 단면적)가 너무 높으면 스패터가 튀기 쉽고 많은 양의 합금성분이 산화에 의해 소실되게 된다. 이 현상이 심각한 경우에는 용착금속의 조성이 규격을 만족시키지 못하는 경우도 생기게 된다.특히 오스테나이트계 스테인리스강의 경우 전기저항이 높기 때문에 용접봉이 과열되어 적열현상(용접봉이 가열되어 빨갛게 됨)이 발생하고 용접봉이 타게 되어 용접결함의 발생 가능성이 높아진다. 반대로 용접전류가 너무 낮은 경우에는 충분한 용입이 얻어지지 않기 때문에 융합불량이 생기기 쉽다. 오스테나이트계 스테인리스강 용접봉의 직경별 적정용접 전류는 다음과 같다.
2.6￠ 50∼70A / 3.2￠ 70∼110A / 4.0￠ 110∼150A / 5.0￠ 140∼180A / 6.0￠ 170∼210A
아크길이
아크 길이는 용접작업에 지장을 주지 않는 한 짧게 해야 성능이 우수한 용접부를 얻을 수 있다. 아크 길이가 길면 아크 분위기가 대기의 영향을 받아 질소, 산소 등이 유입될 가능성이 많아지며 용착금속에 이들의 함량이 높아지면 결함발생, 용접부 성능저하가 일어나게 된다.
용접자세
용접자세는 용접 작업성에 매우 중요하기 때문에 충분히 검토할 필요가 있다. 그루브는 용접봉의 직경에 적합한 각도로 가공 되어야 하며 용접자세는 가능한한 아래보기 자세를 채택해야 지그를 적극적으로 또한 효과적으로 이용할 수 있다. 위보기나 수평자세의 경우는 아래보기에 비해 10∼20% 정도 낮은 전류를 적용 하여야만 한다.
용접속도
용접속도는 용접전류와 함께 용접입열량(용접전류X전압/속도)에 크게 영향을 미친다. 용접속도가 너무 빠르면 입열량 부족으로 융합불량, 슬래그 혼입 등이 발생하며 너무 느리면 과열에 의해서 HAZ(열영향부위)가 넓어지고 결정립이 커져 내식성은 물론 내균열성, 기계적 성질도 악화 시키게 된다. 이와 같은 이유로 운봉법으로서는 스트링 비드(직선상으로 용접하는 방법)가 바람직하며 위빙비드를 적용하는 경우에는 위빙폭 을 봉의 직경의 2.5배 이하로 하는 것이 좋다. 두께가 두꺼운 후판재를 용접하는 경우에는 융합불량과 같은 결함을 방지하기 위하여 양면 용접이 바람직하다. 

 스테인레스 파이프용접의 인서트링

 

[더라더라]

감사합니다.