스테인리스강을 용접하려면 금속학적 구성과 관련된 물리적 및 기계적 특성을 유지하기 위해 보호 가스를 선택해야 합니다. 스테인리스강에 일반적으로 사용되는 보호 가스 성분으로는 아르곤, 헬륨, 산소, 이산화탄소, 질소, 수소 등이 있습니다(그림 1 참조). 이러한 가스는 다양한 공급 모드, 와이어 유형, 기본 합금, 원하는 비드 프로파일 및 이동 속도의 요구 사항에 맞게 다양한 비율로 결합됩니다.
스테인리스 강의 열전도도가 낮고 단락 회로 전달 가스 금속 아크 용접(GMAW)의 비교적 "차가운" 특성으로 인해 이 공정에는 85%~90%의 헬륨(He), 최대 10%의 아르곤(Ar), 2%~5%의 이산화탄소(CO2)로 구성된 "3중 혼합" 가스가 필요합니다. 일반적인 3중 혼합 가스는 90%의 헬륨, 7-1/2%의 Ar, 2-1/2%의 CO2로 구성됩니다. 헬륨의 높은 이온화 잠재력은 단락 회로 후 아크를 촉진합니다. 높은 열전도도와 더불어 He를 사용하면 용융 풀의 유동성이 증가합니다. Trimix의 Ar 성분은 용접 웅덩이의 일반적인 차폐를 제공하는 반면 CO2는 아크를 안정화하는 반응성 성분으로 작용합니다(다양한 차폐 가스가 용접 비드 프로파일에 어떤 영향을 미치는지는 그림 2 참조).
일부 3원 혼합물은 안정제로 산소를 사용하는 반면, 다른 혼합물은 동일한 효과를 얻기 위해 He/CO2/N2 혼합물을 사용합니다. 일부 가스 유통업체는 약속된 이점을 제공하는 독점 가스 혼합물을 보유하고 있습니다. 또한 딜러는 동일한 효과를 내는 다른 변속 모드에도 이러한 혼합물을 권장합니다.
제조업체가 저지르는 가장 큰 실수는 일반 강철과 동일한 가스 혼합물(75 Ar/25 CO2)을 사용하여 GMAW 스테인리스강을 단락시키려는 것입니다. 이는 대개 추가 실린더를 관리하고 싶지 않기 때문입니다. 이 혼합물에는 탄소가 너무 많이 들어 있습니다. 실제로 단선에 사용하는 보호 가스에는 최대 5%의 이산화탄소가 포함되어야 합니다. 이보다 많은 양을 사용하면 L등급 합금(L등급은 탄소 함량이 0.03% 미만)으로 간주되지 않는 야금이 생성됩니다. 보호 가스에 탄소가 너무 많으면 크롬 탄화물이 형성되어 내식성과 기계적 특성이 저하됩니다. 그을음이 용접 표면에 나타날 수도 있습니다.
참고로, 300 시리즈 기본 합금(308, 309, 316, 347)에 대한 GMAW 단락을 위한 금속을 선택할 때 제조업체는 LSi 등급을 선택해야 합니다. LSi 필러는 탄소 함량이 낮기 때문에(0.02%) 특히 입계 부식의 위험이 있는 경우에 권장됩니다. 실리콘 함량이 높으면 용접 특성(예: 젖음)이 개선되어 용접 크라운을 평평하게 만들고 토우에서의 융합을 촉진하는 데 도움이 됩니다.
제조업체는 단락 회로 전달 공정을 사용할 때 주의해야 합니다.아크 소멸로 인해 불완전한 융합이 발생할 수 있으며, 이로 인해 중요한 응용 분야에 이 공정이 적합하지 않게 됩니다.대용량 상황에서 재료가 열 입력을 지탱할 수 있는 경우(펄스 분무 모드를 사용하여 용접된 가장 얇은 재료는 대략 1/16인치 이상), 펄스 분무 전달이 더 나은 선택이 될 것입니다.재료의 두께와 용접 위치가 이를 지원하는 경우, 보다 일관된 융합을 제공하므로 분무 전달 GMAW가 선호됩니다.
이러한 높은 열전달 모드에는 He 차폐 가스가 필요하지 않습니다. 300 시리즈 합금의 분무 전사 용접의 경우 일반적으로 98% Ar과 2%의 반응성 원소(예: CO2 또는 O2)를 선택합니다. 일부 가스 혼합물에는 소량의 N2도 포함될 수 있습니다. N2는 이온화 전위와 열전도도가 더 높아 젖음을 촉진하고 더 빠른 이동이나 향상된 투과성을 허용합니다. 또한 변형을 줄입니다.
펄스 분무 전달 GMAW의 경우 100% Ar이 적합한 선택일 수 있습니다. 펄스 전류가 아크를 안정화하기 때문에 가스에 항상 능동 소자가 필요한 것은 아닙니다.
용융 풀은 페라이트 스테인리스 강과 듀플렉스 스테인리스 강(페라이트와 오스테나이트의 비율이 50/50)의 경우 더 느립니다. 이러한 합금의 경우 ~70% Ar/~30% He/2% CO2와 같은 가스 혼합물은 젖음을 더 잘 촉진하고 이동 속도를 높입니다(그림 3 참조). 유사한 혼합물을 니켈 합금 용접에 사용할 수 있지만 용접 표면에 니켈 산화물이 형성됩니다(예: 2% CO2 또는 O2를 추가하면 산화물 함량이 증가하므로 제조업체는 이를 피하거나 많은 시간을 할애할 준비를 해야 합니다). 이러한 산화물은 너무 단단해서 철사 브러시로는 일반적으로 제거할 수 없기 때문에 연마재입니다).
제조업체는 와이어의 슬래그 시스템이 응고되는 동안 용접 풀을 지지하는 "선반"을 제공하기 때문에 현장 용접에 플럭스 코어 스테인리스 스틸 와이어를 사용합니다.플럭스 구성이 CO2의 영향을 완화하므로 플럭스 코어 스테인리스 스틸 와이어는 75% Ar/25% CO2 및/또는 100% CO2 가스 혼합물과 함께 사용하도록 설계되었습니다.플럭스 코어 와이어는 파운드당 비용이 더 많이 들 수 있지만 모든 위치 용접 속도와 증착 속도가 더 빠르면 전체 용접 비용이 줄어들 수 있다는 점에 유의하는 것이 좋습니다.또한 플럭스 코어 와이어는 기존의 정전압 DC 출력을 사용하므로 기본 용접 시스템이 펄스 GMAW 시스템보다 비용이 적게 들고 복잡하지 않습니다.
300 및 400 시리즈 합금의 경우, 100% Ar은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에 대한 표준 선택으로 남아 있습니다. 일부 니켈 합금의 GTAW 중, 특히 기계화된 공정의 경우, 소량의 수소(최대 5%)를 추가하여 이동 속도를 높일 수 있습니다(탄소강과 달리 니켈 합금은 수소 균열이 발생하기 쉽지 않습니다).
슈퍼듀플렉스 및 슈퍼듀플렉스 스테인리스강을 용접하는 경우, 각각 98% Ar/2% N2 및 98% Ar/3% N2가 좋은 선택입니다.헬륨을 첨가하면 젖음성을 약 30% 향상시킬 수도 있습니다.슈퍼듀플렉스 또는 슈퍼듀플렉스 스테인리스강을 용접할 때 목표는 약 50% 페라이트와 50% 오스테나이트로 구성된 균형 잡힌 미세 구조를 가진 조인트를 만드는 것입니다.미세 구조의 형성은 냉각 속도에 따라 달라지고 TIG 용접 풀이 빠르게 냉각되기 때문에 100% Ar을 사용하면 과도한 페라이트가 남습니다.N2를 함유한 가스 혼합물을 사용하면 N2가 용융 풀로 들어가 오스테나이트 형성을 촉진합니다.
스테인리스 스틸은 최대의 내식성을 갖춘 완성된 용접을 만들기 위해 접합부의 양쪽을 보호해야 합니다. 뒷면을 보호하지 못하면 "당화" 즉, 광범위한 산화가 발생하여 납땜이 실패할 수 있습니다.
일관되게 우수한 핏을 유지하거나 피팅 뒷면에 밀폐성이 좋은 타이트 버트 피팅에는 지지 가스가 필요하지 않을 수 있습니다.여기서 가장 중요한 문제는 산화물이 쌓여 열 영향 구역이 과도하게 변색되는 것을 방지하는 것이며, 이 경우 기계적 제거가 필요합니다.기술적으로 뒷면 온도가 화씨 500도를 초과하면 차폐 가스가 필요합니다.그러나 더 보수적인 방법은 화씨 300도를 임계값으로 사용하는 것입니다.이상적으로 뒷면은 30 PPM O2 미만이어야 합니다.단, 용접 뒷면을 파고, 연삭하고 용접하여 완전 용입 용접을 달성하는 경우는 예외입니다.
선택할 수 있는 두 가지 지원 가스는 N2(가장 저렴함)와 Ar(비싸다)입니다. 소규모 조립품이거나 Ar 공급원을 쉽게 구할 수 있는 경우 이 가스를 사용하는 것이 더 편리할 수 있으며 N2 절감 효과는 크지 않습니다. 산화를 줄이기 위해 최대 5%의 수소를 추가할 수 있습니다. 다양한 상업용 옵션이 있지만 자체 제작한 지원 가스와 정화 댐이 일반적입니다.
10.5% 이상의 크롬을 첨가하면 스테인리스 스틸은 스테인리스 특성을 갖게 됩니다. 이러한 특성을 유지하려면 올바른 용접 보호 가스를 선택하고 접합부 뒷면을 보호하는 뛰어난 기술이 필요합니다. 스테인리스 스틸은 비싸고, 이를 사용하는 데는 충분한 이유가 있습니다. 보호 가스를 선택하거나 이를 위한 필러 메탈을 선택할 때 지름길을 택하는 것은 의미가 없습니다. 따라서 스테인리스 스틸 용접을 위한 가스 및 필러 메탈을 선택할 때는 항상 지식이 풍부한 가스 유통업체 및 필러 메탈 전문가와 협력하는 것이 합리적입니다.
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