스테인리스강 용접 시에는 금속 조성 및 관련 물리적, 기계적 특성을 유지하기 위해 적절한 보호 가스를 선택해야 합니다. 스테인리스강 용접에 일반적으로 사용되는 보호 가스에는 아르곤, 헬륨, 산소, 이산화탄소, 질소, 수소 등이 있습니다(그림 1 참조). 이러한 가스들은 다양한 공급 방식, 용접봉 종류, 모재 합금, 원하는 비드 형상 및 용접 속도에 맞춰 여러 비율로 혼합하여 사용합니다.
스테인리스강의 낮은 열전도율과 단락 이송 가스 금속 아크 용접(GMAW)의 비교적 낮은 용접 온도 때문에, 이 공정에는 헬륨(He) 85~90%, 아르곤(Ar) 최대 10%, 이산화탄소(CO2) 2~5%로 구성된 "트리믹스" 가스가 필요합니다. 일반적인 트리믹스 가스는 He 90%, Ar 7.5%, CO2 2.5%입니다. 헬륨의 높은 이온화 에너지는 단락 후 아크 발생을 촉진하며, 높은 열전도율과 함께 용융 풀의 유동성을 향상시킵니다. 트리믹스 가스의 아르곤 성분은 용접 풀을 전반적으로 보호하고, CO2는 아크를 안정화하는 반응성 성분으로 작용합니다(그림 2에서 다양한 보호 가스가 용접 비드 형상에 미치는 영향을 참조하십시오).
일부 3성분 혼합물은 안정제로 산소를 사용하는 반면, 다른 혼합물은 동일한 효과를 얻기 위해 헬륨/이산화탄소/질소 혼합물을 사용합니다. 일부 가스 공급업체는 약속된 이점을 제공하는 자체 개발 가스 혼합물을 보유하고 있습니다. 또한 판매점에서는 동일한 효과를 얻기 위해 다른 변속 방식에도 이러한 혼합물을 권장합니다.
제조업체들이 저지르는 가장 큰 실수는 GMAW 스테인리스강 용접에 일반 강철과 동일한 가스 혼합물(75% Ar/25% CO2)을 사용하려는 것입니다. 이는 보통 추가 가스통 관리가 번거롭기 때문입니다. 하지만 이 혼합물에는 탄소가 너무 많이 함유되어 있습니다. 실제로 솔리드 와이어 용접에 사용되는 보호 가스는 이산화탄소 함량이 최대 5%를 넘지 않아야 합니다. 5% 이상의 이산화탄소를 사용하면 L등급 합금(탄소 함량 0.03% 미만)으로 간주되지 않는 금속학적 특성이 나타납니다. 보호 가스에 탄소가 과다하게 함유되면 크롬 카바이드가 형성되어 내식성과 기계적 특성이 저하될 수 있으며, 용접 표면에 그을음이 발생할 수도 있습니다.
참고로, 300 시리즈 모재 합금(308, 309, 316, 347)에 GMAW 용접을 위한 용접봉을 선택할 때, 제조업체는 LSi 등급을 선택해야 합니다. LSi 용접봉은 탄소 함량이 낮아(0.02%) 입계 부식 위험이 있는 경우에 특히 권장됩니다. 실리콘 함량이 높을수록 습윤성 등의 용접 특성이 향상되어 용접부의 크라운을 평평하게 하고 토우 부분의 융합을 촉진합니다.
제조업체는 단락 이송 공정을 사용할 때 주의해야 합니다. 아크 소멸로 인해 불완전한 용융이 발생할 수 있으며, 이는 중요한 용도에 적합하지 않을 수 있습니다. 대량 생산 상황에서 재료가 열 입력을 견딜 수 있다면(펄스 스프레이 모드를 사용하여 용접할 수 있는 가장 얇은 재료는 약 1/16인치 이상임), 펄스 스프레이 이송 방식이 더 나은 선택이 될 수 있습니다. 재료 두께와 용접 위치가 허용하는 경우, 보다 일관된 용융을 제공하는 스프레이 이송 GMAW 방식이 선호됩니다.
이러한 높은 열 전달 모드에서는 헬륨 차폐 가스가 필요하지 않습니다. 300 시리즈 합금의 스프레이 트랜스퍼 용접에는 일반적으로 98% 아르곤과 2%의 이산화탄소 또는 산소와 같은 반응성 원소로 구성된 혼합물이 사용됩니다. 일부 가스 혼합물에는 소량의 질소가 포함될 수도 있습니다. 질소는 이온화 전위와 열전도율이 높아 습윤성을 향상시키고 용접 속도를 높이거나 투과성을 개선하며, 변형을 줄여줍니다.
펄스 스프레이 전송 GMAW 용접의 경우 100% 아르곤 가스가 적합한 선택일 수 있습니다. 펄스 전류가 아크를 안정화시키기 때문에 가스에 활성 요소가 항상 필요한 것은 아닙니다.
페라이트계 스테인리스강과 듀플렉스 스테인리스강(페라이트와 오스테나이트 비율이 50/50)의 경우 용융 풀의 진행 속도가 느립니다. 이러한 합금의 경우, 약 70% Ar/약 30% He/2% CO2와 같은 가스 혼합물을 사용하면 젖음성이 향상되고 용접 속도가 증가합니다(그림 3 참조). 유사한 혼합물을 니켈 합금 용접에도 사용할 수 있지만, 용접 표면에 니켈 산화물이 형성될 수 있습니다(예: 2% CO2 또는 O2를 첨가하는 것만으로도 산화물 함량이 증가하므로 제조업체는 이를 피하거나 제거 작업에 많은 시간을 투자해야 합니다). 이러한 산화물은 매우 단단하여 와이어 브러시로는 제거하기 어렵기 때문에 연마성이 높습니다.
제조업체들은 용접 부위 외 용접에 플럭스 코어드 스테인리스강 와이어를 사용하는데, 이는 이 와이어의 슬래그 시스템이 용접 풀이 응고될 때 지지대 역할을 하기 때문입니다. 플럭스 성분이 CO2의 영향을 완화시켜 주기 때문에, 플럭스 코어드 스테인리스강 와이어는 75% Ar/25% CO2 및/또는 100% CO2 가스 혼합물과 함께 사용하도록 설계되었습니다. 플럭스 코어드 와이어는 파운드당 가격이 더 높을 수 있지만, 모든 자세에서 더 빠른 용접 속도와 높은 용착률을 통해 전체 용접 비용을 절감할 수 있다는 점을 고려해야 합니다. 또한, 플럭스 코어드 와이어는 기존의 정전압 DC 출력을 사용하므로 기본 용접 시스템이 펄스 GMAW 시스템보다 저렴하고 간단하다는 장점이 있습니다.
300 및 400 시리즈 합금의 경우, 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)에는 100% 아르곤 가스가 표준으로 사용됩니다. 일부 니켈 합금의 GTAW 용접, 특히 기계화 공정에서는 용접 속도를 높이기 위해 소량의 수소(최대 5%)를 첨가할 수 있습니다(탄소강과 달리 니켈 합금은 수소 균열에 취약하지 않다는 점에 유의하십시오).
슈퍼듀플렉스강 및 슈퍼듀플렉스 스테인리스강 용접에는 각각 98% Ar/2% N2 및 98% Ar/3% N2 혼합 가스가 적합합니다. 헬륨을 첨가하면 젖음성을 약 30% 향상시킬 수 있습니다. 슈퍼듀플렉스강 또는 슈퍼듀플렉스 스테인리스강 용접 시 목표는 페라이트와 오스테나이트가 약 50%씩 균형 잡힌 미세구조를 갖는 접합부를 만드는 것입니다. 미세구조 형성은 냉각 속도에 따라 달라지는데, TIG 용접 풀은 빠르게 냉각되기 때문에 100% Ar을 사용하면 페라이트가 과량으로 남게 됩니다. N2를 포함하는 혼합 가스를 사용하면 N2가 용융 풀에 섞여 들어가 오스테나이트 형성을 촉진합니다.
스테인리스강 용접 시 최대의 내식성을 확보하려면 접합면의 양면을 모두 보호해야 합니다. 뒷면을 보호하지 않으면 "당화" 또는 광범위한 산화가 발생하여 납땜 불량으로 이어질 수 있습니다.
밀착도가 매우 우수한 맞대기 이음매 또는 이음매 후면의 밀폐가 철저한 경우에는 보호 가스가 필요하지 않을 수 있습니다. 이 경우 주요 문제는 산화물 축적으로 인한 열영향부의 과도한 변색을 방지하는 것이며, 이는 기계적 제거가 필요합니다. 기술적으로는 후면 온도가 화씨 500도를 초과하면 보호 가스가 필요하지만, 보다 보수적인 접근 방식으로는 화씨 300도를 임계값으로 사용하는 것이 좋습니다. 이상적으로는 후면의 산소 농도가 30ppm 미만이어야 합니다. 단, 용접부 후면을 가우징, 연마 및 용접하여 완전 용입 용접을 수행하는 경우는 예외입니다.
주로 사용되는 보조 가스는 N2(가장 저렴함)와 Ar(더 비쌈)입니다. 소형 어셈블리의 경우 또는 Ar 공급원을 쉽게 구할 수 있는 경우에는 N2를 사용하더라도 비용을 절약할 필요가 없어 Ar을 사용하는 것이 더 편리할 수 있습니다. 산화를 줄이기 위해 최대 5%의 수소를 첨가할 수 있습니다. 다양한 상용 제품이 있지만, 자체 제작한 보조 가스 및 정화 댐도 흔히 사용됩니다.
크롬을 10.5% 이상 첨가하면 스테인리스강이 녹지 않는 특성을 갖게 됩니다. 이러한 특성을 유지하려면 적절한 용접 보호 가스를 선택하고 용접 이음매 뒷면을 보호하는 데 있어 숙련된 기술이 필요합니다. 스테인리스강은 고가의 재료이며, 그만한 가치가 있습니다. 보호 가스나 용접봉 선택에 있어서 비용을 절감하려는 시도는 결코 바람직하지 않습니다. 따라서 스테인리스강 용접에 적합한 가스와 용접봉을 선택할 때는 경험이 풍부한 가스 공급업체 및 용접봉 전문가와 상담하는 것이 좋습니다.
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