스테인리스강은 가공하기 어려운 강재는 아니지만, 용접 시에는 세심한 주의가 필요합니다. 일반 강철이나 알루미늄처럼 열을 잘 발산하지 않기 때문에 과도한 열을 가하면 내식성이 저하될 수 있습니다. 적절한 용접 방법을 따르면 내식성을 유지할 수 있습니다. (이미지: Miller Electric)
스테인리스강은 내식성이 뛰어나 고순도 식품 및 음료, 제약, 압력 용기, 석유화학 분야를 포함한 많은 중요 배관 용도에 적합한 소재입니다. 그러나 스테인리스강은 연강이나 알루미늄처럼 열을 잘 발산하지 못하며, 부적절한 용접은 내식성을 저하시킬 수 있습니다. 과도한 열을 가하거나 잘못된 용접봉을 사용하는 것이 대표적인 원인입니다.
스테인리스강 용접에 대한 몇 가지 모범 사례를 따르면 용접 결과를 개선하고 금속의 내식성을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 용접 공정을 개선하면 품질 저하 없이 생산성을 향상시킬 수 있습니다.
스테인리스강 용접에서 용가재 선택은 탄소 함량을 제어하는 ​​데 매우 중요합니다. 스테인리스강 파이프 용접에 사용되는 용가재는 용접 성능을 향상시키고 적용 분야의 요구 사항을 충족해야 합니다.
용접봉을 고를 때는 ER308L처럼 "L"로 표시된 제품을 선택하십시오. 이러한 제품은 최대 탄소 함량이 낮아 저탄소 스테인리스강 합금의 내식성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 저탄소 모재를 일반 용접봉으로 용접하면 용접부의 탄소 함량이 증가하여 부식 위험이 커집니다. "H"로 표시된 용접봉은 탄소 함량이 높고 고온에서 더 높은 강도가 요구되는 용도에 적합하므로 사용을 피하십시오.
스테인리스강을 용접할 때는 불순물 함량이 낮은 용접봉을 선택하는 것도 중요합니다. 불순물은 용접봉 제조 원료에 잔류하는 안티몬, 비소, 인, 황 등의 원소로, 재료의 내식성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.
스테인리스강은 열에 매우 민감하기 때문에 접합부 준비와 적절한 조립은 재료의 특성을 유지하기 위한 열 제어에 매우 중요합니다. 부품 사이에 틈이 있거나 접합이 고르지 않으면 토치가 한 위치에 더 오래 머물러야 하고, 그 틈을 메우기 위해 더 많은 용접봉이 필요합니다. 이로 인해 해당 부위에 열이 축적되어 부품이 과열될 수 있습니다. 또한 접합이 불량하면 틈을 메우고 필요한 용접 깊이를 확보하기가 더 어려워집니다. 따라서 부품이 스테인리스강에 최대한 완벽하게 접합되도록 주의해야 합니다.
이 재료의 청결도 또한 매우 중요합니다. 용접 부위에 아주 미량의 오염물질이나 먼지가 있어도 최종 제품의 강도와 내식성을 저하시키는 결함이 발생할 수 있습니다. 용접 전 표면을 청소할 때는 탄소강이나 알루미늄에 사용하지 않은 스테인리스강 전용 브러시를 사용하십시오.
스테인리스강에서 내식성 손실의 주요 원인은 민감화 현상입니다. 이는 용접 온도와 냉각 속도가 지나치게 변동하여 재료의 미세 구조가 변할 때 발생할 수 있습니다.
GMAW 및 RMD(조절된 금속 증착) 방식을 사용하여 루트 패스 역세척 없이 용접한 스테인리스강 파이프의 외경 용접부는 루트 패스 역세척을 사용한 GTAW 용접부와 외관 및 품질이 유사합니다.
스테인리스강의 내식성은 크롬 산화물에 의해 좌우됩니다. 하지만 용접 부위의 탄소 함량이 너무 높으면 크롬 카바이드가 형성됩니다. 크롬 카바이드는 크롬과 결합하여 스테인리스강의 내식성을 부여하는 크롬 산화물의 형성을 방해합니다. 크롬 산화물이 충분하지 않으면 스테인리스강은 원하는 특성을 나타내지 못하고 부식이 발생합니다.
민감화 방지는 용접봉 선택과 열 입력 제어에 달려 있습니다. 앞서 언급했듯이 스테인리스강 용접에는 저탄소 용접봉을 선택하는 것이 중요합니다. 하지만 특정 용도에서는 강도를 확보하기 위해 탄소가 필요한 경우도 있습니다. 특히 저탄소 용접봉을 사용할 수 없는 경우에는 열 제어가 매우 중요합니다.
용접 부위와 열영향부가 고온(일반적으로 화씨 950~1,500도, 섭씨 500~800도)에 머무르는 시간을 최소화하십시오. 납땜 시 이 온도 범위에 머무는 시간이 짧을수록 발생하는 열이 줄어듭니다. 납땜 작업 시에는 항상 층간 온도를 확인하고 관찰하십시오.
또 다른 방법은 탄화크롬 생성을 방지하기 위해 티타늄이나 니오븀과 같은 합금 성분을 포함하는 용가재를 사용하는 것입니다. 하지만 이러한 성분들은 강도와 ​​인성에도 영향을 미치기 때문에 모든 용도에 사용할 수 있는 것은 아닙니다.
스테인리스강 파이프 용접에 있어 전통적인 방법은 루트 패스에 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)을 사용하는 것입니다. 이 방법은 일반적으로 용접부 뒷면의 산화를 방지하기 위해 아르곤 가스를 역세척하는 과정을 거칩니다. 그러나 최근에는 스테인리스강 튜브에 와이어 용접 공정을 사용하는 사례가 점점 늘어나고 있습니다. 이러한 적용 분야에서는 다양한 보호 가스가 재료의 내식성에 미치는 영향을 이해하는 것이 중요합니다.
가스 금속 아크 용접(GMAW) 공정을 사용하여 스테인리스강을 용접할 때, 전통적으로 아르곤과 이산화탄소, 아르곤과 산소의 혼합물, 또는 3가지 가스 혼합물(헬륨, 아르곤, 이산화탄소)이 사용됩니다. 일반적으로 이러한 혼합물은 아르곤이나 헬륨을 주성분으로 하고 이산화탄소 함량은 5% 미만입니다. 이산화탄소는 용접 풀에 탄소를 공급하여 민감화 위험을 증가시키기 때문입니다. 순수 아르곤은 스테인리스강 GMAW 용접에는 권장되지 않습니다.
스테인리스강용 플럭스 코어드 와이어는 75% 아르곤과 25% 이산화탄소의 일반적인 혼합 가스에서 용접되도록 설계되었습니다. 플럭스에는 보호 가스의 탄소가 용접부를 오염시키는 것을 방지하는 성분이 포함되어 있습니다.
GMAW 공정이 발전함에 따라 스테인리스강 튜브 및 파이프 용접이 간소화되었습니다. 일부 용도에서는 여전히 GTAW 공정이 필요할 수 있지만, 고급 와이어 용접 공정은 많은 스테인리스강 용도에서 유사한 품질과 더 높은 생산성을 제공할 수 있습니다.
GMAW RMD로 제작된 스테인리스강 내경 용접부는 외경 용접부와 품질 및 외관이 유사합니다.
밀러의 RMD(Regulated Metal Deposition)와 같은 변형 단락 GMAW 공정을 사용하는 루트 패스는 일부 오스테나이트 스테인리스강 적용 분야에서 백플러싱을 제거합니다. RMD 루트 패스 후에는 펄스 GMAW 또는 플럭스 코어드 아크 용접으로 필러 및 캡 패스를 수행할 수 있습니다. 이는 특히 대형 파이프의 경우 백퍼징을 사용하는 GTAW에 비해 시간과 비용을 절감하는 변화입니다.
RMD(Residual Metal Deposition) 방식은 정밀하게 제어되는 단락 금속 이송 방식을 사용하여 안정적이고 부드러운 아크와 용접 풀을 생성합니다. 이를 통해 냉간 접합이나 용융 불량 발생 가능성을 줄이고, 스패터를 최소화하며, 파이프 루트 패스의 품질을 향상시킵니다. 또한, 정밀하게 제어되는 금속 이송 방식은 균일한 용적 증착을 가능하게 하여 용접 풀, 열 입력 및 용접 속도를 더욱 쉽게 제어할 수 있도록 합니다.
기존과는 다른 공정을 통해 용접 생산성을 향상시킬 수 있습니다. RMD(회전식 금속 용접기)를 사용하면 용접 속도를 분당 6~12인치까지 높일 수 있습니다. 이 공정은 부품에 추가적인 열을 가하지 않고 생산성을 높이기 때문에 스테인리스강의 물성과 내식성을 유지하는 데 도움이 됩니다. 또한, 열 입력이 감소하므로 기판의 변형을 제어하는 ​​데에도 효과적입니다.
이 펄스 GMAW 공정은 기존 스프레이 펄스 트랜스퍼 방식보다 아크 길이가 짧고 아크 콘이 좁으며 열 입력량이 적습니다. 폐쇄 루프 공정이므로 아크 드리프트와 팁-공작물 거리 변화가 거의 발생하지 않습니다. 따라서 제자리 용접 및 비제자리 용접 시 용융 풀 제어가 용이합니다. 마지막으로, 필러 및 캡 비드에는 펄스 GMAW 방식을, 루트 비드에는 RMD 방식을 결합하면 하나의 와이어와 하나의 가스만으로 용접 작업을 수행할 수 있어 공정 전환 시간을 줄일 수 있습니다.
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