스테인리스의 용접성, 용접 대책

 

 

 

1. 개요

 

1) 스테인리스강의 정의

철의 내식성 부족을 개선할 목적으로 만들어진 내식용 강의 총칭 (전혀 녹슬지 않는다는게 아니라 잘 녹슬지 않음) 
Cr이 적절히 포함되있는 합금강으로, Cr이 표면층 및 내부에 산화피막을 형성하여 부식을 지현시킴  

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

스테인리스강의 용접이란?

 

 

2) 스테인리스강의 구분 

스테인리스강

• 마르텐사이트계 스테인리스강(400번 계열)
  자경성, 내마모성 우수, 냉간성형성 우수, 용접성 불량, 양호한 내식성
• 페라이트계 스테인리스강(400번 계열)
  자경성 없음, 오스테나이트계 대비 내식성, 내열성 떨어짐, 열처리 경화 X
• 오스테나이트계 스테인리스강(2, 300번 계열)
  가장 내식성, 내열성 우수, 천이온도 낮음, 강인함, 열처리 경화 X, 고온강도 우수, 극저온 취성 X, 크리프 강도 높음, 그러나 인장강도에 비해 낮은 내력, 가공경화성이 높음 (소성이나 절삭가공이 곤란), 열팽창율이 탄소강의 1.5배이고 열전도율이 약 60%라서(낮아서) 용접 등의 열가공시 변형이나 잔류응력 문제가 있음, 또한 다른 재료와 접합시 접합부에 열응력 발생하기 쉬움, 가공시 조직의 일부가 가공유기마르텐사이트로 변화(가공으로 인해 경화), 자성이 생김
   * 200번계열은 Cr-Ni-Mn계, 300번 계열은 Cr-Ni계
• 석출경화계 스테인리스강 (600번 계열)
  내식성이나 내열성이 우수하고 복잡한 모양의 성형가공도 가능한 초고장력강의 일종

마르텐사이트계 - STS410, 420
페라이트계 - STS 405, 409, 430, 434, 436
오스테나이트계 - STS 304, 304L(내식성 보강), 321(Ti첨가, 입계부식성 향상), 316 (내공식성 향상, Mo 첨가)

분류	성분 (%)			담금질성	내식성	가공성	용접성	자성	열전도율	열팽창
	Cr	Ni	C
페라이트계	18	-	0.3 이하	없음	양호	약간양호	약간양호	있음	26.9	10.4
오스테나이트계	18	8	0.25이하	없음	가장우수	우수	우수	없음	16.7	9.9
마르텐사이트계	13	-	1.2 이하	자경화	가능	가능	불가능	있음	25.6	17.3

스테인리스강의 열처리, 스테인리스강 소성가공 (가공경화), 스테인리스강 용접, 오스테나이트

 

 

2.  스테인리스강의 용접

 

1) 스테인리스강의 용접성 

스테인리스강에서 문제가 될 수 있는건 열 영향, 산화, 질화, 탄소의 혼입이 있음 
용융점이 높은 산화 크롬의 생성을 피해야하기 때문에 (불순물로 작용, 떠오르는 성질) 불활성 가스 속의 용접이나 비산화성 가스 또는 용제 등으로 산소 등으로부터 용융 금속을 보호해야함 

(1) 마르텐사이트계 스테인리스강의 용접

• 용접에 의해 급열, 급랭시 마르텐사이트 생성으로 균열이 발생하기 쉬움 (경화 ↑, 잔류응력 ↑)
• 용접봉으로 12Cr강 사용(Al 소량 첨가)
• 예열 필요 (200~400도)
• 용접 후열처리 필요 (700~800도)
• 후열처리 불가시 고급 스테인리스강 용접봉 사용 (18%Cr - 12%Ni - Mo 함유 용접봉)

(2) 오스테나이트계 스테인리스강의 용접

18-8 스테인리스강은 고온에서 급랭시킨 것을 400 ~ 800도에서 장시간 유지하면 페라이트와 델타상이 발생하거나, 탄화물이 입계에 석출하여 입계부식 (intergranular corrosion)이 발생 
이를 강의 예민화현상이라고 함 
입계부식의 원인은 결저립계의 가까운 Cr원자가 탄소원자와 결합, 탄화물을 만들기 때문 
예민화는 Cr탄화물을 만들지 않아야하고 이를 위해
1) 탄소를 충분히 낮게 하거나(용접용 소재로 304L 사용), 2) Ti, Nb(탄소 안정화 원소)등을 첨가하여 Cr 석출을 막아야함

또한 용접시, 오스테나이트계는 열팽창이 높고, 열전도도가 낮기 때문에 빠른 속도로 용접을 실시하여 열 변형과 입계부식을 방지해야함

열팽창이 크기 때문에 뒤틀림 등의 문제를 예방하려면 가용접을 훨씬 많이 해야함 
또한, 변형을 억제할 수 있는 각종 방법 (후퇴법, 단속법, 비석법)등을 이용하여 용접한다.

또한, 할수있는 상황이 적겠지만, 스테인리스의 기본 열처리인 고용화 열처리를 통해 냉간 가공 또는 용접 등에 의해 생긴 내부 응력을 제거함과 동시에 열간 가공이나 용접에 의해 석출된 Cr탄화물 및 시그마 상을 고용하여 가공 조직을 재결정하고 유연한 상태로 하여 연성의 회복 및 내식성을 증대시킬 수 있음 

• 예열을 하면 안됨 
• 층간온도가 200도 이상 넘어서면 안됨
• 아크 길이를 짧게 유지할 필요 
• 아크 중단시 크레이터 처리 
• 용접봉은 모재와 동일한 것을 사용, 가는 용접봉 사용
• 낮은 용접봉으로 입열을 억제 

용접 결함의 종류, 오버랩, 언더컷, 용입부족, 융합불량

오스테나이트계 스테인리스의 용접부 및 열영향부에서는 고온응고균열과 용접부식이 발생할 수 있음 
최근, 내식성이 더욱 우수한 슈퍼오스테나이트계 스테인리스강이 개발되어 적용되고 있음 

2024.07.20 - [Mechanical Engineering Study/용접] - 오스테나이트계 스테인리스의 용접, 슈퍼오스테나이트계 스테인리스

 

 

(3) 페라이트계 스테인리스강의 용접 

열 영향부의 조대화르 방지하기 위해 용접부 및 열영향부(HAZ) 입열 관리가 필요

• 급랭해도 마르텐사이트화되어 경화되지는 않지만, 열 영향부가 조대화되어 약해지기 쉬움 (부스러짐) 
• 용접시 가는 용저봉 사용, 저전류로 용접하여 입열 억제 (조대화 방지) 
• 예열 실시 (200도 정도), 층간온도 80% 
• 용접 후열처리 실시하며 서냉시키는 것이 중요

 

2) 스테인리스강의 용접법

• 피복 아크 용접법 
  직류일떄는 역극성 사용, 탄소강 대비 10 ~ 20% 낮은 전류 적용
  용접봉은 탄소 함량이 적은 것이 좋음 
• 불활성 가스 텅스텐 아크 용접법 (TIG 용접)
  용접 전류는 직류 정극성이 좋음 
  토륨이 들어있는 텅스텐 전극봉이 아크 안정에 우수, 전극 소모가 적음 
• 불활성 가스 금속 아크 용접법 (MIG 용접)
  지름 0.8 ~ 1.6mm 심선을 전극
  직류 역극성 용접 
  순수 아르곤 사용시 스패터가 많이 발생하고 아크 불안정하여 2~5% 산소 혼합가스 사용 
• 플라즈마 아크 용접법
  
• 서브머지드 아크 용접법
• 저항용접법

플라즈마 아크용접(PAW), 열적핀치효과 (Thermal pinch effect), 플라즈마 제트용접

실드금속아크용접 (SMAW; Shielded Metal Arc Welding), 피복아크용접, 탄소아크용접

전기저항용접(Electric Resistance Welding)