이중 용접: 공정, 매개변수 및 장비 안내

듀플렉스 스테인리스강 용접의 핵심은 단 하나, 열 제어입니다.

듀플렉스강은 페라이트와 오스테나이트가 50/50으로 균형을 이루어 내식성을 가지지만, 용접 시 발생하는 열로 인해 이러한 균형이 빠르게 깨질 수 있습니다.

과도한 열은 시그마 상을 유발하고 취성을 초래합니다. 반대로 열이 너무 약하면 페라이트가 과다하게 생성되어 용접부가 사용 중에 손상될 수 있습니다.

배관 작업을 준비하든 생산을 위해 공장을 설비하든, 이 가이드는 아크를 발생시키기 전에 필요한 매개변수와 공정 결정 사항을 알려줍니다.

듀플렉스 스테인리스강 용접이 어려운 이유는 무엇일까요?

듀플렉스 스테인리스강 용접의 어려움은 기본적인 용접 기술뿐만 아니라 용접 열 사이클 동안의 야금학적 제어에 있습니다. 

용접 열 사이클은 이 재료를 사용할 가치가 있게 만드는 핵심 요소인 상평형을 끊임없이 위협합니다.

상평형 문제

용접 과정에서 용접 금속은 주로 페라이트로 응고되며, 인접한 열영향부 또한 열처리 과정 동안 페라이트 함량이 높아질 수 있습니다. 오스테나이트는 접합부가 적절한 온도 범위를 통과하며 냉각될 때만 다시 형성됩니다. 

열 입력이 너무 낮아 냉각 속도가 너무 빠르면 오스테나이트가 충분히 생성될 시간이 부족해집니다. 그 결과 용접 부위에 페라이트가 과도하게 축적되어 내식성과 충격 인성이 저하될 수 있습니다.

실제로 많은 용접 공정에서는 용접 부위의 페라이트 함량을 약 35~65%로 맞추는 것을 목표로 합니다. 이러한 범위에 근접하는 것이 듀플렉스 용접의 주요 목표 중 하나입니다.

시그마 단계 위험

과도한 열 입력은 정반대의 문제를 야기합니다. 듀플렉스 스테인리스강이 유해한 금속간 화합물이 형성될 수 있는 온도 범위에 너무 오래 노출되면 용접부와 열영향부(HAZ)의 인성과 내식성이 저하될 수 있습니다. 

ASTM A923은 특히 듀플렉스 강재가 약 320~955°C(600~1750°F)의 온도에 노출될 때 유해한 금속간 화합물이 생성되기 쉽기 때문에 존재합니다.

이러한 상들 중 가장 중요한 것 중 하나는 시그마 상입니다. 아주 소량이라도 용접부를 더 취성 있게 만들고 국부 부식에 더 취약하게 만들 수 있습니다. 

그렇기 때문에 듀플렉스 용접은 단순히 보기 좋은 용접 비드를 만드는 것만이 아닙니다. 듀플렉스 스테인리스강의 가치를 부여하는 미세 구조를 보존하기 위해 열 입력, 층간 온도 및 냉각 거동을 정밀하게 제어하는 ​​것이 중요합니다.

듀플렉스 스테인리스강에 가장 적합한 용접 공정은 무엇일까요?

모든 듀플렉스 용접 작업에 가장 적합한 단일 공정은 없습니다. 대부분의 경우, 루트 품질과 열 제어가 가장 중요할 때는 TIG 용접이 더 나은 선택이며, 단면 두께와 생산성이 더 중요할 때는 펄스 MIG 용접이 더 적합합니다. 

SMAW와 SAW도 사용할 수 있지만, 일반적으로 TIG나 펄스 MIG보다 절차 제어가 더 엄격해야 하고 오류가 발생해도 용납되지 않습니다. 

프로세스 비교 요약

방법	열 입력 제어	생산성	일반적인 응용 프로그램	복층 구조 적합성
TIG (GTAW)	★ ★ ★ ★ ★ 우수한	낮음-중간	루트 패스, 가는 파이프, 정밀 작업	일반적으로 뿌리나 얇은 절편에 사용하기 적합합니다.
MIG (GMAW)	★★★★ ☆ 좋은 (맥박이 있는 경우)	높음	두꺼운 판재, 생산 용접	속도가 중요하고 매개변수가 안정적으로 유지될 때 좋은 선택입니다.
스틱 (SMAW)	★★★ ☆☆ 보통	중급	현장 수리, 현장 작업	사용은 가능하지만, 절차에 대한 더욱 철저한 관리가 필요합니다.
봤어요	★★ ☆☆☆ 제어하기 어려움	매우 높음	중공업 전용	주로 전문 작업장에서 사용됩니다.

TIG 용접(GTAW) - 정밀 작업에 적합

TIG 용접은 파이프 루트 패스 및 얇은 벽 부품에 선호되는 용접 방식입니다. 용접공은 열 입력량을 실시간으로 직접 제어할 수 있으며, 아크가 안정적이어서 모재를 과열시키지 않고도 일관된 용융 상태를 유지할 수 있습니다.

이중관 파이프를 TIG 용접할 때 몇 가지 사항은 절대 양보할 수 없습니다.

• 역퍼지 가스는 필수입니다. 100% Ar 또는 Ar + 2% N₂를 10~15 CFH의 유량으로 사용하십시오. 역퍼지 가스가 없으면 루트 비드가 즉시 산화되고, 이 산화된 표면이 사용 중 부식의 시작점이 됩니다.
• 펄스 TIG 용접이 권장되는 구성입니다. 피크/배경 전류 사이클링을 통해 용접 과정마다 정밀한 열 입력 제어가 가능합니다. 2507과 같은 슈퍼 듀플렉스 강재의 경우, 펄스 TIG 용접은 선택 사항이 아니라 권장 설정입니다.
• 고주파 비접촉식 아크 시동은 용접 품질을 보호합니다. 이는 특히 부식에 민감한 용도에서 용접 풀의 텅스텐 오염을 방지하는 데 매우 중요합니다.

이런 종류의 작업에 필요한 장비를 조달하는 경우 도매업체를 이용하는 것이 좋습니다. 티그 용접공 HF 시동, 펄스 기능 및 1A 해상도 전류 제어 기능을 갖추고 있어 모든 요구 사항을 충족합니다.

MIG 용접(GMAW) - 생산성 향상을 위해

MIG 용접은 6mm 이상의 판재와 생산성이 중요한 생산 환경에 적합합니다. 여기서 핵심은 '펄스'입니다. 일반적인 단락 전송 방식의 MIG 용접은 열 입력이 너무 낮아 일정하지 않으므로 페라이트 함량이 허용 범위를 초과하게 됩니다.

펄스 GMAW는 열 입력을 일정하고 제어 가능하게 유지하므로 두꺼운 단면의 2205 용접에 적합한 옵션입니다. 보호 가스도 중요합니다. 순수 아르곤 대신 Ar + 2% N₂를 사용하십시오. 질소 첨가는 용접 풀에서 오스테나이트 형성을 안정화하고 페라이트가 과도하게 상승하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

듀플렉스강 용접 시 중요한 매개변수는 무엇입니까?

매개변수를 제대로 설정하는 것이 이중 용접의 성공 여부를 결정짓는 핵심입니다. 이 수치들은 권장 사항이 아닙니다.

열 입력량 (가장 중요한 변수)

열 입력량은 다음 공식을 사용하여 계산됩니다.

열 입력량 (kJ/mm) = (암페어 × 볼트 × 60) ÷ (이동 속도 mm/min × 1000)

허용 범위는 학년에 따라 다릅니다.

재료 등급	최소 열 입력	최대 열 입력
린 듀플렉스 (2101 / 2304)	0.5 kJ/mm	2.5 kJ/mm
표준 듀플렉스 (2205)	0.5 kJ/mm	2.5 kJ/mm
슈퍼 듀플렉스 (2507)	0.2 kJ/mm	1.5 kJ/mm

2507 규격의 범위가 훨씬 좁다는 것을 알 수 있습니다. 이처럼 범위가 좁아졌다는 것은 용접기가 매개변수를 일관되게 유지해야 한다는 것을 의미합니다. 전류나 용접 속도에 조금이라도 변동이 생기면 규격 범위를 벗어나게 됩니다. 

이것이 바로 슈퍼 듀플렉스 작업에 보급형 장비보다는 안정적이고 정밀한 출력을 제공하는 장비가 필요한 주요 이유 중 하나입니다.

인터패스 온도

이는 실제 생산 과정에서 가장 자주 누락되는 매개변수이며, TWI Global이 산업 현장에서 이중 용접 불량의 주요 원인으로 지목하는 부분이기도 합니다. 제한값은 다음과 같습니다.

• 표준 듀플렉스 2205: 150°C(300°F) 이하
• 슈퍼 듀플렉스 2507 (얇은 벽): 100°C 이하 (212°F)

TWI Global에 따르면, 산업 현장에서 듀플렉스 스테인리스강 용접 불량의 주요 원인은 용접 패스 간 온도 제한을 초과하는 것입니다. 매 패스마다 적외선 온도계 또는 접촉식 고온계를 사용하여 온도를 측정하십시오. 손으로 만지거나 경과 시간으로 온도를 추정하지 마십시오.

예열 요구 사항

일반적인 듀플렉스강은 예열이 필요하지 않습니다. 이 점에서 듀플렉스강은 탄소강보다 오히려 더 다루기 쉽습니다. 

단, 주변 온도가 5°C(41°F) 이하로 떨어지거나 가공물 표면에 결로가 발생한 경우에는 예외입니다. 이러한 경우에는 열풍기를 사용하여 가공을 시작하기 전에 재료의 온도를 약 15~20°C까지 올려야 합니다.

중요한 경고 사항 하나: 과도하게 예열하지 마십시오. 초기 온도가 너무 높으면 사용 가능한 열 입력 범위가 줄어들고 시그마 상 형성이 가속화됩니다. 부품을 데우되, 굽지 마십시오.

용접 시 어떤 용접봉과 보호 가스를 사용해야 할까요?

듀플렉스 스테인리스강의 경우, 가장 안전한 시작점은 니켈 함량이 약간 더 높은 합금 소재와 용접부를 보호하면서 적절한 상 균형을 유지하는 보호 가스를 사용하는 것입니다. 

실제로 TIG 용접 및 배관 루트 용접에는 아르곤 기반의 차폐 및 퍼징 가스가 자주 사용되는 반면, MIG 용접 시 가스 선택은 작업 절차에 따라 달라지며 용접봉 제조업체의 지침과 자격을 갖춘 용접 절차서(WPS)를 따라야 합니다. 

TWI는 용접 부위의 오스테나이트 복원을 돕기 위해 일반적으로 2~4%의 니켈이 추가된 듀플렉스 용접봉을 선택한다고 언급합니다.

용가재 선택 

듀플렉스 용접봉은 일반적으로 모재보다 니켈 함량이 약간 더 높게 설계되어 희석 및 냉각 후 용접부가 더 나은 페라이트-오스테나이트 균형을 회복할 수 있도록 합니다. 

그렇기 때문에 듀플렉스 필러는 단순히 모재와 동일하다고 하기보다는 과합금되었다고 표현하는 경우가 많습니다. 

다음은 일반적인 선택 가이드입니다.

소재베이스	흔히 선택하는 필러	노트	AWS 분류
2205 (표준 복층형)	ER2209	대부분의 응용 프로그램에 대한 표준 선택	AWS A5.9
2507(슈퍼 듀플렉스)	ER2594	슈퍼듀플렉스 용접에 일반적으로 사용되는 재료입니다.	AWS A5.9
2304 (린 듀플렉스)	ER2209	절차상 허용되는 경우에 자주 사용됩니다.	AWS A5.9
2101 (린 듀플렉스)	ER2209	WPS에 따라 일반적으로 선택하는 실용적인 방식	AWS A5.9

배관 뿌리 용접에 대한 한 가지 실용적인 참고 사항은 다음과 같습니다. 일부 절차에서는 뿌리 부분의 희석을 상쇄하기 위해 합금 함량이 더 높은 용접봉을 사용할 수 있습니다. 이러한 단계별 선택은 모든 2205 용접에 대한 기본 규칙이 아니라 절차별 옵션으로 제시되어야 합니다.

차폐 가스 권장 사항

어플리케이션	공통 가스 접근법	일반적인 시작 유량
TIG — 토치 쪽	100% 아르곤 또는 아르곤 + 1~2% 질소	15~20 CFH
TIG — 백 퍼지	100% 아르곤 또는 아르곤 + 1~2% 질소	10~15 CFH
MIG/GMAW	아르곤 기반 혼합 가스; 정확한 혼합 비율은 전선 및 WPS에 따라 다릅니다.	절차/설정을 따르세요
스틱(SMAW)	외부 차폐 가스 없음	-

듀플렉스 용접 시에는 C25와 같이 이산화탄소 함량이 높은 탄소강용 가스 혼합물을 사용하지 마십시오. TIG 용접 및 루트 퍼징에는 일반적으로 아르곤 기반 가스가 사용됩니다. MIG 용접 시에는 일반적인 탄소강용 가스가 적합하다고 생각하지 마십시오. 용접봉 제조업체의 지침과 자격을 갖춘 용접 작업 절차서(WPS)를 따르십시오.

듀플렉스 용접에서 가장 흔히 발생하는 실수는 무엇이며, 이를 피하는 방법은 무엇일까요?

가장 흔한 듀플렉스 용접 오류는 다음과 같습니다. 층간 온도 차이를 무시하고, 탄소강용으로 설계된 가스 설비를 사용하며, 배관 뿌리 부분의 적절한 역세척을 생략하는 것은 문제가 될 수 있습니다.. 

이 세 가지 모두 예방 가능하지만, 무시할 경우 상 균형이나 부식 성능에 악영향을 미칠 수 있습니다. 

듀플렉스 용접 지침에서는 듀플렉스 강재의 취성 금속간 화합물 생성 위험을 줄이기 위해 권장되는 온도 제한이 있기 때문에 층간 온도 제어를 강조합니다. 

실수 1: 통로 온도 무시

듀플렉스 용접에서 가장 흔한 고장 원인은 온도 측정을 하지 않고 연속으로 용접 패스를 진행하는 것입니다. 열은 패스를 거듭할수록 축적되어 다섯 번째 또는 여섯 번째 패스가 진행될 때쯤이면 패스 간 온도가 200°C를 훨씬 웃돌게 됩니다. 이로 인해 시그마상이 형성되고, 용접부는 육안으로는 멀쩡해 보이지만 부식성 환경에서는 몇 달 안에 파손됩니다.

그것을 피하는 방법: 매 공정 전에 반드시 측정하십시오. 예외는 없습니다. 부품의 온도가 허용치를 초과하면 기다리십시오. 10분간의 냉각 휴식은 화학 처리 라인에서 용접 불량으로 인한 손실보다 훨씬 저렴합니다.

두 번째 실수: 듀플렉스 MIG 용접에 탄소강 가스 설정을 사용하는 것

탄소강과 듀플렉스강을 같은 층에서 용접하는 작업장에서 흔히 발생하는 실수입니다. 누군가 더 가까이 있는 C25 실린더를 집어 들고 2205 접합부에 몇 번 용접하면 용접면이 깨끗해 보입니다. 하지만 문제는 나중에 부식 검사나 실제 사용 중에 드러납니다.

듀플렉스 MIG 용접 시 가스 선택은 탄소강 용접 시 가스 선택과 다르며, C25와 같은 고농도 CO₂ 혼합 가스를 안전한 기본값으로 간주해서는 안 됩니다.

그것을 피하는 방법: 일반 탄소강용 가스가 듀플렉스 작업에 적합하다고 생각하지 마십시오. 용접봉 제조업체의 지침과 자격을 갖춘 작업 절차서(WPS)를 준수하고, 듀플렉스 작업용 가스 설정에는 작업장 내 표시를 명확하게 하십시오.

실수 3: 파이프 용접 시 백 퍼지(back purge)를 생략하는 것

설정 시간을 절약하기 위해 백 퍼지 단계를 생략하는 것은 잘못된 절약입니다. 퍼지 가스가 없으면 루트 비드의 내부 표면이 산화됩니다. 이를 흔히 "설탕화"라고 합니다. 

산화된 층은 사실상 부식 저항성이 전혀 없습니다. 해수 환경이나 화학 공정 배관에서 배관은 거의 즉시 안쪽부터 바깥쪽으로 부식되기 시작합니다.

그것을 피하는 방법: 용접 부위가 100°C 이하로 식을 때까지 백퍼지 유량을 유지하십시오. 긴 파이프 구간의 경우, 트레일링 퍼지 댐을 사용하면 용접 범위 저하 없이 가스 소모량을 관리할 수 있습니다.

이중 용접에 필요한 장비는 무엇입니까?

이중 용접에 가장 유용한 장비는 안정적인 출력, 우수한 열 입력 제어 기능, 그리고 실제로 공정에 필요한 기능을 제공하는 기계입니다. 

실제로 이는 일반적으로 뿌리 품질 및 얇은 단면에는 잘 제어된 TIG 용접 장비를, 두꺼운 단면 및 대량 생산 작업에는 펄스 MIG 용접 장비를 의미합니다.

듀플렉스 TIG 용접기의 주요 특징

듀플렉스 스테인리스강을 TIG 용접할 때 가장 유용한 용접기 기능은 제어력과 일관성을 향상시키는 기능입니다.

• HF 비접촉식 시작: 아크 발생 시 텅스텐 오염을 제거하여 부식에 민감한 용접부에서 개재물 발생을 최소화합니다.
• 펄스 TIG 기능: 피크/배경 전류 사이클링은 각 단계별 열 입력을 관리하는 주요 도구입니다. 특히 얇은 벽 파이프 및 슈퍼 듀플렉스 재질에 중요합니다.
• 1A 해상도 전류 제어: 2205의 열 입력 범위는 0.5~2.5kJ/mm입니다. 전류 조정이 거칠면 해당 범위 내에서 일관되게 유지하기 어렵습니다.
• 후처리 가스 타이머: 아크가 멈춘 후에도 보호 가스가 계속 흘러나와 냉각 중 뜨거운 용접 풀이 산화되는 것을 방지합니다.

듀플렉스 MIG 용접기의 주요 특징

듀플렉스 MIG 용접의 목표는 단순히 속도만을 높이는 것이 아니라 안정적이고 반복 가능한 파라미터 제어를 달성하는 것입니다.

• 펄스/더블펄스 GMAW: 이것이 핵심 요구 사항입니다. 일반적인 단락 MIG 용접기는 열 입력 제어가 너무 부정확하기 때문에 듀플렉스 스테인리스강 용접에 적합하지 않습니다.
• 시너지 제어 모드: 전선의 종류와 직경에 따라 전선 공급 속도와 전압을 자동으로 조절하여 생산 과정에서 발생하는 파라미터 오류 위험을 줄여줍니다.
• 안정적인 와이어 공급: 일정한 와이어 공급 속도는 일정한 열 입력의 기본입니다. 공급 속도의 변화는 열 입력의 변화로 직결됩니다.

실용적인 구매 규칙

듀플렉스 용접 작업을 위해 장비를 구매하는 경우, 용접 품질을 직접적으로 향상시키지 않는 추가 기능보다는 출력 안정성, 펄스 기능 및 일관된 제어 기능을 우선시해야 합니다. 

펄스 기능을 갖춘 기계를 사용하면 특히 생산 작업이나 더욱 까다로운 양면 인쇄 작업에서 작업 절차를 준수하는 것이 훨씬 쉬워집니다. 

2205는 패스 길이와 냉각을 신중하게 관리하면 펄스 기능이 없는 용접기로도 용접할 수 있지만, 일반적으로 펄스 제어 방식이 더 안전하고 실용적입니다. 

듀플렉스 및 기타 정밀 합금 가공 설비를 갖춘 매장을 위한 도매 미그 용접기 맥박 및 시너지 기능을 갖춘 방식이 장기적으로 더 적합한 경우가 많습니다.

맺음말

듀플렉스 스테인리스강 용접은 세 가지 요소에 달려 있습니다. 첫째, 등급별 허용 범위 내에서 열 입력을 제어하는 ​​것, 둘째, 적절한 과합금 용접봉을 선택하는 것, 셋째, 매번 용접 과정에서 매개변수를 일관되게 유지할 수 있을 만큼 정밀한 장비를 사용하는 것입니다.

금속학적 특성은 매우 까다롭습니다. 층간 온도 제한을 초과하거나, 잘못된 보호 가스를 사용하거나, 파이프 루트에서 백퍼지를 생략하면 겉보기에는 괜찮아 보이지만 실제 사용 중에 결함이 발생하는 용접부가 만들어집니다. 다행히도 이러한 세 가지 결함은 올바른 공정 관리와 적절한 장비를 사용하면 모두 예방할 수 있습니다.

듀플렉스 및 특수 합금 작업에 필요한 용접기를 찾는 제작 업체와 계약업체를 위해 YesWelder의 펄스 TIG 및 펄스 MIG 용접기 도매 제품군은 이러한 정밀 작업에 최적화된 제품입니다.

자주 묻는 질문