내열 합금 용접: 과제 및 모범 사례

내열 합금 용접은 일반 강철 용접보다 어렵습니다. 작은 실수라도 조기 고장으로 이어질 수 있기 때문입니다. 용접 부위가 오염되었거나, 용접봉이 부적절하거나, 열 제어가 제대로 되지 않으면 처음에는 괜찮아 보이는 용접도 고온 환경에서 오래 견디지 못할 수 있습니다.

이 가이드에서는 용접 부위가 일반적으로 파손되는 지점, 합금 종류별 위험도 변화, 용접 전, 용접 중, 용접 후에 확인해야 할 사항을 안내합니다.

내열 합금이 일반 강철보다 용접하기 어려운 이유는 무엇일까요?

내열 합금은 장시간 고온에서 용접 시 오차 허용 범위가 좁기 때문에 용접이 더 어렵습니다. 일반 강철은 어느 정도 오차 허용 범위를 제공하지만, 이러한 합금은 대개 그렇지 않습니다.

고온 환경에서의 사용은 결함 발생 가능성을 줄여줍니다.

내열 부품은 종종 용광로 튜브, 배기 시스템, 개질기 부품 및 고온 배관에서 장기간 사용됩니다. 이러한 환경에서는 작은 용접 결함조차도 심각한 문제로 이어질 수 있습니다.

이러한 합금은 세 가지 주요 이유로 인해 내구성이 떨어집니다.

• 시간이 지남에 따라 작은 결함이 커질 수 있습니다. 열과 하중에 장시간 노출되면 작은 결함이 더 큰 균열로 변할 수 있습니다.
• 열 순환은 관절에 스트레스를 가중시킵니다. 반복적인 가열과 냉각은 처음에는 무해해 보였던 약한 부위를 벌어지게 할 수 있습니다.
• 산화는 취약 부위의 손상 속도를 가속화합니다. 용접 부위가 손상되면 산화로 인해 파손 속도가 더욱 빨라질 수 있습니다.

일반 강철에서는 수년간 눈에 띄지 않게 남아 있을 수 있는 용융 불량 현상이 고온용 합금에서는 훨씬 더 빨리 실제 사용상의 문제로 대두될 수 있습니다.

산화물 스케일 및 오염 블록 융합

표면이 더러우면 내열 합금에 더 많은 문제가 발생합니다. 오염 물질이 용융을 방해하고 용접 풀을 조기에 오염시킬 수 있기 때문입니다. 아주 소량의 작업장 먼지조차도 루트 패스를 망칠 수 있습니다.

용접하기 전에 다음 사항에 주의하세요:

• 산화물 스케일
• 오일과 그리스
• 황 함유 잔류물
• 마커 잉크와 작업장 먼지

루트 패스가 오염된 접합부에서 시작되면, 일반적으로 나머지 용접 부위도 나아지지 않습니다.

열팽창 및 응고로 인해 균열 위험이 증가합니다.

일부 내열 합금은 용접 부위가 높은 응력 하에서 팽창, 수축 및 응고되면서 균열이 더 쉽게 발생합니다. 니켈 합금이 대표적인 예입니다.

다음과 같은 경우 균열 위험이 높아집니다.

• 높은 관절 구속
• 조립 불량
• 좁고 깊은 구슬
• 한 지역에 과도한 열이 집중됨

이것이 바로 이러한 작업에서 비드 모양과 맞춤이 매우 중요한 이유 중 하나입니다.

위험지역(HAZ) 변화는 장기적인 안정성을 저하시킬 수 있습니다.

열영향부(HAZ)는 모재에 장기적인 사용 강도를 부여하는 구조의 일부를 잃을 수 있습니다. 내크리프성이 뛰어난 페라이트강의 경우, 이러한 약한 영역은 용접부 옆에 형성되어 사용 중에 균열이 발생할 수 있습니다.

그렇기 때문에 다음과 같은 사항에 대해 더욱 엄격한 통제가 필요합니다.

• 예열
• 인터패스 온도
• PWHT
• 특정 등급에 대한 절차 제한 사항

고온용 페라이트강을 용접할 때, 용접 비드가 보기 좋게 나왔다고 해서 작업이 끝나는 것은 아닙니다. 이후의 열처리 과정 또한 중요합니다.

니켈 기반 합금과 고크롬 페라이트강은 어떤 점에서 용접 시 서로 다른 위험을 초래하는가?

니켈 기반 합금과 고크롬 페라이트강은 파손되는 방식이 다르므로 동일한 관점에서 용접해서는 안 됩니다. 두 재료 모두 고온 환경에 사용되지만 용접 위험이 발생하는 지점이 다릅니다.

니켈 기반 합금은 고온 균열 및 용접 풀의 느린 경화 속도를 보이는 경향이 있습니다.

니켈 기반 합금은 고온 균열에 더 취약하며, 용접 풀이 더디고 무겁게 느껴지는 경우가 많습니다. 따라서 용접공이 주의하지 않으면 잘못된 습관에 빠지기 쉽습니다.

일반적인 문제점은 다음과 같습니다.

• 너무 오래 일시 정지
• 비드 간격을 너무 넓히면
• 수영장에 오염 물질이 유입되도록 방치하기
• 구슬 일관성 손실

얇은 부분이나 뿌리 작업 시 TIG 용접은 종종 용융 풀 제어에 더 효과적입니다.

고크롬 페라이트강은 열영향부 경화 및 지연 균열에 더 민감합니다.

고크롬 페라이트강은 용접 후 열영향부(HAZ)의 경질화 및 지연 균열 발생에 더 민감합니다. 이 때문에 용접 부위가 처음에는 양호해 보여 오해할 수 있습니다.

이 세 가지 조건이 모두 충족될 때 위험이 높아집니다.

• 수소가 존재합니다
• 냉각 속도가 너무 빠릅니다
• 관절은 높은 구속력을 가지고 있습니다.

그렇기 때문에 일부 페라이트 용접부는 육안 검사와 간단한 승인만으로는 충분하지 않고, 일정 시간 동안 유지한 후 재검사를 해야 합니다.

용접봉 사용 규칙은 두 합금 계열에서 동일하지 않습니다.

용접봉 선택은 작업장의 습관이 아닌 합금 종류, 사용 조건 및 인증된 절차에 따라 이루어져야 합니다. 한 합금 종류에 적합한 용접봉이 다른 합금 종류에는 장기적인 문제를 일으킬 수 있습니다.

이를 이해하는 간단한 방법은 다음과 같습니다.

• 니켈계 합금: 충전재는 종종 화학적 조성 일치 및 균열 저항성을 지원해야 합니다.
• 고크롬 페라이트강: 용접봉은 강도, 열처리 반응성 및 사용 수명을 지원해야 하는 경우가 많습니다.
• 두 계열 모두: 용접봉은 작업대에서 가장 가까운 봉이 아니라 용접봉의 종류와 용접봉의 재질에 따라 결정해야 합니다.

당연한 말처럼 들리지만, 필러 혼동은 생각보다 자주 발생합니다.

모재의 상태 및 이전 사용 이력으로 인해 용접 위험이 높아질 수 있습니다.

중고 고온 부품은 용접 부위의 특성을 변화시키는 손상을 포함할 수 있습니다. 오래된 헤더, 매니폴드 또는 용광로 튜브를 수리하는 경우, 새 제품처럼 깨끗하게 취급해서는 안 됩니다.

다음과 같은 조건을 확인하십시오:

• 규모의 축적
• 침탄
• 탈탄
• 크립 데미지
• 이전 수리 이력

수리 용접 작업을 할 때는 금속의 이전 이력이 중요합니다. 때로는 매우 중요하기도 합니다.

내열 합금을 용접하기 전에 무엇을 확인해야 할까요?

내열 합금을 용접하기 전에 청결 상태, 공구, 조립 상태, 소모품 및 용접 절차 사양(WPS) 한계를 점검하십시오. 대부분의 예방 가능한 문제는 용접 시작 전에 발생하므로, 용접 전 철저한 준비는 빠른 효과를 가져옵니다.

산화물, 기름때, 황, 작업장 오염 물질을 제거합니다.

용접 전에 접합부와 용접봉을 깨끗이 닦으십시오. 오염은 용접 품질을 망치는 가장 빠른 원인 중 하나입니다. 아크가 용접봉을 태워 없앨 거라고 기대하지 마십시오.

용접하기 전에 다음 사항을 제거하십시오.

• 산화물 스케일
• 그리스 및 오일
• 페인트와 습기
• 황 함유 잔류물
• 지저분한 마커 선
• 느슨한 매장 먼지

접합면과 용접봉을 모두 깨끗하게 세척하십시오. 먼저 적절한 용제를 사용한 다음, 합금 종류에 맞는 기계적 세척 방법을 사용하십시오.

교차 오염을 방지하려면 전용 도구를 사용하십시오.

용접 부위에 오염 물질이 들어가지 않도록 전용 브러시, 디스크 및 작업대를 사용하십시오. 공구를 공유하는 것은 흔히 편법을 사용하지만, 합금 작업에서는 심각한 문제를 야기할 수 있습니다.

합금 가공 도구에는 다음이 포함되어야 합니다.

• 전용 스테인리스 또는 합금 브러시
• 연삭 디스크 청소
• 분리된 작업대
• 합금 전용 공구임을 명확히 표시함

니켈 합금 수리에 탄소강 브러시를 사용하면 오염 물질이 원치 않는 곳으로 옮겨갈 수 있습니다.

용접 전 접합부 설계, 맞춤 및 고정 상태를 검토하십시오.

용접 전에 접합부의 형상을 확인하십시오. 접합부가 제대로 맞지 않으면 균열 위험이 높아지고 용접 제어가 어려워집니다. 특히 두껍거나 구속된 부품의 경우 더욱 중요합니다.

다음과 같은 항목을 검토하십시오:

• 관절 각도
• 뿌리 개방
• 땅
• 지원 계획
• 접착 품질
• 클램프 설정
• 전반적인 억제 수준

홈 모양 때문에 측벽에 도달하기 위해 뜨겁고 넓은 직조 방식을 사용해야 한다면, 용접 시작 전에 설정을 수정해야 합니다.

시작하기 전에 필러, 차폐 및 WPS 제한을 확인하십시오.

아크를 발생시키기 전에 충전재, 차폐 계획 및 절차 제한 사항을 확인하십시오. 작업대에서 간단히 점검하는 것이 수리 실패나 예기치 않은 가동 중단보다 비용이 훨씬 적게 듭니다.

다음 항목들을 먼저 확인하십시오:

• 필러 분류
• 필러 로트 상태
• 차폐 가스
• 숙청 계획
• 레인지 예열
• 인터패스 제한
• PWHT 요구사항

많은 업체들이 이 단계를 서두릅니다. 하지만 이 단계 덕분에 많은 재작업을 방지할 수 있습니다.

용접 과정에서 가장 중요한 공정 제어는 무엇일까요?

용접 중에는 열 입력, 층간 온도, 용입 깊이, 희석률, 비드 형상, 보호 범위 및 용접 속도를 주의 깊게 관찰해야 합니다. 이러한 요소들은 용접부의 건전성 여부와 이후 열 노출을 견딜 수 있는지 여부를 결정합니다.

이 중 하나 또는 두 개라도 제어력을 잃으면 최악의 수리 결과가 초래될 수 있습니다. 겉보기에는 괜찮아 보이지만 속으로는 여전히 문제가 있는 용접 부위가 생기는 것이죠.

i) 열 입력 및 통로 간 온도를 허용 범위 내로 유지하십시오.

열 제어는 용융 및 장기 안정성 모두에 영향을 미칩니다. 열이 너무 높으면 열영향부의 약한 부분이 넓어질 수 있고, 열이 너무 낮으면 용융이 일어나지 않을 수 있습니다.

용접 작업 중에는 다음 세 가지 기본 사항에 주의하십시오.

• 실제 층간 온도를 측정하십시오. 특히 두껍거나 구속이 심한 이음매의 경우 계획된 수치에만 의존하지 마십시오.
• 여러 번에 걸쳐 용접할 때 열 축적을 피하십시오. 용접이 진행됨에 따라 공작물은 예상보다 더 많은 열을 보유할 수 있습니다.
• WPS 범위 내에 머무르세요: 이 경우에는 "충분히 가깝다"는 것이 보통 충분히 가깝지 않은 경우가 많습니다. 

ii) 설정값을 통해 침투, 희석 및 비드 모양 제어

용접 설정은 불안정한 비드 형상을 만들지 않으면서 견고한 융합을 보장해야 합니다. 내열 합금의 경우, 좁고 깊은 비드와 과도한 희석은 많은 용접공들이 예상하는 것보다 훨씬 빨리 문제를 일으킵니다.

용접 시 다음 사항을 피하도록 설정하십시오:

• 좁고 깊은 구슬
• 측벽 융합 불량
• 과도한 희석

처음 몇 번 가공했을 때 비드 모양이 이미 잘못되어 보인다면 나중에 저절로 고쳐질 거라고 생각하지 마십시오. 대개는 그렇지 않습니다.

iii) 루트 패스 및 핫 패스 동안 안정적인 차폐 범위를 유지합니다.

안정적인 차폐는 용접 풀에 공기와 오염 물질이 침투하는 것을 방지합니다. 이는 루트 패스, 핫 패스 및 산화에 민감한 합금에서 더욱 중요합니다.

다음 사항에 주의하세요:

• 가스 흐름 안정성
• 토치 각도
• 컵 위치
• 관절 주변의 드래프트
• 필요한 경우 루트 퍼지 품질

부실한 차폐 장치는 훌륭한 용접 ​​기술을 순식간에 망칠 수 있습니다.

iv) 두껍거나 구속된 접합부에서는 이동 속도 및 증착 전략을 조정하십시오.

용접 속도는 열 발생과 용접 품질 모두에 영향을 미칩니다. 너무 느리게 움직이면 용접 부위가 과열되고, 너무 빠르게 움직이면 측벽 용접이 제대로 되지 않을 수 있습니다.

두껍거나 매우 복잡한 관절의 경우, 즉흥적으로 작업하기보다는 계획을 세우십시오.

• 열 축적을 제어하는 ​​비드 순서를 사용하십시오.
• 무작위 채우기 패턴을 피하세요
• 관절이 각 패스 후에 어떻게 반응하는지 살펴보세요.

깊이 파고들고 자제력이 부족할 때는 "계속 채워 넣기만 하면 된다"는 전략이 효과적이지 않습니다.

어떤 용접 공정, 차폐 방법 및 소모품이 가장 효과적일까요?

용접 공정과 소모품은 용접부 두께, 접합부 접근성, 합금 종류, 사용 온도 등을 고려하여 선택하십시오. 대부분의 경우 TIG 용접은 루트 용접이나 얇은 부분에 최적의 제어력을 제공하며, 용착량이 높은 용접 공정은 필 패스나 큰 용접부에 더 적합합니다.

• GTAW는 얇은 부분과 용접 뿌리 부분에서 최고의 제어력을 제공합니다. TIG 용접은 안정적인 아크와 정밀한 용융 풀 제어 기능을 제공하여 얇은 벽관, 개방형 루트 및 수리 시작 부분에 적합합니다. 따라서 니켈 합금 루트 용접 및 정밀 작업에 탁월한 선택입니다.
• GMAW or SMAW 생산성을 높일 수 있지만 절차 통제를 더욱 강화해야 합니다. MIG 용접과 스틱 용접은 충진 작업, 현장 수리 및 대형 구조물 제작 속도를 높일 수 있지만, 적절한 가스 공급, 올바른 소모품 및 정밀한 매개변수 제어가 필요합니다. 예스웰더 대량 구매자와 소규모 작업장 사용자를 위해 TIG 및 MIG 용접 장비를 모두 배치하여, 용접 뿌리 제어와 용접 효율이 모두 필요한 작업에 적합하도록 했습니다.
• 용접봉 선택은 사용 온도 및 화학적 조성에 맞춰야 합니다. 용접봉은 합금 종류, 사용 조건 및 요구되는 용접 특성에 맞춰 선택해야 합니다. 단순히 보관함에 있는 것만 보고 용접봉을 고르지 마십시오.
• 일부 접합부에는 루트 퍼지, 백킹 가스 또는 트레일링 실드가 필요합니다. 개방형 루트 파이프, 얇은 벽 튜브 및 산화에 민감한 접합부의 경우 용접 후 퍼지 가스 또는 추가 차폐가 필요할 수 있습니다. 퍼지 작업은 루트 용접이 절반쯤 완료된 후가 아니라, 조립 전에 계획해야 합니다.

예열, 후열처리 및 기타 열처리는 실제로 언제 필요한가요?

예열 및 용접 후 열처리는 합금 종류, 두께, 구속 수준 또는 관련 규정에 따라 요구되는 경우 필수적입니다. 페라이트계 내크리프강의 경우, 예열 및 열처리는 용접 품질에 매우 중요한 요소입니다. 니켈계 합금의 경우, 잘못된 열처리는 오히려 용접 품질을 저해할 수 있습니다.

• 예열은 주로 경화성 페라이트강 및 내크리프성 강에 도움이 됩니다. 예열은 냉각 속도를 늦추고 수소 균열에 취약한 페라이트계 강에서 수소 균열 위험을 낮춥니다. 하지만 많은 니켈 합금에서는 그 중요성이 훨씬 떨어집니다.
• 후열처리(PWHT)는 재료 등급, 두께 및 관련 규정을 준수해야 합니다. PWHT는 필요한 경우 페라이트강의 경화된 부분을 강화하고 사용 성능을 향상시킬 수 있습니다. 승인된 범위 내에서만 사용하십시오.
• 잘못된 열처리로 인해 물성이 저하되거나 새로운 균열이 발생할 수 있습니다. TWI의 4형 균열 관련 연구에 따르면 열처리 불량은 페라이트 용접부의 후속 파손에 기여할 수 있습니다.
• 적합한 시간 및 온도 범위 설정, 매장 운영 노하우: “우리는 항상 이렇게 해왔습니다”는 절차가 아닙니다. WPS, PQR, 재료 등급 데이터 및 코드 제한을 사용하십시오.

용접 후 및 이후 사용 중에 발생할 수 있는 고장은 무엇입니까?

용접 후 발생할 수 있는 결함에는 냉간 균열, 재가열 균열, 4형 손상, 용융 불량 및 산화물 관련 결함이 있습니다. 이러한 결함 중 일부는 몇 시간 내에 나타나지만, 다른 일부는 고온 환경에서 수년에 걸쳐 나타납니다.

열영향부(HAZ)의 저온 균열

열영향부(HAZ)의 저온 균열은 수소, 경질 미세구조 및 구속과 관련이 있습니다. 절차상 요구되는 경우, 일정 시간 동안 방치한 후 취약한 페라이트 용접부를 재검사하십시오. 이러한 추가 검사를 통해 용접 직후에는 보이지 않았던 균열을 발견할 수 있습니다.

용접 후 열처리 또는 수리 중 재열 균열

재가열 균열은 용접 후 열처리(PWHT) 또는 후속 수리 가열 과정에서 발생할 수 있습니다. 따라서 오래된 고온 부품의 수리 용접 부위는 열을 다시 가하기 전에 면밀히 검토해야 합니다.

내크리프성 페라이트강의 4형 손상

유형 IV 손상은 내크리프성 페라이트강 용접부의 열영향부(HAZ)에서 장시간 고온 사용 중에 발생합니다. TWI는 이를 모재와 열영향부 계면, 특히 미세 결정립 또는 임계 열영향부에서 발생하는 크리프 균열로 정의합니다.

융합 불량, 산화물 포획 및 이로 인한 서비스 결과

융합 불량 및 산화물 포획은 접합부의 유효 하중 전달 경로를 저하시킵니다. 고온 환경에서 이러한 결함은 열 응력 및 크리프 하에서 균열 발생의 원인이 될 수 있습니다.

수리 작업을 시작하기 전에 내열 합금 용접 시 발생할 수 있는 위험에 대한 이 현장 위험표를 참조하십시오.

저수소 공정을 사용하고, 필요한 경우 예열을 실시한 후 나중에 재검사하십시오.	일반적으로 어떤 원인일까요?	수행 할 작업
핫 크래킹	접합부가 더럽고, 비드 모양이 불량하며, 구속력이 높습니다.	세척력 향상, 비드 형상 제어, 구속 감소
HAZ 냉간 크래킹	수소, 고위험 열영향부, 빠른 냉각	저수소 공정을 준수하고, 필요한 경우 예열을 실시한 후, 추후 재검사를 실시하십시오.
산화물 포획	준비 부실, 차폐 불량, 필러 오염	모재와 용가재를 깨끗하게 닦고 용접 풀을 잘 보호하십시오.
유형 IV 손상	페라이트계 내크리프강의 약한 열영향부(HAZ)	자격을 갖춘 열처리 및 서비스 등급 절차를 따르십시오.
융합의 부족	열이 낮고, 각도가 안 좋고, 이동 속도가 빠르다.	매개변수, 토치 각도 및 접합부 준비를 조정하십시오.

실제 적용 분야에서 용접 신뢰성을 검사하고 개선하는 방법은 무엇일까요?

육안 검사, 필요한 경우 지연 재검사, 적절한 비파괴 검사 방법, 그리고 개선된 접합부 설계를 결합하여 용접부의 신뢰성을 검사하고 향상시킬 수 있습니다. 검사는 단일 단계가 아니라 일련의 과정입니다.

육안 검사는 단지 첫 번째 단계일 뿐입니다.

육안 검사는 비드 형상 문제, 언더컷, 오버랩, 아크 자국 및 눈에 보이는 산화 현상을 포착합니다. 하지만 육안 검사만으로는 접합부 내부의 건전한 용융 여부를 증명할 수는 없습니다.

지연 균열에 민감한 용접부를 재검사하십시오.

절차 또는 고객 표준에서 요구하는 유지 시간 후 지연 균열에 민감한 페라이트 용접부를 재검사하십시오. 이는 두꺼운 단면, 경화성 강재 및 구속된 수리 부위에 특히 중요합니다.

합금 계열 및 예상 결함 유형에 맞는 비파괴 검사 방법을 선택하십시오.

비파괴검사(NDT) 방법은 발생 가능성이 높은 결함에 맞춰 선택해야 합니다. 표면 균열의 경우, 허용되는 경우 접촉자 검사(PT) 또는 자기자극 검사(MT)가 필요할 수 있습니다. 내부 결함은 방사선 검사(RT) 또는 초음파 검사(UT)가 필요할 수 있습니다. 용접 기공 평가에 대한 ESAB의 지침에서 언급된 바와 같이, 기공 및 산화물 관련 결함은 방사선 검사에서 잘 나타나는 경우가 많습니다.

가능한 한 구속, 단차 및 응력 집중을 줄이십시오.

구속, 급격한 전환, 불량한 수리 형상 및 응력 집중점을 가능한 한 줄이십시오. 용접 끝부분에 약간의 그라인드 블렌딩을 적용하면 추가 수리 패스 한 번보다 더 도움이 될 수 있습니다.

맺음말

내열 합금 용접은 모든 단계에서 엄격한 관리가 필수적입니다. 깨끗한 준비, 적절한 용접봉 선택, 안정적인 보호막 형성, 견고한 접합, 그리고 필요한 경우 적격 열처리까지 모두 중요합니다. 이러한 용접 부위는 일반 강철보다 훨씬 민감하기 때문에 작은 실수라도 조기 고장으로 이어질 수 있습니다.

실제로 최상의 결과를 얻으려면 작업에 맞는 용접 공정을 선택하는 것이 중요합니다. TIG 용접은 루트 제어, 깔끔한 용접 시작, 얇은 부분에서의 정밀도가 요구될 때 적합합니다. 반면, 높은 용착량을 요구하는 용접 공정은 절차가 이를 지원하고 대형 용접물의 생산성이 중요한 경우에 더 효과적입니다.

작업장에서 합금 가공 작업을 정기적으로 처리한다면 현재 사용 중인 용접 장비가 가장 자주 수행하는 작업에 적합한지 검토해 볼 가치가 있습니다. 신뢰할 수 있는 용접 장비 공급업체는 적합한 장비를 비교하는 데 도움을 줄 수 있습니다. TIG 용접기 or 미그 용접기 수리 작업, 제작 및 대량 생산 용도로 사용됩니다.

자주 묻는 질문