주철 용접에 대해

 1. 서 론
주철에는 2.5~4.5%C 과 합금원소가 함유되어 주조성 및 내마모성, 진동 흡수성, 피삭성등을 향상시킨다. 그러나 주철은 급랭에 의한 백선화, 다량의 탄소에 의한 용접 금속 중에 기공이나 피트 발생, 주조시의 잔류응력과 용접에 의한 구속응력 집중에 의한 균열 발생, 장시간 고온 가열에 의한 흑연의 조대화 등으로 인하여 용접성이 좋지 못하다. 이러한 주철의 용접은 주로 피복 아크 용접(SMAW)과 산소-아세틸렌 가스 용접(OAW)에 의해 시공된다. 주철 용접은 일반적으로 주조결함의 보수나 설계변경에 의한 오버레이 용접 등에 주로 이용된다. 주철의 파괴는 흑연을 따라서 발생하는 경우가 많으므로 접합부의 강도도 흑연의 형상이나 크기에 큰 영향을 받는다. 또, 용접성에도 큰 영향을 미쳐 편상 흑연 주철 중에서 흑연 형상이 작은 강인 주철이 용접하기 쉬우며, 구상흑연 주철은 이 보다 더욱 용이하다. 그러나 급속 냉각된 모재 재용융부의 백선화 등 주철의 금속학적 성질과 관련된 용접성의 악화는 해결되지 않으므로 용접이 용이하다고 말 할 수 없다. 때문에 재질이 구상흑연주철인 가스터빈 케이싱이 GE로부터 단품 수주 중에 있으나 제작 경험 부족과 짧은 납기로 인하여 제품의 불량률이 매우 높은 실정이다. 이러한 제품의 경우 탄소의 함량이 3%이상이므로 불량 판정된 제품에 대해서는 용접 및 부분 브레이징에 의한 보수가 거의 불가능하며, ASTM A395규정에도 용접, 브레이징에 의한 보수는 허용되지 않고 있다. 따라서 본 보고서에서는 주철의 기본 특성 조사와 더불어 여러가지 주철의 용접방법과 그에 따른 용접성을 조사하고, 이를 바탕으로 이러한 주철제 가스터빈 케이싱의 불량 경향에 따른 각종 보수 방법의 조건을 제시하고자 한다.

 

2. 주철의 종류 및 특성
2.1 일반적 특성
주철은 공정반응을 나타내는 철과 탄소의 합금으로 주요 성분은 2.5~4.5%C, 0.5~3.5%Si이며 상업적으로 생산되는 주철은 Mn을 함유하며 Ni, Cr, Cu, Mo등의 합금원소가 첨가되기도 한다. 주철에 함유된 다량의 탄소는 주조성을 좋게 하고 응고시는 흑연으로 정출되어 진동 흡수성, 내마모성, 윤활유의 유지성, 피삭성을 향상시킨다. 주철 중에 분산되어 있는 흑연에 의하여 파면이 회색을 띠는 것을 제외하면, 주철은 통상의 탄소강 조직과 거의 동일하고 일반적으로 페라이트 혹은 펄라이트 조직을 나타낸다. 응고 중 탄소의 일부분이 용융된 철로부터 철탄화물이나 흑연의 형태로 정출되며, 그 형태는 냉각속도에 의해 결정된다. 냉각속도가 빠르면 탄소가 철탄화물로 응고되고, 느리면 흑연으로 응고된다. 주철의 미세조직은 보통 페라이트와 흑연, 시멘타이트로 구성된다. 흑연이 존재하지 않을 경우에는 탄소는 시멘타이트로 존재하며, 소위 백선이라 불리우는 주철이 된다. 또한 흑연이 존재할 경우에 유리된 페라이트가 없으며 펄라이트 주철이라고 하며 기계적 성질이 향상된다.

 

2.2 주철의 종류
2.2.1 회 주철 / 백 주철
회 주철은 가장 일반적인 형태의 주철로, 초과 탄소는 flake 형태의 흑연으로 안정 응고(흑연 공정 응고)된다. 회 주철은 보통수준의 강도, 우수한 진동 흡수성과 피삭성을 나타내지만 연성이 나쁘다. 회 주철은 2~4%C, 1~3%Si, 1%Mn을 함유하며 최대 275MPa의 인장강도를 나타낸다. 합금 처리시 회주철의 강도는 550MPa까지 높아질 수 있다. 반면, 냉각속도가 빨라서 초과 탄소가 준 안정 형태의 철탄화물(Fe3C)로 잔존(시멘타이트 공정 응고)하는 경우, 이 재료를 백 주철이라 한다. 백 주철은 이와 같은 금속간 화합물을 다량으로 함유하므로 매우 취약하고 연성과 용접성이 나쁘다. 반면, 경도와 내마모성은 향상된다. 2.5~3.8%C, 0.2~2.8%Si, 5.5%Ni, 30%Cr, 6.5% Mo, 30%Mn의 화학 조성을 갖는다. 인장강도는 160~620MPa의 범위를 나타내게 된다.

 

2.2.2 가단주철 / 구상흑연주철

백 주철을 적절히 열처리 하면 연한 가단주철로 변환될 수 있다. 철탄화물은 870°C이상의 온도에서 60시간 이상 어닐링 처리 중에 분해된다. 이 과정에서 불규칙 형상의 흑연 노듈은 석출되어 고상의 철기지로 성장해 들어간다. 로의 분위기가 산화성이면 일부 탄소는 산화되어 용접이 가능한 백심 가단주철을 형성하며, 반대로 로내 분위기가 환원성이면 전체 탄소가 보전되어 흑심 가단주철을 형성하며 이 재료는 용접이 곤란하다. 2.0 – 2.8%C, 1.0~1.7%Si를 함유하며 인장강도는 310~620MPa, 연신율은 2~20%를 나타낸다.
구상흑연주철은 흑연 구상화제인 Mn, 희토류 금속 등을 첨가하여 흑연이 구상으로 정출되어 있는 주철로서 강도 및 연성이 가장 높다. 이 주철은 회 주철의 양호한 가공성과 강의 다양한 장점(고강도, 인성, 연성, 경화능, 고온 가공성)을 조합한 특성을 나타낸다. 3~4%C, 1.8~2.8%Si, 0.7%Mn의 조성을 갖는다. 여기서 Mn함량은 충격치가 엄격하게 요구되는 경우에 제한되는데 이는 Mn의 함량이 높을수록 용접부 충격 저항 특성을 감소시킬 수 있기 때문이다. 415~830MPa의 인장강도를 가진다.

 

2.2.3 특수주철
주철에 Ni, Cr, Mo, Cu, Al 등을 첨가하여 내식성, 내열성, 강인성 등을 부여한 것이 특수(합금)주철이다. 특수주철 중 흑연화 특성이 높은 Ni첨가 주철은 비교적 용접이 용이한 반면 , 백선화 경향이 강한 Cr 첨가 주철은 균열 발생 경향이 보통 주철보다 높다. 보수용접 시에는 동급의 주철인 경우에도 그 가동상황에 따라서 용접성이 크게 달라진다. 즉, 주철 모재와 그 주위 흑연과의 사이에 주조 응력이나 부식 등에 의하여 틈이 생겨 물이나 기름이 깊이 침투하는 경우가 있다. 이와 같이 가동 중의 주조품을 보수용접 할 경우에는 이들 기름류를 연기가 나지 않을 때까지 충분히 태우는 등의 처리를 한다.

2.3 주철의 성질
주철이 주물로서 널리 사용되는 것은 가격이 싸고 주조하기 쉬우며 또한 상당한 강도를 지니기 때문이다. 주물을 만들 수 있는 용이성을 주조성이라 하며, 이것을 지배하는 가장 중요한 인자는 융점, 용해열량, 용체의 산화도, 유동성, 수축률 등이 있다 주철이 가지는 또 하나의 성질은 내열성으로 이는 고온에서의 내산화성, 내성장성, 고온강도, 크립강도 등을 말한다. 성장 현상은 주철 고유의 성질이며, 고온에서 장시간 가열하거나 또는 가열과 냉각을 반복할 때 일어나는 체적의 영구적 증가 현상이다. Si함량이 4.5% 이상 되면 내성장성이 향상되므로 내열주철로 사용된다. 주철의 물리적 성질은 표2.1과 같다.

 

 

 주철의 인장강도는 C, Si 등 화학조성, 냉각속도, 용해조건, 용탕처리 등에 의존되며, 기지의 강도와 동시에 흑연의 형상, 분포, 양 등에 따라서 변화한다. 동일한 용해주조조건, 응고속도에서 흑연의 상태는 화학성분에 따라 결정된다. 주철 중의 흑연과 관련하여 성분을 표시할 때는 탄소함량과 그 성분에서의 흑연공정성분의 비, 즉 탄소 포화도(공정도)가 주로 사용된다. 이것은 다음 식으로 표시된다.
Sc = %C / [4.3 - 1/3 (%Si + %P)]
이 탄소의 포화도는 흑연량과 관계하므로 당연히 인장강도와도 관계가 있다. 즉, Sc가 커질수록 흑연량이 증가하므로 기계적 성질은 감소한다. 인장강도 및 경도와 탄소 포화도 와의 관계는 다음 식이 널리 이용되고 있다.
인장강도(kgf/mm2) σB = 100 - 80 Sc (30mm 환봉)
브리넬 경도 HB = 530 - 344 Sc (30mm 환봉)

 

3. 주철의 용접성
3.1 용접성의 일반
주철의 용접이 일반적으로 어려운 것은 다음과 같다.
-. 주철은 용융상태에서 급랭되면 백선화 되기 쉽고, 이로 인하여 용접부와 모재부에는 수축이 상이하게 되어 큰 잔류응력이 발생하며 경화된 백선에서는 균열이 발생하게 된다.
-. 주철에는 다량의 탄소가 포함되어 있으므로, 이것이 용접중에 산소에 의하여 산화되어 일산화탄소 가스로 되고, 용접 금속 중에 기공이나 피트를 발생시키기 쉽다.
-. 주철 그 자체는 연성이 적으며 주조시의 잔류응력과 용접에 의한 구속응력이 응력 집중부에 복합적으로 작용하여 균열이 쉽게 발생한다.
-. 용접금속 중에 주철 모재로 부터 C, Si, S, P등의 유해원소가 유입되어 용접금속의 경도를 높이고 연성 및 인성을 저해함으로써 균열이 쉽게 발생하며, 또한 절삭가공을 어렵게 한다.
-. 장시간 고온에서 가열된 주철은 흑연이 조대화 되고 흑연과 기지사이에 간격이 생겨 그 부근에 기름이나 물이 스며들어 산화스케일이 생긴다. 이러한 이 물질은 용접시 작업성을 저해하고 균열, 기공 등의 발생원인이 된다.
-. 주철 그 자체에 공극, 기공, 모래 혼입 등의 결함이 존재하며 용착불량을 일으키기 쉽다.

 

 그림3.1 전형적인 주철 용접부의 온도 영역별 조직 특성

 

3.1.1 용접 열 영향부
용접 중에 탄소는 오스테나이트로 확산되어 들어가며, 이 오스테나이트는 냉각에 의하여 마르텐사이트 조직으로 변하게 되어 조직은 매우 취약하며 균열이 쉽게 발생한다.
마르텐사이트 조직의 형성 양은 주철의 조성, 종류 그리고 열 이력에 따라 정해진다. 취약한 마르텐사이트 조직은 예열이나 후열처리를 통하여 조절될 수 있다.

 

3.1.2 부분 용융역
이 영역은 고온에서 탄소가 용해될 정도로 충분히 유지된 후 빠른 냉각으로 인하여 백주철로 응고되므로 용접부에서 가장 중요하다고 할 수 있으며 매우 복잡하고 다양한 조직을 포함할 수 있다. 만일, 용접 중 흑연 용해량이 충분히 높아서 연속적으로 용융 기지를 형성하며 탄화물도 연속적으로 분포되어 문제를 야기하게 된다. 이 부분 용융역은 경화된 상의 분율이 높으므로 용접부에서 가장 경한 영역이다. 높은 경도와 이에 따른 낮은 인성은 주철 용접시에 발생되는 기계적 성질 중 많은 부분과 관계된다. 균열 감수성을 저감시키는 가장 효율적인 방법은 최고 가열온도를 낮추고 고온에서의 유지시간을 줄이는 것이다. 이것은 용접 입열량, 예열, 층간온도, 그리고 적절한 용접재료 선택에 의하여 조절될 수 있다.

3.1.3 용융역
용융역의 미세조직과 성질은 용접재료와 주철의 희석에 의하여 이루어진다. 그러므로 희석을 최소화하기 위한 용접재료, 용접법 및 용접조건 등을 채택하여야 한다.

 

3.2 예열처리
예열처리를 통하여 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
-. 온도기울기나 열응력에 기인한 균열발생의 방지
-. 주조품내의 잔류응력 감소
-. 변형의 저감
-. 열영향부 경도의 저감
-. 이종재료 용접시의 온도기울기 감소
-. 사용 중인 주조의 탄수화물 오염의 저감

□ 어느 정도의 예열이 요구되는가에 대한 일반적인 주안점은 다음과 같다.
-. 탄소 당량이 높을수록 예열온도는 증가한다.
-. 성분이 명확하지 않은 경우 예열은 미세조직과 주철의 강도에 근거하여 결정한다.
-. 저강도 주철은 고강도 재료에 비해 낮은 예열온도를 적용한다.
-. 복잡한 형상의 주물은 변형이나 잔류응력을 조절하기 위해 높은 온도로 예열한다.
-. 박물재를 후물재에 용접 시 후물재의 열 흡수력을 줄이고 열 응력을 낮추기 위해 후물재를 예열한다.
-. 가단주철이나 구상흑연주철은 회 주철이나 백 주철에 비해 낮은 온도로 예열한다.
한편 예열은 용접부의 미세조직을 조절하는 역할을 하며 315°C 이상의 온도로 예열하면 마르텐사이트 변태가 최소화되는 점까지 냉각속도가 늦춰지며 균열발생 경향이 감소한다

 

예열은 용접이음부가 인장상태가 아닌 압축상태에서 적절히 실시되어야 한다. 복잡한 형상의 주물은 온도기울기에 의한 응력을 제거하기 위하여 구조물 전체를 예열해야 한다. 용접부위는 필요에 따라서 좀 더 고온으로 가열하여야 하며, 용접 후 전체 구조는 응력을 줄이기 위하여 서냉하여야 한다. 용접부 근방이 국부 가열된 경우에 발생하는 열 응력은 예열을 실시함으로써 줄일 수 있다. 600°C 전후의 고온으로 예열하는 경우도 있지만, 100°C정도에서도 어느 정도 효과가 있으므로 예열온도는 용접봉의 종류나 사용 목적, 크기, 형상, 용접위치 등을 고려하여 결정한다. 또, 이종재료끼리 접합하는 경우가 많은 주철에서는 600°C 정도의 고온 예열에서도 열 팽창 차이에 기인하는 결함이 발생하는 경우가 있다. 저온역에서의 예열은 국부 가열하는 경우가 많지만 가열위치 및 순서에 주의하여 가열 중 열 응력에 의하여 파괴되는 일이 없도록 한다. 장소에 따라 부재의 두께 차이가 큰 경우나 복잡한 형상을 한 경우에는, 로내에서 큰 온도차가 발생할 수 있으므로 고도의 예열기술이 요구된다. 또한 600°C의 고온가열은 용접부의 마르텐사이트화 및 백주철과 같은 경화조직의 생성을 효과적으로 저지할 수 있다.

 

3.3 표면처리(피닝)
좁은 범위로 국부 가열되는 아크 용접부에서 국부적으로 압축 변형되는 피닝은 표면부의 응력을 효과적으로 완화시킨다. 다층용접에서 층 수가 증가하여 열응력이 커지면 균열이 발생하므로 층간 피닝이 불가피하다. 피닝은 용접 직후 신속히 슬래그를 제거한 다음 실시하여 급랭되는 열 영향부 근방에 대한 응력이완 효과를 높인다. 피닝을 신속히 하기 위하여 슬래그 위에 바로 실시하는 경우도 간혹 있지만 이것은 후속층의 용접시 기공발생을 증가시킨다. 그러나 슬래그 제거로 인하여 피닝 시간을 지연시키는 것은 바람직하지 않기 때문에 2인 1조로 작업수순을 확실히 정하고 실시하는 것이 좋다. 통상 피닝은 13 –19mm의 둥근 볼핀 햄머를 사용하여 용접 표면에 수직 방향으로 적당히 두드리되, 용접금속은 540°C 이하로 냉각되지 않게 한다. 피닝 조건의 한 예로서, 공기 햄머 사용시에 용접부의 75mm위에서 620kPa정도로 적용한다. 피닝은 단순히 응력을 이완 시킬 뿐 아니라 용접결함을 감소시켜 강도를 상승시키고 열 영향부의 경도도 경감시키는 효과가 있다. 공기 햄머의 충격력은 기구의 크기에 의하여 그 강약이 좌우되므로 선택에 주의하여야 한다.

3.4 후열처리
용접에 의한 잔류응력을 최소화하기 위해서는 서냉되야 하며 다음과 같은 조치가 필요하다.
-. 전 주조품을 모래나 흑운모에 묻는다.
-. 주물을 토치로 후열 처리한다.
-. 주물을 로에 옮긴다.
-. 주물을 단열재에 덮는다.
후열처리는 용접 열영향부의 연성을 개선하고 용접금속과 열 영향부의 가공성을 향상시킨다. 또한 용접시 생긴 마르텐사이트 조직을 취약정도가 약한 조직으로 변태 시키며 주물의 잔류응력을 제거한다. 복잡한 형상의 주물에서 열 응력에 따른 균열은 용접후열처리시의 가열속도 및 냉각속도를 55°C/h이하로 유지하면 억제 할 수 있다.

 

3.5 용접재료의 선택
주철 용접용 용접재료의 선택시 아래의 항목들은 반드시 검토되어야 한다.
-. 주철의 종류
-. 용접부에 요구되는 기계적 성질
-. 모재 희석에 대한 허용 범위
-. 용접 금속에 대한 응력의 발생 및 제거 정도
-. 용접부의 가공성
-. 색 조화, 적용 용접법, 원가 등
주철은 순 Ni, Ni합금, 연강 그리고 Cu합금 피복용접봉을 이용하여 아크 용접이 가능하다. 용접재료의 선택은 주철의 종류 및 용도에 따라 정해진다. 어떠한 경우에도 주철과의 성분 희석은 최소로 유지해야 한다.
 

표3.2 모재의 종류에 따른 용접 재료의 선택기준

 

 

 표3.3 용접부의 결함과 그 대책 

 

4. 주철의 용접 및 접합법
주철의 용접은 주로 피복 아크 용접(SMAW)과 산소-아세틸렌 가스 용접(OAW)에 의해 시공된다. 주철 용접은 일반적으로 주조결함의 보수나 설계변경에 의한 오버레이 용접 등에 주로 이용된다. 그러나 사형 주조시 보다 급속한 응고 냉각을 수반하는 용접부 및 모재 재용융부에서는 모재 중에 함유된 다량의 탄소에 의하여 백주철화 되어 취화되며, 또한 이산화 탄소 가스 등도 다량으로 발생하여 용접 작업이 곤란하다. 주철의 파괴는 흑연을 따라서 발생하는 경우가 많으므로 접합부의 강도도 흑연의 형상이나 크기에 큰 영향을 받는다. 또, 용접성에도 큰 영향을 미쳐 편상 흑연 주철 중에서 흑연 형상이 작은 강인 주철이 용접하기 쉬우며, 구상흑연 주철은 이 보다 더욱 용이하다. 그러나 급속냉각된 모재 재용융부의 백선화 등 주철의 금속학적 성질과 관련된 용접성의 악화는 해결되지 않으므로 용접이 용이하다고 말 할 수 없다.

 

4.1 피복 아크 용접 (SMAW)
SMAW는 저온 예열로서 용접이 가능, 그러나 가스 용접등에 비하여 접합부의 경화가 크고 신뢰성은 낮다. 용접봉은 순Ni(EGCNi), Ni-Fe합금(EGCNiFe), 모넬금속(EGCCu), 연강(EGCFe) 혹은 주철심선(EGCCI) 등이 사용. Ni계는 저온 예열용으로 사용된다. 급랭하여도 경화되지 않고 내균열성이 우수하며 기계가공도 용이하지만, 색조는 모재와 크게 다르다. 모넬은 고온 균열이 발생하기 쉬우므로 그다지 사용되지 않는다. 색조를 동일하게 하기 위하여 연강 심선도 사용되고 있다. 용접부는 일반적으로 백주철화 되어 균열발생이 쉽고 기계가공도 불가능하지만, 100°C이하의 예열에서 가공이 가능하도록 특수 성분이 첨가된 연강 심선 용접봉도 사용되고 있다. 주철 심선은 주로 고온 예열용으로 사용된다. 색조는 물론 그 외의 특성도 모재와 거의 동등하지만 급랭되는 경우 경화되기 쉽다. 냉간 용접의 경우에는 용접전류를 가능한 한 낮게하고 패스당 비드 길이를 15mm전후로 하여 피닝을 실시하는 방법으로 예열 없이 용접할 수 있다. 이 경우에 열 영향부의 경화도는 높지만 경화폭이 좁으므로 저온예열 용접법에 비해서 용접부가 특별히 열화되지 않는다. 그러나 용접부의 국부적인 온도 상승을 막기 위해서 층간온도를 낮게 설정할 필요가 있으며 비드 길이도 짧으므로 전체 용접시간이 길어 진다. 승온이 용이한 100~300°C정도의 예열을 실시하여 모재와의 친화도를 좋게 하고 전류, 전압도 가능한 한 낮게 설정하여 곧바른 비드를 단속적으로 형성 시킨다. 여기서 전층의 크레이터 위치에서 아크를 끊는 등 열응력이 중첩되는 용접순서는 피한다. Ni계 용접봉을 이용하는 경우는 많지만 모재 재용융부의 백주철화는 피할 수 없다. 신속한 피닝을 실시하고 국부적인 온도 상승을 방지하기 위하여 비드 길이는 대체로 20 –50mm를 선택한다. 예열온도가 낮은 경우와 형상이 복잡한 경우에는 비드 길이를 짧게 한다. 다층 용접에서는 층간온도를 가능한 한 예열온도에 가깝게 하고 높은 응력영역이 넓어지지 않도록 한다. 이 용접법에서는 열영향부의 경화와 어느 정도의 결함이 발생하는 것은 피할 수 없는 것으로 되어 있다. 고온 예열법은 600°C 전후의 예열을 실시하고, 주철의 응고역(약 1,150°C)을 가능한 서냉시켜 탄소의 흑연화를 도모하여 경화부가 없는 모재에 가까운 용접부를 얻는 방법으로 주철 조성의 용접봉이 이용된다. 냉각속도를 늦추기 위하여 위빙을 실시하는 것이 좋으며 용접 후에도 열처리로 등에서 보온을 시켜 가능한 한 서냉 시킨다. 또 대형 주조품의 용접에서는 열방사에 따른 용접작업자의 건강에 유의하여야 한다.

4.2 가스 용접법
가스 용접은 GTAW와 함께 신뢰성이 높은 용접법으로 색조, 경도, 진동, 흡수성, 강도 등 모든 면에서 모재에 가까운 용접부를 얻을 수 있다. 따라서 진동부분과 같이 충분한 기계적강도 및 물리적성질까지 요구되는 부분에는 동종재를 사용하는 이 용접법이 이용된다. 가스 용접에서는 용접시의 가열영역이 넓고 열 응력이 커지기 쉬우므로 예열을 반드시 실시한다. 특히 용접부의 백선화를 방지하기 위해서는 600°C이상의 고온 예열이 필요하다. 고온예열에 의한 주조응력의 해방에 의해 형상이 변화하므로 재 조립을 필요로 하는 보수용접의 경우에는 주의가 필요하다. 주철의 가스 용접에는 자체 제작한 용접봉을 사용하는 경우가 많다. 흑연화를 촉진하기 위하여 Si 함량을 높게 하지만 5~6% 정도까지 Si를 증가시켜 급냉시 흑연화 특성을 더욱 강화시킨 재료도 사용되고 있다. 일반적으로 지나친 Si는 용접금속을 취화시키지만 고 탄소당량의 용융액을 주형에 주입하여 제조한 정출 흑연입수가 많은 용접봉을 사용함으로써 고탄소, 고Si 주철에서도 고연성, 고강도의 용접부가 얻어진다. 그 외 Mo, Al, Ni등의 첨가에 의해서 흑연화 특성이나 강도의 상승을 확보하는 경우도 있다. 용접금속 중 C, Si의 산화 소모를 막기 위해 약간의 아세틸렌 과잉염을 사용하여 용접하는 경우가 많다. 용접 중의 탄소의 소모는 0.1 – 0.3% 정도이며, Si의 소모도 탄소의 2배 정도에 이르기 때문에 이에 대한 고려가 필요하다.
플럭스는 용접 중의 산화물을 슬래그로 부상시키고 용접부를 덮어 산화를 방지한다. 일반적으로 탄산 나트륨, 규사, 붕산 등을 적절한 방법으로 배합하여 사용한다.

 

4.3 가스 텅스텐 아크 용접법(GTAW)
주철의 GTAW는 아크 용접의 양호한 작업성과 가스 용접의 신뢰성을 발휘할 수 있는 용접법이다. 결함의 저부와 같은 폐쇄된 부분의 용접에서도 가스 용접에서와 같이 불꽃이 심하게 날리지 않기 때문에 용접이 용이하다. 또한 플럭스를 사용하지 않기 때문에 용접부로의 슬래그 혼입이 없고, 일반적으로 가스용접에 비해 결함이 적다. 더욱이 동종재를 이용하므로 용접부의 색조에 차이가 없고 접합강도도 모재 수준을 얻을 수 있다. 용접부를 서냉시키기 위해서는 고온예열이 유효하지만 작업성 면에서는 불리하므로 입열이 높지 않게 적절히 토치를 조작한다. 일반적으로 용접부의 두께가 10mm 이하일 경우에는 피 용접물 전체를 200~300°C로 예열하고, 10mm이상의 경우에는 그루브 부분을 가스 버너를 사용하여 600~700°C로 국부 예열하여 용접하는 방법이 적용된다. 용접전류는 최대 200~250A 정도로 한다. 그러나 전류가 지나치게 높으면 용융지가 크게 되어 용접이 불가능 하게 된다. 또 100A 전후에서 실시하는 통상의 GTAW는 저온 예열 용접법에 가깝다. GTAW의 경우 Ni계 와이어에 의한 용접은 가능 하지만 급랭도가 높기 때문에 예열을 하지 않으면 열 영향부의 경도는 Hv 600-800 정도를 나타낸다.

4.4 일렉트로 슬래그 용접법 (ESW)
이 방법은 예열 효과나 대입열에 의한 서냉 효과를 기대할 수 있다. 용가재로서는 평판 전극을 그루브 내에 고정시켜 용해하는 방법과 백주철 분말을 충진한 와이어 혹은 주철봉을 연속으로 공급하는 방법이 있다. 평판 전극은 판의 측면에서 그루브 내의 모재 측면으로 흐르는 전류가 커지지 않도록 두께를 제한하여야 한다. 한편 충전 와이어나 용접봉을 송급하는 방법은 흑연 가이드 노즐이 전극 역할을 겸하므로 와이어 송급에 관계없이 통전이 가능하고 입열을 크게 할 수 있다. 따라서 주조 결함부와 같은 보수용접에서도 시작부에서부터 용입시킬 수 있다.

 

4.5 SAW (Submerged Arc Welding)
와이어에 첨가가 곤란한 흑연 등 각종 성분을 플럭스를 통하여 용이하게 첨가 할 수 있으므로 연강 와이어에 의하여 주철 조성의 용접이 가능하다. 대입열 용접법이라고는 하지만 용접부의 백주철화나 용접균열을 방지하기 위하여는 300~400°C, 혹은 650°C의 고온 예열을 필요로 한다.

4.6 플라즈마 아크 용접
이 방법은 아크 용접에 비하여 입열 밀도가 수십 배에 이르기 때문에10mm정도까지는 용접이 가능하므로 150mm(dia) x 7.5mm(t)의 구상흑연 주철관 용접에 적용되고 있다. EBW와 달리 대기 중에서 용접이 가능하므로 대형 구조물의 용접에 적용되며, 용락, 균열 등의 용접결함은 예열온도, 용접전류, 용접속도 등을 제어 함으로써 방지 할 수 있다. 용접부는 백주철화 되므로 후열처리가 필요하다.

 

4.7 EBW (Electron Beam Welding)
이 방법은 다른 용접법에 비하여 급랭 정도가 크기 때문에 용접부 내에 기공이 잔류하기 쉽고, 또한 횡 균열도 발생하기 쉽다. 이들 결함은 접합 계면에 304 스테인리스 강 박판을 끼워 빔을 2-3회 장도 주사함으로써 거의 방지할 수 있다. 18mm 두께의 구상흑연 주철을 용접하는 경우, 연신율이 모재의 50-80%이며, 강도, 단면 수축율, 피로 등은 모재 수준의 값을 얻을 수 있다.

4.8 아크 브레이징 용접법
이 방법은 특수한 펄스 전원을 사용한 GMAW에 의하여 모재를 거의 용융시키지 않고 브레이징 법과 같은 용접을 실시하는 것이다. 접합 계면의 극히 표면의 모재 만을 직접 접합하기 때문에 흑연의 확산, 용해가 발생하지 않으므로 예열 없이도 경화부가 거의 없는 용접부를 얻을 수 있다. 와이어는 연강, Ni계, Cu-Al계, Cu-Ni계, Cu-Sn계의 와이어가 일반적으로 사용된다. 모재의 열 유입이 적으므로 피복 아크 용접에 비하여 열 응력이 매우 적고 일반적으로 피닝은 불필요하다.

 

4.9 브레이징 법
주철의 브레이징은 상당히 오랜 역사를 가지고 있다. 대표적인 재료는 융점 800~900°C의 황동(Cu : 35~65%, Zn : 33~43%, Sn : 1~2%)이다. Zn , Sn등의 저융점 성분은 용접 중에 절반 이상 소모되어 강도가 저하되는 경우가 있으므로 지나치게 과열되지 않도록 한다. 그 외 BAg-3, BAg-4 등 Ag, Cu, Zn등의 기본 조성 외에 Ni를 함유한 Ag삽입 금속은 주철에 대한 젖음성이 좋다. 플럭스는 붕산, 붕사, 불화물의 혼합물을 이용하는 경우가 많다. 양호한 접합 계면을 얻기 위해서는 염욕 중에서 전해처리를 실시하여 탈 흑연화를 하는 경우도 있다.

4.10 고상 접합
이 방법은 용융을 수반하지 않기 때문에 백주철의 생성은 없지만 일반적으로 진공 분위기에서 접합되므로 주철끼리 직접 접합 시킬 수 있다. 연강을 접합하는 경우, 훨씬 접합하기 쉽다는 결과와 Ni을 삽입재료로 사용하지 않으면 어렵다는 결과도 있다. 업세트 용접기 등을 사용하여 대기 중에서 직접 통전에 의해서도 접합할 수 있으며, 구상흑연주철과 강의 용접에서는 열처리 없이 모재와 동등한 강도를 얻을 수 있다. 변태점 상하 약 50°C의 온도범위로 1~4회 반복 열 사이클을 부여하여 접합성을 향상시킨다.

 

4.11 마찰 압접법
마찰 압접에서는 마찰열에 의한 고온 연화부가 용융전에 외부로 압출된다. 그러나 국부적으로 고탄소부 만이 저 융점으로 되는 주철에서는 때때로 흑연 주위에서 용융이 관찰되며 이것이 비산하는 경우도 있다. 그 외 마찰과정에서 생긴 접합면의 필름상 흑연이 윤활제가 되어 접합을 방해하거나 압축 변형된 계면에서 얇게 편평화된 흑연이 접합강도를 저하시키기도 하지만 구상흑연주철 혹은 가단주철에서는 적당한 업세트력과 회전수를 선택함으로서 모재 수준의 접합강도를 얻을 수 있다. 이 접합법은 구상흑연주철끼리 혹은 강관과의 접합에 적용되고 있다.

4.12 용사법
용사법에서는 고능률, 고품질의 오버레이 용접법으로 사용되는 분체 오버레이 용접법을 주철에 적용하고 있다. 고 Ni 합금 분말을 사용하여 GC 250을 산소-아세틸렌 가스 용사한 예에서는, 300~500°C 예열로 모재 수준의 강도가 얻어진다. 자용 합금에 의한 용사도 시도되고 있으나 1000°C 전후의 재가열이 필요하므로 주철에는 거의 적용되지 않는다.

 

5. 결 론
주철은 급냉에 의한 백선화, 다량의 탄소에 의한 용접금속 중에 기공이나 피트 발생, 주조시의 잔류응력과 용접에 의한 구속응력 집중에 의한 균열발생, 장시간 고온가열에 의한 흑연의 조대화 등으로 인하여 용접성이 좋지 못하다. 이러한 용접성을 개선시키는 방법은 예열 및 후열처리, 피닝처리, 적절한 용접봉 및 용접 방법의 선택 등이 있다. 보통 300~400°C의 온도에서 예열처리를 함으로서 균열방지, 잔류응력 감소의 효과 및 기름과 수분 제거의 효과를 볼 수 있으며, 후열처리를 통하여 용접 열 영향부의 연성 개선 및 용접금속과 열영향부의 가공성 향상의 효과를 볼 수 있다. 주로 사용되는 용접방법으로는 피복 아크 용접, 가스 용접, GTAW, 용사법 등이 있다. 피복 아크 용접은 작업성이 좋고 저온 예열 용접이 가능하나 다른 용접법에 비하여 접합부의 경화가 크고 신뢰성이 낮다. 실제 가스터빈 케이싱 재료인 구상흑연주철에는 피복아크 용접이 많이 사용되며, 이 경우에는E310-15, E310-16, E7018등의 용접봉이 사용된다. 이 때 응력제거를 위한 후열처리는450°C에서 4시간, 540°C에서 2시간 정도 실시한다. 가스 용접법의 경우는 GTAW와 함께 신뢰성이 높은 용접법으로 모든 면에서 모재에 가까운 용접부를 얻을 수 있다. 따라서 진동부분과 같이 충분한 기계적 강도 및 물리적 성질까지 요구되는 부분에는 동종재를 사용하는 이 용접법이 사용되며 600°C이상의 고온예열을 필요로 한다. GTAW는 아크 용접의 양호한 작업성과 가스용접의 신뢰성을 발휘할 수 있는 용접법으로 용접부의 두께가 10mm이하일 경우에는 200~300°C로 예열하고, 10mm이상일 경우에는 600~700°C로 예열한다. 용사법은 고능률, 고품질의 오버레이 용접법으로 사용되는 분체 오버레이 용접법을 주철에 적용하며, 300~500°C예열로 모재 수준의 강도가 얻어 진다. 그러나, 위의 결과를 가스터빈 케이싱 보수용접에 적용하면 국부적인 열에 의해 제품의 성능이 저하될 우려가 있으므로 향후 이러한 보수기술을 정립하기 위해서는 가공 중에 발생한 불량을 면밀히 검토하여 불량 경향에 따른 각종 보수방법(특수도금, 육성용사, 특수 용접 등)을 개발하고 결함부의 건전성 평가 기준을 정립해야 한다.

 

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