SUS 용접 기술

1. 스테인레스강의 용접성

스테인레스강은 강 종류 중 철강성분을 기본으로 니켈, 크롬 등의 합금을 첨가한 고합금강으로 KS의 분류에서 특수강의 특수 용도 강재로 분류되어 일반 구조물에 사용되는 보통강(SS,SBB-일반 보일러 강재,SV,SWS강재)과 구분되고 있다. 그러므로, 스테인레스강의 용접은 보통강과는 매우 다른 특성을 가지고 있으며, 용접의 난이도에서 큰 차이를 보이고 있다. 즉 일반적으로 산업계에 널리 적용되고 있는 소모성 전극 아크 용접 ( GMAW- GAS METAL ARC WELDING) 공정에서 보통강은 일반 탄산가스(일명 탄산가스 아크 용접)와 불활성 가스(아르곤, 헬륨) 양쪽을 모두 사용할 수 있는 반면 스테인레스강은 불활성 가스만사용해야 하는 제한 요소가 있으며, 용접 금속 야금학적으로 보통강보다 훨씬 많은 문제점을 내포하고 있다. 스테인레스와 보통강과의 용접 특성의 비교는 다음과 같다.

항 목	스테인레스강(오스테나이트)	보통강(SS,SBB등)
용접 공정의 선택	탄산가스 아크 용접 불가	어떤 공정도 가능
용접 금속의 예민화	발생여지 상존	예민화 없음
용접후 냉각 속도 관리	필요	불필요
시그마 상 변태	있음	없음
예열	검토 해야함	관계 없음
용접 고온 균열	우려 있음	관계 없음
응고 균열	우려 있음	관계 없음
용접 열 변형	크다	작다
용접 잔류 응력	많다	적다
응력 부식 균열	우려 많음	우려 없음
CREEP 파단	위험성 있음	없음

위에서 보면, 오스테나이트 스테인레스강의 용접은 보통강에 비해 매우 어려운 것을 알 수 있다. 그러므로, 스테인레스강 용접은 보통강에 비해 시공상 매우 세심한 배려가 요구 될 수 밖에 없는 것이다.

2. 스테인레스강과 용접 열 변형과 잔류 응력
용융 용접에서 용접부는 모재의 용융 및 응고 과정을 거치면서, 팽창과 수축 및 열전달의 구배, 상변태 등으로 인해 변형이 일어난다. 특히 오스테나이트계 스테인레스 강은 열팽창 계수가 연강, 저합금강, 페라이트 스테인레스강 보다, 1.5배 높고, 열전달계수는 연강보다 3배 이상 높기 때문에 열CYCLE에 의한 변형, 잔류응력, 열피로의 생성이 높으며, 용접 시공상 문제가 있다.
흔히 알려진바 용접 열변형과 잔류 응력은 밀접한 관계가 있으므로, 오스테나이트계 스텐인레스강의 용접 열변형, 잔류 응력은 연강(보통강)의 용접보다 더욱 심각히 고려되어야 하는 것을 알 수 있다.

3. 냉간 가공후의 잔류 응력
일반적으로 강의 냉간 가공시에는 가공부위의 결정 입자(GRAIN)가 粗大해져 연성이 감소 되며 오스테나이트 스테인레스강의 경우 응력 부식 균열 (STRESS - CORROSION)의 위험성이 있다. 이 응력 부식 균열이 생길 때 이런 실패 공정에 민감한 오스테나이트 스테인레스 강은 가공후 잔류 응력을 없애기 위해 용해 어니일링(소둔)을 해야 한다.
보일러의 구조를 볼 때 스테인레스 보일러는 스테인레스 강판을 프레스 가공에 의한 굽힘 가공 및 압출 가공에 의해 구조가 형성됨으로 냉간 가공 과정을 거치는 것이 일반이다. 그러므로 일반 냉간 가공을 거치지 않는 구조물의 용접성과는 구분되어야 할 것이다.(잔류 응력 측면).
제시된 일본의 자료 스테인레스강의 용접에서도 저자는 '용접이나, 정형 가공 중에 탄화물을 석출하거나 .잔류 응력이나 소성 변형이 일어나 ...중략 .... 안정화 열처리 또는 응력 제거 열처리를 ..... 중략... 선택 시공 하는 때가 있다.' 라고 서술 하고 있으며, 이때 정형 가공은 영어로 FORMING이라 하며, 프레스 가공에 의한 절곡, 압축 가공등 을 일컫는 것으로 보일러 제조 공정중에 포함 되어 있는 소성 변형을 일으키는 가공 공정이다.

4. 고용화 열처리와 응력 제거 열처리
오스테나이트 스텐인레스 강의 고용화 열처리는 예민화의 문제로 인한 것이며, 잔류 응력 제거와 무관하다. 단지 고용화 열처리로 인해 잔류 응력 제거가 동시에 이루어진다는 점에 유의할 필요가 있다.
고용화 열처리의 기구(MECHANISM)를 살펴보면, 오스테나이트 스테인레스강은 용접 금속이 용융된후 응고 냉각시 약 섭씨 427도에서870도 사이에서 크롬과 탄소가 결합해서 결정 경계에 크롬 카바이드로 석출된다 이런 크롬의 석출로 인해 보호 산화 피막을 만드는데 필요한 크롬의 양이 불충분하여 소위 말하는 예민화가 되어 입계 부식이 생긴다. 이것을 해결하는 방법으로 용접후 고용화 열처리를 통하여 크롬과 탄소의 결합을 파괴하여 크롬의 양을 확보하여 입계 부식을 방지하는 것이며, 고용화 열처리가 어려울때는 크롬과 결합하는 탄소의 양을 줄이는 저탄소 오스테나이트 스테인레스 강(S04L 및 316L - L은 LOWCARBON을 의미)을 적용하거나, 티타늄(TITANIUM),크로비움(COLOBIUM)과 같은 탄소와 친화력이 좋은 원소를 첨가 하는 안정화 오스테나이트 스테인레스 강(321강,347강등)을 적용하는 것이다. 그러므로, 저탄소 오스테나이트 스테인레스강을 사용하여 고용화 열처리를 하지 않는 것은 크롬 석출로 인한 예민화의 방지를 위한 것이지 잔류 응력 제거와는 관계가 없다. 만약 고용화 열처리를 한다면 잔류 응력의 제거는 동시에 이루어 질수 있다.
오스테 나이트계 스테인레스의 열처리는 고용화 열처리외에도 안정화 열처리, 응력제거 열처리가 있다

5. 결론
상기 고찰한바 오스테 나이트 스테인레스 강은 다른 스테인레스 강에 비해서는 용접성 및 가공성이 좋으나, 보통강과의 비교에서는 상당히 많은 제약 조건을 가지고 있고, 시공상의 문제점을 내포하고 있다. 이것은 보통강으로 제작되는 생산품 보다 공정상의 문제점으로 인한 불량 발생의 여지가 많다고 생각될 수 잇는 것이다. 또한 잔류 응력의 문제에서 저탄소 오스테나이트 스테인레스 강은 보통강보다 큰 잔류 응력이 발생될수 밖에 없고, 보일러 제작 공정상에 있는 냉간 가공에서 생기는 잔류 응력 또한 보통강보다 심각하다 할수 있을 것이다. 그리고, 탄소강과 저탄소 오스테나트 스테인레스 강이 용접 될 때는 ASME SEC.VIII의 규정에 따라 후열처리가 반드시 행해져야 하므로, 스테인레스 강쪽도 후열처리가 되는 경우가 발생하고 있다. 저탄소 오스테나이트 스테인레스 강을 사용하면 고용화 열처리는 생략할수 있으나, 잔류 응력 제거를 위한 수단은 별도로 강구 되어야 한다. 일반 잔류 응력 제거를 위한 방법으로 소둔(ANNEALING)을 들수 있으나, 소둔로에 의한 소둔이 불가할 때 국부 열처리에 의한 잔류 응력 제거 및 쇼트 피이닝(PEENING)등 기계적인 방법에 의해 제거될구도 있다. 잔류 응력 제거를 하지 않았을 때 당장 나타나지 않아 사용상에 문제가 없을지 모를나, 사용중에 일어나는 크립(CREEP) 현상에 의한 균열 또는 지연 균열(DELAYED CRACK)을 발생 시킬수 있으므로 보통강으로 만드는 보일러보다 용접 잔류 응력으로 인한 위험성이 크다는 것은 주지의 사실이다.

 

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* 첨부

1) 응력제거
스테인레스 강 용접후 완전 풀림(ANNEALING)이 되지 않을 때는 높은 잔류 응력을 줄이기 위하여 일반적인 풀림 온도이하까지 가열된다. 용접물이 너무 크거나 완전 풀림 하기에 복잡한 구조물일 때 또는 오스테나이트계와 합금강을 용접하는 것과 같이 이형재질을 용접할 때 응력 제거 공정이 필요하다.
400℃ 이하의 온도에서의 응력 제거는 실제 가능한 방법이나, 일부응력 남아 있게 된다. 425℃에서 925℃사이의 온도에서 응력제거를 하면 잔류응력은 완전히 제거되나 응력 부식 균열이 생기거나 변형이 발생된다. 870℃에서 1시간동안 응력제거하면 잔류응력이 85%정도 제거된다.
그러나 이 온도 범위에서의 응력제거는 입계 탄소(CARBIDE)를 석출시키고 예민화를 초래하므로써 여러 매체에 부식 저항을 야기시킨다. 예민화 된 오스테나이트 계 스테인레스 강은 입계부식이나 응력에 의한 내부 입계 부식이 일어난다. 이런 문제를 방지하기 위해서, 특히 길이 방향의 응력제거가 요구되는 경우 321, 347, 348계통의 스테인레스 강이나 304L 또는 316L 계의 스테인레스 강을 사용해야 한다. 오스테나이트 스테인레스 강이 냉간 가공되어 높은 강도를 가질 때 낮은 온도에서의 응력제거는 비례적으로 한계와 항복 강도를 증가시킨다.(특히 압축 항복 강도) 보통 345∼370℃ 온도에서 약 2시간 동안 응력제거하는 방법이 통용된다.
입계부식이 문제되지 않을 때 425℃정도의 온도까지 사용 할 수 있다. 높은 온도는 강도와 금속의 예민화를 줄일 수 있으나, 일반적으로 냉간 가공품의 응력제거에는 적용하지 않는다.
마르텐사이트계나 페라이트계의 스테인레스강 용접물의 응력 제거는 열영향부와 용접부의 뜨임(TEMPERING)효과를 동시에 얻을 수 있으며 어느 정도 부식 저항을 만든다. 그러나 풀림(ANNEALING)온도는 상대적으로 낮으며 NORMAL SUBCRITICAL ANNEALING 방법으로 열처리 한다.

 

2)변형 및 잔류응력
오스테나이트계 스테인레스 강은 저합금강이나 크롬 스테인레스강의 열팽창계수 보다 50% 나 높다. 또한 오스테나이트계 스테인레스 강의 열전도성은 탄소강의 1/3 정도로 매우 낮다. 따라서 오스테나이트계 스테인레스 강은 용접시 변형에 매우 민감하며 다른 재질보다 변형을 방지하기 위해 특별한 대책이 필요하다. 오스테나이트계 스테인레스 강 용접 구조물은 전형적으로 용접부 내,외부에 잔류 응력을 내재하고 있으며 상온에서의 항복강도가 거의 같다. 용접공정을 조절하므로서 응력집중 구역의 확산을 줄일 수 있으나 최대 응력은 줄일 수 없다. 잔류응력은 다른 응력과 결합하여 변형과 균열(CRACK)을 발생시킨다. 보다 중요한 사실은 잔류 인장응력은 국부적인 응력 부식 균열을 촉진시키는 것이다. 응력 제거 풀림(STRESS RELIEF ANNEALING)으로 잔류응력을 제거한다. 그러나 이 방법이 예민화를 야기시킨다면 위험한 방법이다. 용접후 충분히 풀림 처리 하거나 저수소계 또는 안정계 용접봉을 사용하는 것이 보다 실제적인 방안이다.
쇼트 핑닝(SHOT PEENING) 방법도 스테인레스 강 용접에서 응력 부식 균열을 방지하기 위해 사용된다. 페라이트계의 스테인레스 강은 열팽창계수가 작고 열전도도가 높기 때문에 변형과 잔류응력에 덜 민감하다. 페라이트계는 일반적으로 응력 부식 균열 덜 발생되어 잔류 인장응력이 문제시되지 않는다. 어떤경우 응력 제거 작업이 필요하나 오스테나이트계에서 보다 덜 복잡하고 고 크롬 합금의 취성역인 885℉의 온도는 피해야한다.