초저탄소(ULC) 강철 공급업체로서 저는 이 특수 소재를 용접할 때 발생하는 독특한 어려움을 직접 목격했습니다. 탄소 함량이 극히 낮은 것으로 알려진 ULC 강철은 이론적으로 높은 연성, 우수한 성형성, 우수한 용접성과 같은 여러 가지 장점을 제공합니다. 그러나 실제 응용 분야에서 ULC Steel 용접에는 신중하게 해결해야 할 일련의 장애물이 있습니다.
1. 다공성 형성
ULC Steel 용접 시 가장 일반적인 문제 중 하나는 다공성 형성입니다. 다공성은 용접 금속에 작은 구멍이나 공극이 존재함을 나타냅니다. ULC Steel에서 이 문제는 불순물의 존재와 용접 공정 중 가스 포착에 대한 높은 민감도로 인해 종종 악화됩니다.
ULC 강철의 탄소 함량이 낮다는 것은 고온에서 수소, 산소, 질소와 같은 가스에 대한 용해도가 상대적으로 높다는 것을 의미합니다. 용접 공정 중에 이러한 가스는 주변 환경에서 흡수되거나 모재 및 충전재에서 방출될 수 있습니다. 용접 풀이 냉각되고 응고됨에 따라 이러한 가스의 용해도가 감소하여 기포가 형성되어 용접 금속에 갇히게 되어 다공성이 발생합니다.
다공성 형성을 완화하려면 적절한 차폐 가스 선택이 중요합니다. 아르곤 또는 아르곤과 이산화탄소의 혼합물과 같은 보호 가스는 용접 풀을 대기 오염으로부터 보호하고 가스 포착 가능성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 용접 전에 모재와 충전재를 철저히 청소하면 용접 공정 중 가스를 방출할 수 있는 표면 오염 물질을 제거할 수 있습니다. 모재를 예열하면 용접 풀의 냉각 속도를 줄이는 데 도움이 되어 응고되기 전에 가스가 빠져나가는 데 더 많은 시간을 허용할 수 있습니다.
2. 열 영향부(HAZ) 연화
ULC 강철 용접 시 또 다른 중요한 과제는 열 영향부(HAZ)를 연화시키는 것입니다. HAZ는 용접 공정 중 열의 영향을 받지만 녹지 않는 모재 금속 영역입니다. ULC 강철에서 HAZ는 가열 및 냉각 중에 발생하는 미세 구조 변화로 인해 경도와 강도가 크게 감소할 수 있습니다.
ULC 강철은 탄소 함량이 낮기 때문에 고탄소강에 비해 용접 중 경화에 덜 민감합니다. 그러나 용접 공정 중 급속한 가열 및 냉각 주기로 인해 HAZ에 연질 페라이트 및 펄라이트 미세 구조가 형성되어 경도와 강도가 감소할 수 있습니다. 이는 특히 높은 강도와 인성이 요구되는 응용 분야에서 용접 조인트의 기계적 특성에 해로운 영향을 미칠 수 있습니다.
HAZ 연화를 최소화하려면 용접 전류, 전압, 이동 속도 등 용접 매개변수를 제어하는 것이 중요합니다. 더 낮은 열 입력을 사용하면 HAZ의 크기를 줄이고 미세 구조 변화의 정도를 최소화할 수 있습니다. 어닐링이나 노멀라이징과 같은 용접 후 열처리를 사용하여 HAZ의 경도와 강도를 복원할 수도 있습니다. 그러나 이러한 열처리 공정은 모재 금속의 과열과 추가 손상을 방지하기 위해 신중하게 제어되어야 합니다.
3. 용접 금속 균열
용접 금속 균열은 ULC Steel 용접의 또 다른 중요한 과제입니다. 균열은 용접 금속 자체나 HAZ에서 발생할 수 있으며, 이는 용접 조인트의 무결성과 성능을 크게 손상시킬 수 있습니다. ULC Steel에서 발생할 수 있는 용접 금속 균열에는 열간 균열, 냉간 균열 및 라멜라 찢어짐을 포함하여 여러 유형이 있습니다.
응고 균열이라고도 알려진 열간 균열은 용접 풀이 응고되는 동안 발생합니다. 이는 응고되는 용접 금속의 결정립계에 황, 인 등의 불순물이 편석되어 발생합니다. 이러한 불순물은 결정 경계를 약화시키고 응고 중에 발생하는 응력으로 인해 균열이 발생하기 쉬운 저융점 화합물을 형성할 수 있습니다. 열간균열을 방지하기 위해서는 불순물 함량이 낮은 충진재를 사용하고 용접변수를 제어하여 부드럽고 안정적인 용접풀을 확보하는 것이 중요합니다.
수소 유도 균열이라고도 알려진 저온 균열은 용접부가 실온으로 냉각된 후에 발생합니다. 이는 용접 금속에 수소가 존재하고 용접 과정에서 발생하는 잔류 응력으로 인해 발생합니다. 수소는 보호 가스, 모재 또는 충전재로부터 용접 금속으로 유입될 수 있습니다. 냉간균열을 방지하기 위해서는 저수소 용접공정과 충진재를 사용하고, 모재와 충진재의 수분함량을 조절하는 것이 중요합니다. 모재를 예열하고 용접 후 열처리를 하면 용접 금속의 수소 함량을 줄이고 잔류 응력을 완화하는 데에도 도움이 됩니다.
라멜라 찢어짐은 모재, 일반적으로 HAZ에서 발생하는 균열의 일종으로 강의 압연 방향과 평행합니다. 이는 모재 금속에 황화물, 산화물 등 비금속 개재물이 존재하기 때문에 발생합니다. 이러한 개재물은 응력 집중 장치 역할을 할 수 있으며 용접 공정 중에 생성된 응력으로 인해 균열이 발생할 수 있습니다. 라멜라 찢어짐을 방지하려면 개재물 함량이 낮은 강철을 사용하고 용접 매개변수를 제어하여 HAZ의 응력 집중을 최소화하는 것이 중요합니다.
4. 이종금속의 용접성
많은 응용 분야에서 ULC 강철은 스테인리스강이나 알루미늄과 같은 다른 금속에 용접되어야 할 수도 있습니다. 서로 다른 금속을 용접할 때는 녹는점, 열팽창 계수, 화학적 조성 등 물리적, 화학적 특성의 차이로 인해 추가적인 문제가 발생합니다.
이종 금속 용접 시 주요 과제 중 하나는 용접 경계면에서 금속간 화합물이 형성되는 것입니다. 이러한 금속간 화합물은 기계적 특성이 좋지 않을 수 있으며 용접 조인트에 균열과 부식을 일으킬 수 있습니다. 금속간 화합물의 형성을 방지하려면 적절한 충진재와 용접 공정을 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어, ULC 강을 스테인레스 강에 용접할 때 두 금속 모두에 적합한 조성의 충진재를 사용하면 금속간 화합물의 형성을 최소화할 수 있습니다.
이종 금속 용접의 또 다른 과제는 열팽창 계수의 차이입니다. 이로 인해 용접 조인트에 상당한 잔류 응력이 발생하여 균열과 뒤틀림이 발생할 수 있습니다. 잔류 응력을 최소화하려면 용접 매개변수를 제어하고 적절한 예열 및 용접 후 열처리 기술을 사용하는 것이 중요합니다.
5. 표면 오염
표면 오염은 ULC 강의 용접성에 영향을 미칠 수 있는 또 다른 요소입니다. 오일, 그리스, 녹, 페인트 등의 오염 물질은 모재와 충전재 사이의 적절한 융합을 방해할 수 있으며 용접 금속에 불순물을 유입시켜 다공성, 균열 및 기타 결함을 유발할 수도 있습니다.
용접성을 좋게 하기 위해서는 용접 전 모재 표면과 용가재를 깨끗이 청소하는 것이 중요합니다. 이는 분쇄나 샌드블래스팅과 같은 기계적 세척 방법이나 탈지나 산세척과 같은 화학적 세척 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다. 또한 표면 오염을 방지하기 위해 모재와 충진재를 깨끗하고 건조한 환경에 보관하는 것이 중요합니다.
결론
용접 ULC Steel은 용접 조인트의 품질과 무결성을 보장하기 위해 신중하게 해결해야 하는 일련의 과제를 제시합니다. 다공성 형성, HAZ 연화, 용접 금속 균열, 이종 금속의 용접성 및 표면 오염은 고려해야 할 주요 과제 중 일부입니다. 이러한 과제를 이해하고 적절한 용접 기술과 품질 관리 조치를 구현함으로써 이러한 과제를 극복하고 ULC Steel로 고품질 용접을 생산할 수 있습니다.
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참고자료
- AWS D1.1/D1.1M:2020, 구조용 용접 코드 - 강철
- ASME 보일러 및 압력 용기 코드, 섹션 IX, 용접 및 브레이징 자격
- 용접 핸드북, 1권: 용접 과학 및 기술, 미국 용접 협회