스테인리스 스틸을 탄소강에 용접할 수 있나요? 예! 올바른 소모품, 용접 절차 및 부식 제어 전략을 사용하면 스테인리스강을 탄소강(연강)에 안정적으로 용접할 수 있습니다. 업계의 일반적인 관행은 전이 필러 금속(일반적으로 ER309/309L 제품군, 때로는 까다로운 서비스를 위해 인코넬)을 사용하고, 희석 및 열 입력을 제어하며, 해당 코드(ASME/ASME IX, AWS D1.6 또는 구조물의 관리 코드)에 따라 용접 절차를 검증하고, 조립 수준에서 갈바닉 부식 방지 계획을 세우는 것입니다. 이러한 단계를 준수하면 이종 용접은 허용 가능한 기계적 성능과 긴 서비스 수명을 제공하지만, 이를 무시하면 균열이나 부식으로 인한 고장이 일반적인 결과입니다.

스테인리스-탄소 용접이 필요한 이유

• 탄소강 배관이 상류 또는 하류로 이어지는 동안 습식 구역에서 스테인리스 내식성이 요구되는 플랜지형 전환 부품 및 감속기.

• 배기 시스템, 열교환기 연결부, 재킷 등 어셈블리의 일부가 고온 산화 또는 부식에 견뎌야 하는 곳입니다.

• 스테인리스 장식/가공 부품이 탄소강 프레임에 부착되는 구조적 연결부.

• 기존 탄소 구조물을 제거하는 것이 비경제적인 수리 및 개조 작업.

이러한 응용 분야는 발전, 석유화학, 식품 가공 및 건축 서비스 전반에 걸쳐 일반적입니다. 이종 금속을 용접하는 엔지니어링 결정은 일반적으로 비용, 내식성, 제조 단순성 사이에서 타협점을 찾아야 합니다.

야금학적 배경 - 이것이 특별한 이유는 무엇인가요?

기억해야 할 주요 차이점:

• 화학: 오스테나이트계 스테인리스강(예: 304/316)에는 크롬과 니켈이 다량 함유되어 있고 탄소강에는 Cr/Ni가 거의 포함되어 있지 않습니다. 용접 시 용접 금속이 모재 금속으로 희석되며, 최종 용접 화학에 따라 부식 거동과 미세 구조가 결정됩니다.

• 위상 변환: 탄소강은 마르텐사이트를 형성할 수 있으며 수소로 인한 균열을 방지하기 위해 예열/예열이 필요할 수 있지만 대부분의 오스테나이트 스테인리스강은 비경화성이며 예열이 필요하지 않습니다. 이로 인해 예열/후열 충돌 절차 설계에서 해결해야 하는 조인트 전반의 문제입니다.

• 열팽창 및 잔류 응력: 스테인리스 합금은 탄소강보다 열팽창 계수가 높은 경우가 많기 때문에 용접 시 변형이 다르게 발생하며, 이를 수용하지 않으면 취성 필러 또는 용접 영역에 균열이 발생할 수 있습니다.

• 갈바닉 전위차: 스테인리스강이 더 고귀한 이유는 습한 환경에서 스테인리스/탄소 조립체는 갈바닉 부식을 일으킬 수 있으며, 올바르게 설계되지 않으면 탄소강이 우선적으로 부식될 수 있기 때문입니다.

용접할 수 있나요?

예, 하지만 용접 금속을 선택해야 합니다:

1. 과도한 희석에 견디고 탄소강 쪽에 단단하고 부서지기 쉬운 혼합 미세 구조가 형성되지 않도록 충분한 합금(Cr, Ni, Mo)이 포함되어 있습니다.

2. 더 약한 모금속과 기계적 특성이 일치(또는 약간의 오버매치)합니다.

3. 용접 절차는 예열, 인터패스 온도 및 용접기 자격과 같은 가장 제한적인 모재를 처리합니다.

이러한 이유로 다음과 같은 필러 금속이 ER309 / ER309L / ER312 는 일반적으로 오스테나이트 스테인리스와 탄소강 접합부에 권장됩니다. 이러한 필러는 더 많은 크롬과 니켈을 도입하여 용접 금속이 균열 및 희석 문제를 방지합니다. 매우 까다로운 기계적 또는 열적 사이클에서는 니켈 기반 필러(예: 인코넬 계열)가 전이 층으로 사용되기도 합니다.

일반적인 용접 공정과 서로 다른 접합부에 대한 비교 방법

실용적인 규칙: 열 입력 및 용접 풀 혼합을 제어할 수 있는 공정을 사용하여 전이 충전재의 희석을 최소화하고 탄소강 측에 허용되지 않는 미세 구조를 방지할 수 있습니다.

필러 금속 선택 - 표준 옵션 및 작동 이유

권장 필러(일반적인 애플리케이션)

• ER309 / ER309L(오스테나이트 스테인리스): 일반적인 오스테나이트 스테인리스(304/316)와 탄소강을 접합하는 표준 "첫 번째 선택"입니다. 희석에 저항하는 더 높은 Cr/Ni를 공급하고 탄소 측 근처의 마르텐사이트/경도의 위험을 줄입니다. 대부분의 서비스 조건에 적합합니다.

• ER312: 더 높은 강도와 다른 페라이트 밸런스; 강도가 더 중요한 곳에 사용되기도 합니다.

• ER316L 제품군: 309에 비해 Cr/Ni가 낮기 때문에 전환 필러로 이상적이지 않으며, 부모가 모두 316이고 관절이 작은 경우에만 316을 선택합니다.

• 니켈 기반 필러(예: 인코넬 82/182, 인코넬 625 제품군): 가혹한 온도 또는 부식 환경 또는 열팽창 불일치 및 균열 위험이 허용되지 않는 경우에 사용됩니다. 부식 및 균열 방지 버퍼를 제공하며 써모웰 및 보일러 애플리케이션에 일반적으로 사용됩니다.

선택 원칙

1. 낮은 기계적 요구 사항과 일치하거나 약간 초과 (용접 금속은 적어도 약한 모재만큼 강하고 단단해야 합니다).

2. 충분한 합금 제공 를 사용하여 부서지기 쉬운 단계를 방지하고 예상되는 서비스 환경에서 내식성을 제공합니다.

핏업, 준비 및 조인트 디자인

• 맞대기 용접 는 적당한 경사를 가진 필러를 사용하여 희석을 제어할 수 있고 선택한 필러를 완전히 침투시킬 수 있으므로 밀폐된 용도에 선호됩니다.

• 백킹 또는 버터 레이어: 어려운 조합의 경우 먼저 탄소강에 니켈 베이스 필러 또는 ER309의 버터층을 증착하여 그라데이션 전환을 만든 다음, 버터층이 형성된 부위에 스테인리스를 용접합니다. 이렇게 하면 최종 용접 금속과 탄소 베이스의 희석을 줄일 수 있습니다.

• 클래딩: 일부 설계에서는 퓨전 조인트를 만드는 것보다 스테인리스 오버레이로 탄소강 부품을 클래딩하는 것이 더 현명합니다. 클래딩은 탄소강의 노출을 최소화하고 연속적인 갈바닉 경로를 피할 수 있기 때문입니다.

• 청결: 용접 부위의 밀 스케일, 심한 녹, 오일 및 코팅을 제거하세요. 산화물 층은 적절한 융착을 방해하고 결함이 발생하기 쉽습니다. 스테인리스 표면은 연강 공구에 의한 오염을 방지하기 위해 취급해야 합니다.

열 제어 - 예열, 인터패스 온도 및 용접 후 열처리(PWHT)

탄소강은 종종 가장 까다로운 부분입니다. 예열의 이점 를 사용하여 수소 균열을 방지할 수 있지만 스테인리스강은 고온에 의해 손상될 수 있으며(민감화) 일반적으로 예열이 필요하지 않습니다.

갈등을 해결하는 방법

1. 가장 제한적인 요구 사항을 따르세요. 균열 방지를 위해 일반적으로 탄소강 쪽에 예열을 합니다. 카본 스틸에 예열이 필요한 경우 카본 쪽에만 예열을 적용하고 스테인리스 쪽의 온도를 최소화합니다(냉각 바, 국부 가열 기술 또는 버터 사용).

2. 인터패스 온도 제한 를 스테인리스 쪽의 감작을 피할 수 있는 수준으로 낮춰야 합니다(오스테나이트의 경우 450~850°C 범위에서 장시간 노출을 피해야 합니다). 저열 공정(레이저, 펄스 TIG)을 사용하여 감광 범위의 체류 시간을 최소화합니다.

3. PWHT오스테나이트 스테인리스에는 일반적이지 않으며, 저합금강의 경우 가끔 필요합니다. 탄소강에 PWHT가 필요한 경우, 선택한 PWHT 주기를 견딜 수 있도록 호환 가능한 필러와 설계를 선택해야 합니다. 항상 관련 규정을 확인하세요.

부식 및 갈바닉 제어 전략

문제입니다: 스테인리스 스틸은 탄소강보다 더 고귀하며, 전해질(습한) 환경에서 갈바닉 셀은 접합부 근처의 탄소강 부식을 촉진하고 때로는 공격적으로 부식시킵니다.

완화 접근 방식:

• 코팅: 탄소강에 페인트를 칠하거나 코팅하고, 가능하다면 조인트 근처에 스테인리스도 코팅하여 직접적인 전기 접촉을 차단하세요. 양극/음극 면적 비율을 유리하게 유지하기 위해 필요한 경우에만 탄소강을 코팅하세요.

• 격리: 패스너와 볼트 조인트에 비전도성 개스킷, 슬리브 또는 유전체 부싱을 사용하세요.

• 면적 비율을 고려한 디자인: 갈바닉 공격을 늦추기 위해 스테인리스에 비해 탄소 면적을 크게 유지(큰 양극과 작은 음극)하고, 해상/습식 서비스에서 큰 스테인리스 부품에 직접 부착된 작은 탄소 조각을 피합니다.

• 배수 및 환기: 용접 부위의 틈새와 물 트랩을 피하고, 유체를 배출하고 건조할 수 있도록 세부 사항을 설계합니다.

• 소재 선택과 희생적인 보호: 일부 시스템에서는 희생 양극을 추가하거나 국소화된 양극 요소의 일상적인 검사/교체를 허용합니다.

참고: 표면 마감 및 용접 프로파일 문제: 수분을 가두는 거친 용접은 국부적 공격을 가속화합니다. 접합부로부터 짧은 거리(일반적으로 25~40mm 권장)에 카본 측면을 페인팅하거나 클래딩하면 간단하게 완화할 수 있습니다.

자격, 코드 및 NDT

• 중요한 업무에는 자격증이 필수입니다. 해당되는 경우 ASME 섹션 IX(압력/용기 작업용) 또는 AWS 구조 코드를 사용합니다(AWS D1.6은 스테인리스 구조 코드이며 스테인리스 용접 자격을 관리합니다. 탄소와 스테인리스 접합은 일반적으로 이종 용접 규칙에 속하므로 자격을 갖추어야 합니다).

• 테스트 쿠폰 정확한 모재와 용가재, 동일한 용접 공정, 생산과 일치하는 용접 파라미터를 사용해야 하며, 이는 기계적 및 야금학적 수용성을 입증합니다.

• 일반적인 NDT 방법: 육안, 표면 균열에 대한 염료 침투제, 탄소강 측의 자성 입자(오스테나이트 스테인리스에는 없음), 체적 결함에 대한 방사선 촬영, 초음파(다양한 음향 특성에 주의)를 통해 확인합니다. 화학 분석/부식 쿠폰은 서비스 유효성 검사에 사용될 수 있습니다.

• 야금 검사 는 탄소 쪽 근처에 저인성 마이크로존이 존재하지 않도록 하기 위해 중요한 이종 용접에 필요할 수 있습니다.

일반적인 문제 및 해결 방법

실용적인 단계별 용접 절차

1. 기본 금속 및 서비스 환경을 파악합니다.

2. 필러 선택 (ER309L 일반, 극한 서비스를 위해 니켈 베이스 고려).

3. 결정 프로세스 (생산 잔액에는 GTAW 루트 + GMAW 채우기가 일반적입니다).

4. 조인트 준비청소, 기울이기, 맞추기. 스케일/오염을 제거합니다. 가능하면 스테인리스 스틸을 CS 툴링 오염물로부터 분리하여 보관하세요.

5. 버터 또는 클래드 가혹한 서비스를 위해 필요한 경우 탄소 쪽을 선택합니다.

6. 예열/인터패스 한계 정의 및 기록 가장 제한적인 자료(WPS의 문서)당.

7. 절차 검증 PQR 및 관리 규정에 따라 필요한 파괴 테스트를 수행합니다.

8. 생산 용접 수행 연산자를 동일한 PQR 매개변수로 한정합니다.

9. 검사 육안 및 필요한 NDT를 통해 부식 방지 조치를 수행합니다.

10. 문서 추적성을 위한 WPS/PQR 및 검사 기록.

표 - 빠른 참조

표 A - 일반적인 필러 선택 및 일반적인 용도

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표 B - 프로세스 및 차폐(실무 지침)

검사, 테스트 및 승인 기준

• 기계적 테스트 절차 적격성 쿠폰에는 일반적으로 인장 및 굽힘 테스트, 매크로 에칭, 저온 또는 동적 하중이 예상되는 경우 CV/충격 테스트가 포함됩니다.

• 방사선 촬영 는 체적 결함을 식별하지만 서로 다른 인터페이스 근처의 평면적 융합 부족을 놓칠 수 있으므로 침투성 또는 자기 방식과 적절히 결합합니다.

• 금속학 의 대표 샘플을 분석하는 것이 중요한 서비스에서 바람직하지 않은 위상이나 희석 프로필을 확인할 수 있는 유일한 방법입니다.

용접하지 말아야 할 경우 - 고려해야 할 대안

• 클래딩 (탄소 위에 스테인리스 용접 오버레이)를 사용하여 내식성이 국소화되는 경우.

• 기계적 결합 (플랜지, 커플링)의 경우 차열 팽창 또는 갈바닉 문제가 주된 원인입니다.

• 폭발성 본딩 또는 확산 본딩 특수 애플리케이션에서 사용할 수 있습니다.

• 카본 부품을 스테인리스로 교체 부식 위험이나 유지 관리 비용이 이를 정당화할 수 있는 경우.

실제 사례 및 사례 포인트

• 배관 및 플랜지 전환: 일반적인 솔루션은 용접용 ER309L 필러를 사용하여 카본 플랜지에 용접된 짧은 스테인리스 스풀과 갈바닉 결합을 방지하기 위한 유전체 개스킷을 사용하는 것입니다.

• 써모웰 및 보일러 관통: 열 및 부식 응력을 상쇄하기 위해 니켈 기반 필러를 사용하는 경우가 많으며, 역사적으로 매우 주기적인 열 환경에서 309만 사용했을 때 고장이 발생했습니다.

• 현장 수리: 309L 봉을 사용한 SMAW는 전체 작업장 맞대기 용접이 비현실적인 소형 접합부에 자주 사용되는 현장 수리 방법입니다. 압력 시스템에는 여전히 자격을 갖춘 절차와 용접사가 필요합니다.

자주 묻는 질문

1. ER309L은 항상 스테인리스와 카본 용접에 적합한 필러인가요?
ER309L은 희석 문제를 방지하는 합금 함량으로 인해 가장 일반적이고 경제적인 첫 번째 선택입니다. 그러나 열 사이클이 심하거나 고온 서비스 또는 부식성이 심한 환경에서는 니켈 베이스 필러(인코넬 계열) 또는 더 특수한 합금이 필요할 수 있습니다. 항상 필러를 서비스 및 코드 요구사항에 맞춰야 합니다.

2. 표준 316 필러를 사용하여 316 스테인리스 스틸과 연강을 접합할 수 있나요?
권장하지 않습니다. 316 필러는 309보다 합금 함량이 낮고 더 쉽게 희석되므로 탄소 쪽 근처에서 취성 상이 발생하고 용접 금속의 내식성이 악화될 위험이 높아집니다. 야금학 연구에서 316을 지원하지 않는 한 이종 접합부에는 309 제품군을 사용하세요.

3. 스테인리스와 탄소강을 용접할 때 예열이 필요한가요?
탄소강의 경화성과 두께에 따라 다릅니다. 탄소강의 수소 균열을 방지하기 위해 예열이 필요할 수 있습니다. 용접 절차는 예열을 문서화해야 하며, 스테인리스 쪽이 과열되지 않도록 온도를 제어해야 합니다.

4. 접합부의 갈바닉 부식을 방지하려면 어떻게 해야 하나요?
옵션에는 탄소강 코팅, 유전체 절연, 적절한 면적 비율 설계, 클래딩 또는 희생 양극이 포함됩니다. 조인트에서 짧은 거리(25~40mm)에 탄소강을 코팅하는 것이 일반적인 실용적인 단계입니다.

5. 이종 용접의 자격을 관리하는 규정은 무엇인가요?
구조용 스테인리스 작업에 대한 ASME 섹션 IX(용접 절차 및 용접기 자격)와 AWS D1.6이 일반적으로 참조되며, 설계자는 프로젝트에 적용되는 코드를 확인하고 해당 코드에 따라 정확한 이종 조합을 자격을 부여해야 합니다.

6. 클래딩이 장기적으로 더 나은 옵션인가요?
부식이 심한 서비스에는 종종 그렇습니다. 클래딩은 연속적인 갈바닉 접촉 경로를 피하고 중요한 융착 조인트의 수를 줄이지만 비용이 많이 들고 적절한 절차가 필요할 수 있습니다.

7. 이러한 관절에는 어떤 NDT가 가장 적합할까요?
육안 + 침투제(표면 균열), 방사선 촬영 또는 초음파(부피 측정), 필요한 경우 미세 구조 검사를 위한 메탈로그래피의 조합을 사용합니다. 자성 입자는 탄소강 영역에서만 작동합니다.

8. 오스테나이트 스테인리스와 카본에 필러(자생)를 사용하지 않고 용접할 수 있나요?
모재 금속 희석으로 인해 합금 부족 용접(탄소 쪽)이 발생하고 부식/기계적 성능이 저하되므로 이종 조합에는 권장되지 않습니다. 트랜지션 필러를 사용합니다.

9. 차폐 가스 선택이 얼마나 중요한가요?
오스테나이트용 아르곤이 풍부한 가스는 산화 및 다공성을 감소시키고, CO₂ 또는 O₂를 소량 첨가하면 전달 모드가 변경되지만 잘못 적용하면 표면 마감이나 내식성이 저하될 수 있습니다.

10. 스테인리스-탄소 용접의 가장 큰 실패 원인은 무엇인가요?
적절한 절차 검증이 부족하고 갈바닉 부식 및 예열/인터패스 충돌을 해결하지 못했습니다. 실제로는 부실한 계획이 야금을 능가하는 주요 원인입니다.

요약 - 용접 전 엔지니어링 체크리스트

1. 코드 및 인증 경로(ASME, AWS, 클라이언트 사양)를 식별합니다.

2. 필러를 선택합니다(기본값은 ER309L, 필요한 경우 니켈).

3. 부식 제어를 위한 설계(코팅, 절연, 면적 비율).

4. WPS에서 예열/PWHT 충돌을 해결합니다.

5. PQR 및 용접기 자격 취득 - 정확한 재료에 대한 테스트를 완료하세요.

매장 실무에서 얻은 마지막 실용적인 팁

• 생산에 동원하기 전에 항상 쿠폰에 대한 작은 모형 용접 및 파괴 테스트를 실행합니다.

• 추적성을 위해 각 필러 배치의 화학 분석(밀 인증서)을 기록하세요.

• 현장 용접의 경우 전극과 전선을 건조한 상태로 유지하고 작업자가 PQR 매개변수를 엄격하게 준수하는지 확인합니다.

• 얇거나 열에 민감한 섹션을 결합할 때는 버터 레이어를 사용하는 것이 좋습니다.

• 안전 또는 압력 시스템이 확실하지 않은 경우 용접 엔지니어에게 문의하고 정확한 제어 코드 버전을 참조하세요.

권위 있는 참조 자료

• 니켈 연구소 - 이종 금속 용접 가이드라인(기술 가이드라인 PDF)
• 링컨 일렉트릭 - ER309 / ER309L 필러 메탈 제품 및 사용 데이터
• AWS D1.6 - 구조용접 코드 - 스테인리스 스틸(코드 개요 및 요구 사항)
• 니켈 연구소 - 갈바닉 부식 관리(실질적인 예방 및 완화)