스테인리스 스틸 용접 마스터하기: 기술과 팁

스테인리스 스틸 소개

스테인리스 스틸 용접 전 소재 개요부터. 스테인리스강은 조성 내 크롬 덕분에 일부 환경에서 녹과 부식에 저항하는 철기계 소재 클래스입니다. 크롬이 소재 표면에 단단하고 불침투적인 산화크롬 층을 형성해 녹과 부식에서 표면 보호. '스테인리스강'은 다양한 소재를 아우르는 표현으로, 구매 등 실무에 쓸 수 있는 특정 금속 식별 기술 용어는 아님을 유의.

3대 클래스

스테인리스강 3대 클래스(오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트)는 금속조직 구조 참조로 표시. 더 구체적으론 현미경이나 X선 회절로 보이는 미세조직 외관 참조 식별자 사용. 이 미세조직들이 특정 강에 존재해 해당 스테인리스강의 우세 구조 표시. 각 클래스 특성이 용접 공정에 다르게 영향을 주므로 사전 식별 중요.

1. 오스테나이트(Austenitic)

용접 시 3대 클래스 중 가장 용접 용이. '300 시리즈'로 알려짐(AISI·SAE 표준 분류). 중요 서브클래스 '18/8'은 크롬 18%, 니켈 8% 합금.

주요 특성:

• 비자성 또는 약자성
• 알코올 중 10% 질산(HNO3) 용액에 침식 안됨
• 열처리로 경화 안됨
• 가공 경화: 기계적 가공으로 연성 좋고 변형 쉬우며 경도·강도 증가
• 필수 예방조치 하에 용이하게 용접 가능
• 열전도율 타 강종 1/3~1/2
• 열팽창계수 30~40%, 때론 50%

마지막 두 특성이 용접 결과에 다양한 영향, 타 강종보다 큰 변형 유발.

300 시리즈 모든 오스테나이트 스테인리스강이 동등한 용접성 아님. 황·셀레늄 첨가(가공성 개선용, 예: Type 303)는 심한 용접 열크랙 유발해 '비용접성' 소재 만듦.

오스테나이트 스테인리스강 용접 시 주의. 600~900°C(1100~1650°F) 온도 구간에서 발생하는 감작(sensitization) 공정으로 내식성 악화 가능. 크롬 탄화물이 입계에 모이고 기저 금속서 항부식 크롬이 평행 손실.

위 온도 범위는 용접부(더 높은 온도, 짧은 지속) 아닌 용접 비드 양측 두 금속 스트립에서 자연 발생. 열영향부(HAZ)에서 유해 효과 발생.

감작된 조인트에서 크롬(주 '스테인리스' 성분)이 격리돼 보호 작용 지역적 불능. 올바르게 대처 안 하면 18/8 강 용접 시 감작 경로 따라 보호성 상실, 용접재가 부식 환경서 입계 공격 취약.

300 시리즈 스테인리스강 감작 악영향 줄이는 3대 전략:

1. 초저탄소 버전 사용(예: 304L, L=저탄소)으로 크롬 탄화물 생성할 탄소 최소화.
2. 티타늄(Type 321) 또는 콜럼븀(Type 347) 함유 다른 베이스 메탈 사용으로 티타늄/콜럼븀 탄화물 생성, 탄소가 감작 공정 중 크롬 대신 결합해 크롬 자유롭게 항부식 임무 수행.
3. 고온(1050°C 또는 1900°F) 용체 열처리로 내식 감수성 복구. 용접 감작 공정서 기원한 크롬 탄화물 고체 용액화. 단, 진공 또는 오염 없는 보호 분위기 아니면 산화물 과다 형성 등 문제.

참고: 이 소재 필러 메탈 필요 시 항상 콜럼븀 써야. 왜? 티타늄은 반응성 높아 증착 중 쉽게 회수 안 돼 필요할 때 없음. 콜럼븀은 비반응성으로 용융 과정 중 머물다 감작 온도 구간서 콜럼븀 탄화물 생성해 해결.

Type 309, 310(고온 용도), Type 316 또는 316L(내식성 강화)은 일반적으로 감작 취약하지 않고 유사 조성 필러 와이어와 사용.

2. 페라이트(Ferritic)

두 번째 클래스. 강자성이지만 열처리로 경화 안됨. 자동차 배기 부품 흔한 소재. 주로 오스테나이트 구조에 한정된 페라이트 구조 존재 시 열크랙 가능성 낮춰 유리. 페라이트 스테인리스강 용접은 아크 용접 공정으로 쉽게 수행 가능(페라이트 또는 오스테나이트 필러 메탈). 용접 후 열처리로 특성 개선 필요할 수 있음.

3. 마르텐사이트(Martensitic)

자성, 열처리로 완전 경화 가능. 이 타입 용접 권장 안 함, 특수 기술로 가능하긴 함. 탄소 함량 충분히 낮지 않으면 크랙 발생 가능. 예열·후열 처리 필요할 수 있음.

마지막 클래스: 석출 경화형(PH)

개요 완성 위해 위 미포함 4번째 클래스 언급: 석출 경화형(PH) 스테인리스강, 꽤 용이하게 용접 가능. 단, 요구 특성 개발 위해 열처리 관련 정확한 지침 준수 필요.

스테인리스강 용접 공정

스테인리스강 용접 시 다양한 용접법 사용 가능. 각자 장단점, 특정 지침 필요로 매번 강하고 적절한 용접 보장.

마찰 용접

스테인리스강 마찰 용접은 거의 문제 없음, 단 자유 절삭 타입 스테인리스강은 절대 용접 금물. 스테인리스강-스테인리스강뿐 아니라 구리, 알루미늄 등 이종 금속에도 사용. 용접 전 소재 타입·상태, 열이 접합부 근처 미치는 영향 인지 필수. 황·셀레늄 등 일부 원소는 용접 조인트 최종 건전성 해침.

저항 용접

대부분 스테인리스강에 저항 용접 사용 가능. 300 시리즈 오스테나이트·페라이트 강 쉽게 사용. 마르텐사이트는 용접 결과가 부서지기 쉬워 용접 후 템퍼링으로 연화 안 되면 문제.

저항 용접 공정은 현재 전기 저항 차이, 낮은 열전도율, 높은 열팽창계수, 높은 융점, 고온 고강도 등 차이 대응 위해 적응해 스테인리스강에 사용. 전극 힘 높이고, 시간·전류는 저탄소강보다 낮춤.

모든 스테인리스강은 저항 용접(또는 모든 용접) 전 먼지, 기름, 그리스, 페인트 제거뿐 아니라 자연 형성 산화크롬 층도 제거 필수. 스테인리스강 와이어 브러시로 제거.

아크 용접

적절한 플럭스 사용 시 스테인리스강 아크 용접 가능. TIG 용접보다 공정 생존성 떨어짐, 다른 선택지 없을 때만. TIG 용접은 용접 후 잔류 플럭스 완전 제거 필요해 작업 연장·비용 증가. 아크 용접 흔히 사용, 소재 클래스·상태, 감작·변형 주의하며 조인트 형상·치수·준비에 주의해 모든 아크 공정 활용. 특히 피복 아크 용접(SMAW) 유연성으로 널리 사용. 전극 피복 조성 두 종류로 전류 선택 영향 줄 수 있음.

아크 공정 중 사용 가능 필러 메탈 많음. 스테인리스강 필러 메탈 분류: AWS A5.9/A5.9M:2006 - 베어 스테인리스강 용접 전극·봉 규격.

전자빔 용접

스테인리스강 전자빔 용접(EBW)은 깊은 용접도 양호 결과로 쉽게 수행. 놀라운 깊이-너비 비율로 타 수단 불가능한 조인트 구성 접합 가능. 열입력 낮고 열영향부 제한적이라 기계적 특성 큰 손상 없어 추가 열처리 불필요한 경우 많음.

레이저 용접

레이저 용접도 스테인리스강에 사용 가능, 단 용접부 공기 차단과 열처리 중 특성 손상 제한 예방 조치 필요.

결국 스테인리스강 용접은 복잡한 공정 아님. 공작물 소재, 필러 메탈, 용접 타입 관련 디테일만 주의하면 스테인리스강 부품 성공적 용접 가능.

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