주철 용접 마스터하기: 사내 성공을 위한 전문가 가이드

주철 사내 용접은 특정 조건 하에서 가능합니다

주철 부품의 효과적인 사내 용접은 시간과 비용을 절약할 수 있지만 도전 과제가 있습니다. 용접 실패는 균열이나 기타 손상으로 이어지기 쉽습니다. 중요한 부품이라면 숙련된 용접사가 있는 전문 용접 시설에 의뢰해 성공적 결과를 보장하는 것이 현명할 수 있습니다.

사내 용접을 수행한다면 효과적인 용접 부품 생산을 위한 필수 단계를 조사하는 것이 중요합니다. 시작 전 다음 네 가지 핵심 단계를 수행해야 합니다:

1. 합금 식별
2. 주조품 철저 세척
3. 예열 온도 선택
4. 적절한 용접 기술 선택

합금 식별

주철은 철-탄소 합금 계열입니다. 높은 탄소 함량(보통 2~4%)이 주철 특유의 경도를 부여합니다. 하지만 그 경도는 연성 희생 대가입니다. 강철이나 단철에 비해 덜 가단성입니다. 용접 중 가열·냉각 사이클은 금속에 팽창과 수축을 일으켜 인장 응력을 유도합니다. 주철은 가열이나 응력 시 늘어나거나 변형되지 않고 균열이 생겨 용접이 극도로 어렵습니다. 이 특성은 다른 합금 첨가로 개선 가능합니다.

일부 주철 합금은 다른 것보다 용접이 쉽습니다:

• 회주철(Grey Cast Iron)
  가장 흔한 주철 형태. 제조 중 탄소가 흑연 플레이크로 석출되어 펄라이트 또는 페라이트 결정 미세조직 형성. 백주철보다 연성과 용접성이 좋음. 하지만 회주철 내 흑연 플레이크가 용접 풀에 들어가 용접 금속 취성을 유발할 수 있어 여전히 도전적입니다.

• 백주철(White Cast Iron)
  탄소를 흑연으로 석출하지 않고 시멘타이트(철 탄화물)로 유지. 시멘타이트 결정 미세조직은 매우 단단하고 취성. 백주철은 일반적으로 용접 불가로 간주.
• 연성(덕타일), 구상흑연(노듈러), 가단성 주철
  제조 공정 차이로 인한 미세조직 차이로 모두 덜 취성. 세 가지 모두 구형 탄소 미세조직을 가집니다.

백철인지 회철인지 확인하는 최선은 원본 사양 확인입니다. 분광 화학 분석으로 사후 사양 확인 가능. 이 정밀한 방법이 불가능할 때 작업장에서 확인하는 몇 가지 방법이 있습니다.

회철은 파단면에서 흑연 미세조직으로 인해 회색을 보입니다. 백철은 시멘타이트로 인해 파단면이 더 희게 보입니다. 불행히도 파단 시험은 소재가 회철 또는 백철임을 알 때만 유용합니다. 이들은 오래된 전통적 주철 형태이며 특정 품목군에서 더 흔합니다. 하지만 비교적 신참인 연성 철도 파단면이 꽤 희게 보이며 훨씬 용접하기 좋습니다.

숙련된 야금학자는 스파크 테스트로 철 종류를 추정할 수도 있습니다.

주조품 세척

합금에 관계없이 모든 주조품은 용접 전 적절히 준비되어야 합니다. 용접 준비 시 모든 표면 물질을 제거하는 것이 중요합니다. 용접 부위 영역은 완전히 깨끗해야 합니다. 용접 구역에서 페인트, 그리스, 오일, 기타 이물질 제거. 용접 구역 모재에 갇힌 가스 제거를 위해 열을 조심스럽고 천천히 짧은 시간 가하는 것이 좋습니다.

주철 표면 준비 상태를 테스트하는 간단한 기술은 금속에 용접 비드 한 패스를 증착하는 것입니다. 불순물이 있으면 다공성이 나타납니다. 이 패스를 갈아내고 다공성이 사라질 때까지 몇 번 반복합니다.

예열(Pre-heat)

모든 주철은 응력 하에서 균열에 취약합니다. 열 제어가 균열 방지의 단일 최중요 요소입니다.

주철 용접에는 세 단계가 필요합니다:

• 예열
• 저열 입력
• 천천한 냉각

열 제어의 주된 이유는 열팽창입니다. 금속이 따뜻해지면 팽창합니다. 전체 물체가 같은 속도로 따뜻해지고 팽창하면 응력 없으나, 열이 작은 열영향부(HAZ)에 국한되면 응력 축적. HAZ는 주변 더 차가운 금속에 의해 구속됩니다. 결과 응력 정도는 HAZ와 주조품 본체 간 열 구배에 의존. 강철 등 연성 금속에서는 제한적 팽창·수축 응력이 신전으로 해소되나, 주철은 연성이 상대적으로 낮아 수축기에 균열 발생. 예열은 주조품 본체와 HAZ 간 열 구배를 줄여 용접 인장 응력 최소화. 일반적으로 고온 용접법은 더 높은 예열 온도 필요. 적절한 예열이 불가능하면 최선 전략은 열 입력 최소화: 저온 용접 공정, 저융점 용접봉/와이어 선택.

냉각 속도도 용접 유도 응력에 직접적 영향. 급속 냉각은 수축을 일으켜 취성이고 균열 쉬운 용접부 생성. 반대로 느린 냉각은 경화와 수축 응력 감소.

https://www.reliance-foundry.com/wp-content/uploads/pre-heat-welding.mov

용접 전 예열

모든 주철은 응력 하 균열 취약하나 예열로 예방 가능. 영상에서 용접 전 금속 가열 과정을 확인하세요.

용접 기술

용접 기술은 용접할 주철 합금 적합성 기준으로 선택해야 합니다. 가장 일반적인 용접 공정은 스틱(아크), 옥시 아세틸렌, 브레이즈 용접입니다.

스틱 용접(Stick Welding)

스틱 용접은 피복 아크 용접(SMAW) 또는 MMA로도 불리며, 플럭스로 피복된 소모성 전극을 사용합니다. 용도, 색상 매칭, 용접 후 가공량에 따라 다양한 전극 유형 사용 가능.

주철 스틱 용접에 잘 맞는 세 가지 주요 필러 유형:

• 주철 피복 전극
• 구리 합금 전극
• 니켈 합금 전극

니켈 합금 전극이 주철 용접에 가장 인기. 뉴햄프셔 재료연구소에 따르면 니켈-철 용접은 열팽창 계수가 낮아 용접 응력 감소, 균열 저항성 향상.

전극과 용접부 사이 아크가 금속을 녹여 융합. 아크는 모재가 아닌 용접 풀을 향해야 희석 최소화. 제조사 승인 최저 전류 설정 사용해 열응력 최소화 권장. 주철 또는 구리 전극 용접 시 최소 250°F(약 121°C) 예열. 니켈 전극은 예열 없이 사용 가능.

옥시 아세틸렌 용접(Oxy Acetylene Welding)

옥시 아세틸렌 용접도 전극을 사용하나, 전류 발생 아크 대신 옥시 아세틸렌 토치로 용접 에너지 공급. 주철 전극, 구리-아연 전극 모두 주철 옥시 아세틸렌 용접에 적합.

아세틸렌 용접 중 주철 산화되지 않게 주의해야 함. 산화 시 실리콘 손실과 용접부 백철 생성 유발. 용접봉은 화염 직접 가열이 아닌 용융 용접 풀에서 녹여 온도 구배 최소화.

브레이즈 용접(Braze Welding)

브레이즈 용접은 모재 자체에 미치는 영향이 최소라 주철 부품 결합에 흔한 방법. 용접봉이 주철 표면에 부착되는 필러 제공. 필러 융점이 주철보다 낮아 필러가 주철과 희석되지 않고 표면에 부착.

이 용접 기술은 결합이 필러가 모재 표면을 적시는 품질에 의존하므로 표면 청결이 중요. Machine Design에 따르면 브레이징 시 산화물 형성 방지를 위해 플럭스 사용이 일반적. 필러가 결합할 금속 부품 위로 흐르도록 적심을 촉진하는 액체. 또한 금속 부품의 산화물 세척으로 필러가 금속에 더 단단히 결합. 플럭스는 용접 시 금속 표면 세척에도 사용.

마무리(Finishing)

균열은 보통 열수축 단계에서 발생합니다. 용접부가 식으며 수축하면 인장 응력 축적. 응력이 임계점 도달 시 용접부 균열.

냉각 중 인장 응력에 대항하는 압축 응력 가해 균열 가능성 감소. 용접공은 볼펜 해머로 적당히 타격하는 피닝(peening) 기법을 아직 부드러운 용접 비드에 사용. 피닝은 용접부와 HAZ 균열 위험 감소하지만, 상대적으로 연성 용접 금속 작업 시만 시도해야 함.

용접 최종 단계는 냉각 제어. 단열재로 냉각을 최대한 늦추거나 용접부에 주기적 열 가해 자연 냉각 과정 지연.

사내 용접(In-house Welding)

전문가에게 주철 용접 맡기면 품질 보장되지만, 합금 식별, 소재 준비, 최적 용접 기술 선택 단계를 신중히 따르면 사내 용접 수리도 가능.

참고문헌

• Total Materia. "Welding Cast Iron and other Irons."
• New Hampshire Materials Laboratory. "Tips on Welding Cast Iron."
• The Welding Institute. "Weldability of Materials: Cast Irons."