주철 용접은 높은 탄소 함량으로 인해 가능하지만 까다롭습니다. 이 탄소 함량은 보통 2~4%로, 일반 강철의 약 10배에 달합니다. 용접 과정에서 이 탄소가 용착 금속이나 열영향부로 이동하면 경도와 취성이 증가하여 용접 후 균열이 발생할 수 있습니다.
주철은 철과 탄소가 다양한 비율로 구성되며, 망간, 실리콘, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴 등 특정 성능을 개선하기 위한 원소가 추가됩니다. 또한 불순물인 황과 인의 함량이 상당히 높을 수 있어 균열 없이 용접하기가 어렵습니다.
주철의 종류에는 회주철, 백주철, 구상흑연주철(덕타일), 가단주철이 있으며 용접성은 크게 다릅니다. 백주철을 제외한 모든 주철은 용접 가능하지만, 탄소강 용접에 비해 훨씬 더 어렵습니다.
그러나 상세한 금속 조직 분석 없이는 이러한 주철 종류를 구별하기 어렵습니다. 그럼에도 주철은 수세기 동안 사용되어 온 오래 지속되고 내마모성이 강한 금속입니다.
효과적인 주철 용접을 위해 작업을 시작하기 전 다음 4가지 핵심 단계를 거쳐야 합니다.
이 용접의 첫 단계는 어떤 종류의 주철인지 파악하는 것입니다. 종류가 다양하며, 대부분은 용접하지 않는 것이 좋습니다.
주철은 연성이 낮아 급격히 가열하거나 냉각할 때 열응력으로 인해 균열이 생길 수 있습니다. 균열 민감도는 주철 종류에 따라 달라지므로, 작업 중인 합금의 종류를 반드시 이해해야 합니다.
작업 중인 철의 종류를 파악하는 가장 간단한 방법은 원래 사양서를 확인하는 것입니다. 화학 분석과 금속 조직 분석도 주철 종류 식별에 도움이 됩니다.
기타 구별 방법으로, 회주철은 파단면에 회색을 띠고, 백주철은 시멘타이트로 인해 백색을 띱니다. 그러나 덕타일 주철도 백색 파단면을 보이지만 용접성이 훨씬 좋습니다.
회주철이 용접되는 가장 흔한 주철이며, 주조나 용접 경험이 풍부하지 않다면 회주철만 용접을 시도해야 합니다. 경험자의 도움을 받는 것도 좋은 방법입니다.
합금 종류에 관계없이 모든 주물은 용접 전 적절히 준비해야 합니다. 용접 부위의 모든 표면 물질을 제거해야 하며, 페인트, 그리스, 오일, 이물질을 완전히 없애야 합니다. 용접 구역에 열을 조심스럽게 천천히 가해 모재 내 포집된 가스를 제거하는 것이 좋습니다.
주철 표면 준비 상태를 테스트하는 간단한 방법은 비드 하나를 시험 용접해 보는 것입니다. 불순물이 있으면 기공이 생깁니다. 이 비드를 갈아내고 기공이 사라질 때까지 몇 번 반복합니다.
모든 주철은 응력 하에서 균열에 취약합니다. 열 제어는 균열 방지의 가장 중요한 요소입니다.
주철 용접에는 세 단계가 필요합니다.
열 제어의 주된 이유는 열팽창입니다. 금속이 가열되면 팽창합니다. 물체 전체가 같은 속도로 가열되고 팽창하면 응력이 생기지 않지만, 열이 작은 열영향부(HAZ)에 국한되면 응력이 쌓입니다.
국부 가열은 HAZ가 주변의 더 차가운 금속에 의해 제약받기 때문에 구속 팽창을 일으킵니다. 결과적인 응력의 정도는 HAZ와 주물 본체 사이의 온도 구배에 달려 있습니다. 강철 등 연성 금속에서는 구속 팽창과 수축으로 인한 응력이 신장에 의해 해소됩니다.
불행히도 주철은 연성이 상대적으로 낮아 수축기에 균열이 발생할 수 있습니다. 예열은 주물 본체와 HAZ 사이의 열 구배를 줄여 용접으로 인한 인장 응력을 최소화합니다. 일반적으로 고온 용접 방식일수록 더 높은 예열 온도가 필요합니다.
충분한 예열이 불가능할 때는 열 입력을 최소화하고, 저온 용접 공정을 선택하며, 저융점 용접봉이나 와이어를 사용하는 것이 최선입니다.
냉각 속도도 용접부 유도 응력에 직접적인 영향을 미칩니다. 급속 냉각은 수축을 일으켜 취약하고 균열되기 쉬운 용접부를 만듭니다. 반대로 느린 냉각은 경화와 수축 응력을 줄여줍니다.
이론적으로 피복 아크 용접(MMA), 플럭스 코어 아크 용접(FCAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW/MAG), 서브머지드 아크 용접(SAW), 텅스텐 아크 용접(TIG) 등 일반적인 아크 용접 공정을 모두 사용할 수 있지만, 느린 가열과 냉각을 유도하는 공정이 일반적으로 선호됩니다.
쉴드 메탈 아크 용접(SMAW)으로도 알려진 이 방식은 적절한 용접봉을 사용하면 주철 용접에 전반적으로 가장 좋은 공정으로 여겨집니다. 전극 선택은 용도, 색상 매칭 필요 여부, 용접 후 가공량에 따라 달라집니다.
피복 아크 용접용 전극은 철계와 니켈계 두 가지 주요 유형이 있습니다. 철계 전극은 고탄소 마르텐사이트 용착 금속을 생성하므로 주로 색상 매칭이 필요한 소규모 주물 수리에 한정됩니다.
니켈 합금 전극이 가장 널리 쓰이며, 더 연성 있는 용착 금속을 제공합니다. 니켈 전극은 저강도 용착 금속을 제공하여 예열 필요성을 줄이고 HAZ 균열을 억제하는 데도 도움이 됩니다.
모든 경우에 모재 용융을 최소화하여 희석(dilution)을 줄이도록 주의해야 합니다.
MAG 용접은 일반적으로 니켈 소모품을 사용합니다. 아르곤 80% + 이산화탄소 20% 혼합 가스가 대부분 용도에 적합합니다. 브레이징 와이어를 사용할 수도 있지만, 브레이즈 금속이 주물보다 훨씬 약하므로 일반적으로 권장하지 않습니다.
TIG 용접은 주철에 깨끗한 용접을 제공할 수 있지만, 열이 국부적으로 집중되는 특성 때문에 일반적으로 선호되지 않습니다. 모든 TIG 용접과 마찬가지로 완성된 용접 품질은 용접사의 숙련도에 크게 좌우됩니다.
산소-아세틸렌 용접도 전극을 사용하지만, 전류로 아크를 생성하는 대신 산소-아세틸렌 토치가 열원을 제공합니다. 주철 전극과 구리-아연 전극 모두 주철 산소-아세틸렌 용접에 적합합니다.
아세틸렌 용접 중 주철이 산화되지 않도록 주의해야 합니다. 산화는 실리콘 손실과 용접부 내 백주철 형성을 초래합니다. 용접봉을 화염으로 직접 녹이는 대신 용융 풀에서 녹여 온도 구배를 최소화해야 합니다.
브레이즈 용접은 모재에 미치는 영향을 최소화하면서 주철 부품을 접합하는 일반적인 방법입니다. 용접봉이 필러 금속을 공급하여 주철 표면에 부착시킵니다. 필러의 융점이 주철보다 낮기 때문에 필러가 주철과 희석되지 않고 표면에 부착됩니다.
이 용접 기술은 접합이 필러가 모재 표면을 적시는 품질에 의존하므로 표면 청결이 매우 중요합니다. Machine Design에 따르면 브레이징 중 산화물 생성을 방지하기 위해 플럭스를 사용하는 것이 일반적입니다.
플럭스는 필러가 접합할 금속 부품 위로 흐르도록 적윤성을 높이는 액체입니다. 또한 모재 표면의 산화물을 제거하여 필러가 더 단단히 결합되도록 합니다. 플럭스는 용접 시 금속 표면을 세척하는 데에도 사용됩니다.
주물 크기나 기타 사정으로 예열 없이 수리해야 할 때가 있습니다. 이 경우 부품을 차갑지 않게 하되 시원하게 유지해야 합니다.
주물 온도를 약 38℃(100℉)까지 올리는 것이 도움이 됩니다. 엔진 부품이라면 잠시 가동해 이 온도를 맞출 수 있습니다. 맨손으로 닿을 수 없을 만큼 뜨겁게 가열해서는 안 됩니다.
약 25mm(1인치) 길이의 짧은 비드로 용접합니다. 이 기술에서는 용접 후 피닝(peening)이 중요합니다. 용접부와 주물이 식도록 두고, 물이나 압축 공기로 냉각을 가속하지 마세요.
이전 용접부가 식는 동안 주물의 다른 부위를 용접할 수도 있습니다. 모든 크레이터는 채워야 합니다. 가능하면 비드를 같은 방향으로 쌓고, 평행 비드의 끝단이 서로 일직선상에 놓이지 않게 하는 것이 좋습니다.
위에서 언급했듯 용접봉 선택은 주철 용접에서 중요하며, 대부분의 전문가는 니켈봉 사용을 권장합니다.
다른 옵션보다 비싸지만 최고의 결과를 제공합니다. 99% 니켈봉은 가공 가능한 용접부를 만들며, 인 함량이 낮거나 중간인 주물에 가장 적합합니다. 순수 니켈봉은 부드럽고 연성 있는 용착 금속을 생성합니다.
99% 니켈봉보다 저렴하며 가공 가능하고, 두꺼운 단면 수리에 자주 쓰입니다. 열팽창 계수가 낮아 99% 니켈봉보다 퓨전 라인 균열이 적게 발생합니다. 주철-강철 이종 접합에 이상적입니다.
강봉 등 저렴한 옵션도 있지만 니켈봉만큼 효과적이지는 않습니다.
세 가지 중 가장 저렴하며 소규모 수리와 충전에 적합합니다. 강 전극은 경한 용착 금속을 만들어 추가 연마가 필요하고 가공이 불가능합니다. 하지만 색상 매칭이 가능하고, 니켈봉보다 불완전하게 세척된 주물을 더 잘 견딥니다.
산소-아세틸렌 브레이징이나 TIG 용접에 사용할 수 있습니다. 주철 특성 변화나 균열 없이 크랙이나 두 부품 접합에 강한 결합을 제공하는 좋은 방법입니다.
대부분의 용접과 마찬가지로 표면이 깨끗할수록 용접 품질이 좋아집니다. 평생 동안 연기나 오일이 주물 내부에 스며든 경우 용접에 어려움을 줍니다. 주철 용접 시 유의할 점이 있습니다.
MG-289 주철 용접 합금봉 등 오염된 주철용으로 설계된 용접 소모품을 사용하는 것이 용접 품질을 보장하는 최선입니다.
피닝은 식어가는 부드러운 용접부를 볼펜 해머로 두드려 균열을 방지하는 과정입니다. 용접부가 변형 가능한 상태에서 조심스럽게 해야 하며, 항상 필요한 것은 아닙니다. 균열의 주원인은 부품의 불규칙하거나 급격한 가열/냉각이기 때문입니다. 예열과 천천한 냉각이 가장 중요합니다.
뜨겁게 용접할지 차갑게 용접할지에 대해서는 여러 의견이 있습니다. 모두 예열이 좋은 옵션이라는 데 동의하지만, 최소 열량으로 용접하는 것만으로도 충분하다고 주장하는 사람도 있습니다.
주철 용접 방식을 결정할 때 이 두 접근법 중 하나를 택해야 합니다. 주철은 대부분의 금속과 달리 취성이 있고, 굽힘이나 팽창/수축을 통한 변형 능력이 거의 없기 때문입니다. 열은 항상 금속에 변형 효과를 주며, 한 부분이 다른 부분보다 빨리 가열되거나 냉각되면 주철이나 용접부에 응력과 균열이 생깁니다.
예열은 용접부 주변을 용접 온도에 가깝게 만들어 부품 전체가 균일하게 변형되도록 함으로써 이 효과를 최소화합니다. 주철은 760℃(1400℉) 이상에서 특성이 변하므로 과도한 열 입력을 피하는 것이 중요합니다.
예열 없이 최소 열량으로 냉간 용접하면 전체 온도를 낮춰 눈에 보이는 균열을 줄이고, 예열 없는 핫 용접보다 강한 용접부를 만들 수 있습니다. 하지만 내부 응력은 남아 나중에 부품 수명 중 나타날 수 있으며, 제대로 예열 후 용접한 것보다 전반적으로 약한 용접부가 됩니다.
주철 제품 수리/제작을 정기적으로 하는 숙련된 용접사들은 항상 그리고 오직 예열만 합니다. 이것이 용접부가 겉보기에만 균열이 없는 것이 아니라 내부적으로도 강하도록 보장하는 최선의 방법입니다.
산업기술
용접 초보자라면 흑철관(Black iron pipe)을 용접할 수 있는지 궁금할 수 있습니다. 이 파이프가 무엇인지조차 모를 수도 있습니다. 이 글에서는 흑철관이 무엇인지 간단히 정의하고 이 파이프를 용접할 수 있는지 논의합니다. 흑철관이란? 흥미롭게도 흑철관은 제조 과정에서 금속 표면에 형성된 산화철로 인해 검은색을 띤 일반 철관입니다. 보통 이 파이프는 주거용 애플리케이션에서 프로판 가스와 천연가스 수송에 사용됩니다. 이 파이프는 이음매 없이 제작되어 가스 수송뿐만 아니라 소방 스프링클러 시스템에도 더 나은 옵션으로 선호됩니다.
구리 용접 방법 구리 용접은 어렵지 않습니다. 이 용접에 필요한 열은 유사한 두께의 강철에 필요한 열의 약 2배입니다. 구리는 높은 열전도율을 가집니다. 이 열 손실을 보상하기 위해 강철에 필요한 것보다 한두 크기 큰 팁을 사용하는 것이 권장됩니다. 두꺼운 대형 단면 용접 시 보조 가열이 권장됩니다. 이 공정은 기공이 적은 용접을 생성합니다. 구리는 화염에 의해 형성된 산화물에 의해 용융 금속이 보호되므로 약간 산화성 화염으로 용접할 수 있습니다. 플럭스를 사용하여 용융 금속을 보호하는 경우 화염은 중성이어야 합니다. 산소 자유 구
