니켈 합금 용접 마스터: 전문 기술 및 팁

니켈 합금은 뛰어난 다용성, 내식성, 고온 성능으로 인해 선택됩니다. 따라서 항공기 터빈, 증기 터빈, 원자력 발전소, 석유화학 및 화학 산업 등 극한 환경에서 널리 사용됩니다.

극한 환경에서 사용되는 만큼 니켈 합금의 용접부는 일관된 물성을 가져야 하며, 이것이 가혹한 환경을 견디는 완제품의 유일한 조건입니다. 또한 용접 품질이 높고 결함이 거의 없어야 하며, 결함도 가혹 환경에서 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

니켈 합금이란?

니켈 합금은 일반적으로 다재다능한 원소인 니켈을 주성분으로 하는 합금으로 정의됩니다. 역사적으로 니켈 함량 50% 이상을 니켈 합금이라 했으나, 오늘날 사용되는 니켈 합금은 보통 50% 이상의 니켈을 함유합니다. 예:

• Inconel 718: 19Cr 3Mo 0.9Ti 5.1Cb 0.5Al 18Fe 균형 Ni
• Hastelloy X: 22Cr 1.5Co 9Mo 0.6W 18.5Fe 균형 Ni

니켈 용접

니켈 용접은 다양한 니켈 합금을 사용하여 수행됩니다. 스틱, MIG, TIG 등 아크 용접 공정을 모두 사용할 수 있습니다. 특히 스틱 용접은 모재보다 강한 용접부를 만듭니다. 니켈 MIG 용접의 차폐 가스는 헬륨과 아르곤 50:50 혼합입니다.

모든 통상적인 용접 공정이 니켈 합금 용접에 적합합니다. 주요 차이는 열팽창에 있습니다. 니켈 합금은 스테인리스강보다 열팽창 계수가 낮으며, 변형 제어 방법은 탄소강과 유사합니다.

니켈 합금은 단조 용접과 산소-아세틸렌 용접을 제외하고 모든 용접 공정으로 신뢰성 있게 접합할 수 있습니다. 단조 니켈 합금은 오스테나이트계 스테인리스강 용접 조건과 유사하게 용접할 수 있습니다. 주조 니켈 합금, 특히 실리콘 함량이 높은 것은 용접이 어렵습니다.

비시효경화형(고용체 강화) 단조 니켈 합금에 가장 널리 쓰이는 공정은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 피복 아크 용접(SMAW)입니다. 서브머지드 아크 용접(SAW)과 일렉트로슬래그 용접(ESW), 플라즈마 아크 용접(PAW)은 제한적으로 적용됩니다. 시효경화형 합금에는 GTAW가 선호되지만 GMAW와 SMAW도 사용됩니다.

니켈 합금은 보통 고용체 처리 상태에서 용접합니다. 시효경화형(PH) 합금은 고잔류 응력을 유발하는 공정을 거쳤다면 용접 전 어닐링해야 합니다.

니켈 합금 용접 시 흔한 문제

니켈 합금 용접 시 가장 흔하고 심각한 문제는 열균열(hot cracking)입니다. 이는 퓨전 라인, 열영향부(HAZ), 용착 금속(퓨전 존) 어디에서나 발생할 수 있으나 퓨전 라인에서 가장 흔합니다.

보통 합금 내 황이나 표면 오염이 이 균열을 일으키며, 비스무트, 납, 인, 붕소도 악영향을 줍니다. 이를 방지하려면 HAZ와 용착 금속이 오일, 그리스, 먼지 등 오염물로부터 완전히 자유로워야 합니다. 용접 필러나 모재의 과도한 황도 문제를 일으킬 수 있습니다.

소재 준비에는 탈지 후 스테인리스강 또는 기계 와이어 브러시로 철저히 세척하는 과정이 필요합니다. 니켈 합금 전용 용제를 사용하고, 세척 후 8시간 이내에 용접하여 재오염을 방지해야 합니다.

열처리는 전기로를 사용하거나 황 없는 연료로, 진공 또는 불활성 분위기에서 수행해야 합니다.

이미 사용되었거나 수리 중인 소재는 용접 수리 구역 표면에 포집된 오염물을 제거하기 위해 연마나 기계 가공해야 합니다.

기공(porosity)도 문제인데, 특히 산소나 수소가 공기 포집 형태로 용융 풀 표면을 오염시킬 때 발생합니다. 이를 막으려면 용접부 전면과 이면 모두에 효율적인 가스 퍼지와 차폐가 필요하며, 모든 가스 호스는 완벽한 상태여야 합니다. 용접 구역도 외부 공기 유입으로부터 차단되어야 합니다.

니켈 합금 용접 준비

니켈 합금 용접 시 용접 준비는 필수적입니다. 설계에서 가장 중요한 점은 용접 토치의 충분한 접근성을 보장하고, 필요 시 완전 관통이 가능하도록 하는 것입니다.

최적의 맞대기 이음 설계는 스퀘어 맞대기지만, 두께 제한으로 관통이 어려워 두께 10mm 정도에서 30°~40° 각도의 U 또는 V 홈 가공을 주로 사용해 관통과 후속 충진 패스를 확보합니다.

차폐 가스 준비로는 불활성 가스 혼합물에 최대 10% 수소를 첨가하면 용융 풀 유동성이 개선될 수 있습니다.

니켈 합금 용접에는 결로 제거 외에는 예열이 필요하지 않습니다. 니켈 용접 시 최대 층간 온도는 보통 250℃이나, 특정 합금은 100℃로 제한하기도 합니다.

용접 후 산화물 층이 용융 풀 표면에 단단히 붙어 생길 수 있어 연마가 필요할 수 있습니다. 와이어 브러시만으로는 이 잔여물을 제거하기 어려울 때가 있습니다.

용접 후 처리

내식성을 유지하거나 회복하기 위해 열처리나 화학 처리가 필요하지 않으나, 경우에 따라 완전 고용체 어닐링이 내식성을 향상시킵니다.

사양 요건을 충족하기 위해 열처리가 필요할 수 있습니다. 예: 가공 구조물의 응력 제거로 시효 경화나 수산화불소 증기/가성소다에서의 응력부식균열(SCC) 방지. 용접으로 중~고 잔류 응력이 유발되면 PH 합금은 용접 후 어닐링 후 시효 처리가 필요합니다.

니켈과 니켈 합금은 납, 황, 인, 기타 저융점 원소에 의해 취화되기 쉽습니다. 이러한 물질은 그리스, 오일, 페인트, 마킹 크레용/잉크, 성형 윤활유, 절삭유, 공장 먼지, 가공 화학제에 존재할 수 있습니다.

작업물은 가열 또는 용접 전에 이물질이 완전히 없어야 합니다. 공장 먼지, 오일, 그리스는 증기 탈지 또는 아세톤 등 무독성 용제로 닦아 제거합니다.

탈지 용제에 녹지 않는 페인트 등은 염화메틸렌, 알칼리 세정제, 전용 화합물이 필요할 수 있습니다. 탄산나트륨 함유 알칼리 세정제를 쓰면 용접 전 세정제 자체를 제거해야 합니다. 온수 분무 또는 문질러 씻기를 권장합니다. 마킹 잉크는 보통 알코올로 제거합니다.

작업 금속에 박힌 가공 물질은 연마, 샌드블라스팅, 10% HCl 용액 세척 후 충분한 물 세척으로 제거합니다. 산화물도 용접 구역에서 제거해야 하는데, 산화물과 모재의 융점 차이 때문입니다. 산화물은 보통 연마, 가공, 샌드블라스팅, 피클링으로 제거합니다.

단조/주조, 고용체 강화/시효경화형 니켈 합금 모두 GTAW로 용접 가능합니다. 필러 추가는 보통 권장됩니다. 직류 전극 음극(DCEN)을 수동/기계 용접 모두에 권장합니다.

차폐 가스

아르곤, 헬륨 또는 두 가스 혼합물이 니켈 및 니켈 합금 용접의 차폐 가스로 쓰입니다. 아르곤에 산소, 이산화탄소, 질소를 첨가하면 보통 기공이나 전극 마모를 유발합니다. 소량의 수소(보통 5%)를 첨가한 아르곤은 순수 니켈의 기공 방지와 용접 중 산화물 생성 저감에 도움이 될 수 있습니다.

주조 니켈 합금 용접

주조 니켈 합금은 GTAW, GMAW, SMAW로 접합할 수 있습니다. 최적 결과를 위해 용접 전 용체 어닐링하여 주조 잔류 응력을 완화하고 주조 조직을 균질화하는 것이 좋습니다.

첫 패스 후 응고 금속을 가볍게 피닝하면 응력이 완화되어 용착 금속과 주조 모재 접합부의 균열을 줄입니다. 후속 패스 피닝은 효과가 거의 없습니다. 용접 후 응력 제거도 바람직합니다.