주철 용접은 높은 탄소 함량으로 인해 가능하지만 문제가 많습니다. 이 탄소 함량은 종종 2~4%로, 대부분의 강철보다 약 10배 높습니다. 용접 과정에서 이 탄소가 용접 금속이나 열영향부(HAZ)로 이동하여 취성/경도가 증가하고, 이는 용접 후 균열로 이어질 수 있습니다.
주철은 철과 탄소가 다양한 비율로 구성되며, 망간, 실리콘, 크롬, 니켈, 구리, 몰리브덴 등의 추가 원소가 특정 특성을 개선하기 위해 포함됩니다. 또한 불순물로 인해 황과 인 함량이 상당히 높을 수 있어 균열 없이 용접하기 어렵습니다.
주철의 종류에는 회주철, 백주철, 구상흑연주철(덕타일 주철), 가단주철이 있으며 용접성이 크게 다릅니다. 백주철을 제외한 모든 주철 범주는 용접 가능하다고 간주되지만, 탄소강 용접에 비해 훨씬 더 어려울 수 있습니다.
그러나 상세한 금속학적 분석 없이는 이러한 주철 종류를 구별하기 어려울 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 주철은 수세기 동안 사용되어 온 오래 지속되고 내마모성이 강한 금속입니다.
주철을 효과적으로 용접하기 위해 시작하기 전에 다음 네 가지 핵심 단계를 수행해야 합니다.
이 용접의 첫 단계는 어떤 종류의 주철인지 확인하는 것입니다. 수많은 종류가 있으며, 대부분은 용접하지 않는 것이 좋습니다.
주철은 연성이 낮아 급격히 가열하거나 냉각할 때 열응력으로 인해 균열이 발생할 수 있습니다. 균열 민감도는 주철 종류/범주에 따라 다릅니다. 따라서 작업 중인 합금 종류를 이해해야 합니다.
작업 중인 철의 종류를 판별하는 가장 간단한 방법은 원래 사양을 확인하는 것입니다. 화학적 및 금속조직 분석도 주철 범주 식별에 도움이 됩니다.
기타 구별 방법도 있습니다. 회주철은 파단면에서 회색을 띠고, 백주철은 시멘타이트로 인해 백색을 띱니다. 그러나 구상흑연주철도 백색 파단면을 보이지만 훨씬 용접성이 좋습니다.
회주철은 용접되는 가장 일반적인 주철 유형이며, 주철 주조나 용접에 경험이 없는 한 회주철만 용접 시도해야 합니다. 경험 있는 사람의 도움을 받는 것도 좋은 방법입니다.
합금 종류에 관계없이 모든 주물은 용접 전 적절히 준비해야 합니다. 주물 용접 준비 시 표면의 모든 물질을 제거하는 것이 중요합니다. 용접 부위의 주물은 완전히 깨끗해야 합니다. 용접 구역에서 페인트, 그리스, 오일 및 기타 이물질을 제거하십시오. 용접 부위에 열을 조심스럽게 천천히 가해 모재 용접 구역의 포집 가스를 단시간 제거하는 것이 가장 좋습니다.
주철 표면 준비 상태를 테스트하는 간단한 방법은 금속에 용접 패스를 증착하는 것입니다. 불순물이 있으면 다공성이 나타납니다. 이 패스를 갈아내고 다공성이 사라질 때까지 몇 번 반복합니다.
모든 주철은 응력 하에서 균열에 취약합니다. 열 제어는 균열 방지의 단일 가장 중요한 요소입니다.
주철 용접에는 세 단계가 필요합니다.
열 제어의 주된 이유는 열팽창입니다. 금속이 가열되면 팽창합니다. 전체 물체가 같은 속도로 가열되고 팽창하면 응력이 발생하지 않지만, 열이 작은 열영향부(HAZ)에 국한되면 응력이 축적됩니다.
국부 가열은 HAZ가 주변의 더 차가운 금속에 의해 제약되기 때문에 제한된 팽창을 유발합니다. 결과 응력의 정도는 HAZ와 주물 본체 사이의 열 구배에 따라 달라집니다. 강철 및 기타 연성 금속에서는 제한된 팽창과 수축으로 인한 응력이 신장에 의해 해소됩니다.
불행히도 주철은 상대적으로 연성이 낮아 수축 기간 동안 균열이 발생할 수 있습니다. 예열은 주물 본체와 HAZ 사이의 열 구배를 감소시켜 용접으로 인한 인장 응력을 최소화합니다. 일반적으로 고온 용접 방식은 더 높은 예열 온도를 필요로 합니다.
충분한 예열이 불가능할 때는 열 입력을 최소화하고 저온 용접 공정, 저융점 용접봉 또는 와이어를 선택하는 것이 최선의 전략입니다.
냉각 속도도 용접부에 유도되는 응력에 직접적인 영향을 미칩니다. 급속 냉각은 수축을 일으켜 취약하고 쉽게 균열되는 용접부를 만듭니다. 반대로 서냉은 경화와 수축 응력을 감소시킵니다.
이론적으로 수동 금속 아크 용접, 플럭스 코어 아크 용접, 금속 활성 가스 용접, 서브머지드 아크 용접, 텅스텐 아크 용접 등 일반적인 아크 용접 공정 모두 사용 가능하지만, 느린 가열과 냉각을 용이하게 하는 공정이 일반적으로 선호됩니다.
이 용접 유형은 피복 아크 용접(SMAW)이라고도 하며, 올바른 용접봉을 사용하면 주철 용접에 전반적으로 가장 좋은 공정으로 여겨집니다. 전극 선택은 용도, 필요한 색상 매칭, 용접 후 가공량에 따라 달라집니다.
수동 금속 아크 용접의 두 가지 주요 전극 유형은 철계와 니켈계입니다. 철계 전극은 고탄소 마르텐사이트 용접 금속을 생성하므로 일반적으로 주물의 소규모 수리나 색상 매칭이 필요할 때로 제한됩니다.
니켈 합금 전극이 가장 일반적으로 사용되며, 더 연성 있는 용접 금속을 제공합니다. 니켈 전극은 저강도 용접 금속을 제공하여 예열 및 HAZ 균열을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
모든 경우에 모재 용융을 최소화하도록 주의해야 합니다. 이는 희석(Dilution)을 최소화합니다.
MAG 용접은 일반적으로 니켈 소모재로 수행됩니다. 아르곤 80%, 이산화탄소 20% 혼합 가스가 대부분의 용도에 적합합니다. 브레이징 와이어를 사용할 수 있지만, 브레이즈 금속이 주물보다 현저히 약하므로 일반적으로 권장되지 않습니다.
TIG 용접은 주철에 깨끗한 용접을 제공할 수 있지만, 높은 국부 가열 특성으로 인해 일반적으로 선호되지 않습니다. 모든 TIG 용접과 마찬가지로 완성된 용접의 품질은 용접사의 기술에 크게 좌우됩니다.
산소-아세틸렌 용접도 전극을 사용하지만, 전류로 생성된 아크 대신 산소-아세틸렌 토치가 용접 에너지를 제공합니다. 주철 전극과 구리-아연 전극 모두 주철의 산소-아세틸렌 용접에 적합합니다.
아세틸렌 용접 중 주철이 산화되지 않도록 주의해야 합니다. 이는 실리콘 손실과 용접부 내 백주철 형성을 유발합니다. 용접봉은 용융 용접 풀에서 녹여야 하며, 화염으로 직접 녹이지 않아 온도 구배를 최소화해야 합니다.
브레이즈 용접은 모재 자체에 미치는 영향이 최소화되어 주철 부품 접합에 흔히 사용되는 방법입니다. 용접봉이 주철 표면에 부착되는 필러를 제공합니다. 필러의 융점이 주철보다 낮기 때문에 필러는 주철과 희석되지 않고 표면에 부착됩니다.
이 용접 기술에서는 접합이 필러가 모재 표면을 적시는 품질에 의존하므로 표면 청결이 중요합니다. Machine Design에 따르면, 브레이징 중 산화물 형성을 방지하기 위해 플럭스를 사용하는 것이 일반적입니다.
플럭스는 필러가 접합될 금속 부품 위로 흐르도록 하는 젖음성을 촉진하는 액체입니다. 또한 산화물을 제거하여 필러가 금속 부품에 더 단단히 결합되도록 합니다. 또한 플럭스는 용접 시 금속 표면을 세척하는 데 사용됩니다.
주물의 크기나 기타 사정으로 인해 예열 없이 수리해야 할 경우가 있습니다. 이 경우 부품을 차갑지 않게 시원하게 유지해야 합니다.
주물 온도를 100°F(약 38°C)까지 올리는 것이 도움이 됩니다. 엔진 부품이라면 몇 분간 가동하여 이 온도를 얻을 수 있습니다. 맨손으로 닿을 수 없을 정도로 뜨겁게 가열해서는 안 됩니다.
약 1인치(25mm) 길이의 짧은 용접을 수행하십시오. 용접 후 피닝(Peening)이 이 기술에서 중요합니다. 용접부와 주물이 식도록 하십시오. 물이나 압축 공기로 냉각 속도를 가속하지 마십시오.
이전 용접이 식는 동안 주물의 다른 영역을 용접할 수 있습니다. 모든 크레이터(Crater)는 채워야 합니다. 가능하면 비드를 같은 방향으로 증착하고, 평행 비드의 끝이 서로 일치하지 않도록 하는 것이 좋습니다.
위에서 언급했듯이 용접봉 선택은 주철 용접에 중요하지만, 대부분의 전문가는 니켈봉 사용을 권장합니다.
이 전극은 다른 옵션보다 비싸지만 최고의 결과를 제공합니다. 99% 니켈봉은 가공 가능한 용접부를 생성하며, 저인 또는 중인 함량 주물에 가장 적합합니다. 순수 니켈봉은 부드럽고 연성 있는 용접 금속을 생성합니다.
99%봉보다 저렴하며, 이 또한 가공 가능하고 두꺼운 단면 수리에 자주 사용됩니다. 낮은 열팽창 계수로 인해 99%봉보다 융합선 균열이 적게 발생합니다. 이 페로-니켈봉은 주철을 강철에 용접하는 데 이상적입니다.
더 저렴한 옵션으로 강철봉도 있지만, 니켈봉만큼 효과적이지는 않습니다.
강철봉은 세 가지 중 가장 저렴한 옵션으로 소규모 수리와 충전에 가장 적합합니다. 강철 전극은 단단한 용접부를 생성하여 마무리를 위해 추가 연마가 필요하며 가공할 수 없습니다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 강철봉은 색상 매칭을 제공하며 니켈봉보다 완전히 깨끗하지 않은 주물을 더 잘 견딥니다.
산소-아세틸렌 브레이징 또는 TIG 용접기로 봉을 사용할 수 있습니다. 주철 특성의 변화와 균열 없이 크랙이나 두 부품 접합에 강한 결합을 제공하는 좋은 방법입니다.
대부분의 용접과 마찬가지로 표면이 깨끗할수록 용접 품질이 좋아집니다. 때로는 용접하려는 재료가 평생 동안 주물 전체에 흄이나 오일이 스며들어 있어 용접에 어려움을 겪습니다. 주철 용접 시 주의할 점이 있습니다.
MG-289 주철 용접 합금봉과 같이 오염된 주철용으로 설계된 용접 소모재를 사용하는 것이 용접이 충분한지 확인하는 가장 좋은 방법입니다.
피닝은 식는 동안 부드러운 용접부를 볼펜 해머로 두드려 균열을 방지하는 과정입니다. 이는 주의해서 수행해야 하며 용접부가 변형될 수 있을 때만 해야 하지만, 항상 필요한 것은 아닙니다. 균열의 주원인은 부품의 불규칙적이거나 급격한 가열 또는 냉각이기 때문입니다. 예열과 서냉이 가장 중요합니다.
뜨겁게 용접할지 차갑게 용접할지에 대해 몇 가지 의견이 있습니다. 모두 예열이 좋은 옵션이라는 데 동의하지만, 최소 열로 용접하는 것도 충분하다고 제안하는 사람도 있습니다.
주철 용접 방법을 결정할 때 이 두 가지 접근법 중 하나를 취해야 합니다. 주철은 대부분의 금속과 달리 취성이며 굽힘이나 팽창/수축을 통한 변형 능력이 매우 제한적입니다. 열은 항상 금속에 변형 효과를 주며, 한 부분이 다른 부분보다 빨리 가열되거나 냉각되면 주철이나 용접부에 응력과 균열이 발생합니다.
예열은 용접부 주변 영역을 용접 온도에 가깝게 가져와 전체 부품이 균일하게 변화하도록 하여 이 효과를 최소화합니다. 주철은 1400°F(약 760°C) 이상에서 특성이 변하므로 부품에 과도한 열을 가하지 않는 것이 중요합니다.
예열 없이 최소 열로 차갑게 용접하면 전체 온도를 낮추어 도움이 된다고 생각됩니다. 이는 눈에 보이는 균열을 생성하지 않는 데 유리할 수 있으며, 예열 없는 뜨거운 용접보다 더 강한 용접이 될 수 있습니다. 그러나 내부 응력은 여전히 발생하여 나중에 부품 수명 중 나타날 수 있으며, 적절히 예열 후 용접한 것보다 전반적으로 약한 용접이 됩니다.
주철 제품 수리나 제조를 정기적으로 수행하는 경험 많은 주철 용접사는 항상 예열만 합니다. 이는 용접이 겉보기에 균열이 없는 것뿐만 아니라 내부적으로도 강하도록 보장하는 최선의 방법입니다.
제조공정
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
