니켈 합금 용접 마스터하기: 종합 기술 및 모범 사례

니켈 합금은 뛰어난 다용성, 내식성, 고온 성능으로 인해 선택됩니다. 당연히 이는 항공기 터빈, 증기 터빈, 원자력 발전소, 석유화학 및 화학 산업 등 극한 환경에서 니켈 합금을 인기 있는 선택으로 만듭니다.

극한 환경에서 사용되므로 니켈 합금의 용접부는 일관된 특성을 가져야 하며, 이것이 완제품이 가혹한 환경을 견디는 유일한 방법입니다. 또한 용접부는 고품질이어야 하며 결함이 거의 없어야 합니다. 결함도 가혹한 환경에서 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

니켈 합금이란?

니켈 합금은 일반적으로 다재다능한 원소인 니켈을 주성분으로 하는 합금으로 정의됩니다. 역사적으로 니켈 합금은 50% 이상의 니켈을 함유한 것으로 정의되었습니다. 그러나 오늘날 사용되는 니켈 합금은 일반적으로 50% 이상의 니켈 함량을 가집니다. 예:

• Inconel 718: 19Cr 3Mo .9Ti 5.1Cb .5Al 18Fe 균형 Ni
• Hastelloy X: 22Cr 1.5Co 9Mo .6W 18.5Fe 균형 Ni

니켈 용접

니켈 용접은 다양한 니켈 합금을 사용하여 수행됩니다. 스틱, MIG, TIG 공정 등 아크 용접을 사용할 수 있습니다. 특히 스틱 용접을 사용하면 모재보다 더 강한 용접부를 만들 수 있습니다. 니켈 MIG 용접의 경우 보호 가스는 헬륨과 아르곤 50/50 혼합입니다.

모든 일반적인 용접 공정은 니켈 합금 용접에 적합합니다. 주요 차이는 열팽창에 있습니다. 니켈 합금은 스테인리스강보다 낮은 열팽창 계수를 가지며, 변형 제어 방법은 탄소강에 사용하는 것과 유사합니다.

니켈 합금은 단조 용접과 산소-아세틸렌 용접을 제외하고 모든 유형의 용접 공정이나 방법으로 신뢰성 있게 접합할 수 있습니다. 단조 니켈 합금은 오스테나이트계 스테인리스강을 용접하는 조건과 유사한 조건에서 용접할 수 있습니다. 주조 니켈 합금, 특히 실리콘 함량이 높은 것은 용접에 어려움이 있습니다.

비시효경화(고용체 강화) 단조 니켈 합금 용접에 가장 널리 사용되는 공정은 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW), 피복 금속 아크 용접(SMAW)입니다. 서브머지드 아크 용접(SAW)과 일렉트로슬래그 용접(ESW)도 제한적으로 적용 가능하며, 아크 플라즈마 용접(PAW)도 마찬가지입니다. 시효경화 합금 용접에는 GTAW 공정이 선호되지만, GMAW와 SMAW 공정도 사용됩니다.

니켈 합금은 일반적으로 용체 처리 조건에서 용접됩니다. 시효경화(PH) 합금은 높은 잔류 응력을 유발하는 작업을 거친 경우 용접 전에 어닐링해야 합니다.

니켈 합금 용접 시 일반적인 문제

니켈 합금 용접 시 가장 일반적이고 심각한 문제는 열균열(Hot cracking)입니다. 이는 융합선, HAZ, 또는 용접 금속(융합 구역)에서 발생할 수 있으며, 융합선이 가장 흔히 영향을 받습니다.

일반적으로 합금 내 황 또는 표면의 황이 이 균열을 유발하지만, 비스무트, 납, 인, 붕소도 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 이를 방지하려면 HAZ와 용접 금속이 오일, 그리스, 먼지 및 기타 오염 물질로부터 완전히 깨끗해야 합니다. 용접 필러나 모재의 과도한 황도 문제를 일으킬 수 있습니다.

재료 준비에는 탈지 후 철저한 스테인리스강 또는 기계 와이어 브러싱이 필요합니다. 니켈 합금용으로 설계된 용제를 사용하고, 후속 오염을 방지하기 위해 세척 후 8시간 이내에 용접이 이루어지도록 해야 합니다.

열처리는 전기 노 또는 황 없는 연료, 진공 또는 불활성 환경에서만 수행해야 합니다.

이미 사용되었거나 수리 중인 재료는 용접 수리 영역 표면에 포집되었을 수 있는 오염 물질을 제거하기 위해 연마 또는 가공해야 합니다.

기공(Porosity)도 문제이며, 특히 산소나 수소가 공기 포집 형태로 용융 풀에 표면 오염을 일으킬 때 발생합니다. 이를 방지하려면 용접면과 루트 양쪽에 효율적인 가스 퍼지 및 차폐가 필요하며, 모든 가스 호스는 완벽한 상태여야 합니다. 용접 영역은 외부 통풍으로부터도 차단되어야 합니다.

니켈 합금 용접 준비

니켈 합금 용접 시 용접 준비는 필수적입니다. 설계에서 가장 중요한 측면은 용접 토치에 충분한 접근성이 있고, 필요한 경우 완전 관통이 가능하도록 보장하는 것입니다.

최적의 맞대기 조인트 설계는 스퀘어 맞대기(Square butt)이지만, 관통 불가능으로 인해 두께에 제한이 있습니다. 따라서 10mm 두께에서 30°~40° 각도의 U 또는 V 준비가 종종 사용되어 관통과 후속 충진 패스를 가능하게 합니다.

가스 준비 측면에서, 불활성 가스 혼합에 최대 10% 수소를 첨가하면 용융 풀의 유동성이 향상될 수 있습니다.

결로 제거가 필요한 경우가 아니면 니켈 합금 용접에 예열은 필요하지 않습니다. 니켈 용접은 일반적으로 최대 층간 온도 250°C를 요구하지만, 특정 합금은 최대 100°C만 사용해야 합니다.

용접 후 용융 풀 표면에 형성될 수 있는 부착 산화물 층을 제거하기 위해 약간의 연마가 필요할 수 있습니다. 때로는 와이어 브러싱만으로는 이 용접 후 잔여물을 제거하기에 충분하지 않습니다.

용접 후 처리

내식성을 유지하거나 복원하기 위해 열적 또는 화학적 용접 후 처리는 필요하지 않지만, 경우에 따라 완전 용체 어닐링이 내식성을 향상시킬 수 있습니다.

열처리는 사양 요구 사항을 충족하기 위해 필요할 수 있습니다. 예를 들어, 가공 구조물의 응력 제거로 시효 경화나 불화수소 증기 또는 가성소다에서의 용접부 응력 부식 균열(SCC)을 방지합니다. 용접이 중간~높은 잔류 응력을 유도하면 PH 합금은 용접 후 시효 전에 응력 완화 어닐링이 필요합니다.

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

작업물은 가열하거나 용접하기 전에 이물질이 완전히 없어야 합니다. 공장 먼지, 오일, 그리스는 증기 탈지 또는 아세톤이나 기타 무독성 용제로 닦아 제거할 수 있습니다.

탈지 용제에 용해되지 않는 페인트 및 기타 물질은 염화메틸렌, 알칼리 세척제, 특수 전용 화합물 사용이 필요할 수 있습니다. 탄산나트륨을 함유한 알칼리 세척제를 사용하는 경우 용접 전 세척제 자체를 제거해야 합니다. 뜨거운 물로 분무 또는 스크러빙하는 것이 권장됩니다. 마킹 잉크는 보통 알코올로 제거할 수 있습니다.

작업 금속에 박힌 가공 물질은 연마, 연마 블라스팅, 10% HCl 용액으로 닦은 후 철저한 물 세척으로 제거할 수 있습니다. 산화물도 용접 작업에 관여하는 영역에서 제거해야 합니다. 주로 산화물과 모재의 융점 차이 때문입니다. 산화물은 일반적으로 연마, 가공, 연마 블라스팅, 피클링으로 제거됩니다.

니켈 합금(주조 및 단조, 고용체 강화 또는 시효경화)은 모두 GTAW 공정으로 용접할 수 있습니다. 필러 추가는 일반적으로 권장됩니다. 직류 전극 음극(DCEN)은 수동 및 기계 용접 모두에 권장됩니다.

보호 가스

아르곤 또는 헬륨, 또는 두 가스의 혼합물이 니켈 및 니켈 합금 용접의 보호 가스로 사용됩니다. 아르곤 가스에 산소, 이산화탄소, 질소 첨가는 일반적으로 기공 또는 전극 침식을 유발합니다. 소량의 수소(일반적으로 5%)를 함유한 아르곤을 사용할 수 있으며, 이는 순수 니켈의 기공을 방지하고 용접 중 산화물 형성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

주조 니켈 합금 용접

주조 니켈 합금은 GTAW, GMAW, SMAW 공정으로 접합할 수 있습니다. 최적의 결과를 위해 용접 전 주물을 용체 어닐링하여 주조 응력을 일부 완화하고 주조 구조의 균질화를 제공해야 합니다.

첫 패스 후 응고된 금속을 가볍게 피닝하면 응력이 완화되어 용접 금속과 주조 금속 접합부의 균열이 감소합니다. 후속 패스의 피닝은 거의 또는 전혀 이점이 없습니다. 용접 후 응력 제거도 바람직합니다.