전문가 팁: 스테인리스 스틸 용접의 변형 수정

스테인리스 스틸 부품을 제조하는 과정에서 부품의 변형은 용접으로 인해 발생하는 일반적인 문제입니다. 이러한 변형은 용접 열원으로 인한 용접 금속 및 열 영향 영역의 과열로 인해 발생하는 표면 현상일 뿐입니다. 이러한 과열은 종종 용접 금속과 열 영향 영역에 거친 입자 구조를 만들어 결함을 유발하고 금속의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 부정적인 영향을 방지하고 부품의 온도를 제어하려면 부품의 온도를 조절하는 것이 중요합니다. 그러나 부품이 식을 때까지 기다렸다가 다음 작업을 진행해야 합니다. 용접 프로세스 는 시간이 많이 걸리고 업무 효율성에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 몇 가지 솔루션이 제안되었습니다. 특정 용접 공정에서 부품의 부피는 부품의 밀도와 밀접한 관련이 있습니다. 용접 비드 그리고 용접 발. 예를 들어 스테인리스 강판 부품을 가공할 때 용접 중에 열원(아크)이 모재(부품)를 녹여 용융 풀을 형성합니다. 자연 냉각 및 결정화 후에는 용접 솔기 가 형성됩니다.

그러나 부품이 너무 작으면 용접 열 를 빠르게 배포할 수 없어 부품이 왜곡되고 모양과 모양에 영향을 미칩니다. 이 문제를 해결하려면 몇 가지 측면을 해결해야 합니다.

용접 구성표

현재 두 가지 일반적인 용접 방법이 사용됩니다. 스테인리스 스틸 용접 대부분의 공장에 있습니다:

⑴ 수동 금속 아크 용접(MMAW)

차폐 금속 아크 용접(SMAW) 또는 스틱 용접이라고도 하는 수동 금속 아크 용접(MMAW)은 용접기에게 상당한 기술과 전문성이 요구되는 전통적인 용접 방법입니다. 이 프로세스에는 소모성 전극과 공작물 사이에 전기 아크를 생성하여 금속을 녹이고 결합하는 과정이 포함됩니다.

MMAW는 재료 호환성 및 휴대성 측면에서 다양한 기능을 제공하지만 몇 가지 과제를 안고 있습니다:

1. 열 입력: 이 공정에서는 상당한 열이 발생하여 재료의 미세 구조에 열 변형과 변화를 일으켜 용접 조인트의 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다.
2. 용접 후 처리: 높은 열 투입량과 슬래그 내포물과 같은 잠재적 결함으로 인해 용접 후 광범위한 세척 및 열처리가 필요할 수 있으며, 전체 처리 시간이 늘어날 수 있습니다.
3. 품질 관리: 일관된 용접 품질을 달성하는 것은 용접공의 기술에 크게 의존하기 때문에 대규모 생산 공정에서 균일한 결과를 유지하기가 더 어렵습니다.
4. 생산성: 전극을 자주 교체하고 패스 사이에 슬래그를 제거해야 하는 경우 전반적인 용접 효율이 저하될 수 있습니다.

이러한 한계에도 불구하고 MMAW는 그 장점으로 인해 다양한 애플리케이션에서 여전히 유용하게 사용되고 있습니다:

1. 장비의 단순성: 용접 설정은 전원, 전극 홀더, 접지 클램프로 구성되어 비교적 간단하므로 현장 수리 및 원격 위치에 적합합니다.
2. 재료 유연성: 다양한 전극 유형을 사용할 수 있는 MMAW는 강철, 스테인리스강, 주철 및 일부 비철 합금을 포함한 다양한 금속을 용접하는 데 사용할 수 있습니다.
3. 적응성: 실외 환경에서도 잘 작동하며 복잡한 장비가 비실용적일 수 있는 좁은 공간에서도 사용할 수 있습니다.
4. 비용 효율성: 소규모 작업이나 빈번하지 않은 용접 작업의 경우 초기 장비 비용이 낮기 때문에 MMAW는 경제적인 선택이 될 수 있습니다.

MMAW 공정을 최적화하기 위해 최근의 개발은 전극 배합 개선, 펄스 전원 구현, 가상 현실 시뮬레이션을 통한 용접기 교육 강화에 중점을 두고 있습니다. 이러한 발전은 방법 고유의 유연성과 단순성을 유지하면서 기존의 몇 가지 한계를 완화하는 것을 목표로 합니다.

가스 차폐 용접 ⑵ 가스 차폐 용접

가스 차폐 아크 용접에는 스테인리스강 용접에 특히 효과적인 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW) 및 가스 금속 아크 용접(GMAW)을 비롯한 여러 기술이 포함됩니다. 이러한 방법은 아르곤과 같은 불활성 가스 또는 활성 가스 혼합물(MAG 용접의 경우)을 차폐 매체로 사용합니다. 가스 차폐 용접의 장점은 빠른 용접 속도, 열 영향 구역(HAZ) 최소화, 용접 후 처리 요구 사항 감소 등입니다.

스테인리스 스틸 용접의 경우 열 변형을 최소화하고 재료 특성을 유지하기 위해 가스 차폐 공정을 적극 권장합니다. 용접 순서를 설계할 때는 균형 용접(좌우 교대), 대칭 용접 패턴, 백스텝 용접과 같은 왜곡 제어 기술을 구현하는 것이 중요합니다. 이러한 방법은 내부에서 외부로 용접하고, 작은 용접에서 큰 용접으로 진행하며, 짧은 용접에서 긴 용접 순서로 진행한다는 주요 원칙을 따라야 합니다.

용접 매개변수, 특히 전류와 전압은 용접 품질과 변형에 큰 영향을 미칩니다. 스테인리스 스틸 부품의 두께가 증가함에 따라 용접 전류도 그에 비례하여 조정해야 합니다. 그러나 열 입력을 정밀하게 제어하는 것이 중요합니다. 전류가 충분하지 않으면 용융 부족 또는 관통 결함이 발생할 수 있고, 전류가 과도하면 얇은 부분에서 왜곡, 입자 성장 또는 번스루가 발생할 수 있습니다.

용접 성능을 최적화하려면 재료 두께, 접합부 설계 및 특정 용접 요구 사항에 따라 매개변수를 미세 조정해야 합니다. 예를 들어

• 얇은 시트(3mm 미만): 열 입력이 낮은 펄스 GTAW 사용
• 중간 두께(3-10mm): 스프레이 전송 모드가 있는 GMAW 고려
• 두꺼운 플레이트(> 10mm): 높은 증착률을 위해 멀티 패스 GMAW 또는 서브머지드 아크 용접을 사용합니다.

또한 최적의 용접 품질을 달성하고 스테인리스 스틸 제작 시 왜곡을 최소화하려면 적절한 용가재(예: 304 스테인리스 스틸의 경우 ER308L)를 선택하고 올바른 이송 속도를 유지하는 것이 필수적입니다.

용접 기술

작고 간단한 부품

예를 들어 용접 방식이 L자형, T자형 또는 평평한 평면에서 겹치는 부품인 경우 그림 1과 같이 부품 아래에 구리판(두께 8mm 이상)을 추가할 수 있습니다.

그림 1 동판 하부 부품

구리의 열전달 효율은 강철보다 높기 때문에 구리판을 사용하면 다음을 쉽게 제거 할 수 있습니다. 용접 열 부품의 열 변형을 최소화합니다.

부품이 평평하지 않거나 부풀어 오르기 쉬워 동판과 밀착하기 어려운 경우, 흡수성이 높은 두꺼운 면 소재나 물에 적신 매트를 부품의 용접 비드 아래에 놓을 수 있습니다. 이렇게 하면 변형을 효과적으로 줄일 수 있습니다.

크고 복잡한 부품 ⑵ 대형 부품

부품의 모양이 복잡하거나 동판을 넣을 공간이 없는 경우 위의 솔루션이 불가능할 수 있습니다. 이러한 경우에는 수냉 방식을 사용해야 합니다(그림 2 참조).

그림 2 수냉 방식

수냉식 냉각은 일반적으로 두 가지 범주로 분류됩니다:

스프레이 냉각:

이 방법에서는 부품의 용접 비드 뒷면에 물을 분사하므로 면적이 넓은 부품에 적합합니다. 용접 위치로 물이 흐르지 않도록 T자형 또는 L자형 오버랩의 물 흐름 각도를 조정하는 것이 중요합니다.

이 방법의 장점은 효율적인 냉각을 제공하고 대량 생산에 편리하다는 것입니다. 그러나 단점은 특수 장비가 필요하고 단일 유형의 가공 부품에만 적합하다는 것입니다.

습식 모래 냉각:

스프레이 냉각 방식은 평면형에는 적용되지 않습니다. 조인트 용접 용접 경로에 물이 유입되지 않도록 보장할 수 없기 때문입니다. 대신 습식 모래 냉각 방법을 사용할 수 있습니다. 이 방법은 용접 부품보다 큰 용기에 모래를 채우고 모래를 물로 완전히 포화시킨 다음 용접하기 전에 부품을 젖은 모래 위에 평평하게 놓는 것입니다.

이렇게 하면 부품의 용접 비드 뒷면이 젖은 모래와 완전히 접촉하여 용접을 시작할 수 있습니다. 이 방법의 장점은 조작이 간단하고 모든 작업에 적합하다는 것입니다. 복잡한 모양. 단점은 큰 부품을 제작하기가 쉽지 않다는 것입니다.

대형 플레이트 부품의 용접

일반적으로 두께가 6mm 이상인 부품의 용접을 말합니다. 부품의 크기가 크고 용접 길이가 길며 용접 높이가 높기 때문에(용융 풀 영역이 넓고 핫존이 넓음) 용접 중에 열 변형으로 인한 굽힘 변형이 발생할 수 있습니다. 이 문제를 해결하려면 몇 가지 조치를 취해야 합니다:

용접 전에 적절한 냉각 조치를 준비해야 합니다(소형 부품의 경우 냉각 계획 참조);

변형에 대한 용접 허용치:

대부분의 부품은 대칭 용접 또는 한쪽 면의 동시 용접이 어렵고 가열이 고르지 않으면 용접 중에 굽힘 변형이 발생합니다. 이를 완화하려면 부품의 길이, 재료의 두께(용접 비드 높이) 및 모양에 따라 부품의 변형을 변형의 반대 방향으로 상쇄해야 합니다.

이를 위해서는 숙련된 엔지니어링 및 기술 인력과 경험을 바탕으로 판단할 수 있는 숙련된 작업자가 필요합니다. 고정 장치를 사용하여 부품을 고정하고 첫 번째 부품을 제작한 후 실제 효과에 따라 미세 조정이 이루어집니다.

그림 3 변형에 대한 용접 허용치

스테인리스 스틸 부품 용접 후 스트레스 완화

스테인리스강 용접은 열전도율이 낮고 전기 저항과 열팽창 계수가 높기 때문에 일반 탄소강에 비해 고유한 어려움이 있습니다. 이러한 특성으로 인해 용접 과정에서 열 방출이 느려지고 열 변형이 커집니다.

제작 후 표면 변형이 즉시 드러나지 않더라도 스테인리스 스틸 부품은 운송, 진동, 이동 또는 온도 변동 중에 치수 변화가 발생할 수 있습니다. 이러한 변화는 용접된 부품의 외관, 치수 정확도 및 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 대형 스테인리스 스틸 부품, 특히 용접 관통력이 높고 용융 풀이 큰 두꺼운 섹션과 여러 개의 용접 비드가 있는 부품의 경우 제작 후 응력 완화는 매우 중요합니다. 응력 완화는 자연 에이징 또는 인공 에이징의 두 가지 주요 방법을 통해 이루어질 수 있습니다.

자연 노화는 대형 주물에는 일반적으로 사용되지만, 공정이 길고 예측하기 어렵기 때문에 일반적으로 용접 스테인리스 스틸 부품에는 적합하지 않아 최신 제조 일정에 맞게 제어하고 통합하기 어렵습니다.

보다 통제된 접근 방식인 인공 에이징은 열처리 에이징과 진동 에이징으로 더 세분화할 수 있습니다:

1. 열처리 에이징:
   이 방법은 용접된 부품을 550°C에서 650°C 사이의 온도로 가열하여 응력 완화 어닐링을 수행합니다. 자연 노화보다 시간 효율적이지만, 많은 제조 시설에 부족한 특수 장비가 필요한 경우가 많습니다. 이 공정을 아웃소싱하면 운송 비용과 잠재적인 취급 위험이 증가하여 광범위한 채택이 제한될 수 있습니다.
2. 진동 에이징:
   진동 에이징은 용접된 스테인리스강 부품의 내부 잔류 응력을 제거하기 위해 선호되는 방법으로 부상했습니다. 이 기술은 제어된 진동을 통해 내부 잔류 응력으로 인한 소성 변형을 줄입니다. 프로세스에는 다음이 포함됩니다:

• 용접된 부품에 편심 블록(진동기)이 있는 모터 시스템을 배치합니다.
• 고무 패드와 같은 탄성 요소에 컴포넌트를 지지합니다.
• 컨트롤러를 사용하여 모터를 시동하고 속도를 조절하여 부품의 공진을 달성합니다. 일반적인 진동 처리는 20~30분 동안 진행되며, 내부 응력을 효과적으로 재분배합니다. 과도한 처리를 방지하기 위해 누적 진동 시간은 40분을 초과하지 않아야 합니다. 진동 에이징의 장점은 다음과 같습니다:
• 최소한의 처리 사이트 요구 사항
• 간단한 조작 및 기존 생산 라인과의 통합
• 구성 요소의 구조나 외관을 변경하지 않습니다.
• 치수 안정성 보존
• 열처리 방법 대비 비용 효율성

이러한 장점으로 인해 진동 에이징은 많은 스테인리스 스틸 제조 시설에서 선호하는 응력 완화 방법이 되었습니다. 이 방법은 구조적 무결성이나 표면 마감을 손상시키지 않으면서 용접된 스테인리스강 부품의 장기적인 안정성과 성능을 향상시키는 효율적이고 경제적이며 비침습적인 솔루션을 제공합니다.

결론

용접 변형은 스테인리스 스틸 제조의 고유한 과제로 남아 있으며, 용접 부품의 정밀도와 기능에 큰 영향을 미칩니다. 이러한 영향을 완화하려면 고급 용접 기술, 최적화된 프로세스 매개변수 및 전략적 계획을 통합하는 포괄적인 접근 방식이 필요합니다. 주요 중점 분야는 다음과 같습니다:

1. 용접 방법론: 펄스 아크 용접과 같은 적절한 기술 선택 또는 레이저 용접 를 사용하여 열 입력과 그로 인한 왜곡을 최소화합니다.
2. 매개변수 최적화: 전류, 전압, 이동 속도와 같은 변수를 미세 조정하여 최적의 열 분배 및 냉각 속도를 달성합니다.
3. 시퀀싱 전략: 균형 잡힌 용접 순서와 간헐적 용접 기술을 구현하여 열 응력을 고르게 분산시킵니다.
4. 고정 및 포지셔닝: 고급 지그와 픽스처를 활용하여 용접 공정 전반에 걸쳐 치수 안정성을 유지합니다.
5. 용접 후 처리: 잔류 응력을 완화하기 위해 용접 후 열처리(PWHT) 또는 기계적 응력 완화와 같은 기술을 적용합니다.
6. 예측 모델링: 유한 요소 분석(FEA)과 전산 유체 역학(CFD)을 사용하여 잠재적인 변형 문제를 예측하고 선제적으로 해결합니다.

용접 변형을 효과적으로 제어하려면 엔지니어링 팀과 용접 작업자 간의 시너지 효과가 있는 협력이 필요합니다. 이러한 파트너십은 이론적 원리, 경험적 데이터, 실시간 프로세스 피드백을 활용하여 적응형 제작 전략을 개발해야 합니다. 제조업체는 최첨단 시뮬레이션 툴과 작업 현장의 전문 지식을 통합함으로써 반복적으로 접근 방식을 개선하여 왜곡을 최소화할 수 있습니다.

또한 현장 모니터링 시스템 및 머신 러닝 알고리즘과 같은 인더스트리 4.0 기술을 도입하면 용접 공정에 대한 실시간 인사이트를 제공하여 최적의 조건을 유지하기 위한 동적 조정이 가능합니다. 이러한 데이터 기반 접근 방식은 제품 품질을 향상시킬 뿐만 아니라 지속적인 프로세스 개선과 지식 축적에도 기여합니다.

이러한 다각적인 접근 방식을 통해 용접 변형을 엄격하게 해결함으로써 제조업체는 다양한 산업 응용 분야에서 점점 더 엄격해지는 공차 및 성능 기준을 충족하는 고정밀 스테인리스강 부품을 일관되게 생산할 수 있습니다.