구리 및 스테인리스 스틸 용접 방법 알아보기

1. 개요

구리를 스테인리스강에 용접하는 것은 현대 야금학에서 매우 중요하면서도 까다로운 공정으로, 주로 구리 침투 균열의 내재적 위험성 때문에 발생합니다. 액체 금속 취성(LME)이라고도 하는 이 현상은 용융된 구리가 스테인리스강의 입자 경계에 침투하여 접합부의 구조적 무결성을 손상시킬 때 발생합니다.

침투 크래킹의 위험을 완화하려면 두 가지 접근 방식이 필수적입니다:

1. 프로세스 최적화:
   • 펄스 가스 텅스텐 아크 용접(GTAW)과 같은 열 입력을 최소화하는 적절한 용접 기술을 선택하거나 고급 레이저 용접 메서드.
   • 용접 파라미터, 특히 열 입력 및 인터패스 온도를 정밀하게 제어하여 열 영향 구역(HAZ)을 제한하고 구리 이동 가능성을 줄이세요.
2. 재료 공학:
   • 니켈 기반 합금(예: ERNiCu-7 또는 ERNiCrMo-3)과 같은 이종 금속 용접을 위해 특별히 설계된 필러 재료를 활용하세요.
   • 용접 풀의 구성을 다음과 같이 주의 깊게 관리하세요:
     a) 저융점 공융체를 형성하기 쉬운 원소(예: S, P, O)를 최소화합니다.
     b) 용접 야금을 향상시키고 균열 형성에 저항하기 위해 Al, Si, Mn, V, Mo 및 Ni와 같은 합금 원소를 통합합니다.

이러한 가이드라인을 꼼꼼하게 준수함으로써 제작업체는 관통 균열의 위험을 크게 줄이고 구리와 스테인리스강 사이의 견고하고 무결성이 높은 접합부를 얻을 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 구조적 건전성을 보장할 뿐만 아니라 석유화학, 발전 및 첨단 제조와 같은 산업 전반의 까다로운 애플리케이션에서 용접 부품의 성능을 최적화합니다.

2. 용접 방법

수동 아크 용접

구리 및 스테인리스강에 수동 아크 용접을 사용할 때는 오스테나이트강을 선택하는 것이 중요합니다. 스테인리스 스틸 전극 열 균열의 가능성을 높일 수 있습니다.

이러한 이유로 니켈 구리를 선택하는 것이 좋습니다. 용접봉 (70% 니켈 및 30% 구리) 또는 니켈 기반 합금 전극을 사용할 수 있습니다. 대안으로 구리 용접 막대(T237).

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용접 과정에서 아크를 흔들지 않고 작은 직경과 낮은 전류를 사용하는 빠른 용접 기술을 채택하는 것이 좋습니다. 또한 아크는 구리 쪽을 향해 기울어져 있어야 관통 균열의 위험을 줄일 수 있습니다.

서브머지드 아크 용접

구리와 스테인리스강의 서브머지드 아크 용접(SAW)에서 가장 중요한 과제는 균열 형성을 방지하고 다공성을 최소화하는 것입니다. 이러한 문제는 두 재료의 열적 및 기계적 특성이 서로 다르기 때문에 특히 중요합니다.

이러한 문제를 완화하려면 세심한 표면 준비가 필수적입니다. 용접 직전에 용접물과 용접 와이어의 표면을 깨끗이 세척하고 탈지합니다. 이 단계에서는 내포물을 유발하거나 용접 무결성을 손상시킬 수 있는 오염 물질을 제거합니다.

두께가 8~10mm인 용접물의 경우 일반적으로 70° 비대칭 V자형 홈이 사용됩니다. 구리 쪽의 그루브 각도는 40°로 설정되고 스테인리스 스틸(1Cr18Ni9Ti) 쪽은 30°로 경사지게 됩니다. 이러한 비대칭은 재료의 서로 다른 열 전도성을 수용합니다.

HJ431 또는 HJ430 플럭스를 권장합니다. HJ430 플럭스는 200°C에서 2시간 동안 구워 수분을 제거해야 하며, 이는 수소로 인한 다공성을 줄이는 데 중요합니다. 구리 기반 용접 와이어를 기본 필러 재료로 사용합니다. 더 나은 금속 결합을 촉진하고 균열의 위험을 줄이려면 1~3개의 니켈 또는 니켈-구리 합금 와이어를 그루브 내에 전략적으로 배치합니다. 이는 서로 다른 금속 사이의 과도기적 층 역할을 합니다.

적절한 침투와 융합을 보장하려면 유사한 금속 용접에 일반적으로 사용되는 것보다 높은 용접 에너지 레벨을 사용합니다. 수냉식 구리 백킹 바를 사용하여 열 입력을 제어하고 구리 베이스 재료가 과도하게 녹는 것을 방지합니다. 용접 와이어를 홈 중심선에서 약 5~6mm 오프셋하여 구리 쪽에 유리하도록 배치합니다. 이 기술은 구리의 높은 열전도율을 보완하고 접합부 전체에 더 고른 열 분배를 촉진합니다.

열 응력을 관리하고 열 균열을 방지하기 위해 인터패스 온도를 주의 깊게 모니터링하고 제어하세요. 잔류 응력을 완화하고 용접 조인트의 기계적 특성을 최적화하기 위해 용접 후 열처리가 필요할 수 있습니다.

순수 구리 및 스테인리스 스틸의 서브머지드 아크 용접 공정 파라미터

아르곤 텅스텐 아크 용접(TIG)

TIG 용접은 구리, 구리 합금 및 스테인리스 스틸을 접합할 때 고품질의 접합부를 생성할 수 있습니다. 하지만 최적의 결과를 얻으려면 특정 기술을 숙달해야 합니다. 주요 조인트 구성은 그루브의 맞대기 및 코너 조인트입니다. 이종 금속 용접의 경우 구리 쪽은 정사각형으로 남겨두고 스테인리스 스틸 쪽에 반 V자 홈을 준비하는 것이 좋습니다.

용접 전에는 철저한 표면 준비가 중요합니다. 용접 표면을 깨끗이 닦고 조인트의 앞면과 뒷면 모두에 특수 플럭스 조성물(70% H3BO3, 21% Na2B4O2, 9% CaF2)을 도포합니다. 용접 공정을 시작하기 전에 플럭스가 완전히 마를 때까지 기다리세요.

성공적인 이종 금속 용접을 위해서는 필러 금속 선택이 중요합니다. 선호되는 옵션으로는 모넬 합금(70% Ni, 30% Cu) 또는 실리콘과 알루미늄이 포함된 구리 합금(예: HS221, QAI9-2, QAI9-4, QSi3-1 또는 QSn4-3)이 있습니다. 이러한 필러 금속은 조인트의 용접성과 기계적 특성을 향상시킵니다.

TIG 용접 시에는 정확한 아크 위치 지정이 필수적입니다. 텅스텐 아크를 구리 쪽으로 바이어스하여 홈 중심선에서 5-8mm 오프셋을 유지합니다. 이 기술은 스테인리스 스틸의 용융을 제어하여 금속 간 화합물 형성의 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다.

용접 공정에는 일반적으로 구리, 구리-니켈 또는 알루미늄-청동 필러 와이어가 사용됩니다. 이러한 재료는 용접 금속의 기계적 특성을 개선하고 구리 관통 균열의 위험을 완화합니다. 일반적으로 진동이 없는 직선 비드 기법이 선호되며, 더 높은 이동 속도를 활용하여 열 입력을 최소화합니다.

아르곤 아크 용접-브레이징 하이브리드 공정을 구현할 때는 스테인리스 스틸 측의 용융을 최소화해야 합니다. 이 접근 방식은 스테인리스 스틸 인터페이스에 브레이징 연결부를 만들고 구리 쪽에 용융 용접 조인트를 생성하여 이종 금속 간의 야금 호환성을 최적화합니다.

황동을 스테인리스강에 TIG 용접할 때의 구체적인 공정 파라미터는 첨부된 그림을 참조하세요. 이러한 매개변수는 시작점 역할을 하며 재료 두께, 조인트 설계 및 특정 합금 구성에 따라 미세 조정이 필요할 수 있습니다.

황동 H62Sn-1 및 스테인리스강 1Cr18Ni9Ti의 TIG 용접

가스 용접

가스 용접은 구리 및 스테인리스 스틸에 적용할 경우 아크 용접 공정에 비해 화염 온도가 낮기 때문에 고유한 과제를 안고 있습니다. 이러한 온도 차이는 몇 가지 합병증을 유발할 수 있습니다:

1. 고르지 않은 용융: 구리(1084°C)와 스테인리스강(1400~1450°C)의 융점 차이로 인해 기본 금속이 균일하지 않게 녹을 수 있습니다.
2. 확장된 열 영향 영역(HAZ): 두 재료를 녹이는 데 필요한 열을 장시간 가하면 HAZ가 더 넓어져 모재의 미세 구조와 특성이 변경될 수 있습니다.
3. 변형 증가: 가열 시간이 길어지면 열팽창과 수축이 발생하여 용접된 부품이 변형될 수 있습니다.
4. 불융착 위험: 열 침투가 부적절하거나 필러 금속을 잘못 선택하면 모재와 필러 재료가 융합되지 않을 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하려면 적절한 필러 금속을 선택하는 것이 중요합니다. 순수 구리와 18-8 스테인리스강을 접합할 때는 HSCuZn-2(60% Cu, 40% Zn), HSCuZn3(59% Cu, 41% Zn) 또는 HSCuZnNi(54-56% Cu, 43.5-45.5% Zn, 0.5-1.5% Ni) 같은 구리 아연 합금 용접 와이어가 일반적으로 사용되죠. 이러한 필러 금속은 강도, 내식성 및 두 기본 금속과의 호환성이 균형을 이룹니다.

중성 불꽃 용접의 경우, 301 용접 분말(일반적으로 붕사, 붕산 및 기타 플럭싱제의 혼합물) 또는 순수 붕사를 플럭스로 사용하여 용접 풀을 산화로부터 보호하고 습윤 특성을 개선할 수 있습니다.

장시간 용접할 때 열 입력 불일치를 완화하는 기술로는 용접 전에 스테인리스 스틸 측면의 홈 표면에 황동 층을 증착하는 방법이 있습니다. 이 중간층은 열 완충 역할을 하며 용접 과정에서 서로 다른 두 금속 사이의 열 분포를 균일하게 하는 데 도움이 됩니다.

구리와 스테인리스 스틸의 가스 용접을 최적화하려면 다음 모범 사례를 고려하세요:

1. 구리의 높은 열전도율을 상쇄하려면 약간 산화되는 불꽃을 사용하세요.
2. 온도 구배를 줄이고 왜곡을 최소화하기 위해 공작물을 예열합니다.
3. 적절한 조인트 설계를 사용하여 적절한 열 분배와 침투를 보장합니다.
4. 간헐적 용접 기술을 활용하여 열 입력을 관리하고 전체적인 왜곡을 줄입니다.
5. 잔류 응력을 완화하고 접합 특성을 최적화하기 위해 용접 후 열처리가 필요할 수 있습니다.

브레이징

구리를 스테인리스 스틸에 납땜할 때는 습윤성이 우수하고 융점이 낮은 은 기반 솔더가 주로 사용됩니다. 일반적인 합금으로는 HL302(56% Ag), HL309(50% Ag), HL312(45% Ag)가 있으며, 각 합금은 애플리케이션 요구 사항에 따라 특정 이점을 제공합니다. 브레이징 공정은 일반적인 원칙을 따르지만 온도 제어와 열 분배에 세심한 주의가 필요합니다.

구리-스테인리스강 브레이징의 주요 고려 사항은 다음과 같습니다:

1. 조인트 디자인: 용융된 필러 금속의 모세관 작용을 촉진하기 위해 적절한 맞춤 및 간격(일반적으로 0.002인치~0.005인치)을 확보합니다.
2. 표면 준비: 두 금속을 깨끗이 세척하여 산화물과 오염 물질을 제거합니다. 스테인리스 스틸의 경우 산화 크롬 층을 분해하기 위해 약한 플럭스를 사용해야 할 수 있습니다.
3. 온도 제어: 납땜 온도를 필러 금속의 액체와 모재 금속의 고체 사이의 좁은 범위 내에서 유지하는 것이 성공의 관건입니다. 대부분의 은 기반 솔더의 경우 일반적으로 1150°F~1400°F(620°C~760°C) 사이입니다.
4. 열 적용: 앞서 언급했듯이 가열 시 열원은 구리 쪽으로 편향되어 있어야 합니다. 구리는 스테인리스 스틸보다 열전도율이 높기 때문입니다. 구리에 주로 열을 가하면 두 소재가 보다 균일하게 가열되어 스테인리스 스틸이 국부적으로 과열되어 민감해지거나 뒤틀리는 것을 방지할 수 있습니다.
5. 냉각 속도: 냉각 속도를 제어하여 열 스트레스를 최소화하며, 특히 대형 어셈블리나 열팽창 계수가 다른 이종 금속을 접합할 때 중요합니다.
6. 브레이즈 후 청소: 부식을 방지하기 위해 플럭스 잔여물을 제거하며, 이는 부식성 환경이나 고순도 애플리케이션에서 특히 중요합니다.