고탄소강 용접의 도전 과제 살펴보기

고탄소강은 탄소 함량이 0.6%를 초과하는 것이 특징이며, 이는 야금학적 특성 및 제조 공정에 큰 영향을 미칩니다. 이 강종은 중탄소강에 비해 경화에 대한 민감성이 증가하여 냉간 균열이 발생하기 쉬운 고탄소 마르텐사이트 구조를 형성합니다.

용접하는 동안 고탄소강의 열 영향 영역(HAZ)은 급격한 변형을 겪으며 마르텐사이트가 형성됩니다. 이 미세 구조는 매우 단단하지만 본질적으로 부서지기 쉽습니다. 결과적으로 용접된 조인트의 가소성과 인성이 크게 저하되어 전반적인 용접성이 저하됩니다. 조인트의 무결성과 성능을 유지하려면 특수 용접 기술과 절차를 사용해야 합니다.

이러한 용접 문제 때문에 일반적으로 고탄소강은 용접 구조용으로는 선호되지 않습니다. 하지만 뛰어난 경도와 내마모성으로 인해 회전축, 대형 기어, 커플링과 같은 특정 기계 부품에 매우 유용합니다. 이러한 부품은 재료 사용을 최적화하고 제조 공정을 간소화하기 위해 용접을 통한 접합이 필요한 경우가 많습니다.

중장비 생산에서는 고탄소강 부품의 용접을 피할 수 없을 수 있습니다. 이러한 용도의 용접 절차를 개발할 때는 잠재적인 용접 결함에 대한 종합적인 분석이 중요합니다. 이러한 분석을 통해 적절한 용접 프로세스 파라미터를 구현할 수 있어야 합니다:

1. 정밀한 열 입력 제어
2. 특수 필러 재료 선택
3. 엄격한 예열 및 용접 후 열처리 프로토콜
4. 마르텐사이트 형성을 최소화하기 위한 냉각 속도 제어
5. 품질 보증을 위한 고급 비파괴 검사 방법

1. 고탄소강의 용접성

1.1 용접 방법

뛰어난 경도와 내마모성으로 유명한 고탄소강은 주로 차폐 금속 아크 용접(SMAW), 가스 금속 아크 용접(GMAW) 또는 서브머지드 아크 용접(SAW)을 사용하여 용접합니다. 각 방법은 특정 애플리케이션과 환경 조건에 따라 뚜렷한 이점을 제공합니다.

1.2 용접 소모품

고탄소강용 용접 소모품의 선택은 매우 중요하며, 접합부의 강도를 모재와 항상 일치시킬 필요는 없습니다.

SMAW의 경우 저수소 전극이 선호됩니다:

• 탁월한 탈황 기능
• 증착된 금속의 확산 가능한 수소 함량 최소화
• 강화된 인성 특성

용접 금속과 모재 사이의 강도 매칭이 필요한 경우 적절한 강도 등급의 저수소 전극을 선택합니다. 반대로 강도 매칭이 필수적이지 않은 경우 모재보다 약간 낮은 강도의 저수소 전극을 선택합니다. 용접 균열 가능성을 방지하기 위해 모재보다 강도가 높은 전극을 피하는 것이 중요합니다.

예열이 불가능한 상황에서는 오스테나이트 스테인리스 스틸 전극을 사용할 수 있습니다. 이 전극은 가소성과 균열 저항성이 뛰어난 오스테나이트 용접 구조를 생성하여 열 영향 구역(HAZ)에서 냉간 균열의 위험을 효과적으로 완화합니다.

1.3 공동 준비

용접 금속의 탄소 희석을 최소화하려면 용융 비율을 줄이는 것이 필수적입니다. 이를 위해 일반적으로 U자형 또는 V자형 그루브 디자인을 구현합니다. 적절한 표면 준비가 중요하므로 용접 전에 그루브 양쪽 반경 20mm 이내의 기름 잔여물이나 녹을 철저히 청소해야 합니다.

1.4 예열

구조용 강철 전극을 사용하는 경우 예열은 필수이며 용접 전에 반드시 수행해야 합니다. 최적의 예열 온도 범위는 일반적으로 강철의 탄소 함량과 단면 두께에 따라 250°C에서 350°C 사이입니다.

1.5 인터패스 관리

멀티 레이어 및 멀티 패스 용접 작업에 적합합니다:

• 낮은 전류 설정에서 작은 직경의 전극을 사용하여 첫 번째 패스를 시작합니다.
• 반수직 용접을 위해 공작물을 배치하거나 전극을 직조하는 기술을 사용하여 전체 HAZ를 빠르고 균일하게 가열합니다.
• 이 접근 방식은 예열과 보온을 효과적으로 결합하여 용접 및 HAZ에서 보다 유리한 미세 구조 개발을 촉진합니다.

1.6 용접 후 열처리(PWHT)

용접 직후 공작물을 응력 제거 어닐링합니다:

• 제어된 가열로에 구성 요소를 놓습니다.
• 단면 두께에 따라 결정된 시간 동안 650°C의 온도를 유지합니다.
• 이 프로세스는 잔류 응력을 효과적으로 줄이고 미세 구조를 개선하며 용접 조인트의 전반적인 기계적 특성을 향상시킵니다.

2. 고탄소강의 용접 결함 및 예방 조치

고탄소강은 경화되는 경향이 강하기 때문에 다음 두 가지에 취약합니다. 뜨거운 균열 용접 중 냉간 균열.

2.1 열 균열 예방 조치

(1) 용접 화학 성분 제어

황과 인 함량을 엄격하게 관리하는 것이 중요한데, 이러한 원소는 열균열에 대한 취약성을 크게 증가시킬 수 있기 때문입니다. 동시에 망간 함량을 지정된 한도 내에서 늘리면 용접 미세 구조를 개선하고 연성을 향상시키며 분리 경향을 줄일 수 있습니다. 고강도 강의 경우 니오븀이나 바나듐과 같은 미세 합금 원소를 사용하여 입자 구조를 개선하고 균열 저항성을 개선하는 것도 고려할 수 있습니다.

(2) 용접 단면 형상 최적화

용접 종횡비(깊이 대 너비 비율)는 일반적으로 0.8에서 1.2 사이의 값을 유지하면서 신중하게 제어해야 합니다. 이 범위는 적절한 침투를 보장하면서 중심선 분리를 최소화하는 데 도움이 됩니다. 두꺼운 섹션의 경우, 최적의 종횡비를 달성하고 잔류 응력을 줄이기 위해 좁은 간격 용접 기술을 사용하는 것을 고려하세요.

(3) 용접 강성 관리

고강성 용접물의 경우 종합적인 용접 전략을 구현하세요:

• 전류, 전압, 이동 속도 등 적절한 용접 파라미터를 선택하여 열 입력을 제어합니다.
• 백스텝 또는 블록 용접과 같은 최적의 용접 순서를 설계하여 열을 고르게 분산하고 구속을 최소화합니다.
• 일반적으로 구속력이 높은 영역에서 낮은 영역으로 이동하면서 응력을 완화할 수 있는 용접 방향을 선택합니다.

(4) 열 관리 기술

목표에 맞는 열 관리를 구현하세요:

• 기본 재료를 재료 두께와 구성에 따라 일반적으로 100°C에서 300°C 사이의 온도로 예열합니다. 이렇게 하면 냉각 속도와 수소 확산이 줄어듭니다.
• 인터패스 온도를 제어하여 멀티패스 용접 전체에 걸쳐 일관된 열 조건을 유지합니다.
• 용접 후 열처리 또는 단열 블랭킷 사용과 같은 느린 냉각 조치를 적용하여 응력을 완화하고 냉간 균열의 위험을 줄이세요.

(5) 전극 및 플럭스 구성 최적화

전극 또는 플럭스의 기본성 지수를 일반적으로 1.5 이상으로 높입니다. This:

• 용접 풀의 산소 전위를 감소시켜 산화물 형성을 최소화합니다.
• 유황 및 인과 같은 불순물 제거를 강화합니다.
• 용접 금속의 탈산제 흡수 능력을 향상시켜 다공성을 줄이고 기계적 특성을 향상시킵니다.

2.2 콜드 크랙 예방 조치

(1) 예열 및 제어 냉각

용접 전 모재를 예열하고 용접 후 냉각을 제어하는 것은 냉간 균열을 완화하기 위한 중요한 전략입니다. 예열은 냉각 속도를 줄여 열 영향 구역(HAZ)에서 부서지기 쉬운 미세 구조의 형성을 최소화합니다. 열 블랭킷이나 용광로를 사용하여 냉각을 제어하면 온도를 점진적으로 낮추어 용접 금속과 HAZ에서 수소 확산을 촉진할 수 있습니다. 최적의 예열 온도와 냉각 속도는 재료 구성, 단면 두께, 소모품의 수소 함량과 같은 요인에 따라 달라집니다.

(2) 적절한 용접 파라미터 선택

냉간 균열을 방지하려면 적절한 용접 매개변수를 선택하는 것이 중요합니다. 여기에는 올바른 용접 전류, 전압, 이동 속도 및 열 입력을 선택하는 것이 포함됩니다. 일반적으로 열 입력이 낮으면 냉각 속도가 빨라져 냉간 균열의 위험이 높아집니다. 반대로 열 입력이 지나치게 높으면 입자가 거칠어지고 인성이 저하될 수 있습니다. 펄스 용접 기술은 특히 민감한 소재의 경우 열 입력 및 냉각 속도를 제어하는 데 이점을 제공할 수 있습니다.

(3) 적절한 조립 및 용접 순서 구현

잘 설계된 조립 및 용접 시퀀스는 용접 조인트의 구속 응력을 크게 줄여 용접물의 전반적인 응력 상태를 개선합니다. 백스텝 용접, 스킵 용접 또는 균형 잡힌 용접 시퀀스 사용과 같은 기술은 열을 더 고르게 분배하고 왜곡을 최소화할 수 있습니다. 3D 모델링 및 용접 시뮬레이션 소프트웨어는 복잡한 구조물에 대해 이러한 순서를 최적화하는 데 유용한 도구가 될 수 있습니다.

(4) 용접 소모품의 적절한 선택 및 취급

용접 소모품의 선택은 냉간 균열 예방에 매우 중요한 역할을 합니다. 민감한 재료에는 저수소 전극(예: 강철용 E7018)이 선호됩니다. 소모품의 적절한 보관, 취급 및 준비도 마찬가지로 중요합니다. 용접봉과 플럭스는 습기 흡수를 최소화하기 위해 통제된 환경에 보관하고 사용 직전에 제조업체 사양에 따라 구워야 합니다. 플럭스 코어 및 금속 코어 전선의 경우 적절한 차폐 가스 혼합물을 선택하는 것도 중요합니다.

(5) 철저한 표면 준비

냉간 균열의 위험을 줄이려면 세심한 표면 처리가 필수적입니다. 여기에는 물, 녹, 기름과 같은 눈에 보이는 오염물질을 제거하는 것뿐만 아니라 밀 스케일, 페인트, 유기 잔류물 등 눈에 잘 띄지 않는 수소 발생원도 제거해야 합니다. 연마, 와이어 브러싱 또는 연마 블라스팅과 같은 기술을 사용한 후 필요한 경우 적절한 용매로 세척해야 합니다. 중요한 애플리케이션의 경우 워터 브레이크 테스트와 같은 방법을 사용하여 표면 청결도를 확인할 수 있습니다.

(6) 탈수소 처리

용접 직전에 탈수소 처리를 실시하는 것은 용접 부위의 수소 함량을 줄이는 데 효과적인 방법입니다. 여기에는 장시간 예열하거나 유도 가열과 같은 특수 가열 기술을 사용하는 것이 포함될 수 있습니다. 모재의 미세 구조에 악영향을 주지 않으면서 효과적으로 수소를 제거하려면 재료의 특성과 두께에 따라 처리 온도와 시간을 신중하게 제어해야 합니다.

(7) 용접 후 열처리(PWHT)

응력 완화 어닐링을 포함한 용접 후 열처리는 지연된 냉간 균열을 방지하는 데 중요한 단계입니다. PWHT는 잔류 응력을 줄이고, 용접에서 수소 확산을 촉진하며, HAZ 및 용접 금속의 미세 구조를 개선할 수 있는 등 다양한 용도로 사용됩니다. 특정 PWHT 파라미터(온도, 유지 시간, 냉각 속도)는 재료 및 용접 조인트 요구 사항에 맞게 조정해야 합니다. 대형 구조물의 경우, 전체 용광로 처리가 비현실적인 경우 유도 또는 저항 가열을 사용하는 국소 PWHT 기술을 사용할 수 있습니다.