클래드강 용접시공

왜 배우는가: 클래드강은 탄소강의 강도와 스테인리스강의 내식성을 함께 얻는 재료로 압력용기와 고온고압 배관에 널리 쓰인다. 용접 과정에서 희석과 탄소 이동이 일어나 클래드층의 내식성이 떨어질 수 있으므로 용접시공의 핵심 쟁점이 된다. 여러 교시에서 문제점과 해결방안, 고려사항, 루트부 용접방법 비교 형태로 물어진 개념이라 정의와 쟁점을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제125회 2교시 5번, 제122회 4교시 1번, 제96회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

클래드강은 탄소강이나 저합금강 모재의 한쪽 면에 스테인리스강 같은 내식성 금속을 접합한 복합 강재이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 이어서 아래 키워드를 함께 설명할 수 있어야 한다.

• 클래드강은 모재와 클래드층이 한 장의 강판으로 접합된 강재이다.
• 모재는 구조 강도를 담당하는 탄소강 또는 저합금강 부분이다.
• 클래드층은 부식 환경에 노출되는 스테인리스강 등 내식성 금속의 얇은 층이다.
• 희석률은 용접금속 안에서 모재 성분이 차지하는 비율이다.
• 버터링은 이종 금속의 경계에 중간층을 미리 쌓는 용접 작업이다.
• 탄소 이동은 고온에서 탄소가 탄소강 쪽에서 스테인리스 쪽으로 확산하는 현상이다.
• 이종금속 용접은 성분과 열팽창 특성이 다른 금속끼리 접합하는 용접이다.

2. 개념 풀이

클래드강은 강도와 가격을 모재가 맡고 내식성을 클래드층이 맡도록 두 금속을 하나로 합친 강재이다. 탄소강은 값이 싸고 강도가 높지만 부식에 취약하여 단독으로는 내식 요구를 채우지 못한다. 반면 스테인리스강은 표면의 크롬 산화막 덕분에 내식성이 우수하지만 재료비가 높다. 두 재료의 장점을 결합하면 재료비를 낮추면서 내식성을 확보할 수 있다.

클래드층으로 많이 쓰는 오스테나이트계 스테인리스강 316 계열은 크롬 16~18%, 니켈 10~14%, 몰리브덴 2~3%를 포함한다. 몰리브덴은 염화물 환경에서 공식(孔蝕) 저항을 높이는 원소이다.

클래드강을 용접하면 모재와 클래드층, 용가재가 용융 상태에서 섞여 새로운 조성의 용접금속이 생긴다. 이때 모재가 녹아 들어간 정도가 희석률이며, 클래드 용접의 품질을 가르는 핵심 지표이다. 희석률은 모재 용융 면적을 용융 전체 면적으로 나눈 백분율이다. 이를 식으로 쓰면 다음과 같다.

$희석률(%) = 모재 용융 면적 ÷ (모재 용융 면적 + 용착금속 면적) × 100$

식에서 모재 용융 면적은 모재가 녹아 용접금속에 섞인 단면적이고, 용착금속 면적은 용가재가 녹아 굳은 단면적이다. 두 면적의 단위는 ㎟이다.

희석률이 커지면 클래드층의 크롬과 니켈 함량이 낮아져 내식성이 떨어진다.

희석률이 높으면 모재의 탄소와 망간 같은 원소가 용접금속에 많이 섞인다. 이 경우 경화 조직인 마르텐사이트가 생기기 쉬워 저온 균열에 민감해진다. 또한 탄소강과 스테인리스강은 열팽창 계수가 달라 냉각 중 경계면에 잔류응력이 쌓이며, 이는 박리와 균열의 원인이 된다. 반대로 희석률이 지나치게 작으면 용입이 불안정해져 접합 강도가 떨어질 수 있다. 따라서 용접 입열량과 패스 구성을 조절하여 희석률을 적정 범위로 관리해야 한다.

탄소강 모재와 스테인리스 클래드층은 열팽창 특성과 금속 조직이 달라 같은 용가재로 한 번에 접합하기 어렵다. 이때 버터링을 적용하면 탄소강 쪽 경계면에 중간층을 먼저 쌓고, 그 위에 최종 용접을 한다. 중간층에는 크롬과 니켈 함량이 높은 오스테나이트계 용가재를 쓰며, 이 층이 두 재료의 성분 차이를 완충한다.

고온에 오래 노출되면 탄소 이동이 함께 나타난다. 탄소강 모재의 탄소가 스테인리스 쪽으로 확산하면 경계면에 탄화물이 모여 그 부근 스테인리스층의 입계부식 저항이 떨어진다. 반대로 탄소가 빠져나간 탄소강 쪽은 연해지는 탈탄층이 생긴다. 이 현상은 용접 후 열처리 온도와 유지 시간에 따라 커지므로 열처리 조건도 함께 고려해야 한다.

이를 종합하면 클래드 용접의 기본 원칙은 클래드층 쪽에는 클래드 성분과 같은 계열의 용가재를 쓰고, 탄소강 쪽에는 탄소강과 호환되는 용가재를 쓰되 두 금속 사이를 버터링으로 분리하는 것이다. 이 원칙은 희석률 관리와 탄소 이동 억제가 함께 이루어질 때 성립한다.

3. 등장 배경과 필요성

압력용기와 고온고압 배관은 내부 유체의 부식과 고온에서의 강도를 함께 견뎌야 한다. 전체를 스테인리스강으로 만들면 재료비가 크게 늘고, 탄소강만 쓰면 내식성이 부족하다. 클래드강은 이 두 요구를 함께 만족시키는 재료로서, 석유화학과 압력용기 산업에서 탄소강과 스테인리스강의 이종 재료 용접에 자주 쓰인다.

보일러 및 압력용기 규격(ASME BPVC) Section VIII Division 1은 부식 저항 일체형 클래드와 용접 금속 오버레이 클래드를 적용한 압력용기를 Part UCL로 따로 규정한다. 이는 클래드 압력용기가 재료, 설계, 제작, 검사의 기준을 일반 강재 압력용기와 구분하여 적용받는다는 뜻이다.