이종금속 용접

왜 배우는가: 이종금속 용접은 서로 다른 재질의 부재를 연결하는 구조물에서 피할 수 없는 작업이다. 두 재료의 성질 차이 때문에 같은 재질끼리 용접할 때보다 용접재료와 용접 조건을 설계하는 판단이 더 필요하며, 이 판단 능력이 기술사 시험에서 핵심 역량으로 평가된다.

출제 이력: 제137회 2교시 4번, 제114회 4교시 1번, 제110회 4교시 4번, 제108회 2교시 2번, 제104회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

이종금속 용접은 화학 조성이나 금속학적 성질이 서로 다른 두 금속을 용접으로 접합하는 것이다.

이 정의의 핵심은 두 모재의 차이가 용접부의 조직과 성질을 결정한다는 점이다. 같은 재질끼리 잇는 동종 용접과 달리 이종금속 용접에서는 용접 열 사이클과 용융 금속의 혼합 과정에서 두 모재가 서로 다른 거동을 보이므로, 용접재료와 용접 조건을 미리 설정해야 품질을 확보할 수 있다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 이종금속은 화학 성분이나 결정 구조가 다른 금속이다. 강과 비철금속처럼 계열이 다른 조합뿐 아니라 같은 계열 안에서 성분이 다른 조합도 포함한다.
• 이종재료 용접은 재질이 다른 모재를 용접으로 이어 붙이는 작업 전체를 가리킨다. 모재 조합, 용접법, 용접재료 선정이 함께 검토된다.
• 모재는 접합 대상인 두 재료이다. 강도가 서로 다르면 낮은 쪽 모재의 기계적 성질이 용접재료 선정의 기준이 된다.
• 용접재료 선정은 용가재의 화학 조성과 기계적 성질을 두 모재에 맞추는 판단이다. 이 개념에서 가장 중요한 실무 결정이다.
• 희석률은 용접금속 안에 모재가 섞여 들어가는 비율이다. 희석률에 따라 용접금속의 최종 성분이 달라진다.
• 열팽창계수는 온도 변화에 따른 길이 변화의 비율이다. 두 모재의 열팽창계수 차이는 잔류응력과 균열의 원인이 된다.
• 금속간 화합물은 두 금속의 원자가 결합해 만든 새로운 화합물 상이다. 대개 경도가 높고 취성이 커서 접합부 인성을 떨어뜨린다.

2. 개념 풀이

이종금속 용접의 정식 정의는 화학 조성, 금속학적 조직, 물리·기계적 성질이 다른 두 재료를 용접 열과 용가재를 이용해 하나의 접합부로 만드는 기술이다. 용접 이론에서 가장 중요하게 보는 과정은 두 모재가 용융 풀 안에서 섞여 용접금속을 이루는 단계이다. 용접금속의 조성은 모재가 섞이는 비율과 용가재의 조성에 따라 정해지므로, 같은 모재 조합이라도 용접 조건에 따라 결과가 달라진다.

원리는 세 가지로 설명된다. 첫째, 두 모재의 용융점과 열전도도가 달라 같은 열원에서도 흡수되는 열량이 달라진다. 이때 용융점이 낮은 금속이 먼저 녹아 흘러내리는 용락이 생길 수 있다. 둘째, 열팽창계수 차이 때문에 가열과 냉각 중 두 모재의 팽창과 수축량이 달라져 잔류응력이 생기고 고온균열과 응고 균열이 발생하기 쉽다. 셋째, 두 모재의 성분이 용융 풀에서 섞이면서 취성이 큰 금속간 화합물이나 경화 조직이 생길 수 있다. 이 세 원리가 용접재료의 종류와 용접 조건을 정하는 근거가 된다.

희석률은 비드 단면에서 모재가 녹은 면적과 용가재가 녹은 면적을 기준으로 다음 식으로 계산한다.

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

여기서 용융 면적은 용접 비드 단면에서 녹은 부분의 면적(㎟)이다. 희석률은 용접금속 조성을 결정하는 핵심 변수이다. 희석률이 높을수록 용접금속은 모재 성분에 가까워지고, 낮을수록 용가재 성분에 가까워진다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 희석률: 용접금속에 모재가 섞이는 비율이다. 이종 용접에서는 희석률을 계산에 넣어야 용접금속 조성을 예측하고 그에 맞는 용가재를 고를 수 있다.
• 금속간 화합물: 두 금속이 결합해 이루는 화합물 상이다. 대부분 경도가 높고 취성이 커서 상호 용해도가 낮은 금속 조합에서 균열의 시작점이 된다.
• 열팽창계수 차이: 냉각 중 두 모재의 수축량 차이를 뜻한다. 이 차이가 잔류응력을 키우므로 응고 균열과 계면 균열을 막기 위한 예열과 용접 순서 설정이 필요하다.
• 융합 계면: 용접금속과 모재가 맞닿는 경계이다. 조성과 조직이 급격히 변하는 구간이므로 이종 용접부 품질 평가의 중심이 된다.

이종금속 용접은 두 모재의 계열에 따라 크게 세 가지로 나눠 본다. 이 구분은 용가재 선정과 용접법 선택의 출발점이 된다.

탄소강은 철에 탄소를 0.02~2.11% 함유한 Fe-C계 합금이다. 탄소 함량이 높을수록 용접부가 경화되어 균열에 민감해진다. 스테인리스강은 크롬과 니켈 등 합금 원소를 많이 넣어 내식성을 확보한 강이다. 오스테나이트계 스테인리스강은 가열 시 경화가 일어나지 않는 특징이 있어 탄소강과 조합할 때 열영향부 경화 문제가 적다는 점이 이점으로 작용한다.

3. 등장 배경과 필요성

이종금속 용접이 실무에서 필요해진 배경은 구조물의 기능을 부위별로 나누어 재료를 고르는 설계가 보편화되었기 때문이다. 석유화학 플랜트와 화력발전소의 압력용기와 배관에서는 강도가 중요한 본체를 탄소강으로, 내식성이 필요한 내부 표면과 노즐을 스테인리스강으로 만드는 경우가 많다. 이 두 재료를 직접 이어야 하므로 탄소강과 스테인리스강의 이종 용접이 자주 쓰인다.