탄소강·스테인리스강 이종용접

왜 배우는가: 이종용접은 탄소강의 경제성과 강도, 스테인리스강의 내식성을 한 구조물에서 함께 얻기 위해 필요한 기술이다. 석유화학·발전 설비에서는 이음부 파손이 누설과 사고로 이어지므로 용접재료 선택 근거와 관리 변수가 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제119회 1교시 11번, 제117회 1교시 10번, 제99회 2교시 1번, 제92회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

서로 조성과 성질이 다른 탄소강과 스테인리스강을 적절한 용접재료로 이어 붙이는 용접이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 이종금속 용접
• 오스테나이트계 스테인리스강
• 탄소강
• 용접재료
• 희석률
• 델타페라이트
• 마르텐사이트
• 입계부식

2. 개념 풀이

탄소강과 스테인리스강의 이종용접은 화학 조성, 열팽창, 조직 구성이 서로 다른 두 금속을 하나의 용접부로 연결하는 작업이다. 두 모재의 성분 차이가 커서 용접부의 성질은 모재가 용접금속에 얼마나 녹아 섞이는지에 따라 달라지며, 이 섞이는 비율을 희석률이라 한다. 용접재료는 희석에 의해 탄소강 성분이 들어오더라도 용접부가 원하는 조직을 유지하도록 선택해야 한다.

희석률은 용접금속 중 모재가 차지하는 비율로, 값이 클수록 모재 성분의 영향이 커진다. 면적으로 쓰면 다음과 같다.

희석률 = 모재 용입 면적 ÷ (모재 용입 면적 + 용가재 용착 면적)

이종용접의 핵심은 희석으로 생기는 용접부 조직을 용접재료로 제어하는 데 있다.

탄소강은 탄소 함량이 높고 크롬과 니켈이 거의 없어, 용접부에 탄소강 성분이 많이 섞이면 급랭 시 마르텐사이트 조직이 생겨 경화되고 균열 감수성이 커진다. 이를 막으려면 크롬과 니켈 함량이 높은 용접재료를 써서 용접부를 오스테나이트 조직으로 안정시켜야 한다. 실무에서는 309계 용접재료(E309L·ER309L)를 탄소강과 오스테나이트계 스테인리스강의 이음에 기본으로 쓰며, 이 재료의 크롬은 23~25%, 니켈은 12~14% 수준이다.

응고 과정에서 용접금속에 델타페라이트를 소량 남기면 응고균열 저항성이 높아진다. 델타페라이트는 오스테나이트 단상 조직이 가진 응고균열 취약성을 줄이는 역할을 하며, 양은 약 5~10% 범위로 관리하는 것이 일반적이다. 델타페라이트가 과도하면 취성이 커지므로, 용접부의 양은 쉐플러 선도로 성분을 계산해 예측하고 조정한다.

열적으로는 두 가지 문제가 있다. 첫째, 오스테나이트계 스테인리스강은 탄소강보다 열팽창계수가 커서 냉각 중 수축 차이로 잔류응력과 변형이 커진다. 둘째, 450~900°C 구간에 머무르면 입계에 크롬 탄화물이 석출되어 주변이 크롬 결핍 상태가 되는 입계부식이 발생한다. 이를 예민화라 하며, 탄소 함량을 낮춘 L급 재료를 쓰거나 티타늄을 첨가한 321 계열처럼 안정화 원소를 넣은 재료로 억제한다.

용접법에 따라 재료의 형태도 달라진다. 피복아크 용접에서는 309계 피복 용접봉을, GMAW에서는 309계 솔리드 와이어를, GTAW에서는 로드를 쓴다. 용접법 선택은 입열과 희석률을 좌우하므로 재료 선택과 함께 정해야 한다.

탄소강 쪽 열영향부에서는 결정립이 조대해져 인성이 떨어질 수 있으므로, 입열을 과도하게 주지 않는 것이 중요하다. 가스텅스텐 아크 용접(GTAW)에서는 한쪽 모재에 완충 용착층(버터링)을 먼저 만든 뒤 맞대기 용접하는 방법도 쓰인다.

이종용접의 용접재료 선택 절차는 다음과 같다.

• 두 모재의 화학 조성과 탄소당량을 구하여 재질 차이의 크기를 파악한다.
• 예상 희석률을 가정하고 쉐플러 선도로 용접금속의 조직을 예측한다.
• 델타페라이트 양과 응고균열 감수성을 검토하여 용접재료를 정한다.
• 열영향부의 입계부식 위험을 평가하고 저탄소 재료 또는 안정화 재료를 고른다.
• 층간온도와 입열을 제한하여 시공조건을 정한다.

절차의 순서는 재료 조건에서 조직 예측, 시공 조건으로 좁혀 가는 흐름이다. 각 단계의 결과가 다음 단계의 입력이 되므로, 재료를 먼저 고른 뒤 시공변수를 맞추는 순서가 일반적이다.

3. 등장 배경과 필요성

석유화학 공장, 화력발전소, 압력용기 산업에서는 한 설비 안에 탄소강과 스테인리스강을 함께 쓰는 경우가 많다. 전체를 스테인리스강으로 만들면 재료비가 크게 늘어나고 강도 설계도 불리하므로, 부식 환경에 노출되는 내부 부위만 스테인리스강을 쓰고 나머지는 탄소강으로 만든다. 이때 두 재료의 연결부가 필연적으로 생기며, 이 접합부가 이종용접의 출발점이다.

가상의 예로 탄소강 압력용기 본체에 스테인리스강 노즐을 용접하는 경우를 들 수 있다. 노즐 안쪽은 부식성 유체에 노출되고 바깥쪽은 본체와 강도를 함께 유지해야 하므로, 이 이음부는 희석과 열팽창 차이를 동시에 고려해야 하는 전형적인 이종용접 부위이다.