저합금강(Low Alloy Steel) 용접

    

 

 

저합금강(Low Alloy Steel)란?

 

 구조용 강의 연성(延性)을 그대로 지속하고 또한 재료의 절약을 겸하여 재료 강도를 높이며 높은 허용 응력을 얻도록 만든 강재로, 탄소강에 니켈, 몰리브덴, 망간, 규소, 크롬, 바나듐, 동, 알루미늄 등의 요소를 첨가한 것.

 

그 주요 첨가 요소로부터 니켈강, 망간강, 규소강 등으로 구분된다.현재 인장 강도 60 ∼ 100kgf/㎟급의 용접성을 고려한 고장력 저합금강이 제조 · 시판되고 있으며, 또한 부식이라고 하는 최대의 결점을 개량한 내후성 강도 개발되어 있다.

 

[ENG] Among alloy steels, when Ni, Cr, Mo, and other alloy elements content consist of less than 10.5%are defined as low alloy steel.

 

 

 

1. 내열강

 

가. Cr-Mo강

 

 발전설비 재료에 가장 많이 사용되는 P-No: 3이상의 강으로 400~600℃정도 영역에서 사용하는 재료로서 일반적으로 저합금강(Low Alloy Steel)이라고도 부르며,. C-Mo강, 저Cr-Mo강등이 있다.

 

강재는 일반적으로 350℃이상의 고온에서는 크리이프 특성이 중요 하기 때문에 Mo를 첨가 하여 강의 고온강도 및 크리프 특성을 향상 시킨다. 저합금 내열강의 용접에는 SMAW, SAW, GMAW, GTAW, CO2용접, ESW등 다양한 용접법이 적용되고 있다. 특수한 경우에는 EBW, PAW, 전기저항 용접도 적용 될수있다. 저합금 내열강은 탄소강 용접과는 달리 합금원소가 첨가되어 있어 용접부의 물성은 용접방법 즉, 열사이클에 의해 많이 변화 하므로 중요하다 즉, 입열량이 큰 SAW의 경우에는 용접부의 인성이 대체로 낮아지는 특성이 있다.

 

고장력 저합금강은 경화되기 쉽기 때문에 용접부의 확산성 수소 함유량을 가능한 낮게 관리 해야한다. 또한, 용접에서 열 영향부의 크랙 발생을 억제하기 위해 황(S), 인(P)을 0.03% 이하로 제한한다.

 

 

나. 9-12 Cr강

 

 625℃정도 이하의 온도 영역에서 사용되는 재료로 초임계압 발전설비용으로 널리 사용된다. ASME 재료에는 SA-213T91(9Cr-1Mo), 배관용으로 SA335P91(9Cr-1Mo)가 있다. 독일재료로는 X10CrMoVNb91(9Cr-1Mo) 과 X20CrMoV121(12Cr강)이 있다. Cr-Mo강에 비해 9~12Cr강이 고온에서 강도향상이 두드려 진다.

 

 

다. 용접기법

 

§ 가접시에도 본용접과 같이 예열을 한후 가접한다. 또, 판의 맞대기 용접일 경우 반대편 용접이 끝난후 가접부를 제거하고 그후에 본용접을 함을 원칙으로 한다.

 

§ 용접중의 층간온도는 예열온도 이하로 내려가지 않는것이 바람직하다. 특히 후판일경우 용접개시부터 완성까지 용접을 중단하지않고 용접후에는 즉시 후열처리에 들어간다. 용접을 중단 할때는 250℃로 30분정도 가열하거나 용접 시작시 까지 층간 온도를 유지 하는것이 균열을 방지하는데 유효하다.

 

§ 후판의 용접도중에 중간 응력제거 열처리를 실시하기도 하는데 이렇게하면 균열이 발생 할수 있으므로 좋지않다.

 

§ TIG용접시 용접부에 가스실딩 효과가 나쁘면 표면에 산화 스케일이 잘생기므로 주의하고 이면용접시는 퍼징기구를 사용해야 한다.

 

 

 

2. 저온강의 용접

 

가. 저온용 재료

 

석유화학, 가스액화, LNG탱크등 화공장치류 에는 조업의 온도에 따른 적용재료를 선정해 사용한다. 이와같이 알루미킬드강. 니켈강은 주로 저온용 구조 재료로서 사용 된다.

 

 

나. 저온강의 용접성

 

1) 알루미킬드강

 저온용 탄소강인 알루미킬드 강은 약 ?50℃까지 사용 가능한 강종 이지만 이 강종은 제강시 탈산제로 알루미늄을 첨가하고 강중의 탄소를 제거함과 동시에 질소를 질화 알루미늄으로 고정시켜 결정립을 미세화 함으로서 저온 인성을 향상 한것이다. 니켈강과는 달리 값이싸고 유해원소인 C, P, H2. N2등의 함유량이 적고 기타 성분에서는 보통 사용되는 연강과 대차가 없다.

 

2) 2.5 , 3.5% 니켈강

 알루미킬드강에서 저온인성을 얻을수 없는 저온도 범위 에서는 합금 성분으로 니켈을 첨가하여 저온인성을 더욱 개량한 니켈강이 사용된다. 니겔강으로 현재 실용 되는것 으로는 2.5, 3.5, 9%의 3종 이지만 이외에도5%, 8%니켈강 등이 개발되고 있으나 별로 사용되지 않는다. 이들 강종은 니켈함유에 의한 저온인성을 충분히 발휘하기 위해 보통 압연후에 일반적으로 템퍼링 열처리를 하지만 더욱 인성을 높이기위해 담금질-풀림처리를 하는경우도 있다.

 

니켈강은 담금질 성질이 알루미킬드 강보다 크므로 용접에 있어 열영향부(HAZ)의 경화성이 증대되나 탄소 함유량을 낮춤으로서 경화성을 약화시켰기 때문에 예열을 100~150℃ 정도로 하면 좋은 용접결과를 얻을수 있다.

 

3) 9% 니켈강

 낮은 저온도(-100℃이하)에서 사용되는 9% 니켈강은 그 용도가 주로 LNG의 수송용탱크, 저장용 탱크의 건조용이며 이 온도역 에서 충분한 인성을 얻기위해 강중의 불순물을 극히 적게하고 결정조직으로 마르텐사이트 상의 미세결정을 형성시켜 저온인성을 향상 시킨 것이다.

 

9% 니켈강은 니켈 함유량의 증가로 2.5% 니켈강 보다 담금질 경화성이 심하여 용접에 있어서 열영향부의 경화가 심하며 냉간균열 발생의 위험이 높지만 일반적으로 인코넬계 용접봉을 사용하기 때문에 실제로는 예열을 100℃ 정도로하면 충분하리라 판단된다.

 

 

다. 용접준비

 

1) 홈가공

 저온용 강은 모두 저온에서 사용 되므로 취성 파괴를 일으킬 인자를 남기지 않도록한다. 또한 절단시 노치부를 남기지 않도록 주의한다. SAW 용접의 경우 알루미킬드강은 단층용접도 가능하지만 니켈강에서는 단층의 대입열 용접으로는 열영향부의 인성이 저하되므로 원칙적으로 그루브(Groove)를 만들어 다층 용접으로 시공한다.

 

2) 뒤 받침쇠

 뒤 받침쇠는 양면용접이 불가능한 곳에 사용되나 주로 강관의 이음에 이용된다. 받침쇠 재질은 모재와 같은 재질로 만들고 루트(Root)간격을 약간 넓게잡아 충분한 용입을 얻도록 한다. 또한 모재와 받침쇠 와는 잘 밀착 되도록 하여 틈에 결함을 남기지 않도록 한다.

 

3) 가접 용접

 가접용접은 짧은 비드가 많으며 그곳이 급랭 되므로 담금질 경화성이 높은 니켈강 에서는 본용접과 동일한 방법으로 (예열등) 시공하지 않으면 안된다. 아아크 스트라이크는 용접선을 벗어난 모재에 하지 않도록 주의하고 보강재, 지그 등도 용접후 제거 하였을때 균열, 언더컷 등의 노치가 남지 않도록 주의 할것이 요구된다.

 

 

라. 본용접

 

1) 피복아크 용접

 비교적 높은 온도역에서 사용되는 알루미킬드강의 용접봉은 고장력 저수소계를 사용하고2.5% 니켈강에서는 같은 니켈 함유량의 용접봉 사용이 가능하다. 3.5% 니켈강에는 모재보다 니켈이 약간 높은 용접봉을 사용하던가 고니켈의 오스테나이트계 용접봉을 사용한다. 9% 니켈강에서는 이미 페라이트계의 동질 용접봉 으로서는 충분한 인성을 얻기 힘들고 현재는 고니켈 합금(인코넬)용접봉을 사용하고 있다. 이들 용접봉은 용접 금속중의 수소 함유량을 현저히 줄인것으로 보관중 일때도 흡습을 방지해야하며 사용 할때도 사전에 건조 (35~400℃/hr)시켜서 사용할 필요가 있다.

 

2) 서브머어지드 용접

 일반적으로 용접입열이 높기때문에 이음부의 인성이 피복 아아크 보다 저하된다. 이것은 용접속도가 빠르기 때문에 용접금속이 거칠은 수지상 결정을 나타내고 더욱이 탈산작용 등의 야금반응이 불충분 하여 용접금속 성분의 균일한 분산이 제대로 되지못한데 기인하고 있다. 그러므로 그심선과 프럭스의 결합을 고려하여 사용하여야 하며 사용목적, 적용규격에 맞는 강도및 인성을 얻을수 있는 결합을 선택하지 않으면 안된다. 플럭스 또한 사용전에 250℃ / HR 정도의 건조가 필요하다.

 

3) 불활성 가스 아아크 용접

 

TIG용접

일반적으로 TIG용접은 두꺼운 판에는 부적당 하며 작은 물체의 용접 ,박판의 용접, 보수용접 등에 유효하다. 저온용강 에는 강관의 맞대기 이음의 첫층용접에 있어서 뒤 받침쇠 없이 루트(Root)부의 용입 및 이면비드를 얻을 목적으로 TIG용접법이 잘 채택된다.

 

MIG용접

MIG용접은 TIG, 피복 아아크 용접에 비해 고전류로 용접하기 때문에 능률이 높은 용접법 이긴 하지만 알루미킬드강, 니켈강의 아래보기 용접에서는 SAW으로 이음을 얻을수 있으므로 다른 이음에 사용하는 것이 상례이다.

 

 

마. 보수

 

 맞대기 이음에서 표면 여성고가 너무 높으면 내피로 강도의 저하, 노치효과에 의한 취성파괴의 원인이 되므로 두께에 따라 조금씩 다르지만 3mm 이상이 되지 않도록 한다. 그라인더로 표면비드를 연마할 경우 잘못하면 용접비드 양측의 모재를 깍아먹어 판두께를 얇게 만들어 버릴 염려가 있으므로 주의 하여야 한다. 언더컷은 같은 종류의 결함은 지름이 작은 용접봉을 사용하여 보수하고 오버랩은 반드시 그라인더로 연마한다.

 

 

바. 응력제거 풀림 열처리

 

 응력제거 풀림 열처리의 냉각 과정에서 서냉 됨에 따라 인성이 심하게 저하하는 성질이 있으므로 특별한 경우 (후판, 취성위험이 있는경우, 적용 법규상 요구되는경우)를 제외 하고는 일반적 으로 응력제거 풀림 열처리를 할 필요는 없다. 특히, 풀림 열처리를 시행 하는경우 모재의 풀림온도를 참고해서 보통 550~600℃의 범위로 가열하고 용접부의 최대 두께에 따라 정해진 유지시간을 지킨다음 규정된 냉각 속도로 냉각한다.

 

400℃이상의 온도에서 가열속도는 220℃ X 25/t(1hr)이며 Max 220℃, Min 55℃이다. 냉각속도는 275℃ X 25/t (1hr) 로 하고 Max 275℃, Min 55℃로 하는것이 표준으로 되어있다.

 

 

 

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