소개
화학 및 석유 장비를 제조할 때 값비싼 니켈을 절약하기 위해 강철을 니켈 및 합금에 용접하는 경우가 많습니다.
용접의 주요 문제점
용접 시 용접부의 주성분은 철과 니켈이며, 이 두 원소는 서로 무한히 용해되어 금속간 화합물을 형성하지 않습니다. 일반적으로 용접부의 니켈 함량이 상대적으로 높기 때문에 용접 접합부의 용융 영역에는 확산층이 형성되지 않습니다. 용접의 주요 문제점은 용접부에 기공과 열균열이 발생하기 쉽다는 것입니다.
1.다공성
강철과 니켈 및 그 합금을 용접할 때 용접 부위에 기공이 형성되는 주요 요인은 산소, 니켈 및 기타 합금 원소입니다.
① 산소의 영향. 용접 시 용융 금속은 더 많은 산소를 용해시킬 수 있으며, 고온에서 산소는 니켈 산화를 일으켜 NiO를 형성합니다. NiO는 용융 금속 내의 수소 및 탄소와 반응하여 용융 풀 응고 과정에서 수증기와 일산화탄소를 발생시킬 수 있으며, 이러한 가스들은 제때 배출되지 못하고 용접부에 잔류하여 기공을 형성할 수 있습니다. 순수 니켈과 Q235-A를 사용한 철-니켈 서브머지드 아크 용접에서 질소와 수소 함량은 크게 변하지 않지만, 용접부의 산소 함량이 높을수록 용접부 기공의 수가 증가합니다.
② 니켈의 영향. 철-니켈 용접에서 철과 니켈의 산소 용해도는 서로 다릅니다. 액체 니켈의 산소 용해도는 액체 철보다 크고, 고체 니켈의 산소 용해도는 고체 철보다 작습니다. 따라서 니켈 결정화의 급격한 변화에서 산소 용해도는 철 결정화의 급격한 변화보다 더 두드러집니다. 그러므로 니켈 함량이 15%~30%일 때는 용접부의 기공 발생 경향이 작지만, 니켈 함량이 60%~90%까지 증가하면 기공 발생 경향이 더욱 커지고, 용착된 철의 양은 필연적으로 감소하여 기공 발생 경향이 커지게 됩니다.
③ 기타 합금 원소의 영향. 철-니켈 용접부에 망간, 크롬, 몰리브덴, 알루미늄, 티타늄 등의 합금 원소가 포함되거나 합금 조성에 따라 이러한 원소들이 첨가되면 용접부의 기공 저항성이 향상될 수 있습니다. 이는 망간, 티타늄, 알루미늄 등이 탈산소화 작용을 하고, 크롬과 몰리브덴은 고체 금속 내 용접부의 용해도를 향상시키기 때문입니다. 따라서 니켈과 1Cr18Ni9Ti 스테인리스강 용접부는 니켈과 Q235-A강 용접부보다 기공 저항성이 우수합니다. 또한 알루미늄과 티타늄은 질소를 안정적인 화합물 형태로 고정시켜 용접부의 기공 저항성을 향상시킬 수 있습니다.
2. 열분해
강철과 니켈 및 그 합금의 용접부에서 열 균열이 발생하는 주된 원인은 수지상 구조를 갖는 고니켈 용접부의 경우, 조대 결정립 가장자리에 저융점 공결정이 다량 집중되어 결정립 간 결합이 약화되고 용접 금속의 균열 저항성이 저하되기 때문입니다. 또한, 용접 금속의 니켈 함량이 지나치게 높으면 철-니켈 용접부에서 열 균열 발생에 상당한 영향을 미치며, 산소, 황, 인 등의 불순물 또한 용접부의 열 균열 발생 경향에 큰 영향을 미칩니다.
산소 무함유 플럭스를 사용하면 용접부 내 산소, 황, 인 등의 유해 불순물 함량이 감소하고, 특히 산소 함량이 크게 줄어들어 균열 발생량이 현저히 감소합니다. 용융 풀의 결정화 과정에서 산소와 니켈은 Ni + NiO 공융체를 형성할 수 있으며, 공융 온도는 1438℃입니다. 또한 산소는 황의 유해한 영향을 강화할 수 있습니다. 따라서 용접부의 산소 함량이 높을수록 열 균열 발생 경향이 커집니다.
Mn, Cr, Mo, Ti, Nb 및 기타 합금 원소는 용접 금속의 균열 저항성을 향상시킬 수 있습니다. Mn, Cr, Mo, Ti, Nb는 변성제로서 용접 조직을 미세화하고 결정화 방향을 방해할 수 있습니다. Al과 Ti는 강력한 탈산제로서 용접부의 산소량을 감소시킵니다. Mn은 S와 MnS를 형성하여 내화 화합물을 만들어 황의 유해한 영향을 줄여줍니다.
용접 이음매의 기계적 특성
철-니켈 용접 접합부의 기계적 특성은 용가재와 용접 매개변수에 따라 달라집니다. 순수 니켈과 저탄소강을 용접할 때, 용접부의 니켈 당량비가 30% 미만이면 용접부의 급속 냉각 과정에서 마르텐사이트 구조가 형성되어 접합부의 소성 및 인성이 급격히 저하됩니다. 따라서 접합부의 소성 및 인성을 향상시키기 위해서는 철-니켈 용접부의 니켈 당량비가 30% 이상이어야 합니다.
게시 시간: 2025년 3월 10일