스테인레스강 용접부의 고온 균열: 원인, 감지 및 예방

열간 균열-응고 균열이라고도 함-은 스테인리스강 제조에서 가장 흔한 용접 결함으로, 오스테나이트계 스테인리스강 전체 용접 불량의 약 60-70%를 차지합니다. 이 현상은 응고 중에 액막이나 저융점 상이 결정립 경계에 갇혀 냉각의 열 수축 응력을 견딜 수 없는 약한 경로를 생성할 때 발생합니다. 근본적인 원인은 부적절한 용접 형상 또는 과도한 열 입력과 결합된 과도한 불순물 분리(황, 인, 실리콘)입니다.

이 기사에서는 5가지 주요 스테인리스강 제품군에 대한 열간 균열 메커니즘, 감지 방법, 예방 전략에 대한 포괄적인 증거 기반 분석을 제시합니다.{0}}

핫 크래킹이란 무엇입니까?

뜨거운 균열은 금속이 부분적으로는 액체이고 부분적으로는 고체일 때 용접 응고의 마지막 단계에서 발생합니다. 녹은 것과 고체의 중간인 초콜릿을 상상해 보세요.-약하고 쉽게 부서질 수 있습니다. 마찬가지로, 이 단계의 스테인리스강은 낮은-용융 불순물(황 및 인과 같은)이 성장하는 결정의 가장자리로 밀려나기 때문에 약한 결정립 경계를 갖습니다. 용접이 냉각되고 수축되면 이러한 약한 경계가 갈라져 열립니다. 균열은 일반적으로 용접 중심선의 0.1-10mm 내에 나타나며 미세하거나 육안으로 볼 수 있습니다.

열간 균열의 세 가지 유형

응고균열 : 초기 용접시 용융풀이 응고되면서 발생(가장 흔함, 80%)

액화 균열: 용접 중에 기존 입자가 부분적으로 녹을 때 열영향부(HAZ)-에서 발생합니다.

연성-딥 균열: 취성 상의 석출로 인해 금속이 연성을 잃을 때 800~1000도에서 발생합니다.

응고 균열은 현장 고장의 대부분을 설명하고 제작자가 제어할 수 있는 용접 절차 변수의 직접적인 영향을 받기 때문에 이 기사의 주요 초점입니다.

황과 인이 주요 원인입니다

직접적인 증거:황(S)과 인(P)은 스테인리스강 용접에서 고온 균열을 일으키는 가장 유해한 두 가지 불순물입니다. 황의 경우 0.015%(150ppm) 이상, 인의 경우 0.020%(200ppm) 이상 존재하는 경우 이러한 원소는 주변 금속이 응고된 후에도 액체로 남아 있는 저융점 화합물을 형성합니다. 황화합물(황화망간, MnS)은 1,615도에서 녹지만, 철, 크롬과 결합하면 녹는점이 950{11}}1,050도로 떨어지며 이는 스테인리스강의 응고 온도인 1,400~1,450도보다 훨씬 낮습니다. 이는 수축 응력을 견딜 수 없는 입자 경계에 액체 필름을 생성합니다.

테이블. 고온-균열-저항성 스테인리스강의 황 및 인 함량 제한

출처: ASTM A240/A240M-22 '크롬 및 크롬-니켈 스테인리스 강판, 시트 및 스트립에 대한 표준 사양'; AWS A5.9/A5.9M-22 '베어 스테인레스 스틸 용접 전극 및 로드에 대한 사양'; IIW(국제 용접 학회) 문서 IX-2202-18 '오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 고온 균열 방지 지침.'

핵심 내용: 단순히 'L-등급' 강철(저탄소, 0.030% C 이하)을 사용한다고 해서 고온-균열 저항이 보장되는 것은 아닙니다. 중요한 불순물은 탄소가 아닌 황과 인입니다. 낮은-탄소 등급은 민감화 위험을 감소시키지만 응고 균열에 미치는 영향은 미미합니다. 균열-에 ​​강한 용접의 경우 S가 0.015% 이하이고 P가 0.020% 이하인 강철을 지정합니다.

오스테나이트계 스테인리스강이 가장 취약합니다

오스테나이트계 스테인리스강(300-시리즈: 304, 316, 321, 347)은 페라이트계 또는 듀플렉스 스테인리스강보다 고온 균열에 5-10배 더 취약합니다. 이는 오스테나이트(면-}입방형, FCC) 결정이 페라이트(체심 입방형, BCC) 결정보다 불순물 용해도가 더 높기 때문에 응고 중에 더 많은 황과 인이 결정립 경계로 분리될 수 있기 때문입니다. 듀플렉스 강(22% Cr, 5% Ni, 3% Mo)은 연속 액막을 방해하는 혼합 오스테나이트-페라이트 구조를 갖고 있어 완전 오스테나이트 강에 비해 균열 민감도가 70-80% 감소합니다.

테이블. 스테인레스 스틸 제품군의 열간 균열 감수성

출처: IIW 문서 IX-2202-18 '오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 고온 균열 방지를 위한 지침'; AWS 용접 핸드북, 10판, Vol. 4 '재료 및 애플리케이션'(2020); Norsok M-601 '배관 용접 및 검사'(Rev. 6, 2022); 코벨코용접 '스테인리스 용접가이드'(2019).

중요한 통찰력: 오스테나이트계 스테인리스강 용접에서 고온 균열을 방지하는 가장 효과적인 방법은 용접 금속에서 3~8% 페라이트(FN 3-8)를 생성하는 필러 금속을 사용하는 것입니다. 페라이트는 연속적인 오스테나이트 결정립 경계를 방해하고 불순물 재분배를 위한 경로를 제공합니다. 이것이 ER308L(304용) 및 ER316L(316용) 필러가 FN 3-8을 생성하도록 제조되는 반면, 모재 자체를 필러(자기 용접)로 사용하는 경우 거의 항상 균열이 발생하는 이유입니다.

적절한 용가재 선택으로 균열 80% 방지

모재에 비해 크롬과 니켈이 합금된 올바른 용가재-를 사용하면 열간 균열 사고를 약 80% 예방할 수 있습니다. 필러는 용접된 상태에서 3-8% 페라이트 수(FN)를 생성하도록 구성되어야 합니다. 예를 들어 304 스테인리스강(Cr 18%, Ni 8%)을 용접할 경우 ER308L 필러(Cr 20%, Ni 10%)를 사용하면 FN이 3~8인 용접금속이 생성된다.

추가 크롬과 니켈은 페라이트 형성을 촉진하여 연속 오스테나이트 결정립 경계를 방해하고 불순물 분리를 위한 대체 경로를 제공합니다. 절대 일치하는 구성 필러(예: 304 모재의 경우 ER304)를 사용하지 마세요.-이렇게 하면 0-2 FN이 발생하고 거의 항상 균열이 발생합니다.

테이블. 균열이 없는- 오스테나이트계 스테인레스강 용접에 권장되는 충전 금속

출처: AWS A5.9/A5.9M-22 '베어 스테인레스 스틸 용접 전극 및 막대에 대한 사양'; AWS A5.4/A5.4M-22 '차폐 금속 아크 용접용 스테인레스강 전극 사양'; IIW 문서 IX-2202-18; Kobelco '스테인리스 용접 가이드'(2019); 링컨 전기 '스테인리스 용접 제품 카탈로그'(2023).

중요 경고: 스테인리스강 용접에는 탄소강이나 저{0}}합금강 필러를 사용하지 마세요. 소량의 탄소강 오염(이전 용접 토치/장비 사용으로 인한)이라도 탄화물 석출을 촉진하고 내식성을 감소시키는 탄소 픽업을 유발할 수 있습니다. 항상 전용 스테인레스 스틸 와이어 브러시를 사용하고 용접하기 전에 조인트를 밝은 금속으로 청소하십시오.

제어된 열 입력 및 층간 온도가 중요합니다.

과도한 열 입력(얇은 부분의 경우 1.5kJ/mm 이상, 두꺼운 부분의 경우 2.5kJ/mm 이상)은 용접 금속이 취약한 '흐릿한 영역'(부분적으로 액체 상태)에서 소비하는 시간을 증가시켜 더 많은 불순물 분리를 허용하고 열간 균열 위험을 증가시킵니다.

반대로,{0}}열 입력이 너무 낮으면(0.5kJ/mm 미만) 균열이 발생하는 높은 구속력을 지닌 좁고 깊은 용접 비드가 생성됩니다. 대부분의 오스테나이트계 스테인리스강 용접에 대한 최적의 열 입력 범위는 0.8-1.5kJ/mm입니다. 패스간 온도는 최대 100~150도 사이에서 제어되어야 하며 150도를 초과하면 과도한 입자 성장이 발생하고 균열 민감도가 3~5배 증가합니다.

테이블. 균열-없는 스테인리스강 용접에 대한 열 입력 및 층간 온도 지침

출처: AWS D1.6/D1.6M-22 '구조용 용접 코드-스테인리스강'; ASME BPVC 섹션 IX(2023) '용접 절차 사양(WPS) 요구 사항'; Norsok M-601 (Rev. 6, 2022) '배관 용접 및 검사'; IIW 문서 IX-2202-18.

스트링거 비드와 위브 비드

넓은 직조 비드보다는 스트링거 비드(좁은 용접 비드, 폭이 와이어 직경의 3배 이하)를 사용하십시오. 위브 비드는 열 유입을 증가시키고 흐릿한 영역을 넓히며 균열 위험을 증가시킵니다. GTAW(TIG) 용접의 경우 비드 폭을 10mm 이하로 유지하십시오. GMAW(MIG)의 경우 비드 폭을 12mm 이하로 유지하십시오. 더 넓은 용접이 필요한 경우 단일의 넓은 직조 비드보다는 여러 개의 스트링거 패스를 사용하십시오.

최신 NDT 방법으로 서비스 전 균열 감지

용접된 부품이 사용되기 전에 최신 비파괴 검사(NDT) 방법을 사용하면 길이 0.5mm, 깊이 0.1mm 정도의 작은 고온 균열을 감지할 수 있습니다. 열간 균열 탐지를 위한 가장 효과적인 세 가지 NDT 방법은 다음과 같습니다. (1) 액체 침투 탐상 시험(PT) - 표면-> 0.5mm의 파괴 균열을 탐지합니다. (2) 자기 입자 테스트(MT) -는 강자성 강철의 표면 및 표면 근처-균열 > 1.0mm(오스테나이트 스테인리스에는 적용되지 않음)를 감지합니다. (3) 방사선 사진 테스트(RT) -는 벽 두께의 2%를 초과하는 내부 균열을 감지합니다. (4) 초음파 테스트(UT) -는 적절한 각도-빔 기술을 사용하여 > 1.5mm의 내부 균열을 감지합니다. 중요한 애플리케이션의 경우 PT와 UT의 조합을 사용하여 95% 이상의 감지 신뢰성을 달성하십시오.

테이블. 스테인레스강 용접부의 열간 균열 검출을 위한 NDT 방법 ​​비교

출처: ASME BPVC 섹션 V '비파괴 검사'(2023년판); ASTM E165/E165M-21 '액체 침투 탐상 검사의 표준 실습'; ASTM E709-21 '자성 입자 검사 표준 가이드'; ASTM E1032-21 '방사선 사진 검사를 위한 표준 테스트 방법'; ASTM E164-21 '용접부의 초음파 검사에 대한 표준 실습'; IIW 위원회 V '용접 NDT' 지침(2020).

중요 사항: 오스테나이트 스테인리스강은 비-강자성(오스테나이트는 FCC이고 실온에서 비자성-)이기 때문에 자분 입자 테스트(MT)는 작동하지 않습니다. 많은 제작자가 스테인레스강 용접에 대해 MT를 잘못 지정합니다.-이는 노력 낭비입니다. 오스테나이트계 스테인리스 강의 표면 균열에는 항상 PT를 사용하고 내부 균열에는 UT/PAUT를 사용하십시오.

저-불순도 'L-등급' 철강으로 위험을 대폭 감소

초-불순도-스테인리스강(S 0.010% 이하, P 0.020% 이하)을 지정하면 표준 상용 등급(S 0.030% 이하, P 0.045% 이하)에 비해 열간균열 감수성이 60-80% 감소합니다. 현재 몇몇 제철소에서는 불순물 수준이 엄격하게 제어되는 '용접-등급' 또는 '균열{16}}저항성' 변형 제품을 제공하고 있습니다. 예를 들어, Outokumpu의 'Supra' 등급과 Aperam의 'Uranus' 등급은 S가 0.005% 이하이고 P가 0.015% 이하이므로 적절한 용가재와 용접 절차를 결합하면 열간 균열이 사실상 제거됩니다. 추가 재료 비용은 10-20%이지만 용접 수리 비용(일반적으로 원래 용접 비용의 5-10배 비용)을 피할 수 있어 매우 비용 효율적인 투자가 됩니다.

테이블. 낮은-불순도 '균열 방지'-저항성' 스테인리스강 옵션

출처: Outokumpu 'Supra 제품군 데이터 시트'(2023); Aperam '천왕성 스테인리스강 - 용접 가이드'(2022); Sandvik '용접용 Sanicro 스테인레스강'(2021); 신일본제철 'NSSC 시리즈 스테인리스강'(2022); IIW 문서 IX-2202-18.

스테인레스 스틸 제품군 및 균열 민감성

테이블. 포괄적인 비교 - 스테인레스강 계열의 열간 균열 민감성 및 예방

출처: IIW 문서 IX-2202-18 '오스테나이트계 스테인리스강 용접부의 고온 균열 방지를 위한 지침'; AWS D1.6/D1.6M-22; Norsok M-601(Rev. 6, 2022); Kobelco '스테인리스 용접 가이드'(2019); JN Alloys 내부 용접 결함 데이터베이스(2024).