듀플렉스 스테인레스강 용접 50/50 오스테나이트-페라이트 균형을 유지하는 방법

● 50/50 균형은 자동이 아닙니다. - 열 입력, 층간 온도, 냉각 속도 및 용가재 화학의 정밀한 제어가 필요합니다. 하나의 잘못된 매개변수는 내식성과 인성을 모두 파괴합니다.

● 표준 듀플렉스(2205)의 열 입력 창: 0.5~2.5kJ/mm. 0.5=미만의 과도한 페라이트(취성). 2.5=시그마 위상 이상(취화 + 부식).

● 패스간 온도: 2205의 경우 150도 이하, 슈퍼 듀플렉스(2507)의 경우 100도 이하. 이러한 한계를 초과하면 몇 분 내에 시그마 단계 강수가 발생합니다.

● 충전재 금속은 반드시-2205의 경우 ER2209(Ni ~9% 대 베이스 5%), 2507의 경우 ER2594로 합금되어야 합니다. 308L/316L 필러는 절대 사용하지 마세요.

● 표준 PWHT(600-720도)는 금지되어 있습니다. - 시그마 위상을 생성합니다. 1040~1100도 + 물 담금질의 용액 어닐링만 허용됩니다.

모든 양면 속성

이중 스테인리스강오스테나이트( )와 페라이트( ) 상의 대략 동일한 혼합물로부터 이름 - 및 엔지니어링 값 -을 파생합니다. 이 50/50 미세구조는 미용적인 것이 아닙니다. 이는 표준 304L/316L 스테인리스 강의 항복 강도의 약 두 배에 해당하는 오스테나이트 내식성과 페라이트 강도의 결합이라는 합금의 정의 특성을 전달하는 바로 그 메커니즘입니다.

듀플렉스 스테인리스강이 용융된 용접 풀에서 응고되면 100% FERRITE가 됩니다. 오스테나이트는 대략 1350도에서 800도까지의 온도 범위에서 고체{2}}상 변태를 통해 후속 냉각 중에만 형성됩니다. 결국 얼마나 많은 오스테나이트가 -을 형성하는지 그리고 유해한 3상(시그마, 카이, 질화물)도 나타나는지 여부 -는 전적으로 세 가지 용접 변수에 의해 결정됩니다.

① 입열량(kJ/mm) - 용접 단위 길이당 축적된 총 열 에너지입니다.

② 냉각 속도(도/초)-는 입열량, 판 두께, 층간 온도 및 예열에 따라 결정됩니다.

③ 화학적 조성 - 특히 오스테나이트를 안정화시키는 니켈과 질소.

If austenite content falls below 25% (ferrite >75%), 내식성이 좋지 않아 조인트가 부서지기 쉽습니다. 냉각 속도가 너무 느리면 크롬-이 풍부한 시그마 상(σ)이 700도에서 950도 사이의 결정립 경계에 석출되어 인접한 매트릭스에서 크롬과 몰리브덴을 소모합니다. 결과: 단일 열 사이클에서 인성 및 공식 저항 -의 치명적인 손실.

핵심 야금 원리

• 이중 용접 응고: 액체 → 100% 페라이트 → 냉각 시 부분적으로 오스테나이트로 변태.
• 목표: 온도가 ~800도 아래로 떨어지기 전에 30~70%의 오스테나이트가 형성되도록 냉각을 제어합니다.
• 적: 시그마 단계가 몇 분 내에 핵 생성되고 성장하는 700~950도 - 사이에서 소요되는 시간입니다.
• 해결책: 열 입력의 "골디락스 구역"(너무 뜨겁지도, 너무 차갑지도 않음)을 유지하고 패스 간 온도 제한을 엄격하게 적용하는 것입니다.

표준 이중 강철의 열 입력

열 입력은 듀플렉스 스테인리스강의 가장 중요한 용접 변수입니다. 다음과 같이 계산됩니다.

열량(kJ/mm)=(전압 × 전류 × 60) / (이동 속도 × 1000)

다음 표에는 가장 일반적인 세 ​​가지 이중 등급에 대한 허용 가능한 열 입력 범위가 정의되어 있습니다. 이 숫자는 제안이 아닙니다. - 야금학적 경계입니다. 이를 초과하면 용접 조인트에 즉각적이고 돌이킬 수 없는 손상이 발생합니다.

출처: Industeel(ArcelorMittal), 이중 스테인리스강 용접 지침, 개정판. 2019; Sandvik 용접 핸드북; AWS D10.18 듀플렉스 스테인리스강 용접 가이드.

2205와 2507의 차이는 중요합니다. 슈퍼 듀플렉스(2507, PREN 41 이상)는 더 높은 합금 함량(Mo ~4%, Ni ~7%)을 가지므로 시그마 상 형성에 더 민감합니다. 이것이 허용 열 입력이 2205의 상한보다 낮은 1.5 kJ/mm - 40%로 제한되는 이유입니다. 린 듀플렉스(2304, PREN ~26)는 합금 함량이 낮기 때문에 창 양쪽 끝이 더 단단합니다.

용접공을 위한 실제적 의미

● 낮은 입열량(<0.5 kJ/mm) = fast travel, low current → rapid cooling → ferrite stays, austenite doesn't form → Brittle joint.
● High heat input (>2.5 kJ/mm)=느린 이동, 고전류 → 느린 냉각 → 시그마 상 침전 → 부서지기 쉽고 부식됨.
● 골디락스 구역(2205년의 경우 0.5-2.5)은 시그마 영역을 넘지 않고 30-70% 오스테나이트가 형성될 만큼 충분한 냉각 시간을 제공합니다.

듀플렉스 2205의 층간 온도

층간 온도 관리는 열 입력 제어보다 틀림없이 더 중요합니다. 그 이유는 시그마 단계 석출 동역학이 온도에 따라 기하급수적으로 가속되기 때문입니다. 850도에서는 2분 이내에 시그마 상이 형성될 수 있습니다. 700도에서는 15~30분 정도 걸릴 수 있습니다. 조인트가 최대 패스간 한계 이하로 냉각되도록 허용하지 않고 계속해서 패스를 증착하는 용접공은 시그마 단계 위험 구역 내부의 HAZ를 효과적으로 열처리합니다.-

산업 표준에 의해 정의된 층간 온도 제한은 다음과 같습니다.

출처: AWS D10.18/D10.18M; NORSOK M-601:2016; API RP 582:2021; Industeel 용접 지침(ArcelorMittal, 2019).

얇은-벽 섹션의 경우(<6 mm), some specifications recommend even tighter limits (70–100°C) because the heat from subsequent passes accumulates more rapidly in thin material. The welder must measure temperature using a contact pyrometer or temperature-indicating crayon at the weld toe IMMEDIATELY before starting the next pass. Forced air cooling (but NEVER water quenching) may be used to accelerate interpass cooling.

Interpass 제한 초과의 결과

층간 온도가 2205의 경우 150도(또는 2507의 경우 100도)를 초과하는 경우:

● 시그마 상(Cr-풍부 금속간 화합물)은 800~900도에서 2~5분 내에 페라이트/오스테나이트 경계에서 핵을 생성합니다.
● 인접한 매트릭스는 크롬이 고갈되고 → PREN이 임계값 아래로 떨어지며 → 고갈된 영역에서 공식 부식이 시작됩니다.
● Charpy impact toughness drops from >100J ~<20 J at room temperature.
● 손상은 누적됩니다. 패스가 뜨거워질수록 시그마가 늘어나고 크롬이 더 많이 소모되며 부서지기 쉽습니다.

이중 강철의 필러 금속

이중 필러 금속은 기본 금속보다 2-4% 더 많은 니켈을 의도적으로 구성합니다. 이는 제조 오류가 아닙니다. - 이는 용접 중에 발생하는 피할 수 없는 질소 손실을 해결하는 야금학적 보상 전략입니다.

출처: AWS A5.9/A5.9M:2021 - 스테인레스강 용접 전극 및 봉 사양; 비금속 화학에 대한 ASTM A240/A240M-22.

Why the over-alloying? During welding, nitrogen - a potent austenite stabilizer - escapes from the molten weld pool. If the filler metal has the same nickel content as the base metal, the nitrogen loss will shift the phase balance toward excessive ferrite (>75%). 니켈을 2~4% 과합금하여 -용가재는 냉각 중에 충분한 오스테나이트가 형성되도록 보장하여 침전물을 30~70 FN 목표 범위로 유지합니다.

절대로 해서는 안되는 일

● NEVER use ER308L, ER316L, or ER309L filler on duplex stainless steel. These grades contain ~10% Ni and ~20% Cr - designed for fully austenitic deposits. They will produce a ferritic (>80%) 모재 요구 사항보다 훨씬 낮은 PREN을 사용하여 금속을 용접합니다.
● 보호 가스에 질소를 추가하지 않고 이중 스테인리스 스틸에 자동(충전재 없음) GTAW를 수행하지 마십시오. 필러가 없으면 질소 손실은 치명적입니다. - 페라이트는 85%를 초과합니다.
● 용가재의 MTR(재료 테스트 보고서)에 올바른 AWS 분류 - 2205의 경우 ER2209, 2507의 경우 ER2594가 나열되어 있는지 항상 확인하세요.

위상 균형은 추측이 아니라 측정되어야 합니다

용접 후에는 페라이트 함량을 확인해야 합니다. 다음 표준은 허용 가능한 범위와 측정 방법을 정의합니다.

출처: ASTM A923-22; ASTM E562-19; ISO 17781:2017; 스테인리스강 용접 금속에 대한 WRC-1992 구성 다이어그램(Kotecki & Siewert).

주요 측정 포인트

캡뿐만 아니라 각 패스 - 루트, 채우기 및 캡 -에서 페라이트를 측정합니다. 루트 패스는 가장 빠르게 냉각되기 때문에 일반적으로 페라이트 함량이 가장 높습니다(가장 얇은 섹션, 모재 금속에 대한 방열판이 가장 높음). 루트 패스가 75FN을 초과하면 허용 가능한 캡 패스 판독값에 관계없이 조인트가 샤르피 충격 테스트에 실패합니다.

듀플렉스 스테인레스강의 -용접 열처리(PWHT)

이는 탄소강 및 오스테나이트계 스테인리스강 제조에 익숙한 용접공에게는 가장 직관에 반하는 규칙입니다. 탄소강을 사용하면 600~720도의 PWHT가 잔류 응력을 완화하고 HAZ를 완화합니다. 듀플렉스 스테인리스강의 경우 동일한 온도 범위에서 시그마 상이 침전되어 접합부가 파괴됩니다.

출처: AWS D10.18/D10.18M:2020 - 페라이트계/오스테나이트계 이중 스테인리스강 배관 및 튜브 용접 가이드; API RP 582:2021 - 화학, 석유 및 가스 산업을 위한 용접 지침.

이 규칙에는 예외가 없습니다

조립에 -규정된 PWHT가 필요한 경우(예: 이종 금속 조인트의 탄소강 부품으로 인해) 듀플렉스 스테인리스강 섹션을 탈착식 스풀 피스로 설계하거나 듀플렉스 구성요소를 설치하기 전에 PWHT를 수행하여 PWHT 사이클 -로부터 보호해야 합니다. 600~720도에서 듀플렉스 스테인리스강을 시그마 단계에 면역으로 만드는 용접 절차는 없습니다.

등급-별-등급 비교

다음 표는 용접 엔지니어를 위한 포괄적인 1{0}페이지 참조 자료를 제공합니다. 이중 경사면에서 원호를 그리기 전에 이 항목을 이동/금지{2}}체크리스트로 사용하세요.

출처: AWS D10.18/D10.18M:2020; ASTM A240/A240M-22; Industeel 이중 용접 지침; Sandvik 용접 핸드북; 노르속 M-601.

자주 묻는 질문

304L 및 316L은 완전 오스테나이트입니다. - 응고부터 실온까지 오스테나이트 상태로 유지됩니다. 용접 요구 사항은 간단합니다. 고온 균열을 방지하기 위해 열 입력을 제어하고, 감작을 방지하기 위해 175도 이하의 층간을 형성하고, 매칭 또는 308L/316L 필러를 사용합니다. 듀플렉스 스테인리스강은 근본적으로 다릅니다. 100% 페라이트로 응고되며 정확한 30-70% 오스테나이트를 형성하려면 특정 온도 창(1350도 → 800도)을 통해 냉각되어야 합니다. 듀플렉스에 304L- 수준의 열 입력을 사용하면 내식성이 없는 완전 페라이트계 취성 용접이 생성됩니다.

Q2: 페라이트 판독값이 30-70이 아닌 85FN이면 어떻게 됩니까?

85 FN 값은 용접 금속의 부피당 페라이트 함량이 약 80-85%-로 허용 한계보다 훨씬 높다는 것을 의미합니다. 결과: (1) 샤르피 충격 인성은 실온에서 27J 아래로 떨어집니다. - 조인트가 부서지기 쉽습니다. (2) 오스테나이트가 없다는 것은 질소 용해 부위가 없다는 것을 의미하므로 크롬 질화물이 페라이트 입자 내에 석출되어 공식 저항이 파괴됩니다. (3) 용접부는 수소-로 인한 균열에 취약합니다. 근본 원인은 거의 항상 너무 낮은 열 입력, 너무 빠른 이동 속도, 순수 아르곤 차폐 가스(N2 없음) 또는 첨가된 필러 금속 없음 중 하나입니다.

Q3: 듀플렉스와 탄소강을 용접할 수 있나요?

예 - 그러나 엄격한 절차가 필요합니다. ER2209 용가재를 사용하세요(탄소-~-스테인레스 용접에 표준인 ER309L 아님). ER2209의 더 높은 니켈은 탄소강 희석을 보상하고 희석 구역에 충분한 오스테나이트를 보장합니다. 이중 제한당 열 입력을 제어합니다(탄소강 제한 아님). 가장 중요한 고려 사항: 탄소강 부분에 용접 후 열처리가 필요한 경우-듀플렉스 구성 요소가 PWHT 후에 설치할 수 있는 제거 가능한 스풀 조각이 아닌 이상 듀플렉스 측면이 시그마 단계에 의해 파괴됩니다.

Q4: 시그마 상이 용접에 이미 존재하는지 어떻게 알 수 있습니까?

시그마 단계는 육안으로는 보이지 않습니다. 감지에는 다음이 필요합니다. (1) ASTM A923 방법 A - NaOH 전해 에칭에 따른 금속 조직 검사는 400~500× 배율에서 페라이트/오스테나이트 경계에서 시그마가 어두운 상으로 나타납니다. (2) ASTM A923 방법 B -에 따른 샤르피 충격 테스트 샤르피 값이 54J 미만인 경우 시그마가 존재할 가능성이 높습니다. (3) ASTM A923 방법 C-에 따른 염화제이철 부식 테스트 침지 후 24시간 이내에 공식이 발생하면 시그마 단계에서 크롬이 고갈된 것으로 확인됩니다. 휴대용 페라이트 스코프는 시그마 위상 -을 감지할 수 없으며 페라이트 내용만 읽을 수 있습니다.

Q5: 용액 어닐링은 완성된 용접물에 대한 실용적인 옵션입니까?

드물게. 용액 어닐링을 위해서는 전체 구성 요소를 1040~1100도까지 가열한 다음 물로 빠르게 담금질해야 합니다. 대규모 제작(압력 용기, FGD 흡수 장치, 2미터 이상의 파이프 스풀)의 경우 이는 부품에 맞는 크기의 용광로와 급냉 탱크 없이는 물리적으로 불가능합니다. 담금질 중 변형이 심합니다. 이러한 이유로 업계 표준은 PWHT 없이-용접-하여 허용 가능한 특성을 생성하도록 용접 절차를 설계하는 것입니다. 용체화 어닐링은 용광로 처리가 가능한 압연 제품(판, 파이프) 또는 소형 부품에 사용됩니다.{10}}