N3-0330분
니켈합금·티타늄 용접
고온 내식합금과 반응성 금속의 용접 기술
🟡Referenced — 전문가 참조
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니켈합금(Nickel Alloys)은 고온 내식성이 요구되는 석유화학, 원자력, 항공 분야에서 핵심 재료입니다. 티타늄(Titanium)은 경량·고강도·내식성이 뛰어나 화학 플랜트와 해양 구조물에 사용됩니다.
두 재료 모두 일반 탄소강과는 전혀 다른 용접 접근이 필요합니다.
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니켈합금의 주요 종류와 특성
- Inconel 600 (UNS N06600): Ni-Cr 합금. 고온 산화 저항. 원자력 열교환기, 화학 처리 장치
- Inconel 625 (UNS N06625): Ni-Cr-Mo 합금. 뛰어난 내식성과 고온 강도. 해양, 화학 플랜트
- Monel 400 (UNS N04400): Ni-Cu 합금. 해수 내식성 우수. 해양 배관, 펌프
- Hastelloy C-276 (UNS N10276): Ni-Mo-Cr 합금. 극한 부식 환경. 습식 FGD, HCl/H₂SO₄ 환경
용접 시 핵심 주의사항: Ni합금은 응고 범위가 넓어 고온균열(hot cracking)에 취약합니다. S, P 등 불순물에 극히 민감하므로 용접부 청정도 관리가 필수입니다.
Ni합금 용접 시 절대 금지: 황(S) 함유 마킹펜, 윤활유, 절삭유 등의 오염물. 미량의 황이라도 입계에 편석되어 고온균열을 유발합니다. 용접 전 아세톤 또는 전용 세정제로 철저히 청소해야 합니다.
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니켈합금 필러메탈 선택
- ERNiCr-3 (Inconel 82): Inconel 600 계열 용접용. GTAW 루트 패스에 널리 사용
- ERNiCrMo-3 (Inconel 625): 범용 Ni합금 필러. 이종금속 용접(DMW)에도 사용
- ERNiCrMo-4 (Hastelloy C-276): 고내식 환경용
- ERNiCu-7 (Monel): Monel 합금 용접용
이종금속 용접(탄소강 + STS, STS + Ni합금) 시 ERNiCrMo-3(Inconel 625)가 가장 범용적으로 사용됩니다.
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티타늄(Titanium) 용접
티타늄은 Grade 1(순Ti, 낮은 강도) ~ Grade 5(Ti-6Al-4V, 고강도)로 분류됩니다.
최대 난관: 산소·질소·수소 오염에 극도로 민감
약 300°C 이상에서 Ti는 O₂, N₂와 급격히 반응합니다. 오염되면 경도가 급상승하고 취성 파괴가 발생합니다.
필수 보호 장치:
- Primary shielding: 토치 노즐의 Ar 보호가스 (표준)
- Trailing shield: 아크 뒤쪽 고온 영역을 Ar로 지속 차폐
- Backing purge: 이면(루트 측)을 Ar로 퍼지하여 산화 방지
- 모든 보호가스는 Ar 순도 99.995% 이상 사용
티타늄 용접부 변색 판정은 시험에 자주 출제됩니다. 은색(Silver) → 양호, 금색(Gold/Straw) → 경미한 오염(경고), 청색(Blue) → 과도한 오염(NG, 불합격), 회색/백색(Gray/White) → 심각한 오염(완전 부적합, 제거 후 재용접). 변색 판정은 AWS D1.9 등에서 규정합니다.
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티타늄 용접의 실무 포인트
- 용접 프로세스: GTAW가 주로 사용됨. GMAW(펄스)도 가능하나 보호 관리가 더 어려움
- 용가재: ERTi-2(순Ti용), ERTi-5(Ti-6Al-4V용)
- 텅스텐 전극: 순텅스텐 또는 EWCe-2 사용 (EWTh-2는 방사성 우려)
- 이종금속 용접: Ti와 철, 알루미늄은 취성 금속간화합물(IMC) 형성으로 직접 용접 불가. 폭발 접합이나 바이메탈 전이재(transition joint) 사용
- 열처리: Grade 5 이상은 응력 제거 열처리(SR) 필요 (약 540~650°C)
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소재 확인 (L등급/안정화강 선택)
사용할 스테인리스강의 등급을 확인합니다. 예민화(Sensitization) 방지를 위해 저탄소 L등급(304L, 316L: C ≤ 0.03%)이나 안정화강(321: Ti 첨가, 347: Nb 첨가)을 선택합니다. L등급은 탄소 함량을 낮춰 Cr₂₃C₆ 석출을 억제합니다.
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입열량 제한·층간온도 관리 (150°C 이하)
오스테나이트계 STS는 열전도율이 낮고 열팽창이 크므로, 과도한 입열은 변형과 예민화를 유발합니다. 입열량을 최소화하고 층간온도를 150°C 이하로 관리합니다. 패스 간 충분한 냉각 시간을 확보하여 예민화 온도 범위(450~850°C) 체류를 줄입니다.
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용가재 선정 (308L/316L)
모재와 동등하거나 내식성이 우수한 용가재를 선정합니다. 304L 모재에는 ER308L, 316L 모재에는 ER316L을 사용합니다. 용착금속에 5~10% 페라이트가 포함되도록 용가재를 선택하면 고온균열 저항성이 향상됩니다(Schaeffler/DeLong 도표 활용).
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용접 후 고용화 열처리 검토
부식 환경이 가혹하거나 예민화가 우려되는 경우, 용접 후 고용화 열처리(Solution Annealing, 1050~1100°C 급랭)를 검토합니다. 고용화 처리로 Cr 탄화물을 재고용시켜 입계부식 저항성을 회복합니다. L등급 사용 시 대부분 생략 가능합니다.
Ni·Ti 합금 시험 함정 5종 1. "Inconel 625의 분류?" → Ni-Cr-Mo 합금. 60%Ni-22%Cr-9%Mo. 고온 강도·내식성 동시 우수. 2. "Ni합금 용접의 주된 문제?" → 고온균열(Hot Crack) + DDC(연성저하균열). S·P 불순물 + 결정립계 액막. 입열 제한 + 위빙 금지. 3. "Ti 용접 시 가장 큰 주의점?" → 공기 차단. Ti는 500°C 이상에서 O₂·N₂·H 흡수 → 취성. 이면 퍼지 + 트레일링 실드 필수. 4. "Ti 비드 색상으로 보호 판정?" → 밝은 은색=합격, 황색·청색=경계, 회색·흰색=불합격. 산화 정도가 색상으로 드러남. 5. "Inconel 718 용접 후 PWHT?" → 시효 처리(720°C × 8h + 620°C × 8h) 필요. γ' 석출로 강도 확보.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 5
니켈합금 용접 시 가장 주의해야 할 결함은?