P3-1520분
이종금속 용접
탄소강-STS, 희석율, 용접봉 선택
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이종금속 용접(Dissimilar Metal Welding, DMW)은 서로 다른 종류의 금속을 접합하는 용접입니다. 가장 흔한 경우는 탄소강과 스테인리스강의 접합이며, 발전소, 석유화학 플랜트에서 널리 사용됩니다.
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이종금속 용접의 주요 문제점
| 문제 | 원인 | 영향 |
|---|---|---|
| 탄소 이동(Carbon Migration) | 고온에서 C가 Cr 함량 높은 쪽으로 이동 | 탈탄층(연화) + 침탄층(경화) 형성 |
| 열팽창 차이 | 오스테나이트 STS > 탄소강 (약 1.5배) | 열 사이클 시 열응력 발생 |
| 용접금속 희석 | 양쪽 모재가 서로 다른 비율로 용융 | 예상치 못한 합금 조성 |
| 갈바닉 부식 | 이종 금속 간 전위차 | 전해질 환경에서 이온화 경향 큰 쪽 부식 촉진 |
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희석율(Dilution) 계산
희석율은 용접금속에서 모재가 차지하는 비율입니다.
희석율(%) = (용융된 모재 면적 / 전체 용접금속 면적) × 100
| 프로세스 | 전형적 희석율 |
|---|---|
| GTAW | 15~30% (가장 낮음) |
| SMAW | 25~40% |
| GMAW | 20~45% |
| SAW | 40~70% (가장 높음) |
> 이종금속 용접에서는 낮은 희석율이 유리합니다. 높은 희석율은 용접금속의 합금 조성을 예측하기 어렵게 만듭니다.
시험 핵심: "탄소강과 STS의 이종 용접 시 사용하는 용접봉은?" → 고합금 용접봉(309/309L)을 사용합니다. 희석 후에도 충분한 Cr/Ni을 유지하여 내식성과 균열 저항성을 확보합니다.
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탄소강-STS 이종 용접 시 용가재 선택
| 모재 조합 | 권장 용가재 | 이유 |
|---|---|---|
| 탄소강(P-1) + 304 STS(P-8) | E/ER309L | 희석 후에도 충분한 Cr(23%), Ni(13%) 유지 |
| 탄소강(P-1) + 316 STS(P-8) | E/ER309LMo | Mo 추가로 내공식성 확보 |
| 탄소강 + 니켈합금 | ENiCrFe-3 (Inconel 182) | 고온 환경, 탄소 이동 최소화 |
| 저합금강(P-4/5) + STS | ENiCrFe-3 또는 E309L | 버터링 후 PWHT, 최종 이음 |
309L이 아닌 308L을 사용하면 안 되는 이유:
308L은 Cr 20%, Ni 10% → 탄소강 희석 시 Cr/Ni 부족 → 마르텐사이트 생성 → 균열 위험
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버터링(Buttering) 기법
이종금속 용접에서 PWHT가 필요한 모재(예: Cr-Mo강)와 PWHT가 불리한 모재(예: STS)를 접합할 때 사용합니다.
절차:
1. Cr-Mo강 쪽에 Ni합금(Inconel 182/82) 또는 309L로 버터링 층을 올림
2. 버터링된 상태에서 PWHT 실시 (Cr-Mo강 요구 사항 충족)
3. PWHT 완료 후 버터링 면과 STS를 최종 이음 용접 (PWHT 불필요)
이 방법으로 양쪽 모재의 열처리 요구 사항을 모두 만족시킬 수 있습니다.
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ASME IX에서의 이종금속 용접 인정
- P-Number가 다른 모재 조합의 WPS에는 각각의 모재에 대한 PQR이 필요
- 또는 해당 이종 조합으로 직접 시험한 PQR 사용
- 예열 온도는 더 높은 예열이 필요한 쪽에 맞춤
- PWHT는 더 엄격한 쪽의 요구 사항을 따름
- 용가재는 A-Number 또는 화학 성분으로 지정
실무에서 가장 흔한 이종 용접: 정유 플랜트에서 탄소강 배관과 STS 라이닝/클래딩의 접합, 발전소에서 Cr-Mo강 헤더와 STS 튜브의 접합입니다.
1
모재 조합 확인
CS+STS, CS+Ni합금, STS+Duplex 등 조합별 용접성 문제를 파악합니다.
2
용가재·버터링 결정
ERNiCrMo-3(Inconel 625), E309 등 고합금 쪽 기준 용가재 선택. 필요 시 버터링.
3
예열·PWHT 조건 결정
더 엄격한 쪽 기준 예열. 희석율 관리. PWHT 시 탄소 이동(Carbon Migration) 주의.
4
시공·검사 실행
입열량 관리, 층간 청소 철저. NDT 시 재질별 감도 차이(STS의 UT 어려움) 고려.
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v1.6 보강 — BUTTERING 시공법 상세 (PDF 보강)
BUTTERING의 정의 — 이종 재료 맞대기 용접 시 모재의 열영향을 방지하기 위해 탄소강·저합금강 측 모재의 홈면을 고합금 용접봉으로 덧살 용접하는 기법.
```
[탄소강] ─── [BUTTERING 층(E309)] ─── [SUS 304]
↑ ↑
탄소강 측에 덧살 용접 동종 용접 가능
```
용접봉 선택의 핵심 — 왜 E309인가?
| 용가재 | 탄소강+STS 이종 사용 시 | 결과 |
|---|---|---|
| E309 (23Cr-13Ni) | ◎ 권장 | Cr·Ni 함량 높아 탄소강 희석 후에도 오스테나이트 유지 |
| E308 / E316 | × 부적합 | 희석으로 Cr/Ni 감소 → MARTENSITE 발생 → 균열·취화 |
| E310 (완전 오스테나이트) | × 부적합 | 100% 오스테나이트 → 고온균열 多 |
| INCONEL (ERNiCrMo-3) | ◎ 최상위 | 가장 안전하나 고가 |
Schaeffler 선도 적용 — 탄소강 희석율에 따라 용착금속이 어느 조직 영역으로 떨어지는지 예측. 탄소강 25~30% 희석 가정 시 E309가 A+F(Austenite + Ferrite) 영역 유지.
시공 순서
1. 탄소강 측 홈면에 E309로 3~6mm 두께 BUTTERING (다층)
2. BUTTERING 층 표면을 그라인딩하여 평탄화
3. 탄소강 모재가 적용 코드 요구 시 PWHT 수행 (BUTTERING 층은 PWHT 견딤)
4. BUTTERING 층 + STS 모재를 동종 용접(E308L 등)으로 본 용접
INCONEL 적용 케이스 — 발전소 헤더처럼 PWHT 환경과 고온 사용 조합에서 사용. CS-STS 사이 Ni합금(Inconel 625) 한 층이 탄소 확산을 막아 장기 신뢰성 확보.
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v1.6 보강 — 희석율(Dilution Ratio) 정량 평가 (PDF 보강)
$$\text{희석율} = \frac{\text{모재 용해량}}{\text{용착금속 총량}} \times 100\,(\%) = \frac{A_{base}}{A_{base} + A_{filler}} \times 100$$
프로세스별 일반적 희석율
| 프로세스 | 희석율 | 비고 |
|---|---|---|
| SAW (대입열) | 50~70% | 가장 큼 |
| SMAW | 20~40% | 보편적 |
| GMAW (Spray) | 20~40% | 보편적 |
| GTAW (수동) | 10~30% | 정밀 |
| GMAW (Short) | 5~15% | 박판 |
| Plasma | 5~15% | 가장 작음 |
| Cladding (저희석) | < 10% | 표면 처리 전용 |
희석율을 낮추는 방법
- 낮은 전류·낮은 입열
- 위빙 폭 증가
- 전극 각도 조정 (15~30°)
- 다층 시공 (2층부터는 이전 층이 모재 역할)
- 표면 클래딩 시 Strip Cladding(스트립 용접) 사용
왜 희석율 관리가 중요한가?
CS-STS 이종 용접 시 희석율이 40%를 넘으면 용착금속의 Cr/Ni 함량이 임계치 이하로 떨어져 Schaeffler 선도상 A+M(Austenite + Martensite) 영역으로 진입 → 균열 발생.
클래딩의 화학조성 기준
- 1층(Buffer): 모재 영향 大, 합금원소 30~50% 손실
- 2층(Main): 거의 용가재 조성과 동일
- 부식 환경에서는 2층 표면에서 시험봉 채취하여 화학분석
시험 단골 함정 4종 1. "CS+STS 이종 용접에 E308 사용?" → 부적합. Cr/Ni 부족 → 마르텐사이트 발생. E309L 또는 ENiCrFe-3 권장. 2. "희석율이 낮을수록 좋다?" → 이종 용접에서는 그렇다. 낮은 희석율 = 모재 조성 영향 적음 = 예측 가능한 합금. GTAW(10~30%) > SMAW > GMAW > SAW(50~70%) 순. 3. "버터링(Buttering)을 왜 하는가?" → 양쪽 모재의 PWHT 요구를 분리하기 위해. Cr-Mo강 쪽에 Ni합금 버터링 → PWHT → 그 위에 STS 용접(PWHT 불요). 4. "Schaeffler 선도에서 E309가 안전한 이유?" → 탄소강 희석 후에도 A+F(Austenite + Ferrite) 영역 유지. 마르텐사이트(M) 영역 진입 방지.
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🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
탄소강(P-1)과 304 STS(P-8) 이종 용접 시 권장 용가재는?