P3-1922분
이종금속 용접
탄소강-STS, 희석율, 버터링
🔵Reviewed — 교차 검증 완료
🔵 Reviewed
이종금속 용접(Dissimilar Metal Welding, DMW)은 화학 조성이 다른 두 모재를 접합하는 용접입니다. 석유화학, 발전소, 원자력 플랜트에서 탄소강 배관과 스테인리스강 기기의 연결부 등에 광범위하게 적용됩니다. 이종금속 용접의 핵심 과제는 희석(Dilution), 탄소 이동(Carbon Migration), 잔류응력, 그리고 적절한 용가재 선택입니다.
🔵 Reviewed
주요 이종금속 용접 조합과 용가재 선택
| 모재 조합 | 용가재 | 선택 근거 | 주의사항 |
|---|---|---|---|
| 탄소강 + 304 STS | ER309L / E309L | 고합금 측(STS) 기준, 희석 보상 | 희석율 관리, PWHT 시 탄소 이동 |
| 탄소강 + 316 STS | ER309LMo / E309LMo | Mo 함유로 316 측 내식성 보완 | 309L도 허용, Mo 유무 확인 |
| 탄소강 + Cr-Mo강 | 저합금 측 기준 또는 Ni계 | P-No. 따라 결정 | PWHT 필수, 경도 관리 |
| STS + 니켈합금 | ERNiCr-3 (Inconel 82) | 니켈계 고합금 | 고온 환경, 열팽창 차이 |
| 탄소강 + 니켈합금 | ENiCrFe-3 (Inconel 182) | 고합금 측 기준 | 버터링 적용 빈번 |
용가재 선택 원칙: 이종금속 용접 시 용가재는 고합금 측 모재의 성분에 맞추거나 그보다 높은 합금을 선택합니다. 이는 희석에 의해 합금 원소가 감소하더라도 최소 요구 성분을 만족시키기 위함입니다.
🔵 Reviewed
희석율(Dilution) 계산
희석율은 용접부 전체 금속 중 모재에서 용융·혼합된 비율을 나타냅니다.
> 희석율(%) = (모재 용융량 / 전체 용착량) × 100
| 용접 방법 | 일반적 희석율 | 비고 |
|---|---|---|
| GTAW | 20~30% | 낮은 입열, 정밀 제어 |
| SMAW | 25~40% | 용접봉 크기·기법에 따라 변동 |
| GMAW | 30~50% | 높은 용착율 |
| SAW | 40~70% | 매우 높은 희석 — 이종금속에 부적합한 경우 多 |
희석율이 높으면 용가재의 합금 성분이 모재에 의해 많이 묽어져, 용접부 조직이 원하는 상(Phase)에서 벗어날 수 있습니다. 따라서 이종금속 용접에서는 희석율이 낮은 GTAW를 루트 패스에 많이 사용합니다.
Schaeffler 다이어그램은 Cr당량(= Cr + Mo + 1.5Si + 0.5Nb)과 Ni당량(= Ni + 30C + 0.5Mn)을 이용하여 용접부의 미세조직(오스테나이트, 페라이트, 마르텐사이트)을 예측하는 도구입니다. 이종금속 용접에서 두 모재와 용가재의 조성을 알면, 희석율을 고려하여 최종 용접부 조직을 도표 위에서 예측할 수 있습니다.
🔵 Reviewed
버터링(Buttering)
버터링은 이종금속 접합면에 중간 합금층을 미리 용착하는 기법으로, 이종금속 용접의 품질을 크게 향상시킵니다.
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 정의 | 개선면(Groove face)에 1~2층의 용착금속을 미리 쌓는 것 |
| 목적 | 희석 완화, 탄소 이동 방지, PWHT 조건 분리 |
| 대표 적용 | 탄소강+STS 이음에서 탄소강 측에 309L 버터링 |
| 시공 순서 | ① 탄소강 측 개선면에 309L 버터링 → ② PWHT → ③ STS 측과 본용접(308L) |
| 두께 | 일반적으로 3~6mm (2~3 패스) |
버터링의 핵심 장점:
- PWHT를 버터링 후(본용접 전)에 수행 → STS 측이 PWHT 열영향을 받지 않음
- 탄소강 HAZ의 경도를 PWHT로 낮출 수 있음
- 본용접 시 희석이 버터링층에서 발생 → 탄소강 직접 희석 방지
🔵 Reviewed
탄소 이동(Carbon Migration)
이종금속 용접부가 고온(특히 PWHT 600~760°C)에 노출되면 탄소가 저Cr 측에서 고Cr 측으로 이동하는 현상이 발생합니다.
| 현상 | 위치 | 영향 |
|---|---|---|
| 탈탄층(Decarburized Zone) | 저Cr 측(탄소강) 계면 | 강도·경도 저하, 크리프 수명 감소 |
| 침탄층(Carburized Zone) | 고Cr 측(STS/Cr-Mo) 계면 | 경도 상승, 인성 저하, 취화 |
탄소 이동 방지 대책:
- 니켈계 용가재 사용 (ERNiCr-3): 니켈은 탄소 확산 장벽 역할
- PWHT 온도 최소화: 불필요하게 높은 온도·장시간 유지 회피
- 버터링 적용: 중간층이 탄소 확산 경로를 차단
- 서비스 온도 고려: 장기 고온(>400°C) 운전 시 Ni계 용가재 필수
시험 핵심: "탄소강+STS 이종금속 용접에서 PWHT 시 발생하는 문제는?" → 탄소 이동(Carbon Migration). 탄소강 측에 탈탄층이, STS 측에 침탄층이 형성되어 계면 강도가 약화됩니다. 니켈계 용가재(Inconel 82/182)가 이를 방지하는 최선의 대책입니다.
1
모재 조합 확인
두 모재의 화학 조성, P-No., 열팽창 계수 차이를 확인하고 WPS를 검토합니다.
2
Schaeffler 조직 예측
Cr당량·Ni당량을 계산하고 Schaeffler 다이어그램에서 용접부 예상 조직을 확인합니다.
3
용가재 선택
고합금 측 기준으로 용가재를 선정합니다. CS+STS → ER309L, 고온 서비스 → Ni계(Inconel 82).
4
버터링/PWHT 결정
버터링 필요 여부 결정. 버터링 후 PWHT → 본용접 순서로 시공하여 탄소 이동을 최소화합니다.
🎯 학습 확인 퀴즈⚠️ 자체 제작 문항1 / 7
이종금속 용접에서 희석율(Dilution)의 정의로 올바른 것은?