이종금속 용접

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.

주요 이종금속 용접 조합과 용가재 선택

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.

희석율(Dilution) 계산

희석율은 용접부 전체 금속 중 모재에서 용융·혼합된 비율을 나타냅니다.

> 희석율(%) = (모재 용융량 / 전체 용착량) × 100

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.

버터링(Buttering)

버터링은 이종금속 접합면에 중간 합금층을 미리 용착하는 기법으로, 이종금속 용접의 품질을 크게 향상시킵니다.

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

탄소 이동(Carbon Migration)

이종금속 용접부가 고온(특히 PWHT 600~760°C)에 노출되면 탄소가 저Cr 측에서 고Cr 측으로 이동하는 현상이 발생합니다.

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

v1.6 보강 — DeLong / WRC-1992 응고 모드 4분류 (PDF 보강)

Schaeffler 선도(1949)는 N을 포함하지 않아 N 함유 STS 예측이 부정확. DeLong(1973)과 WRC-1992가 후속 발전.

DeLong 식 (Schaeffler에 N 추가)
$$Cr_{eq} = Cr + Mo + 1.5\,Si + 0.5\,Nb$$
$$Ni_{eq} = Ni + 30(C+N) + 0.5\,Mn$$

WRC-1992 응고 모드 4분류 — 응고 후 미세조직 형성 경로 표시:

황금 규칙: 오스테나이트계 STS 용접 = FA 모드 + 5~10 FN(Ferrite Number) 목표.

Cr/Ni 비: Cr_eq/Ni_eq > 1.5 면 FA 모드, 1.5 미만이면 A 또는 AF 모드. E308L·E316L은 이 비가 ~1.6으로 자연스럽게 FA 모드.

v1.6 보강 — 인코넬 용가재 적용 가이드 (PDF 보강)

인코넬(Inconel) 계열은 Ni 기반 합금으로 이종금속 용접의 최상위 옵션.

Ni 함량 60% 이상의 모든 인코넬 용가재 공통 장점:
- 탄소 확산 장벽 — 탄소강 측 탈탄·STS 측 침탄 거의 없음
- 열팽창계수 매칭 — CS(12) vs STS(17) 사이 Ni계(14) 위치
- PWHT 견딤 — 600~760℃에서도 조직 안정
- 2상 응고 — δ-Ferrite 5%로 응고균열 억제

단점: 매우 고가 (kg당 10~20만 원), 용접 시 슬래그 점성 高 → 작업성↓, DDC(Ductility-Dip Cracking) 발생 가능 — Inconel 690 계열에서 700~1,000℃ 사용 시 연성 저하.

원자력 응용 사례 — 원자력 1차 계통 배관(SA-336/SA-376 + SA-376 STS) Safe End 이음은 Inconel 82/182 의무 사용. AVR 균열 방지를 위해 GTAW 루트 + GTAW/SAW 필 + GTAW 캡 적용.