스테인리스강에 레이저 용접 적용 1

왜 스테인리스강에 레이저 용접을 사용하는가?

레이저 용접은 스테인리스강을 용접하는 데 있어 가장 효과적인 방법 중 하나로 꼽히는 여러 가지 장점을 가지고 있습니다. 속도, 정밀도, 열 영향 최소화라는 독특한 특성의 조합은 기존의 용접 방법으로 달성하기 어려운 결과를 제공합니다.

낮은 변형과 최소한의 열 변색: 스테인리스강은 열에 민감하며 과도한 열 입력으로 인해 휨, 잔류 응력 또는 보기 싫은 변색이 발생할 수 있습니다. 레이저 용접은 집중된 열원을 사용하여 열영향부(HAZ)를 매우 좁게 만들어 변형을 크게 줄여줍니다. 또한 제어된 열 프로파일은 열에 의한 변색을 제한하여 금속의 부식 저항성을 유지하고 후속 용접 청소 작업을 줄이거나 제거합니다.

고속 및 자동화 친화성: 레이저 용접은 고속 이동으로 수행할 수 있어 대량 생산에 이상적입니다. 이 공정은 자동화 라인에 쉽게 통합될 수 있으며, 로봇 시스템을 통해 작업자 피로 없이 일관된 용접 품질을 제공합니다. 이는 품질을 유지하면서 생산성을 향상시킵니다.

우수한 정밀도: 레이저 빔은 매우 작은 초점 크기로 집중될 수 있어 정확한 용접 위치 설정이 가능합니다. 이는 오차 허용치가 극히 작은 부품이나 얇은 스테인리스강, 복잡한 설계 제품 작업 시 필수적입니다.

접근성 및 단면 용접: 일부 기존 용접 방식과 달리 레이저 용접은 조인트의 한 쪽 면에서만 접근이 필요합니다. 이는 복잡한 조립 구조나 접근이 제한된 영역에서 매우 유용합니다.

청정 공정: 레이저 용접은 비접촉 공정으로, 스패터, 연기 및 오염물질이 최소화됩니다. 이는 작업장의 안전성과 청결도를 향상시킬 뿐만 아니라, 후속 용접 마감 작업에 대한 필요성을 줄여줍니다.

레이저 용접 방식의 스테인리스강 용접은 속도와 정밀도, 최소한의 열 입력을 결합하여 강도 높고 외관상 깔끔한 용접 결과를 제공하며, 재작업이 적게 발생합니다. 자동화 설비와의 호환성 및 단일면 접근 방식은 대량 생산과 특수 응용 분야 모두에 이상적인 선택이 되며, 장기적으로 품질과 효율성 측면에서 유리합니다.

스테인리스강의 종류와 용접에 미치는 영향

스테인리스강은 결정 구조와 합금 성분에 따라 여러 그룹으로 분류됩니다. 이러한 차이점은 직접적으로 용접성, 열 반응성 및 최종 기계적 특성에 영향을 미칩니다. 레이저 용접에서는 균열, 변형, 내식성 상실 또는 상 불균형과 같은 결함을 방지하기 위해 이러한 특성을 정확히 이해하는 것이 중요합니다.

오스테나이트

구조 및 조성: 입방체 중심 구조(FCC)를 가지며 일반적으로 16~26% 크롬과 6~12% 니켈을 포함함. 등급에는 304, 316, 310이 있음.

용접성: 우수한 용접성과 연성 특성을 가지나, 높은 열팽창으로 인해 변형이 발생할 수 있음. 낮은 열전도율로 인해 용접 조건이 적절히 조절되지 않으면 국부적인 과열이 발생할 수 있음.

레이저 용접 고려사항: 휨 현상을 최소화하기 위해 열입열을 낮게 유지함. 보호 가스 혼합물(예: 아르곤-헬륨)을 사용하여 침투성을 향상시키고 산화를 줄임. 이도화 현상을 방지하기 위해 계층간 온도와 냉각 속도를 조절함.

적용 분야: 식품 가공 장비, 화학 탱크, 건축 외장재

페라이티크

구조 및 조성: 10.5~30% 크롬을 함유한 체심입방구조(BCC)로, 니켈이 거의 없거나 전혀 없음. 일반적인 등급: 409, 430.

용접성: 보통 수준의 용접성—열영향부(HAZ)에서 결정립 성장 및 취성화 현상이 발생하기 쉬움. 낮은 열팽창으로 인해 오스테나이트계 강종보다 변형이 적음.

레이저 용접 고려사항: 조제 입열과 빠른 냉각을 유지하여 거친 결정립이 생기는 것을 방지해야 합니다. 충전 금속은 종종 불필요하지만 두꺼운 용접부의 인성을 개선하기 위해 사용될 수 있습니다.

적용 분야: 자동차 배기 시스템, 산업용 가전제품, 장식용 트림.

마르텐사이트

구조 및 조성: 11.5~18% 크롬과 더 높은 탄소 함량을 가진 체심입방(BCC)/정방정 구조. 일반적인 강종: 410, 420, 440C.

용접성: 경도와 취성으로 인해 용접이 어렵습니다. HAZ에서 냉간 균열 위험이 높습니다.

레이저 용접 고려사항: 예열을 150 –300℃ 까지 하여 경도 기울기를 감소시킵니다. 인성 회복을 위해 용접 후 템퍼링을 수행합니다. 탄소 함량이 낮은 용접 재료는 균열 감수성을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

적용 분야: 터빈 블레이드, 칼, 수술용 기구.

침적경화형(PH)

구조 및 조성: 마르텐자이트 또는 반오스테나이트 구조에 연령경화가 가능한 추가 합금 원소(Cu, Al, Nb, Ti 등)를 포함합니다. 예시: 17-4PH.

용접성: 우수한 용접성이지만 기계적 특성은 열처리에 크게 의존함.

레이저 용접 고려사항: 용해 처리된 상태에서 용접한 후, 강도 회복을 위해 용접 후 노후화 처리를 수행함. 과도한 열 입력은 노후화 과다나 변형을 초래할 수 있으므로 피함.

적용 분야: 항공우주 부품, 고강도 샤프트, 석유화학 설비.

이중상 및 초이중상 스테인리스강(Duplex and Super Duplex)

조직 및 조성: 오스테나이트와 페라이트 상이 약 50/50 비율로 구성되며, 크롬(19–32%), 몰리브덴, 질소를 함유하여 내식성이 향상됨. 일반적인 등급: 2205, 2507.

용접성: 용접성이 양호하나 상의 불균형에 민감함. 과도한 열은 페라이트나 시그마 상이 우세하게 만들어 내식성과 인성이 저하될 수 있음.

레이저 용접 고려사항: 사용 적절히 조절된 중간 정도의 열 입력과 계통간 온도를 약 150℃ 이하로 유지함 ℃. 질소 손실을 방지하기 위해 보호 가스의 순도가 매우 중요함.

적용 분야: 해양 플랫폼, 담수화 플랜트, 화학 공정 장비.

모든 스테인리스강 계열은 레이저 용접의 집중 열에 대해 각기 다른 반응을 보입니다. 오스테나이트계는 용접은 용이하지만 쉽게 변형되며, 페라이트계는 안정적이지만 결정립 조대화 현상이 발생할 수 있습니다. 마르텐사이트계는 예열과 담금질이 필요하며, 침석경화계는 용접 후 노후화 처리가 필요하고, 이중상계는 엄격한 상 조절이 요구됩니다. 특정 강종에 따라 올바른 레이저 파라미터, 피복금속, 그리고 용접 후 처리를 선택함으로써 강도와 내식성을 유지하는 용접부를 얻을 수 있습니다.