전기슬래그 용접에서의 금속학적 특성 및 용접 품질 관리

1. 전기슬래그 용접의 금속학적 원리
전기슬래그 용접(ESW)의 금속학적 동작은 용접 품질을 근본적으로 결정하며, 화학 조성, 미세 구조 및 기계적 특성에 직접적인 영향을 미칩니다.

1.1 슬래그-금속 상호작용
전도성 슬래그 풀(예: CaF2-Al2O3 기반 플럭스)은 1,700-2,000℃의 안정적인 온도를 생성하며, 이는 두 가지 역할을 합니다:
정제: 슬래그는 산화물(예: SiO2, MnO)과 황화물(예: FeS)을 흡수하여 불순물을 줄입니다.
합금 조정: CaO와 TiO2 같은 성분들은 규소/망간 함량을 조절하여 인성(toughness)을 향상시킵니다.
사례 연구: HJ360 플럭스는 8-12%의 MnO를 포함하여 상온에서 저탄소 강 용접부의 샤피 충격 인성(impact toughness)을 ≥80J로 증가시킵니다.

1.2 원소 전이 및 분배
전극(선재 또는 판재)은 합금 원소를 공급합니다. 용융풀 거주 시간이 길기 때문에(최대 몇 분까지), Ni/Cr 같은 원소들의 전환 효율은 95%를 초과합니다. 주요 고려 사항:
탄소 손실: H08Mn2SiA(0.10-0.15% C)와 같은 선재에 탄소를 추가하여 보완합니다.
수소 관리: 슬래그 내의 불화물(CaF2)은 수소를 HF 가스로 결합하여 균열 위험을 최소화합니다.

1.3 미세 구조의 진화
주상 결정: 굵은 수직 방향의 결정 성장은 용접 후 정규화(normalizing)를 필요로 합니다.
열영향구역 (HAZ): 10-20mm 폭의 베인아이트가 지배하는 구역으로, 과도한 경화를 방지하기 위해 제어된 냉각이 필요합니다.

2. 용접 품질 관리의 주요 요소
품질 보증은 파라미터 최적화, 재료 적합성 및 장비 신뢰성에 의존합니다.

2.1 파라미터 최적화
전류 (400-1,000A): 축적 속도를 결정하며, 과도한 값은 소용돌이와 기공을 유발합니다.
전압 (35-55V): 용접 너비에 영향을 미치며, 5V 증가는 너비를 2-3mm 확장시킵니다.
이동 속도 (0.5-1.5m/h): 느린 속도는 과열을 초래하고, 높은 속도는 융합 불량 위험을 증가시킵니다.
최적화 사례: 삼협댐 프로젝트에서 300mm 두께 강판에 800A/45V/0.8m/h가 깊이와 너비를 균형 있게 유지했습니다.

2.2 플럭스 및 전극 적합성
플럭스 선택:
HJ170: 높은 전도성 하지만 부족한 탈착성, 슬래그 발생에 이상적입니다.
HJ431: 저탄소/저합금 강철용으로 탁월한 슬래그 제거 가능.
전극 재료:
H10Mn2 와이어: Q345 강 용접에 사용되는 1.5-1.8% 망간 포함.
Q295 노즐 플레이트: 기재 금속 조성을 일치시켜 경계면 응력 최소화.

2.3 장비 및 운영 표준
수냉식 쇼 maintenance: 누출 방지를 위해 냉각수 흐름≥10L/분 확보.
플럭스 재활용: 불순물 축적을 피하기 위해>95% 재사용 달성.

3. 결함 분석 및 완화 전략

3.1 기공 및 슬래그 함유
원인: 불완전한 슬래그 피복 또는 수분 오염된 플럭스 (>0.1% H2O).
솔루션:
플럭스 사전 건조 (300℃×2h).
가스 배출을 위해 슬래그층 깊이를 40-60mm로 증가시키십시오.

3.2 균열 (뜨거운/차가운)
뜨거운 균열: 저융점 유테크트 (예: FeS)에 의해 발생; Mn/S 비율 >40으로 억제.
차가운 균열: 수소에 의해 유발됨; 플럭스 수분 (<0.05%) 관리 및 천천히 냉각하십시오.

3.3 융합 부족 및 언더컷
융합 부족: 충분하지 않은 전류 또는 좁은 간격 (<28mm); 매개변수 조정 또는 간격 확대.
언더컷: 유동성 부족; 와이어 진동 사용 (2-3Hz).

4. 산업 품질 관리 실천

4.1 풍력 발전기 타워 제작
고지: EN 1011-2 표준을 충족하는 60-150mm 두께의 판재.
용액:
쌍선 ESW (IK-ESW5000)이 용접 효율성을 50% 증가시킴.
용접 후 정규화 처리 (920℃×2h)로 HAZ 결정을 ASTM 5-6급으로 세밀화.

4.2 원자로 압력 용기
표준: ASME Section III는 >99.5% 초음파 검사 합격률을 요구함.
조치사항:
초순도 플럭스 (S/P <0.015%) 사용.
실시간 슬래그 풀 모니터링 (±10℃ 정확도)으로 분리 방지.

5. 신규 동향

스마트 모니터링: 실시간 화학 및 열 분석을 위한 IoT 센서.
환경 친화형 플럭스: 환경 영향을 줄이기 위한 저 염소화물 공식(F <5%).

결론

ESW의 메탈러지 원리와 품질 관리 전략을 숙달하면 산업별로 일관된 고성능 용접을 구현할 수 있습니다. 정확한 매개변수 조정, 재료 시너지 및 선진 장비를 통해 이 프로세스는 실험실의 정밀도를 산업 규모의 신뢰성과 연결시킵니다.