듀플렉스 파이프 용접 시 열입력 제어: HAZ(열영향부) 내 시그마 상(σ 상) 취성화 방지

이중상 또는 초이중상 스테인리스강(DSS/SDSS)을 용접할 경우, 줄다리기와 같은 정밀한 조절이 필요합니다. 온도가 너무 낮으면 페라이트 함량이 과도하게 증가하여 인성 저하가 발생하고, 온도가 너무 높으면 이중상 용접부의 ‘침묵의 살인자’인 열영향부(HAZ) 내 시그마(σ) 상 취성화.

시그마 상은 용접부를 취성화시키고 내식성을 파괴하는 금속간 화합물입니다. 이 상은 부적절한 열처리 과정에서 기본 재료 내에 형성되기도 하지만, 용접 공정에서는 부적절한 열관리의 직접적인 결과로 발생합니다. 열 입력 제어 .

이 기사에서는 이중상(Duplex) 파이프 용접 시 시그마 상(σ-phase) 형성을 방지하기 위해 열 입력을 어떻게 조정해야 하는지를 기술적으로 심층 분석함으로써 기계적 강도와 내점식성(pitting resistance)을 확보하는 방법을 설명합니다.

문제점: 열영향부(HAZ)에서 시그마 상이 형성되는 이유

시그마 상 침출은 용접 열영향부(HAZ)가 약 600°C에서 950°C 사이의 온도에 과도하게 오래 노출될 때 발생합니다 . 이중상 미세조직에서 시그마 상은 주로 페라이트/오스테나이트 계면에서 핵생성(nucleation)됩니다. 시그마 상은 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mo)이 풍부한 페라이트(δ)를 소비함으로써 성장하며, 이러한 원소들은 바로 이중상 강재의 내식성을 부여하는 핵심 성분입니다 .

이 메커니즘은 공석(eutectoid) 반응입니다: δ → σ + γ₂ (2차 오스테나이트) . 시그마 상이 형성됨에 따라 주변 매트릭스로부터 Cr 및 Mo가 빠져나갑니다. 일단 침출된 시그마 상을 제거하려면 완전한 고용화 열처리(1050–1100°C)가 필요하지만, 대형 파이프 스풀에는 실용적으로 적용하기 어렵습니다 . 용접 후 상태(as-welded condition)에서 시그마 상은 경질·취성 상으로, 충격 인성 및 내점식성을 급격히 저하시킵니다.

주요 변수: 열 입력 및 냉각 속도 (t12/8)

화학 조성이 중요하지만, 열 사이클이 실제 유발 요인이다. 이 열 사이클을 측정하기 위한 산업 표준은 1200°C에서 800°C까지의 냉각 시간(t12/8) 이다. 이 온도 범위는 오스테나이트 형성과 시그마 상(precipitation) 발생 모두에 대한 핵심 구간을 포함한다.

시그마 상 형성을 피하면서 동시에 상 균형을 유지하려면 일반적으로 t12/8 값을 8~15초 로 유지해야 한다. t12/8 값이 약 15초를 초과하면(고열 입력 시 발생함) 시그마 상 형성 위험이 증가한다. .

22% Cr 듀플렉스 스테인리스강(예: 2205)의 경우, 파이프 용접에 권장되는 열 입력량은 일반적으로 벽 두께 10~15mm 기준으로 0.5 kJ/mm에서 2.5 kJ/mm 사이이다. 그러나 최근 연구에 따르면 이러한 한계는 정적이지 않으며, 벽 두께 및 이음부 형상에 따라 달라진다.

새로운 관점: 판 두께가 규칙을 바꾼다

최근 연구는 "고열입력은 항상 나쁘다"는 가정에 도전하고 있다. 2025년 실시된 두꺼운 판 듀플렉스 용접에 관한 연구에서는 두께가 10mm를 초과하는 판의 경우 열입력 상한이 현저히 증가함을 입증하였다. .

• 양벽 파이프(<10mm)의 경우: 열 방산 속도가 느려 열영향부(HAZ)가 고온 상태를 유지한다. 따라서 천공 또는 과열을 피하기 위해 표준 열입력 계산을 적용하는 것이 매우 중요하다.

• 두꺼운 벽 파이프(>14mm)의 경우: 파이프의 질량이 거대한 열 싱크 역할을 하여 열을 빠르게 흡수한다. 이러한 경우, 적절한 융합 및 오스테나이트 형성을 달성하기 위해 더 높은 열입력이 필요하다. 해당 연구는 20mm 두께의 판에서 5 kJ/mm 및 7 kJ/mm 의 열입력을 사용하였을 때 열영향부(HAZ)에서 시그마 상(σ phase) 석출이 전혀 발생하지 않았음을 확인하였다. .

요약: 열 입력량은 재료 두께를 기준으로 계산해야 합니다. 파이프가 두꺼울수록 '안전한' 열 입력량을 높일 수 있는 이유는 냉각 속도가 여전히 충분히 빨라서 TTT 곡선의 시그마 영역('시그마 코')을 우회할 수 있기 때문입니다.

슈퍼 듀플렉스 재질의 도전 과제(25Cr 등급)

슈퍼 듀플렉스 등급(예: 2507, 제론 100)을 용접할 때는 오차 허용 범위가 좁아집니다. 이러한 고합금 재료는 시그마 상 석출에 대한 구동력이 더 큽니다.

• 루트 패스 민감성: 파이프 용접 시 루트 패스는 특히 취약합니다. 연구에 따르면 루트 패스는 후속 몇 차례의 패스보다 더 높습니다 낮은 열 입력량(1.0 kJ/mm 이하)으로 수행해야 합니다. 그 이유는 루트 패스에서 열 입력량이 낮으면 재가열이 부족하여 내부 표면에 크롬 질화물이 석출될 수 있기 때문입니다. .

• 용도 적합성: 사양서에서는 종종 시그마 상(σ-phase)이 전혀 존재하지 않아야 한다고 요구하지만, 산업 현장의 현실(특히 영국 북해 프로젝트의 경우)에서는 용접 융합선으로부터 2–5mm 떨어진 저온 열영향부(HAZ)에서 제한된 양의 시그마 상이 때때로 허용된다. 일부 연구에서는 CTOD(Crack Tip Opening Displacement, 균열 선단 개구 변위) 파괴 인성 시험 및 ASTM G48 부식 시험을 통과하는 조건 하에 HAZ 내 시그마 상의 체적 분율을 최대 2.5% 까지 허용하였다 . 그러나 이는 자격인정 기준일 뿐, 양산 목표치는 아니다.

용접 기술자에게 적용 가능한 실무 지침

이중상 스테인리스강(Duplex) 배관 용접부에서 시그마 상의 생성을 방지하기 위해 일반적인 "저열 입력" 규칙을 넘어서야 한다. 다음 제어 조치를 시행하라:

1. 패스 간 온도 관리

시그마 상은 누적적으로 형성된다. 용접 패스를 추가할수록 이전 패스의 열영향부(HAZ)가 위험 구역(700–900°C)으로 재가열된다. 따라서 패스 간 온도를 엄격히 제한해야 한다. 초고강도 이중상강(Super Duplex, 25% Cr)의 경우, 일반적으로 최대 패스 간 온도는 150°C  이다. 표준 이중상강(22% Cr)의 경우, 일반적으로 한계는 200°C이다 .

2. "소량의 여러 패스" 함정 피하기

직관에 어긋나 보일 수 있지만, 저열입력으로 많은 수의 용접 패스를 사용하는 것이 오히려 적은 수의 큰 패스를 사용하는 것보다 더 위험할 수 있습니다. 각 작은 패스는 이전의 열영향부(HAZ)를 재가열하여 사실상 재료를 노화시키고 시그마(σ) 및 카이(χ) 상을 석출시킵니다. .

• 전략: HAZ의 특정 영역에 가해지는 열 사이클 수를 최소화하는 용접 순서를 사용하십시오.

3. 페라이트 수치 균형 조절

시그마 상은 페라이트 내에서 더 쉽게 형성됩니다. HAZ 내 페라이트 함량이 70–75%를 초과하면, 불안정한 페라이트가 더 많아져 시그마 상 석출 위험이 급격히 증가합니다.

• 보호 가스 및 용접재가 충분한 오스테나이트 재형성을 촉진하도록 해야 합니다. 니켈 기반 용접재는 도움이 되지만 주의가 필요합니다: 니켈 함량이 높을수록 시그마 상 형성 온도 범위가 넓어집니다. .

4. 유효 열입력 계산

경험적 판단(‘감’에 의존)에만 의존하지 마십시오. 다음 공식을 사용하십시오:

$$\text{열입력(kJ/mm)}=\frac{\text{전압 (V)}\times \text{전류 (A)}\times 60}{\text{이동 속도(mm/분)}\times 1000}$$

GTAW(티그) 공정의 경우, 일반적으로 티그 용접에서 약 0.6 정도인 열효율 계수(η)를 고려해야 합니다. .

결론

시그마 상 취성화는 예방 가능한 파손 모드입니다. 이는 용접부가 과도한 열을 장시간 노출받았음을 나타내는 신호로, 전반적으로(얇은 관에서의 높은 열 입력)이든 국부적으로(작은 패스로 인한 반복 재가열)이든 상관없습니다.

쌍상 강관의 현대적 용접은 "용접 절차서(WPS)를 따르는 것"에서 벗어나 열 이력 을 이해하는 것으로 전환해야 합니다. t12/8 냉각 시간을 제어하고, 층간 온도 한계를 준수하며, 실제 관 벽 두께에 따라 열 입력을 조정함으로써 시그마 상이 존재하지 않으며, 인성과 내식성이 우수한 열영향부(HAZ) 미세조직을 얻을 수 있습니다.