스테인리스 용접 시 왜 크랙이 생길까? – 열영향부(HAZ) 문제의 진단과 해결법

 

1. 스테인리스 용접 크랙의 주요 원인

스테인리스강을 용접할 때 크랙이 발생하는 가장 근본적인 이유는 고온에서의 조직 변화와 잔류 응력 때문이다. 스테인리스는 오스테나이트계, 페라이트계, 마르텐사이트계 등 다양한 종류가 있는데, 특히 오스테나이트계 스테인리스는 열영향부(HAZ, Heat Affected Zone)에서 과열(overheating) 이 발생하면, 탄화물이 석출되고 미세조직이 변질되어 균열에 취약해진다. 또한, 용접 중 급격한 온도 변화로 인해 강한 잔류 응력이 축적되며, 이는 냉각 과정에서 크랙을 유발하는 주요 요인이 된다.

 

 

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2. 열영향부(HAZ)에서 발생하는 미세조직 변화

열영향부는 용접부 주변에서 직접적인 용융은 일어나지 않지만, 고열로 인해 금속의 미세조직이 변하는 영역을 말한다. 스테인리스 HAZ에서는 450°C~850°C 사이의 온도 영역에서 크롬 탄화물(Cr23C6)이 석출되기 쉽다. 이 탄화물은 입계(Grain Boundary)에 형성되어, 주변 크롬 농도를 감소시키고, 결과적으로 국부 부식이나 응력 부식 균열(SCC)을 유발하는 원인이 된다. 특히, 304와 같은 저몰리브덴 스테인리스는 이 온도대에서 조직 손상이 두드러진다. 이를 방치하면 용접 후 사용 중에 빠른 열화와 균열이 진행된다.

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3. 스테인리스 용접 시 발생하는 대표적 크랙 유형

스테인리스 용접부에서 관찰되는 주요 크랙 유형은 다음과 같다.
첫째, 열 균열(Hot Cracking) 은 고온 상태에서 응고가 완료되기 전, 응력 집중 부위에서 생긴다.
둘째, 응력 부식 균열(Stress Corrosion Cracking) 은 용접 후 냉각 과정에서 높은 잔류 응력과 부식성 환경이 결합되어 발생한다.
셋째, 입계 부식(Intergranular Corrosion) 은 열영향부의 크롬 고갈로 인해 나타나며, 시간이 지나면 입계를 따라 균열이 확장된다.
이러한 다양한 크랙은 모두 열영향부의 열처리 조건, 냉각 속도, 조성 관리 실패로부터 기인하는 경우가 많다.

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■ 스테인리스 용접부에서 발생하는 주요 크랙 유형 정리

크랙 유형발생 메커니즘주요 영향

열 균열 (Hot Cracking)	용접 중 고온 상태에서 응력 집중	내부 약화, 즉각적인 파괴 위험
응력 부식 균열 (SCC)	잔류 응력 + 부식성 환경의 동시 작용	장기 사용 중 균열 진전 및 파손
입계 부식 (Intergranular Corrosion)	열영향부에서 크롬 고갈로 인한 국부 부식	표면 열화, 장기 내구성 저하

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4. 크랙 예방을 위한 열영향부 관리 방법

스테인리스 용접에서 크랙을 방지하려면 열영향부 관리가 핵심이다. 우선, 용접 열 입력(Heat Input)을 최소화하여 지나친 과열을 피해야 한다. 열 입력이 클수록 탄화물 석출과 잔류 응력 축적이 심해지기 때문이다. 둘째, 적절한 후열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT) 를 통해 응력을 완화시키고, 미세조직을 안정화해야 한다. 또한, 저탄소강인 304L, 316L 등의 저탄소 스테인리스를 사용하는 것도 크롬 탄화물 석출을 줄이는 데 효과적이다. 마지막으로, 고부식성 환경에서는 몰리브덴이 강화된 합금을 선택하거나, 니트로겐(N) 첨가 스테인리스로 보완할 수 있다.

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5. 결론 – 스테인리스 용접의 성공은 열영향부 통제에 달려 있다

스테인리스 용접 크랙은 단순한 작업 미숙의 결과가 아니라, 재료 과학과 열역학적 이해 부족에서 비롯된다. 열영향부에서의 미세조직 변화와 응력 관리 실패가 균열로 이어지며, 이는 구조물의 신뢰성을 심각하게 위협한다. 따라서 용접 작업 전 재료 특성을 정확히 파악하고, 최적의 용접 조건과 후처리 방법을 적용하는 것이 필수적이다. 특히 고부식 환경이나 고신뢰성 설비에서는 재료 선택부터 냉각 속도, 후열처리까지 철저한 품질 관리가 크랙을 방지하는 유일한 길임을 잊어서는 안 된다.

 

 

 

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