용접 공구 및 금형강

공구와 금형을 용접하는 이유

출처에서는 공구 및 금형강에 수행되는 용접 작업을 다섯 가지 작업으로 분류한다.

• 여러 구성 요소를 하나의 공구나 금형으로 조립
• 탄소강 또는 저합금강 베이스의 특정 부위에 공구강 용접 금속을 오버레이로 증착하여 복합 공구 제작
• 마모된 표면과 모서리를 원래 크기로 복원
• 다른 부품을 가공할 수 있도록 공구나 금형 변경
• 사용 중 균열, 파손 또는 손상된 공구나 금형 수리

용접된 구성 요소로 공구를 조립하면 경도와 내마모성이 필요하지 않은 곳에 더 저렴한 강을 사용하고, 공구강 인서트나 오버레이 아래에 더 인성이 높은 등급을 배치할 수 있다. 두 번째와 세 번째 작업이 공구와 금형 용접의 대부분을 차지하며, 그 중 상당 부분은 공구강 증착이 아닌 하드페이싱 합금을 사용한 표면 경화이다. 다섯 번째 작업인 수리는 아크 용접이 가장 큰 가치를 발휘하는 분야인데, 대형 금형 블록이나 단조 금형은 교체 비용이 매우 높고 가동 중단 비용이 수리 비용보다 더 크기 때문이다.

용접 공정 선택

모든 일반적인 아크 용접 공정은 공구나 금형을 제작하거나 수리하는 데 사용할 수 있다. 선택은 작업의 크기와 복잡성, 필요한 예열 및 층간 제어, 용접 후 열처리, 사용 가능한 용가재에 따른다. 피복 금속 아크 용접은 협소한 접합 위치에 접근할 수 있고, 간단한 휴대용 장비로 작동하며, 피복 용접봉이 다양한 용접 금속 조성을 제공하기 때문에 가장 널리 사용된다. 가스 텅스텐 아크 용접과 플라즈마 아크 용접은 아크 제어가 용착 속도보다 중요한 작은 면적, 얇은 단면, 날카로운 모서리에 적합하다. 대형 금형 블록을 쌓거나 깊은 캐비티를 채우거나 깊은 균열을 수리할 때처럼 대량의 용접 금속을 증착하려면 최대 19mm(0.75인치)의 특수 대형 용접봉을 사용한 피복 금속 아크 용접이 한 가지 방법이며, 서브머지드 아크, 가스 금속 아크, 플럭스 코어드 아크, 핫 와이어 플라즈마 아크 용접이 다른 방법이다. 반자동 및 자동 공정용 용가재는 솔리드 와이어 또는 복합 금속 코어드 및 플럭스 코어드 튜브형 제품으로 제공되며, 서브머지드 아크 용접은 합금이 풍부한 플럭스로 개조하거나 용접 풀에 금속 분말을 직접 추가하여 변형할 수 있다.

어닐링 상태 또는 경화 상태

공구 및 금형강은 어닐링 상태에서 용접하는 것이 가장 좋으며, 부품이 경화될수록 그 중요성이 커진다. 경화 및 템퍼링된 공구도 성공적으로 수리할 수 있으며, 이렇게 하면 수리 전 어닐링 단계, 이후 재경화 및 템퍼링, 열처리로 인한 치수 보정을 피할 수 있다. 경화되었지만 템퍼링되지 않은 공구는 안전하게 용접할 수 없으며 먼저 어닐링해야 한다.

예열 및 층간 온도

공구와 금형은 조성과 열처리 상태에 관계없이 예열 없이 용접하지 않는다. 예열 및 층간 온도는 강 조성, 단면 두께, 때로는 열처리 상태에 따라 결정된다. 아래 표는 주요 공구강 그룹의 범위를 어닐링 상태에서 용접된 부품과 경화 상태에서 용접된 부품으로 구분하여 보여준다.

출처: ASM Handbook Volume 6, Welding, Brazing and Soldering의 Welding of Low-Alloy Steels, Table 20.

이 표를 사용 가능하게 유지하는 두 가지 규칙이 있다. 용접을 위한 예열 및 층간 온도는 공구를 경화하기 위해 오스테나이트화하기 전에 사용하는 예열과 다른 목적으로 선택되며, 둘을 혼동해서는 안 된다. 경화된 부품에서 용접 예열 및 층간 온도는 강에 적용된 템퍼링 온도보다 낮아야 하는데, 더 높은 예열은 공구를 과템퍼링하여 작업 표면을 연화시키기 때문이다. 템퍼링 온도를 모르는 경우 해당 강의 범위에서 낮은 쪽을 선택한다.

단면 크기는 범위 내에서 수치를 이동시킨다. 어닐링 상태에서 용접된 거대한 단면은 상한을 원하고, 얇은 단면은 하한으로 충분하다.

용접 후 열처리

용접된 상태로 두면 공구강의 용접 금속과 열영향부는 매우 경화되고 취성이 생길 수 있으며, 처리를 하기 전에 부품을 실온까지 완전히 냉각시키면 균열이 발생한다. 어닐링 상태에서 용접된 공구는 일반적으로 작업에 필요한 성능을 달성하기 위해 이후 경화 및 템퍼링을 해야 하며, 먼저 냉각시키는 대신 용접이 끝나자마자 부품을 바로 경화 온도로 가져가는 것이 종종 더 좋다. 균열에 민감한 등급은 이 가열을 단계적으로 해야 할 수 있다. 균열에 덜 민감한 등급에서는 부품을 실온까지 천천히 균일하게 냉각시킬 수 있다.

경화 및 템퍼링 상태에서 용접된 공구의 경우, 해당 강의 등온 변태 선도가 실무를 결정하는 도구이다. 일부 강에서는 용접 후 충분히 오래 유지된 예열 및 층간 온도가 오스테나이트를 마르텐사이트 대신 베이나이트로 변태시키며, 이는 냉각을 견디는 조직이다. 용접사가 사용하려는 예열 및 층간 온도가 등온 변태 온도와 일치하지 않으면, 용접이 끝난 후 부품을 해당 온도로 올리거나 내린다. 두 번째 방법은 용접 후 부품을 강의 Ms 온도보다 30~55°C(50~100°F) 낮은 온도까지 천천히 균일하게 냉각시켜 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하도록 한 다음, 권장 템퍼링 온도로 바로 올리는 것이다.

공구 및 금형 수리 실무

수리 중인 공구강의 유형과 열처리 상태는 공구나 금형의 원래 사양서에서 확인하는 것이 가장 좋다. 해당 기록이 없으면 화학 분석으로 탄소 및 합금 함량을 확인하고 경도 시험으로 상태를 확인한다. 그런 다음 수리 부위는 청결하고 건조해야 하며, 모든 균열을 찾아 제거하고 손상된 금속 제거로 남은 공구 자국도 제거해야 한다. 금속은 부품의 경도에 따라 기계 가공, 연삭 또는 열 절단으로 제거하며, 열 절단이나 가우징 전에, 그리고 경화된 공구의 연삭 전에 종종 부품을 예열한다.

절삭 날이나 작업 표면의 부분 수리의 경우, 손상된 부위를 균일한 깊이로 기계 가공하거나 연삭하여 표면에 필요한 경도와 내마모성을 제공할 만큼 충분히 두꺼운 증착을 가능하게 한다. 홈 깊이는 약 3.2mm(0.125인치)가 일반적인 작업 기준이다. 특히 탄소강 또는 저합금강 본체가 작업 표면을 지지하는 복합 공구에서는 희석을 고려해야 한다. 전체 절삭 또는 작업 모서리를 재건해야 하는 경우, 증착을 수용할 수 있을 만큼 충분히 깊게 45도로 모따기한다.

수리가 완전 용입 용접인지 부분 용입 용접인지는 수리 위치, 해당 부위가 사용 중 받을 응력, 필요한 용접 금속, 부품의 열처리 상태에 따라 달라진다. 경화 가능한 합금강 증착이 필요한 수리, 또는 용접 후 부품을 경화 및 템퍼링할 수리은 일반적으로 부분 용입 용접으로 안전하지 않은데, 용접되지 않은 루트에서 균열이 시작되어 그곳에서 전파되기 때문이다.

피복 금속 아크 용접은 작은 수리 부위에 versatile한 공정이며, 대형 용접봉 크기는 깊은 균열과 거대한 부품의 큰 표면적 재건을 커버한다. 대형 수리는 반자동 및 자동 공정인 가스 금속 아크, 플럭스 코어드 아크, 서브머지드 아크, 핫 와이어 플라즈마 아크에서 더 저렴하다. 수동 가스 텅스텐 아크 용접은 작은 부위와 모서리를 처리하고, 핫 또는 콜드 와이어를 사용한 자동 가스 텅스텐 아크 용접과 핫 와이어 플라즈마 아크 용접은 더 큰 부위를 커버한다.

수리에 들어가는 내용은 수리 위치와 이후 공구의 용도에 따라 달라진다. 어닐링 상태의 공구 작업 부위에 있는 얕은 수리는 모재와 같은 방식으로 경화 및 템퍼링 주기에 반응하는 열처리 가능한 증착이 필요하다. 캐비티가 충분히 깊으면 일부를 비경화성 용가재로 먼저 쌓고 공구강 용가재로 마감할 수 있으며, 단 쌓인 층이 작업 하중 하에서 공구강 증착을 지지할 만큼 충분히 강하고 공구강 층이 희석으로 인해 선택한 내마모 특성이 손상되지 않을 만큼 충분히 두꺼워야 한다. 경화 및 템퍼링 상태의 공구 작업 표면에서는 증착이 템퍼링 후에도 특성을 유지해야 하며, 또는 열처리가 필요 없는 하드페이싱 증착을 대신 사용할 수 있다. 비중요 부위의 수리는 두 상태 모두에서 비경화성 용가재를 사용할 수 있다. 수리가 절삭 날인 경우, 용접 금속이 날 위로 흘러 넘치거나 말려서 완성된 날을 연삭하거나 기계 가공할 때 노치나 함몰이 남지 않도록 한다.

이러한 수리에서는 변형을 줄이고 증착의 균열을 방지하기 위해 피닝이 종종 필요하다. 피닝은 제대로 수행할 때만 효과가 있으며, 이는 증착이 아직 적열 상태일 때 피닝하는 것을 의미한다. 피닝이 너무 적으면 응력이 부품에 남고, 너무 많으면 증착이 균열된다.

강 공급 측에서 맞춰야 할 사항

구매 측에서 두 가지가 용접 수리의 원활함을 결정한다. 첫째는 강이 도착하는 상태이다. 수명 중 용접으로 수리될 금형은 어닐링 상태에서 작업하기 더 쉽고, 경화 및 템퍼링 상태로 도착하는 예비품은 절차를 등온 변태 경로로 좁힌다. 둘째는 용가재 가용성이다. 사용 중인 공구강 그룹과 일치하는 열처리 가능한 증착은 표준 피복 용접봉이 아닌 독점 제품이며, 이는 공구강 용접 용가재 페이지에서 다룬다.

출처: ASM Handbook, Volume 6, Welding, Brazing and Soldering, ASM International, 1993.