공구강 용접 수리의 기본 이해

당신은 완벽하게 생산 중 다이 균열이 발생하는 것을 본 적이 있습니까 , 단 하나의 수리 실수가 수주의 가동 중단과 수천 달러의 손실을 초래했음을 알고 계십니까? 공구강의 용접 수리는 단순한 또 다른 용접 작업이 아닙니다. 이는 고가의 금형을 의도치 않게 파손시키는 사람들과 구별되는 숙련된 전문가들의 특수 분야입니다.

저탄소강이나 구조 부품을 용접하는 것과 달리, 공구강 용접은 완전히 다른 접근 방식을 요구합니다. 작업 대상인 재료들은 높은 탄소 함량(일반적으로 0.5%에서 1.5% 이상), 크롬, 몰리브덴, 바나듐과 같은 복잡한 합금 원소를 포함하며 열 변화에 극도로 민감합니다. 이러한 특성으로 인해 모든 수리는 소규모 실수라도 치명적인 실패로 이어질 수 있는 정밀 작업이 됩니다.

왜 공구강 용접은 특수한 전문 지식을 요구하는가

다이 및 금형에 사용되는 경화 강철을 용접할 때, 이는 변형, 마모 및 열에 저항하도록 설계된 재료를 다루는 것입니다. 이러한 공구강을 제조 분야에서 매우 소중하게 만들고 있는 동일한 특성들이 실제로는 성공적인 용접을 극도로 어렵게 만듭니다.

일반적인 용접 시 일어나는 현상을 생각해보십시오. 특정 경도 특성을 유지하도록 설계된 재료에 국부적으로 강한 열이 가해집니다. 열영향부(HAZ)는 급격한 온도 변화를 겪으며, 이로 인해 정교하게 조절된 미세 구조가 취성적이고 균열이 발생하기 쉬운 상태로 변질될 수 있습니다. 모든 금형 및 공구 제작자는 이러한 근본적인 문제를 이해하고 있습니다. 즉, 공구강을 뛰어나게 만드는 그 특성 자체가 수리 작업 시 관대하지 않은 요인이 되는 것입니다.

합금 원소들은 추가적인 복잡성을 초래한다. 크롬은 경화성을 높이지만 열충격에 대한 민감성도 동시에 증가시킨다. 바나듐과 텅스텐은 마모 저항성에 기여하지만 용접 시 정밀한 온도 조절이 필요하다. 공학적 용어로 항복(yield)을 이해하는 것은 이러한 재료들이 왜 이처럼 다르게 행동하는지를 설명하는 데 도움이 된다. 즉, 열순환 하에서의 응력-변형률 관계가 일반 강철과 극명하게 다름을 의미한다.

모든 수리 작업 뒤에 있는 금속학적 과제

성공적인 금형 및 공구 수리는 다음 세 가지 상호 연결된 금속학적 사실을 이해해야 한다:

• 탄소 이동: 높은 탄소 함량은 냉각 중 더 큰 경화 가능성을 의미하며, 이는 균열 발생 가능성 증가로 이어진다
• 합금 민감성: 각 합금 원소는 열에 대해 다르게 반응하므로 각 강종마다 맞춤형 접근 방식이 요구된다
• 열응력 축적: 불균일한 가열과 냉각은 용접 후 수 시간 또는 수 일 내에 균열로 나타나는 내부 응력을 생성한다

이 가이드는 제조업체의 사양과 실제 수리 상황 사이의 격차를 해소하여 이러한 과제들을 효과적으로 해결할 수 있는 포괄적인 참고자료 역할을 합니다. 모서리의 작은 파손, 표면 마모 또는 완전 균열 여부에 관계없이 여기서 다루는 원리는 공구강 수리 상황 전반에 걸쳐 적용됩니다.

적절하게 수행된 공구강 수리는 교체 비용의 일부만으로도 원래 성능의 90~100%를 회복시킬 수 있습니다. 그러나 부적절한 수리는 단순히 실패하는 것을 넘어서 종종 부품을 훨씬 더 심각하게 손상시켜 향후 어떤 수리도 불가능하게 만들며, 회복 가능한 상황을 완전한 손실로 전환시킬 수 있습니다.

경제적 영향은 상당하다. 생산용 금형은 수만 달러에 달하는 투자를 나타내며, 양산 도중에 고장이 발생하면 가동 중단, 납기 지연, 긴급 교체 등 연쇄적인 비용이 발생한다. 공학 응용 분야에서 수율(yield)을 이해하면 이러한 수리가 중요한 이유를 알 수 있다. 제대로 복원된 공구는 설계된 응력 한계 내에서 계속 정상적으로 작동하지만, 부적절하게 수리된 부품은 정상 작동 하중에서도 예측할 수 없게 고장하게 된다.

이 가이드를 통해 전문 용접 기술자가 공구강을 용접할 때 사용하는 체계적인 접근 방법을 배우게 될 것이다. 적절한 식별 및 준비에서부터 공정 선택, 피ller 재료 매칭, 그리고 용접 후 열처리에 이르기까지 각 단계는 이전 단계를 기반으로 하여 성공적인 수리 작업을 위한 신뢰할 수 있는 프레임워크를 제공한다.

공구강의 분류 및 그 용접 특성

도구강 부품에 아크를 가하기 전에 반드시 한 가지 중요한 질문에 답해야 합니다. 내가 다루고 있는 강재의 등급은 무엇인가? 강재의 등급에 따라 용접 열 입력에 대한 반응이 크게 달라지며, 잘못된 재료를 사용하면 거의 확실히 실패하게 됩니다. 이러한 분류를 이해함으로써 추측이 아닌 체계적이고 반복 가능한 성공을 이룰 수 있습니다.

도구강은 각각 특정 용도를 위해 개발된 뚜렷한 계열로 나뉩니다. 이들의 화학 조성은 성능 특성뿐 아니라 강재 및 용접 작업 중의 행동 방식도 결정합니다. 각 범주에 대해 알아야 할 내용을 살펴보겠습니다.

냉간 가공용 강재와 열간 가공용 강재 수리 시 고려사항

열간 가공용 강재(H-시리즈)는 고온에서도 경도를 유지하도록 설계되었습니다. 다이 캐스팅 금형 등을 생각해보면 됩니다 , 단조 다이 및 압출 공구 부품에 사용됩니다. 이러한 등급은 크로뮴, 텅스텐 또는 몰리브덴을 첨가한 중간 정도의 탄소 함량(0.35-0.45%)을 포함합니다. 비교적 낮은 탄소 함량으로 인해 이들은 용접 가능한 공구강 중 가장 용접성이 뛰어나지만, 여기서 "용접 가능"이라는 표현은 다른 공구강에 비해 상대적인 것이지 연강(mild steel) 수준과는 다릅니다.

냉간 가공 강재는 훨씬 더 큰 어려움을 동반합니다. D2, A2 및 O1과 같은 등급은 상온에서 극도로 높은 경도를 얻기 위해 더 높은 탄소 함량(0.90-1.50%)을 포함합니다. 이와 같은 높은 탄소 함량은 열영향부(HAZ) 내 강재의 항복 응력에 직접적인 영향을 미치며, 냉각 과정에서 더 딱딱하고 취성 있는 미세조직을 형성하게 됩니다. 이러한 등급의 강재에서 항복점은 열처리 이력에 따라 급격히 변화하므로 온도 제어가 절대적으로 중요합니다.

고속도강(M계열 및 T계열)은 용접 수리 시 가장 어려운 범주에 속합니다. 탄소 함량이 종종 0.80%를 초과하고 텅스텐, 몰리브덴, 바나듐이 상당량 첨가되어 있기 때문에 이러한 재료는 매우 신중한 열 관리가 필요로 합니다. 많은 전문가들은 현장에서 고속도강의 용접을 아예 피하고, 특수한 작업장 조건을 선호하는 것을 권장합니다.

충격 저항 강재(S계열)는 열간 가공용 및 냉간 가공용 강재의 용접성 사이에 위치합니다. 중간 정도의 탄소 함량(0.50-0.60%)과 실리콘, 망간 첨가제가 결합되어 적절한 절차를 준수할 경우 합리적인 용접성이 가능합니다.

용접 전 도구강 등급 식별

복잡하게 들리나요? 실용적인 시작점은 다음과 같습니다. 수리 작업을 시작하기 전에 항상 문서, 각인 표시 또는 제조업체 기록을 통해 정확한 등급을 확인하려고 시도해야 합니다. 문서를 구할 수 없는 경우 스파크 테스트가 유용한 단서를 제공합니다. 고탄소강은 무성하고 폭발적인 스파크 패턴을 나타내는 반면, 낮은 탄소 함량의 강종은 더 단순하고 덜 폭발적인 스파크를 보입니다.

분말야금 D2 공구강(예: DC53 또는 동등한 등급)은 정확한 식별이 왜 중요한지를 보여주는 예입니다. 분말야금 D2는 일반적인 D2보다 탄화물 분포가 더욱 균일하여 명목상의 조성이 동일하더라도 용접 조건을 달리 설정해야 할 수 있습니다. 모든 D2 강을 동일하게 취급하면 수리 결과에 영향을 미치는 실제적인 금속학적 차이를 간과하게 됩니다.

공구강 분류	공통 등급	전형적 응용	탄소 함량 범위	용접성 등급
열간 작업용(H계열)	H11, H13, H21	다이캐스팅, 단조 다이, 압출 공구	0.35-0.45%	보통에서 좋음
냉간 작업용(공기경화형)	A2, A6	블랭킹 다이, 성형 다이, 게이지	0.70-1.00%	낮음에서 보통
냉간 작업 (고탄소/크로뮴)	D2, D3, D7	장시간 사용 다이, 슬리터, 마모 저항성 공구	1.40-1.60% (D2 기준)	가난한
냉간 작업 (오일 경화형)	O1, O2, O6	탭, 리머, 일반 공구	0.90-1.45%	가난한
충격 저항형 (S시리즈)	S1, S5, S7	칩셀, 펀치, 전단 블레이드	0.45-0.65%	공평하다
고속 (M/T 시리즈)	M2, M42, T1	절삭공구, 드릴, 엔드밀	0.80-1.30%	매우 낮음

강재의 인장강도는 열처리 상태에 따라 각 범주에서 어떻게 달라지는지 주의 깊게 살펴보세요. 동일한 D2 다이를 적절히 경화시킨 상태에서 작동하는 응력 수준은 동일한 재료를 풀림 상태로 둔 경우와 현저히 다릅니다. 용접 절차는 재료 등급뿐 아니라 현재의 열처리 상태도 고려해야 합니다.

강재 등급을 명확히 식별할 수 없는 경우, 외관과 용도에서 나타나는 가장 어려운 범주에 속하는 것으로 간주하십시오. 난이도를 과도하게 평가하면 시간과 비용이 추가되지만 부품은 보존됩니다. 반면 난이도를 과소평가하면 수리 부위에 균열이 생기거나 도구가 폐기될 수 있습니다. 재료 식별이 완료되면 다음 중요한 단계로 나아갈 준비가 되었습니다. 즉, 적절한 용접 전 준비 및 예열 요구사항을 다루는 단계입니다.

용접 전 준비 및 예열 요구사항

경화강을 적절한 준비 없이도 성공적으로 용접할 수 있을까요? 기술적으로는 가능하지만, 거의 확실히 후회하게 될 것입니다. 수년간 지속되는 수리와 몇 시간 만에 균열이 생기는 수리의 차이는 종종 아크가 금속에 닿기 전에 이루어지는 작업에 달려 있습니다. 공구강 작업 시 적절한 사전 준비는 선택이 아니라 성패를 가르는 핵심 요소입니다.

준비 작업을 보험처럼 생각하세요. 청소, 점검 및 예열에 투자하는 모든 분이 재작업 감소, 균열 방지, 신뢰성 있게 작동하는 도구 복원이라는 이익으로 돌아옵니다. 이제 전문가 수준의 수리를 비용이 큰 실패로부터 구분해 주는 필수적인 단계들을 살펴보겠습니다.

철저한 청소 및 균열 식별

모든 수리는 완전한 청소로 시작해야 합니다. 공구강 부품은 사용 중 오일, 윤활제, 스케일, 오염물질이 축적되며, 이를 제거하지 않으면 용접 결함이 발생합니다. 청소 절차에는 다음이 포함되어야 합니다:

• 용제 탈지: 아세톤이나 적절한 산업용 용제를 사용하여 모든 오일과 윤활제를 제거하십시오
• 기계적 청소: 수리 부위를 예정된 용접 구역에서 최소 25mm 이상 벗어날 때까지 연마하거나 와이어 브러시로 다듬어 새 금속처럼 처리하십시오
• 산화물 제거: 오염 물질을 유입시킬 수 있는 녹, 스케일 또는 열 변색 등을 모두 제거하십시오
• 최종 닦기: 용접 직전에 깨끗하고 보푸라기가 없는 천에 용제를 묻혀 닦으십시오

균열 식별은 세심한 점검이 필요하며, 종종 처음에 보이는 것보다 더 큰 손상을 드러냅니다. 표면 균열은 그 모양보다 더 깊이 확장되는 경우가 많습니다. 연마 전에 균열의 범위를 파악하기 위해 중요 부품에는 침투 검사법(Dye Penetrant Testing)을 사용하십시오. 균열 부위를 용접 준비할 때는 균열 깊이 전체를 완전히 연마한 후 추가로 1.6mm 정도 무결한 재료 부분까지 연마해야 합니다. 균열 잔여물을 남기게 되면 반드시 새로운 용접부에서도 결함이 다시 발생하게 됩니다.

용접 전 응력 완화 요구 사항을 고려하십시오. 사용 중인 부품은 반복적인 하중 사이클로 인해 잔류 응력이 축적됩니다. 높은 응력을 받는 공구 또는 다수의 균열 징후가 나타나는 부품의 경우, 용접 전 응력 완화 열처리를 통해 용접 중 균열 전파를 방지할 수 있습니다. 이 과정은 시간이 추가되지만 전체 수리 작업의 실패를 막아줄 수 있습니다.

강종에 따른 예열 온도 선정

예열은 공구강 용접 성공에서 가장 중요한 단일 요소입니다. 적절한 용접 온도는 열영향부의 냉각 속도를 늦추어 경도 기울기와 균열을 유발하는 열응력을 줄여줍니다. 이 단계를 생략하거나 간과하면 수리 작업 자체를 위태롭게 만드는 것이나 다름없습니다.

왜 예열이 그렇게 중요한가? 고탄소 강을 용접할 때 급속 냉각은 미세조직을 극도로 단단하고 취성인 마르텐사이트로 변형시킵니다. 이 변화는 재료의 강도를 초과하는 내부 응력을 발생시켜 균열을 유발합니다. 적절한 예열은 냉각 속도를 충분히 늦춰 더 부드럽고 연성 있는 미세조직을 형성하거나, 적어도 마르텐사이트 변형의 심각성을 줄여줍니다.

공구강 계열	예열 온도 범위	인터패스 최대 온도	특별 고려 사항
열간 작업용(H계열)	400-600°F (205-315°C)	700°F (370°C)	얇은 부재에는 낮은 범위, 두꺼운 부품에는 높은 범위 적용
냉간 작업 공기경화(A시리즈)	400-500°F (205-260°C)	550°F (290°C)	균일한 가열이 필수; 국부적인 과열 방지 필요
냉간 작업용 고탄소 (D-시리즈)	700-900°F (370-480°C)	950°F (510°C)	가장 높은 예열 요구 조건; 용광로 가열을 고려하세요
오일 경화용 (O-시리즈)	350-500°F (175-260°C)	550°F (290°C)	중간 수준의 예열; 수리 전반에 걸쳐 유지
충격 저항형 (S시리즈)	300-500°F (150-260°C)	600°F (315°C)	냉간 작업 등급보다 관용적임
고속 (M/T 시리즈)	900-1050°F (480-565°C)	1100°F (595°C)	용해 예열을 강력히 권장하며, 전문가 수준의 수리 작업 필요

적절한 예열을 수행하려면 적합한 장비가 필요합니다. 작은 부품의 경우 산소-연료 토치를 균일하게 가열하고 온도 표시 크레용이나 적외선 피로미터로 온도를 확인하면 충분히 효과적입니다. 대형 다이스는 용해로를 이용한 예열이 유리하며, 이는 전체 질량 내에서 균일한 온도를 보장합니다. 결코 표면 온도만으로 판단해서는 안 되며, 두꺼운 부위는 열이 완전히 침투하기 위해 충분한 유지 시간(soak time)이 필요합니다.

공구강 수리 시 최고의 강재는 반드시 가장 다루기 쉬운 등급인 것은 아닙니다. 오히려 적절히 준비된 강재가 중요합니다. 어려운 D2라도 충분한 예열을 통해 다루기 쉬워지며, 반대로 '쉬운' 등급이라도 예열이 부족하면 실패할 수 있습니다.

공구강에서 수소 유발 균열 방지

수소 취성은 공구강 용접에서 가장 교묘한 파손 형태 중 하나이며, 경쟁사들이 일관되게 간과하는 부분입니다. 용접 중이나 직후에 나타나는 핫 크랙과 달리, 수소에 의해 유발된 균열은 수 시간 또는 며칠 후에 발생할 수 있으며, 종종 부품이 이미 운용 상태로 돌아간 후에 나타납니다.

문제의 원인은 다음과 같습니다: 용접 중 수소가 습기, 오염된 소모품 또는 대기 중 습도에서 유래하여 용융 풀에 용해됩니다. 용접부가 냉각되면서 수소는 응고되는 금속 내부에 갇히게 됩니다. 시간이 지남에 따라 수소 원자는 고응력 부위로 이동하며 축적되어 마침내 균열을 유발할 만큼의 내부 압력을 형성하게 됩니다. 공구강 용접 부위의 높은 경도는 이러한 현상에 특히 취약하게 만듭니다. 경질 미세조직은 연성 재료보다 수소 내성을 낮게 가지고 있기 때문입니다.

수소 유발 균열을 방지하려면 여러 요소에 체계적으로 주의를 기울여야 합니다.

• 저수소 전극: 항상 스틱 용접 시 EXX18 또는 이와 유사한 저수소계 전극을 사용하십시오. 이러한 전극은 코팅에 수분 생성 물질이 최소한으로 포함되어 있습니다.
• 전극 보관 방법: 저수소 전극은 250-300°F(120-150°C)의 가열된 막대 오븐에서 보관해야 하며, 꺼낸 후에는 4시간 이내에 사용하거나 제조사 사양에 따라 재건조하십시오.
• 피복 금속 관리: 대기 중 수분에 노출된 전극은 사용 전 500-700°F(260-370°C)에서 1~2시간 동안 건조하십시오.
• 용접 통과 간 온도 관리: 용접 통과 사이의 급속 냉각을 방지하기 위해 예열 온도와 일치하는 최소 통과 간 온도를 유지하십시오.
• 용접 후 수소 제거 열처리: 중요한 수리 작업의 경우, 용접 후 부품을 400-450°F(205-230°C)에서 1~2시간 동안 유지하면 균열 발생 전에 수소가 확산될 수 있습니다.

환경 제어가 매우 중요합니다. 용접 작업장 설정은 습기 노출을 최소화해야 하며, 보조 조치 없이 습도가 60%를 초과할 때는 용접을 피해야 합니다. 소모품은 사용 전까지 밀봉하여 보관하고, 코팅 손상이나 습기 흡수 징후가 있는 전극은 절대 사용하지 마십시오.

적절한 환경에서 작업하는 호흡기 착용 용접공은 개인 안전과 용접 품질 모두를 유지합니다. 적절한 환기는 용접 연기를 제거할 뿐 아니라 작업 구역 주변의 대기 습도도 조절합니다. 또한 정밀 수리 작업 시 근거리에서 작업하는 동안 호흡을 통해 용접 환경 내에 습기를 유입하는 것도 방지합니다.

용접 작업 공간을 위한 추가 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 주변 온도를 최소 50°F (10°C) 이상으로 유지하십시오
• 습한 기후 또는 계절에는 제습기를 사용하십시오
• 용접 전 기본 재료를 온도가 조절된 환경에서 보관하십시오
• 피복재 및 받침재를 예열하여 뜨거운 작업물 표면에 응축이 생기는 것을 방지하십시오

수소 제어에 대한 투자는 예상 수명 기간 동안 신뢰성 있게 작동함으로써 재방문 및 수리 필요성을 없애는 결과로 돌아옵니다. 적절한 준비, 예열 및 수소 방지 조치를 시행하면 특정 수리 상황에 맞는 최적의 용접 공정을 선택할 수 있는 유리한 위치에 놓이게 됩니다.

공구강 수리용 용접 공정 선택

공구강 수리를 위해 어떤 용접 공정을 사용해야 할까요? 정답은 대부분의 가이드에서 개별적으로 다루는 요소들에 따라 달라지지만, 실제 현장에서 성공하려면 이러한 공정들이 특정 수리 상황에서 서로 어떻게 비교되는지를 이해해야 합니다. 잘못된 공정을 선택하는 것은 단순히 용접 품질에만 영향을 주는 것이 아니라 과도한 열을 유발하거나 변형을 일으키며 정밀 작업을 거의 불가능하게 만들 수 있습니다.

도구강 수리 작업에서 주로 사용되는 세 가지 주요 공정은 용접 코팅 전극을 이용한 아크 용접(SMAW/스틱), 텅스텐 불활성 가스 아크 용접(GTAW/TIG), 그리고 금속 불활성 가스 아크 용접(GMAW/MIG)입니다. 각 공정은 고유의 장점과 한계를 가지고 있어, 수리 전략에서 공정 선택이 매우 중요한 결정 요소가 됩니다.

정밀 도구강 수리를 위한 TIG 용접

텅스텐 불활성 가스 아크 용접(GTAW/TIG)은 대부분의 정밀 도구강 수리 작업에서 선호되는 방법이며 그 이유 또한 명확합니다. 이 공정은 열 입력에 대한 뛰어난 제어 성능을 제공하여 용접 작업자가 균열 수리 및 섬세한 부위를 작업할 때 다른 공정에서 발생할 수 있는 열 손상 없이 작업할 수 있습니다.

왜 이 응용 분야에서 TIG 공정이 뛰어난 성능을 발휘하는 것일까요? 한 손으로는 용접 툴을 조작하면서 다른 손으로는 필러 금속을 공급함으로써 용착률과 열 입력을 완전히 통제할 수 있습니다. 이러한 독립적인 제어 기능은 과도한 열이 미세조직을 파괴할 수 있는 경화된 부품 작업 시 특히 소중한 가치를 지닙니다.

최신 마이크로-TIG 기술은 공구강 수리에서 가능한 영역을 크게 확장시켰습니다. 이러한 특수 시스템은 매우 낮은 전류(때로는 5암페어 이하)에서 작동하여 기존에는 용접하기에 너무 섬세하다고 여겨졌던 부위의 수리도 가능하게 합니다. 마이크로-TIG는 다음 작업에 특히 탁월합니다.

• 날카로운 엣지 복원: 날을 세운 부분의 둥글어짐이나 열 왜곡 없이 절단 에지를 재형성
• 정밀 캐비티 수리: 정교한 다이의 디테일 부위 마모 해결
• 얇은 부위 균열 수리: 용융 천공 또는 과도한 HAZ 형성 없이 용접 수행
• 치수 복원: 용접 후 거의 가공이 필요 없도록 재료 추가

다이 수리를 위한 도면을 검토할 때 다양한 용접 사양 표시를 접하게 됩니다. 도면상의 용접 심볼은 이음매 설계, 용접 크기 및 공정 요구사항을 전달합니다. 모서리 이음 및 겹침 이음에 사용되는 필렛 용접 기호를 포함해 이러한 심볼을 이해함으로써 수리 작업이 설계 의도와 정확히 일치하도록 할 수 있습니다.

다이 수리 시 스틱 용접과 TIG 용접을 선택해야 할 시기

TIG 용접이 정밀도 면에서 우수하긴 하지만, 스틱 용접은 공구강 수리 분야에서 여전히 유효하다. SMAW는 표면 적층 작업 시 더 빠른 적재 속도를 제공하며, 열악한 환경에서도 잘 작동하고 단순한 수리 작업의 경우 조작자의 숙련도 요구 수준이 낮다. 마모되는 표면에 많은 양의 재료를 다시 쌓아 올리거나 큰 치수의 모서리 손상을 수리할 필요가 있을 때는 스틱 용접이 TIG보다 더 실용적인 경우가 많다.

그러나 스틱 용접은 적재된 금속 단위당 더 많은 열을 유입하며 제어 정밀도가 떨어진다. 슬래그 피막은 각 패스 사이에 제거가 필요하며, 이 공정은 복잡한 형상에는 적합하지 않다. 두꺼운 부재에 심부 침투가 필요한 그루브 용접 작업의 경우 스틱 용접을 사용할 수는 있으나, 정밀도는 TIG에 비해 떨어진다.

특수 고합금 MIG 용접 기술을 포함한 MIG 용접은 공구강 수리에서 제한된 용도로 사용된다. MIG는 우수한 적층 속도를 제공하며 양산용 용접에 적합하지만, 높은 열입력과 제어의 어려움으로 인해 경화된 공구강에는 부적합하다. 점용접기는 공구 작업에서 가끔 사용되지만, 주로는 금형 수리가 아닌 고정장치나 홀더 제작에 사용된다.

기준	TIG/GTAW	Stick/SMAW	MIG/GMAW
정밀 레벨	우수—정밀 작업에 가장 적합	보통—일반 수리에 적합	낮음—수리보다 양산에 더 적합
열 입력 제어	우수—전류와 충전재 조절이 독립적으로 가능	보통—전극 지름이 조절 범위를 제한	보통—와이어 공급 속도가 열입력과 연동됨
충전 금속 옵션	광범위한 선택—호환 가능한 와이어 또는 막대 모두 가능	사용 가능한 전극 유형에 한정됨	릴 감긴 와이어의 공급 가능성에 제한됨
최적의 수리 시나리오	균열 수리, 모서리 복원, 정밀 적층	표면 적층, 큰 모서리 수리, 현장 작업	공구강 수리에는 거의 선호되지 않음
기술 요구사항	높음—상당한 숙련 필요	중간 수준—보다 관대한 기술	낮음—하지만 본 작업에는 적용 범위가 제한적임
장비 이동성	중간—실드 가스 공급 필요	우수—설정 최소화	낮음—가스 및 와이어 공급 시스템 필요

공정 선택은 궁극적으로 특정 수리 유형에 따라 달라집니다. 다음 지침을 고려하십시오:

• 모서리 수리: 정밀한 모서리 수리로 연마가 최소한 필요한 경우 TIG 사용; 크게 손상되어 많은 충전이 필요한 모서리의 경우 스틱 사용
• 표면 적층: 넓은 면적의 경우 스틱 사용; 마감이 중요한 정밀 표면의 경우 TIG 사용
• 균열 수리: TIG를 거의 독점적으로 사용함 — 열 응력으로 인한 균열의 재발을 방지하기 위함
• 치수 복원: 정밀한 공차에는 TIG 사용; 후속으로 충분한 가공이 이루어질 경우 스틱 용접도 허용됨

용접 공정 선택은 이전의 준비 결정과 상호작용한다는 점을 기억하십시오. D2 수리 시 800°F까지 예열된 부품은 TIG나 스틱 용접 모두 잘 작동하지만, 용접 후 냉각 조절 요구사항은 공정에 관계없이 동일하게 유지됩니다. 용접 도구 선택은 실행 방법에 영향을 주지만, 성공 여부는 여전히 금속학적 기본 원칙에 의해 좌우됩니다.

수리 요구사항에 따라 용접 공정을 선택했다면, 다음 중요한 결정은 특정 공구강 등급에 맞는 적절한 피러 금속 선정입니다. 이 선택은 수리 부위의 내구성과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

피러 금속 선정 및 전극 매칭

부품을 적절히 준비하고, 용접 공정을 선택한 후 이상적인 예열 온도를 달성하셨습니다. 이제 수리 작업의 성패를 좌우할 수 있는 결정을 내려야 할 시점입니다. 바로 어떤 필러 금속이 사용된 공구강 등급과 맞는지 여부입니다. 부적절한 필러 금속 선정은 공구강 수리 실패의 가장 흔한 원인 중 하나로 꼽히지만, 이 주제에 대한 체계적인 가이드라인은 놀랍도록 부족한 실정입니다.

공구용 강재의 필러 금속 선정은 마침내 선반 위에 있는 전극을 아무거나 집어 드는 것을 훨씬 넘어서는 일입니다. 필러 금속의 조성은 모재와 상호작용하여 최종 용접 특성, 균열 발생 가능성 및 장기적 성능을 결정합니다. 이제 필러 금속을 공구강에 맞추는 체계적인 프레임워크를 마련해 봅시다.

필러 금속을 공구강 등급에 맞추기

기본 원리는 간단해 보입니다. 필러 금속의 조성을 모재의 조성과 일치시키는 것입니다. 그러나 실제로는 선택에 영향을 미치는 여러 상충되는 요소들을 이해해야 합니다.

공구 응용 분야에서 용접된 강철을 다룰 때는 경도 요구 조건과 균열 발생 가능성 사이의 균형을 맞춰야 합니다. 기본 금속의 경도와 일치하는 피복재는 최적의 마모 저항성을 제공하지만 균열 위험을 증가시킵니다. 반면 더 부드러운 피복재는 균열 발생 가능성을 줄이지만 사용 중 더 빨리 마모될 수 있습니다. 최종 결정은 수리 위치와 운전 조건에 따라 달라집니다.

다음의 피복금속 종류와 그 적용 사례를 고려하십시오:

• 성분이 일치하는 피복재: 용접부가 열처리 후 기본 금속의 경도에 도달해야 할 경우 사용되며, 절단 날 및 고마모 표면에 필수적입니다
• 경도가 낮은(부드러운) 피복재: 용접 계면에서 응력을 완화시켜 주며, 구조적 수리, 마모가 발생하지 않는 부위 및 균열이 발생하기 쉬운 응용 분야에 이상적입니다
• 니켈 기반 피복재: 고합금 공구강과의 우수한 호환성을 제공하며, 열응력을 흡수하는 완충 효과를 제공합니다
• 코발트 기반 피복재: 고온에서의 우수한 경도를 제공하여 핫워크 다이 수리에 적합하며, 높은 사용 온도에서도 물성을 유지함
• 스테인리스강 충전재: 부식 저항성 오버레이 또는 이종 재료의 용접 시에 사용되는 경우가 있음

H계열 핫워크 등급의 용접 응용에서는, 특히 용접 후 열처리를 실시할 경우 H11 또는 H13 조성과 일치하는 충전재가 잘 작동함. 이러한 충전재는 크롬, 몰리브덴, 바나듐을 유사한 수준으로 포함하여 소성 사이클에 적절히 반응함

D2와 같은 냉각 공구강은 보다 큰 어려움을 동반함. D2 조성과 일치하는 공구강 용접봉은 뛰어난 경도를 얻을 수 있지만, 매우 정밀한 열 관리가 요구됨. 많은 숙련 용접 전문가들은 비중요 마모 구역에서 D2 수리 시 약간 낮은 강도의 충전재(예: H13 계열)를 선호하여, 균열 저항성의 획기적인 향상을 위해 약간의 경도 감소를 감수함

고탄소 재료 수리용 특수 전극

고탄소 공구강은 까다로운 야금 조건에서 사용하기 위해 특별히 설계된 전문 전극을 필요로 합니다. 일반 연강 전극은 이러한 용도에서 성능을 낼 수 없으며, 고탄소 기본 금속과 희석되면서 취성 있고 균열이 발생하기 쉬운 용착물을 생성합니다.

고탄소 응용 분야에 적합한 공구강 용접봉을 선택할 때 다음 기준들을 우선적으로 고려해야 합니다:

• 저수소 등급: 수소 유발 균열을 방지하기 위해 필수적이며, 스틱 전극의 경우 EXX18 등급 또는 적절히 보관된 TIG 피복재 막대를 선택하십시오
• 적절한 합금 성분: 필러는 열처리 후 충분한 경도를 확보할 수 있도록 크롬 및 몰리브덴을 충분히 포함해야 합니다
• 제어된 탄소 함량: 일부 특수 필러는 균열을 줄이면서도 합리적인 경도를 유지하기 위해 의도적으로 탄소 함량을 제한합니다
• 사전 합금 탄화물 형성 물질: 필러에 포함된 바나듐과 텅스텐은 최종 용착물 내 마모 저항성 탄화물 형성을 도와줍니다

균열이 발생하기 쉬운 수리 작업의 경우 니켈을 함유한 충전재에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 충전재 조성에 니켈을 2~5% 첨가하면 경도에 큰 영향을 주지 않으면서도 인성을 향상시키고 균열 감수성을 줄일 수 있습니다. 일부 제조업체는 이러한 목적에 맞춰 최적화된 니켈 첨가량을 갖는 공구강 전용 전극을 제공합니다.

잘못 선택하면 어떻게 될까요? 부적절한 충전재 선정은 구성 요소가 다시 사용되기 시작한 후에야 나타나는 여러 고장 모드로 이어집니다:

• HAZ 취성: 충전재의 화학 조성이 맞지 않으면 열영향부에 운용 응력 하에서 균열이 발생할 수 있는 바람직하지 않은 상(phase)이 생성될 수 있다.
• 계면 약화: 호환되지 않는 충전재는 모재와 적절히 융합되지 않아 하중을 받을 때 박리가 발생할 수 있습니다
• 조기 마모: 강도가 낮은 충전재는 빠르게 마모되어 재수리가 필요하거나 치수 문제를 일으킬 수 있습니다
• 지연 균열: 모재의 고탄소 물질이 부적합한 충전재로 희석되면 균열이 쉽게 발생하는 부착층이 형성되어 며칠 또는 몇 주 후에 파손될 수 있습니다

고장의 결과가 심각한 중대한 수리의 경우, 필러 금속 제조업체에 직접 문의하는 것을 고려하십시오. 대부분의 주요 제조업체는 기술 지원 팀을 운영하고 있으며, 귀하의 정확한 기본 금속 및 용도에 맞는 구체적인 제품을 추천할 수 있습니다. 이러한 상담은 소요 시간이 거의 없지만 수리 성공 확률을 현저히 높일 수 있습니다.

필러 금속 선택을 완료하면 수리를 실행할 준비가 되었지만, 아무리 완벽한 기술을 사용하더라도 모든 결함을 방지할 수는 없습니다. 공구강 용접 시 흔히 발생하는 결함을 진단하고 예방하는 방법을 이해함으로써, 엄격한 생산 환경에서도 수리 부위가 신뢰성 있게 작동하도록 보장할 수 있습니다.

공구강에서 발생하는 일반적인 용접 결함의 문제 해결

모든 준비 단계를 정확히 따랐음에도 불구하고 도구강 용접 수리 시 결함이 여전히 발생할 수 있습니다. 숙련된 용접 기술자와 초보자의 차이는 문제를 완전히 피하는 것이 아니라, 결함을 신속하게 인식하고 그 근본 원인을 이해하며 수용, 수리, 또는 재작업 중 어떤 조치를 취해야 할지를 아는 데 있습니다. 본 트러블슈팅 가이드는 수리 품질을 안정적으로 유지하기 위한 체계적인 진단 및 예방 방법을 다룹니다.

도구강은 관대하지 않기 때문에 구조용 용접에서는 허용될 수 있는 작은 결함이라도 다이 및 공구 응용 분야의 스트레스 하에서 심각한 파손 지점이 될 수 있습니다. 재료 특성과 결함 형성 간의 관계를 이해하면 문제가 발생하기 전에 이를 예방하는 데 도움이 됩니다.

도구강 용접 수리에서 균열 진단

크랙은 공구강 용접에서 가장 흔하며 가장 심각한 결함 유형입니다. 이러한 균열은 형성 시기에 따라 두 가지 주요 분류로 나뉘며, 각 유형마다 서로 다른 예방 전략이 필요합니다.

핫 크랙 용접 금속이 여전히 높은 온도에 있을 때 응고 과정 중에 발생합니다. 일반적으로 용접 완료 직후 또는 바로 이후에 이러한 균열을 확인할 수 있습니다. 이 균열은 용접 비드를 따라 중심선 방향으로 발생하는 중심선 균열 또는 용접 종단 지점에서의 크레이터 균열로 나타납니다. 핫 크랙은 수축 응력이 부분적으로 응고된 금속의 강도를 초과할 때 발생합니다.

냉간 균열 용접 후 냉각되는 과정에서 발생하며, 때로는 수시간 또는 며칠 후에 나타납니다. 수소에 의해 유도된 균열은 일반적으로 용접 금속 자체보다는 열영향부(HAZ)에 생깁니다. 냉각 균열은 즉시 수행하는 외관 검사에서는 보이지 않을 수 있어 특히 위험합니다. 내부의 수소 압력과 잔류 응력이 복합적으로 작용하여 재료가 항복점에 도달하면서 파단이 시작됩니다.

균열을 점검할 때 다음 지표들을 확인하세요:

• 표면 균열 시각적 확인: 확대 장치 없이 육안으로 식별 가능한 명확한 선형 불연속
• 크레이터 균열: 용접 종료 지점에서 별 모양 또는 선형 균열
• 토 균열: 용접부와 모재의 접합부에서 시작되는 균열
• 언더비드 균열: 용접 봉우리 아래쪽에서 평행하게 진행되는 HAZ 내 균열
• 지연된 발생: 용접 후 24~48시간 내에 새로운 균열이 나타나는 것은 수소 유발 균열을 나타냅니다.

항복 응력과 항복 강도 간의 관계를 이해하면 공구강이 왜 그렇게 쉽게 균열되는지를 설명하는 데 도움이 됩니다. 경도가 높은 재료는 항복 강도는 높지만 연성이 낮아 일정한 변형까지는 저항하지만, 그 이후에는 소성 변형 없이 갑자기 파단됩니다. 이러한 특성 때문에 예열 및 제어 냉각을 통한 응력 관리가 절대적으로 필수적입니다.

열영향부 취성 방지

열영향부는 공구강 수리 시 고유한 문제를 야기합니다. 이 영역은 모재의 미세조직을 변화시킬 만큼 충분히 높은 온도를 경험하지만, 용접 금속처럼 녹고 다시 응고되지는 않습니다. 그 결과? 원래의 모재와 용접 부착물 모두와 성질이 다른 영역이 형성됩니다.

HAZ 취성은 여러 가지 메커니즘을 통해 발생한다. 빠른 가열 후 급속 냉각은 정밀하게 조절된 모재의 미세조직을 템퍼 처리되지 않은 마르텐사이트로 변화시키는데, 이는 매우 단단하지만 위험할 정도로 취약하다. 또한 열 순환에 의한 응력으로 인해 변형 경화 및 가공 경화 효과가 누적된다.

이 과정에서 정확히 어떤 일이 벌어질까? 금속이 소성 변형을 겪을 때 결정 구조 내 전위가 증식하게 된다. 이러한 변형 경화는 강도를 증가시키지만 연성을 감소시킨다. HAZ에서는 외부 하중이 없더라도 열 응력이 국부적인 소성 변형을 유발한다. 열 순환에 의한 변형 경화와 가공 경화 효과가 상변태에 의한 변태 경화와 상호작용하면서 극도로 취성인 영역이 형성된다.

HAZ 취성을 방지하려면 냉각 속도를 제어하고 열 기울기를 관리해야 한다.

• 충분한 예열 유지: 마텐사이트의 경화를 방지하기 위해 냉각을 늦게 한다
• 층간 온도를 제어하라: 여러 번의 용접 통과로 인한 누적 열 충격을 방지한다
• 적절한 열입력을 사용하라: 용접 영향부(HAZ)의 과도한 발생을 방지하면서 관통을 확보해야 한다
• 용접 후 열처리를 계획하라: 템퍼링 사이클은 용접 영향부(HAZ)의 경도를 허용 가능한 수준으로 낮춘다

결함 유형	주요 원인	예방 방법	수리 솔루션
핫 크래킹(센터라인)	높은 황/인 함량; 과도한 깊이 대 너비 비율; 급격한 냉각	불순물이 적은 필러 금속 사용; 봉접 형태 조정; 이동 속도 감소	완전히 연마 제거; 수정된 조건으로 재용접
핫 크래킹(크레이터)	급격한 아크 정지; 최종 용접 풀의 수축	정지 지점에서 전류 점차 감소; 크레이터 부분 다시 채우기; 모서리에서 정지 피하기	크레이터 연마; 올바른 기술로 재개시
콜드 크래킹(수소 유발)	수소 흡수; 높은 잔류 응력; 취성 미세구조	저수소 소모품 사용; 적절한 예열; 용접 후 베이크아웃	완전 제거 필요; 재준비 및 재용접
밑면 용접비드 균열	HAZ로의 수소 확산; 높은 경도; 구속 응력	더 높은 예열; 수소 제어; 구속 완화	균열 깊이 아래까지 그라인딩 후 예열 및 재용접
HAZ 취성화	급속 냉각; 부족한 예열; PWHT 미실시	적절한 예열; 제어 냉각; 용접 후 템퍼링	PWHT로 개선 가능; 심각한 경우 완전 재수리 필요
성	오염; 습기; 불충분한 가스 보호; 과도한 이동 속도	철저한 청소; 건조한 소모품; 적정 가스 차폐	경미한 기공은 허용될 수 있으나, 심각한 경우 그라인딩 및 재용접이 필요함
왜곡	과도한 열입력; 부적절한 용접 순서; 부족한 고정장치	열입력을 최소화; 균형 잡힌 용접 순서; 적절한 고정	가열을 이용한 교정; 응력 제거; 가공 보정

외관 검사 기준 및 승인 결정

모든 불완전함이 완전한 재작업을 요구하는 것은 아님. 언제 용접부를 수리하거나 승인 또는 거부할지를 이해함으로써 시간을 절약하면서도 품질 기준을 유지할 수 있음. 검사는 체계적인 접근 방식을 따라야 함

용접 직후 검사: 용접 후 여전히 따뜻할 때(접근이 안전한 상태) 핫크랙 및 명백한 결함을 확인함. 크레이터 부위, 용접 토우, 그리고 눈에 보이는 기공 여부를 점검하고, 구성품이 완전히 냉각되기 전에 결과를 기록함

지연 검사: 수리 후 24-48시간 내에 재검사하십시오. 특히 냉간 작업 및 지연 수소 균열에 취약한 고탄소 등급의 경우, 최초 검사 후에 나타나는 새로운 결함 지표는 수소 관련 문제를 시사하므로 수소 관리를 개선하여 완전히 제거하고 재수리해야 합니다.

수용 기준 수리 위치 및 사용 조건에 따라 다릅니다:

• 중요 마모 표면: 균열은 허용하지 않으며, 작고 고립된 기공은 최소한 허용 가능
• 구조 부위: 작고 고립된 기공은 허용 가능하나, 균열은 허용하지 않음
• 비중요 구역: 사용 하중에서 전파하지 않는 한 사소한 결함은 허용 가능
• 차원적 정확성: 최종 치수로 가공할 수 있도록 충분한 재료가 필요함

결함 수리가 필요한 경우, 기존 문제 위에 단순히 용접하는 유혹을 억제해야 합니다. 초기 시도 과정에서 발생한 변형 경화 및 가공 경화는 재료 내에 그대로 남아 있습니다. 결함 부위를 완전히 연마하면 눈에 보이는 결함뿐 아니라 영향을 받은 미세조직도 함께 제거할 수 있습니다. 수소 관련 파손의 경우, 재용접 전 베이크아웃 공정을 추가로 실시하여 준비 과정을 확대해야 합니다.

정밀 공구 수리 시에는 변형에 특별한 주의가 필요합니다. 미세한 치수 변화라도 다이를 사용 불가능하게 만들 수 있습니다. 대칭 수리 시 양쪽 번갈아 가며 용접하고, 중심에서 바깥쪽으로 진행하며, 열 분포를 완화하기 위해 건너뛰기 용접 기법을 사용하는 등 균형 잡힌 용접 순서를 통해 변형을 방지할 수 있습니다. 예방 조치에도 불구하고 변형이 발생한 경우에는 최종 가공 전 응력 완화 열처리를 통해 수리를 폐기하지 않고 복원할 수 있는 경우가 많습니다.

여러 차례의 수리 과정에서 결함 양상을 인식하면 해결할 가치가 있는 시스템적 문제를 발견할 수 있습니다. 반복적으로 발생하는 기공은 소모품 보관 문제나 환경 오염을 시사합니다. 유사한 위치에 일관되게 발생하는 균열은 예열 부족이나 부적절한 필러 재료 선정을 나타냅니다. 결함 이력을 추적함으로써 수리 절차의 지속적인 개선이 가능해집니다.

결함을 진단하고 조치한 후, 최종적으로 중요한 단계는 용접 후 열처리입니다. 이 과정을 통해 경화되고 잔류 응력이 있는 용접 부위가 원래의 성능 사양과 동일한 사용 가능한 수리 상태로 전환됩니다.

용접 후 열처리 절차

용접 상태가 완벽하고 결함 검사 결과도 이상이 없어 수리 작업을 마무리할 준비가 되었습니다. 하지만 서두르지 마십시오. 용접 후 적절한 열처리(PWHT)를 수행하지 않으면, 겉보기에 성공적인 수리라 하더라도 서비스 중 균열로 이어질 수 있는 잠재적 응력이 내부에 남아 있게 됩니다. 후속 열처리는 응력이 가해지고 경화된 용접 부위를 안정적이고 실용적인 수리 상태로 변환시켜 주며, 이 단계를 생략하는 것은 공구강 수리에서 가장 비용이 많이 드는 실수 중 하나입니다.

새롭게 용접된 부품을 긴장 상태의 코일 스프링이라고 생각해 보세요. 빠른 가열 및 냉각 사이클로 인해 용접 부위와 열영향부 전반에 걸쳐 고정된 내부 응력이 발생합니다. PWHT는 이러한 응력을 제어된 방식으로 해소하여 균열과 같은 돌발적이고 치명적인 손상을 방지합니다.

강재 종류별 용접 후 응력 제거 절차

응력 완화 열처리는 재료의 상변화 온도 이하에서 수행되며, 제어된 열팽창을 통해 잔류 응력을 완화시키면서도 기본 금속의 미세조직을 변화시키지 않습니다. 이 공정은 각각의 공구강 계열에 따라 온도, 시간 및 냉각 속도를 적절히 조절해야 합니다.

고온용 강재(H-계열)의 경우, 응력 완화는 일반적으로 1050~1150°F(565~620°C) 사이에서 이루어집니다. 부품 두께 인치당 약 1시간 동안 해당 온도에서 유지하며, 얇은 부분의 경우 최소 1시간 이상 유지해야 합니다. 이러한 온도 범위는 상변화 영역보다 훨씬 낮아 경도에 영향을 주지 않으면서 안전하게 응력을 제거할 수 있습니다.

냉간 작업용 강재는 보다 신중한 고려가 필요하다. D계열 및 A계열 등급은 종종 400-500°F(205-260°C)에서 응력 완화를 요구하는데, 이는 열간 작업용 등급보다 현저히 낮은 온도이다. 왜 이러한 차이가 존재하는가? 이 고탄소, 고합금 강재는 고온에서 2차 경화 현상을 겪는다. 높은 온도에서 응력 완화 처리처럼 보이는 작업이 실제로는 재료를 다시 경화시키며, 취성을 감소시키는 것이 아니라 오히려 증가시킬 수 있다.

여기서는 항복강도와 적절한 열처리 간의 관계가 매우 중요해진다. 항복강도란 영구 변형이 시작되는 응력 수준을 의미한다. 용접으로 인한 잔류 응력은 재료의 항복 응력에 근접하거나 초과할 수 있으며, 이로 인해 미세한 추가 하중만으로도 균열이 발생할 수 있는 조건이 조성된다. 적절한 PWHT(용접 후 열처리)는 이러한 내부 응력을 안전한 수준으로 감소시킨다—일반적으로 항복강도의 20% 미만으로 낮춘다.

인장 강도와 항복 강도를 이해하면 응력 제거가 중요한 이유를 명확히 할 수 있다. 인장 강도는 파단 전 최대 응력을 측정하는 반면, 항복 강도는 영구적인 손상이 시작되는 지점을 나타낸다. 용접된 공구강은 종종 항복 강도 대 인장 강도 한계에 근접하는 잔류 응력을 가지므로 외부 하중이 가해지기 전부터 이미 변형 한계치에 매우 가까운 위험한 상태에서 작동하고 있을 수 있다.

PWHT 방식을 결정할 때 다음 요소들을 고려해야 한다:

• 수리 범위: 경미한 표면 수리는 응력 제거만으로 충분할 수 있으나, 대규모 수리는 일반적으로 완전 재경화 및 템퍼링이 필요하다
• 강종: 고탄소 및 고합금 등급은 중간 정도의 합금 열간 작업용 강철보다 더 보수적인 열처리를 요구한다
• 부품 형상: 두께가 다양한 복잡한 형상은 열적 기울기를 방지하기 위해 더 느린 가열 및 냉각이 필요하다
• 서비스 요구사항: 중요한 마모 표면은 경도 회복을 위해 완전한 열처리가 필요할 수 있으나, 구조적 부위는 응력 제거만으로도 충분할 수 있다
• 이전의 열처리 조건: 경화된 부품의 수리는 일반적으로 재경화가 필요하며, 풀림 처리된 부품은 스트레스 해제만으로 충분할 수 있음
• 장비 접근 가능성: 완전한 열처리 공정은 용광로 설비가 필요함; 현장 수리는 횃불 방식의 스트레스 해제로 제한될 수 있음

주요 용접 수리 후 재경화

스트레스 해제만으로 부족한 경우는 언제인가? 상당한 양의 재료 추가, 완전한 균열 제거 및 재건축, 또는 중요 마모면 복원을 포함하는 주요 수리는 일반적으로 완전한 재경화 및 템퍼링 공정을 요구함. 이 방법을 통해 용접 부위가 원래 모재와 동일한 특성을 확보할 수 있음

재경화는 더 복잡한 순서를 따름: 먼저 미세조직을 균일하게 하기 위해 정규화 또는 풀림 처리를 하고, 그 다음 등급별 오스테나이트화 온도에서 오스테나이트화한 후 등급에 따라 에어, 오일 또는 제어 분위기에서 적절히 급냉하고, 마지막으로 원하는 경도와 인성의 균형을 달성하기 위해 템퍼링 처리함

이 과정에서 강재가 겪는 변형률은 최종 물성과 직접적으로 관련된다. 급냉 중 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상변태는 부피 변화를 유발하며, 이는 내부 변형으로 나타난다. 적절한 템퍼링 공정은 이러한 변형을 제거하면서 마모 저항성을 위한 최적의 탄화물 분포를 형성한다. 템퍼링을 생략하거나 단축하면 그 변형이 재료 내에 잠긴 상태로 남아 서비스 중 발생하는 파손에 기여할 수 있다.

강재의 탄성 계수와 같은 재료 물성은 열처리 응력에 대한 부품의 반응 방식에 영향을 미친다. 탄성 계수는 재료의 강성을 측정하며, 특정 강재 조성에 대해서는 상대적으로 일정하게 유지되지만, 형상과의 상호작용을 통해 가열 및 냉각 사이클 동안의 왜곡 경향을 결정한다. 두께가 서로 다른 부분을 가진 부품은 열팽창의 차이를 경험하게 되며, 이는 추가적인 응력을 발생시키고, 적절한 PWHT 절차에서 이를 보정해야 한다.

부적절한 냉각은 PWHT 작업에서 주요 고장 원인으로 작용한다. 너무 빨리 냉각하면 본질적으로 두 번째 급냉(quench) 과정을 만든 셈이 되어, 제거하려 했던 응력을 다시 도입하게 된다. 특정 등급의 재료를 너무 느리게 냉각하면 인성 저하를 유발할 수 있는 바람직하지 않은 상의 석출 위험이 있다.

철강재의 종류에 따라 느린 냉각 조건이 달라집니다:

• 열간 공작 도구강: 1000°F(540°C) 이하까지 용광로 내에서 서서히 냉각한 후 공기 중에서 냉각; 최대 냉각 속도는 약 50°F(28°C) 매시간
• 냉간 공작용 공기경화강: 상변태 구간에서는 매우 느린 용광로 냉각이 필수적임 — 매시간 25~50°F(14~28°C) 범위
• 냉간 공작용 기름경화강: 보통의 냉각 속도도 허용됨; 최소 400°F(205°C)까지는 용광로 내에서 냉각 필요
• 고속도강: 복잡한 냉각 프로파일 필요; 일반적으로 여러 차례의 템퍼링 사이에 서서히 냉각하는 과정을 반복

용광로 가열과 토치 가열은 실질적인 고려 사항을 제시한다. 용광로 가열은 복잡한 형상과 정밀 부품에 필수적인 균일한 온도 분포를 제공한다. 제어된 환경은 산화를 방지하고 전체 사이클 동안 정확한 온도 모니터링이 가능하게 한다.

토치 가열은 현장 수리 기능을 제공하지만 위험 요소를 수반한다. 부품 전체의 온도 구배는 차등 응력을 유발하며, 국부적인 과열은 수리 영역 외부의 부위까지 손상시킬 수 있다. 토치 가열이 불가피한 경우, 열을 고르게 분산시키기 위해 여러 개의 토치를 사용하고, 접촉식 피로미터로 다수 지점의 온도를 모니터링하며, 가열 후 냉각 속도를 늦추기 위해 세라믹 블랭킷으로 부품을 절연해야 한다.

PWHT 사이클 전반에 걸쳐 온도 검증을 수행하면 비용이 많이 드는 오류를 방지할 수 있습니다. 작업물에 직접 부착된 캘리브레이트된 열전대를 사용하십시오—특히 가열 중에는 열 지연으로 인해 실제 부품 온도와 상당한 차이를 보이는 가공로 내 공기 온도는 실제 부품 온도를 반영하지 않습니다. 중요한 수리 작업의 경우, 시간-온도 프로파일을 품질 증거 자료로 기록하십시오.

PWHT 완료 후 최종 검사 및 가공 전에 충분한 안정화 시간을 확보하십시오. 냉각이 완료된 후에도 24~48시간 동안 응력 재분포가 지속되는 경우가 있습니다. 완전히 안정화되지 않은 재료에 대해 서둘러 최종 가공을 수행하면 절단 응력이 유입되어 정성든 열처리로 해결된 문제를 다시 유발할 수 있습니다.

용접 후 적절한 열처리가 완료되면, 수리된 부품은 신뢰성 있는 작동을 위한 금속학적 기반을 갖추게 됩니다. 마지막 고려 사항인 수리가 교체 대비 경제적으로 타당한 시점을 판단하는 것은 지금까지 배운 도구강 수리에 관한 모든 지식을 실용적인 의사결정 프레임워크로 통합하는 과정입니다.

수리 경제성 및 실용적인 의사결정

도구강 용접의 기술적 측면을 숙지하셨습니다. 하지만 궁극적으로 중요한 질문은 이것입니다. 이 부품을 아예 수리해야 할까요? 모든 다이 제작자는 정기적으로 이러한 결정을 마주하게 되며, 생산 일정상 빠른 해결책이 요구되는 상황에서 수리 비용과 교체 가치를 비교 평가해야 합니다. 수리 경제성을 이해하는 것은 비상 대응식의 혼란스러운 대처를 벗어나 예산과 생산 일정 모두를 보호할 수 있는 전략적 의사결정으로 전환시켜 줍니다.

공구 응용 분야에서의 강재 용접은 상당한 투자가 수반됩니다. 단순히 수리 비용뿐만 아니라, 가동 중단, 열처리, 기계 가공 및 품질 검증에 드는 비용도 포함됩니다. 강재 부품을 원래 성능 수준으로 다시 용접할 수 있을까요? 일반적으로는 가능합니다. 하지만 그렇게 해야 할까요? 그 여부는 대부분의 수리 가이드에서 다루지 않는 여러 요소에 따라 달라집니다.

공구강 수리가 경제성을 갖는 경우

수리 가능성 여부는 간단한 예/아니오 질문이 아닙니다. 자원 소모만 증가시키며 필연적인 교체를 지연시킬 뿐인지, 아니면 긍정적인 수익을 가져오는지 여부는 여러 요인이 복합적으로 작용하여 결정됩니다.

다음 번 수리 결정을 고려할 때 아래의 수리 타당성 기준들을 검토하십시오:

• 부품 크기에 대비한 손상 정도: 작업 면적의 15~20% 이상을 차지하는 수리는 종종 교체 비용에 접근하게 되며, 결과 또한 불확실해지는 경향이 있습니다
• 강종의 가치: D2, M2 또는 특수 분말 야금 강재와 같은 고합금 강종은 일반 상용 강종보다 더 광범위한 수리 작업을 정당화할 수 있습니다
• 교체 소요 시간: 신규 금형 제작에 6주가 소요되기 때문에 비용이 교체 가치에 근접하더라도 수리가 유리할 수 있다
• 생산 긴급도: 긴급 주문의 경우 프리미엄 수리 비용을 정당화할 수 있으나, 여유 있는 일정은 비용 최적화된 교체를 위한 시간을 확보할 수 있다
• 수리 이력: 고품질 금형의 첫 번째 수리는 타당하지만, 반복적으로 수리가 필요한 부품은 기본적인 설계 또는 재료 문제를 시사한다
• 남은 사용 수명: 수명 종료에 가까운 금형의 경우 기술적으로 수리 가능하더라도 큰 수리 투자를 정당화하기 어려울 수 있다
• 열처리 능력: 완전한 재경화가 필요한 수리는 열처리로 소성 처리가 가능한 기구를 필요로 하며, 해당 기능이 없을 경우 수리 옵션이 배제될 수 있다

실용적인 경험칙: 수리 비용이 교체 가치의 40~50%를 초과하는 경우, 해당 투자가 타당한지 진지하게 검토해야 합니다. 반복적으로 수리가 필요한 부품은 종종 재료 선택 오류, 설계 부족 또는 사양을 초과하는 운전 조건과 같은 근본적인 문제를 드러내며, 이러한 문제는 용접으로 영구적으로 해결할 수 없습니다.

가장자리 손상에서 완전 복원까지 다양한 수리 시나리오

다양한 유형의 손상은 각기 다른 수리 난이도와 성공 확률을 나타냅니다. 직면한 손상 유형을 이해함으로써 현실적인 기대치와 적절한 예산을 설정할 수 있습니다.

가장자리 수리 가장 흔하며 일반적으로 가장 높은 성공률을 보이는 수리 유형입니다. 적절한 절단용 엣지의 파손, 성형 곡률의 마모, 경미한 충격 손상 등은 올바른 절차에 따라 용접 수리 시 대체로 양호한 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 수리는 비교적 소량의 용접이 필요하며, 열 입력이 제한되고 금속학적 결과 또한 예측 가능합니다. 적절한 강종에서 올바르게 수행된 가장자리 수리의 성공률은 90%를 초과합니다.

표면 누적 장기간 사용으로 인한 마모를 해결하는데, 여기에는 마모된 다이 면, 침식된 펀치 표면 및 반복적인 성형 사이클로 인한 치수 손실이 포함됩니다. 이러한 수리는 더 광범위한 용접이 필요하지만, 피복재 선택이 사용 조건에 부합할 경우 매우 성공적인 결과를 얻을 수 있습니다. 핵심 고려사항은 최종 가공을 위해 충분한 재료를 추가할 수 있으면서도 열영향부 특성을 적절하게 유지할 수 있는가 하는 것입니다.

균열 수리 가장 신중한 평가가 요구됩니다. 열사이클이나 충격으로 인한 표면 균열은 용접 전 완전히 제거될 경우 성공적으로 수리될 수 있습니다. 그러나 깊이 관통한 주요 단면, 높은 응력을 받는 부위의 균열 또는 다수의 균열 발생은 실질적인 수리를 넘어서는 재료 피로를 나타내는 경우가 많습니다. 올바른 수리 절차에도 불구하고 균열이 계속해서 발생한다면, 해당 부품은 교체가 유일한 영구적 해결책임을 알려주고 있는 것입니다.

치수 복원 표면 축적과 정밀도 요구 사항이 결합됩니다. 마모된 캐비티 부위, 허용 오차를 벗어난 맞물리는 표면들, 그리고 침식된 간격은 모두 이 범주에 포함됩니다. 성공 여부는 용접 후 정밀 가공 능력에 크게 좌우됩니다. 용접 후에도 요구되는 공차를 유지할 수 없다면, 용접 품질에 관계없이 수리가 실패합니다.

양산 금형을 위한 다이 제작 시 고려사항

양산 금형 관련 결정은 개별 부품 비용 이상의 영향을 미칩니다. 수리와 교체를 비교 평가하는 다이 제작자는 다음을 고려해야 합니다:

• 생산 일정에 미치는 영향: 수리 기간과 교체 기간 동안 각각 얼마나 많은 부품 생산이 누락될 것인가?
• 품질 리스크: 중요한 양산 도중에 수리한 다이가 고장 날 경우 그 비용은 얼마인가?
• 재고에 미치는 영향: 최적의 결정을 내릴 수 있는 시간을 확보하게 해주는 예비 금형을 보유하고 있는가?
• 고객 요구사항: 일부 OEM 사양에서는 양산 금형에 대한 용접 수리를 금지하고 있습니다
• 문서화 필요 사항: 인증된 공정은 비용을 증가시키는 광범위한 수리 문서를 요구할 수 있음

공구강 수리에서 가장 비용 효율적인 접근 방법은 무엇인가? 바로 수리 자체의 필요성을 최소화하는 것이다. 고품질의 공구 설계, 적절한 재료 선정 및 정확한 제조 공정은 공구 수명 동안 수리 빈도를 크게 줄일 수 있다.

수리 의존도를 낮추려는 사업장의 경우, 철저한 품질 시스템을 갖춘 제조업체에서 정밀하게 설계된 공구에 투자하는 것이 장기적으로 이익을 가져다준다. IATF 16949 인증 제조는 일관된 품질 기준을 보장하며, 선진 CAE 시뮬레이션은 잠재적 고장 지점을 생산 문제로 발전하기 전에 식별한다. 이러한 역량은 샤오이의 정밀 스탬핑 다이 솔루션 와 같은 전문 공급업체를 통해 제공되며, 반복적인 수리 사이클보다는 내구성을 염두에 두고 설계된 공구를 제공한다.

수리가 필요한 경우, 이 가이드에서 다룬 기법들을 활용하여 체계적으로 접근하십시오. 하지만 기억하십시오: 최선의 수리 전략은 수리가 타당할 때 숙련된 실행 능력을 발휘하는 것과 더불어, 일부 상황은 진정으로 교체가 필요하다는 점을 인지하는 것을 병행하는 것입니다. 이 차이를 아는 것은 단기적인 예산과 장기적인 생산 신뢰성을 모두 보호합니다.

공구강 용접 수리의 뛰어난 수행 마스터하기

이제 공구강의 성공적인 용접 수리를 위한 전체 프레임워크를 초기 등급 식별부터 용접 후 열처리까지 모두 살펴보았습니다. 그러나 지식만으로는 전문성이 만들어지지 않습니다. 숙달은 이러한 요소들이 어떻게 상호 연결되어 있는지를 이해하고, 수행하는 모든 수리 작업에 걸쳐 일관되게 적용하는 데서 비롯됩니다.

모든 공구강 수리 프로젝트 전, 중, 후에 참고할 수 있는 실행 가능한 원칙들로 모든 내용을 정리해 봅시다.

모든 공구강 수리를 위한 핵심 성공 요소

성공적인 수리는 우연히 이루어지지 않습니다. 수리 작업이 수년간 지속될지 며칠 안에 실패할지를 결정하는 다섯 가지 상호 연결된 요소에 대한 체계적인 주의에서 비롯됩니다.

• 정확한 식별: 절대로 강재 등급을 알고 있다고 가정하지 마십시오. 수리 조건을 선택하기 전에 서류, 스파크 테스트 또는 제조업체 기록을 통해 반드시 확인하십시오.
• 적절한 예열: 특정 강재 계열에 맞춰 예열 온도를 설정하십시오. 이 하나의 요소가 다른 어떤 변수보다 더 많은 실패를 방지합니다.
• 올바른 필러 재료 선정: 수리 위치 및 사용 조건에 따라 경도 요구사항과 균열 발생 가능성 사이의 균형을 고려하여 적합한 용가재를 선택하십시오.
• 제어된 열입력: 적절한 융합에 필요한 최소한의 열만 사용하십시오. 과도한 열은 HAZ(영향 영역)를 확대시키고 균열 발생 가능성을 높입니다.
• 적절한 PWHT: 강종 및 수리 범위에 따라 완전한 스트레스 제거 또는 재경화 사이클을 수행하세요. 경화 공구강에서는 이 단계를 절대 생략하지 마십시오.

모든 성공적인 공구강 수리의 기초는 인내심입니다. 예열 과정을 서두르거나 수소제어 조치를 생략하거나 너무 빨리 냉각하면 몇 분을 아낄 수 있지만, 되돌려야 하는 수 시간의 작업 비용이 발생하거나 부품 전체가 파손될 수 있습니다.

이 다섯 가지 요소가 일치할 때, 고탄소·고합금강의 어려운 수리 작업도 예측 가능해집니다. 단 하나의 요소라도 부족하면 전체 수리 시스템이 신뢰할 수 없게 됩니다.

공구강 용접 전문성 구축하기

기술적 지식이 기초를 제공하지만, 진정한 전문성은 의도적인 연습과 지속적인 학습을 통해 발전합니다. 탄성 계수와 같은 재료 특성을 이해하면 열응력에 대한 부품의 반응을 용접 및 열처리 중에 예측하는 데 도움이 됩니다. 탄성 계수는 강재의 강성과 탄성 변형에 대한 저항력을 측정합니다.

강의 탄성계수는 주어진 성분 조합에 대해 비교적 일정하게 유지되지만, 그 강성이 용접 공정과 어떻게 상호작용하는지는 부품 형상, 구속 조건 및 열 기울기에 따라 크게 달라진다. 숙련된 용접공들은 축적된 실무 경험을 통해 이러한 상호작용에 대한 감각을 익히게 되지만, 이러한 감각은 견고한 이론적 이해를 바탕으로 한다.

수리 작업을 체계적으로 기록하는 것을 고려해보라. 각 수리 작업에 대해 강재 등급, 예열 온도, 피복금속, 공정 매개변수 및 PWHT 사이클을 문서화하고, 성공 사례와 실패 사례 모두 결과를 기록하라. 시간이 지남에 따라 특정한 패턴이 드러나며, 이를 통해 절차를 개선하고 어려운 상황에서도 자신감을 쌓을 수 있다.

강재의 영률과 항복력과 같은 개념을 이해하면 특정 절차가 왜 작동하는지, 또 다른 절차는 왜 실패하는지를 설명하는 데 도움이 된다. 탄성 계수는 영구 변형이 시작되기 전에 응력 하에서 재료가 얼마나 휘어지는지를 결정한다. 모듈러스 값이 높은 재료는 휨을 잘 저항하지만 열 관리가 부족할 경우 용접 인터페이스에서 응력을 집중시킬 수 있다.

수리 빈도를 아예 최소화하려는 사용자에게는 우수한 초기 공구 품질이 궁극적인 해결책이다. 엄격한 품질 시스템 하에서 정밀 설계된 다이(dies)는 서비스 중 고장 발생이 적으며 수리 개입이 덜 잦다. 새로운 공구 투자를 검토하는 작업 현장은 신속한 프로토타입 제작 역량(경우에 따라 최소 5일 만에 프로토타입을 제공하는 경우도 있음)과 입증된 양산 품질을 겸비한 제조업체와 협력하는 것이 유리하다.

소이의 엔지니어링 팀은 이 접근 방식을 모범적으로 보여주며, 포괄적인 몰드 설계와 첨단 제조 역량을 통해 93%의 일회 통과 승인률을 달성했습니다. 그들의 정밀 프레스 금형 솔루션 oEM 표준에 맞춘 비용 효율적인 금형을 제공하여 자원 소모와 생산 일정 방해를 초래하는 수리 부담을 줄입니다.

기존 금형에 대한 수리를 수행하든 신규 다이 투자를 평가하든 원칙은 동일합니다. 사용하는 재료를 이해하고 체계적인 절차를 따르며, 신뢰할 수 있는 수리와 비용이 큰 실패를 구분짓는 기본 사항을 절대 타협하지 마십시오. 본 가이드는 참고 프레임워크를 제공하며, 이제 전문성은 실제 적용을 통해 발전하게 됩니다.

공구강 용접 수리에 관한 자주 묻는 질문

1. 공구강에 어떤 용접봉을 사용해야 합니까?

필러 금속 선택은 사용하는 특정 공구강 등급과 수리 요구 사항에 따라 달라집니다. 마모 면에서 경도를 일치시키려면 핫워크 강재의 경우 H13 유형 막대 또는 콜드워크 등급의 경우 D2 전용 전극과 같이 조성에 맞는 필러를 사용하십시오. 균열이 발생하기 쉬운 수리 작업의 경우 경도가 낮은(부족한) 필러 또는 균열 감수성을 줄이는 니켈 함유 전극을 고려하십시오. 수소 응력 균열을 방지하기 위해 항상 저수소 등급(EXX18 등급)을 사용하고, 전극은 사용 전 250~300°F의 가열된 막대 오븐에 보관해야 합니다.

2. D2 공구강을 용접할 수 있나요?

예, D2 공구강은 용접이 가능하지만 탄소 함량이 1.4-1.6%로 균열에 민감하므로 매우 주의가 필요합니다. 필수 요구사항으로는 700-900°F(370-480°C) 범위에서 예열을 실시하고, 저수소계 전극을 사용하며, 사이클 온도를 950°F 이하로 유지하고, 적절한 용접 후 열처리를 적용해야 합니다. D2 충전재를 사용한 중요 부품의 수리 시에는 용접 전 완전 풀림 처리를 하고, 용접 후 다시 담금질을 해야 합니다. 많은 전문가들은 비중요 마모 부위의 균열 저항성을 높이기 위해 H13 계열과 같이 약간 낮은 강도의 충전재를 선호합니다.

3. 공구강 용접 시 필요한 예열 온도는 얼마인가요?

예열 온도는 공구강 계열에 따라 달라집니다. 핫워크 강재(H-계열)는 400-600°F(205-315°C)가 필요하며, 콜드워크용 공기경화형 등급(A-계열)은 400-500°F(205-260°C)가 필요합니다. 고탄소 D-계열 강재는 700-900°F(370-480°C)를 요구하고, 고속도강은 900-1050°F(480-565°C)가 필요합니다. 온도 확인은 온도 지시 크레용 또는 적외선 피로미터를 사용하여 수행하고, 두꺼운 부위의 경우 열이 완전히 침투할 수 있도록 충분한 보온 시간을 확보해야 합니다.

4. 경화된 강철을 용접할 때 균열을 방지하는 방법은 무엇입니까?

균열을 방지하려면 냉각 속도를 늦추기 위한 적절한 예열, 가열 오븐에 올바르게 보관된 저수소 전극, 예열 온도와 일치하는 통제된 사이패스 온도, 그리고 적절한 용접 후 열처리 등 다각적인 접근이 필요합니다. 또한 용접 전 균열을 완전히 연마하고, 열 분포를 관리하기 위해 올바른 용접 순서를 사용하며, 필요 시 용접 후 수소 제거를 위해 400~450°F에서 1~2시간 베이킹 처리를 고려해야 합니다. 환경적 요인도 중요하므로 습도가 60%를 초과할 때는 용접을 피해야 합니다.

5. 공구강은 언제 수리해야 하고, 언제 교체해야 합니까?

수리 비용이 교체 가치의 40-50% 미만이고, 손상 범위가 작동 표면의 15-20% 미만이며, 해당 부품이 반복적인 수리를 필요로 하지 않을 경우 경제적으로 수리하는 것이 타당합니다. 수리 소요 시간과 교체 부품 납기, 생산 긴급도 및 잔여 사용 수명을 고려해야 합니다. 정밀 스탬핑 다이 및 핵심 생산 공구의 경우, CAE 시뮬레이션을 적용한 IATF 16949 인증 제조 방식(샤오이의 정밀 솔루션과 같이)에 투자하면 장기적으로 수리 빈도를 줄이면서도 일관된 품질을 보장할 수 있습니다.