1. 티타늄 특성 1.1 개요

티타늄(Titanium, Ti)은 원소번호가 22 인 금속으로 은백색의 광택을 띄고 있으며 지구상에 가장 널리 분포된 금속중의 하나이다. 최초 1790 년에 영국의 William Gregor목사가 강가에 흑색 자성물질(Ilmenite, FeTiO3)로부터 Ti금속의 존재를 발견하였고, 1795 년 독일의 Martin Klaproth가 Rutile(TiO2)로부터 Ti금속을 확인하고 희랍신화에서 나오는 ‘강하고 거대한 신의 이름’의 뜻으로 티탄(Titan)이라 명명하였다. 그리고 1823 년 영국에

서 Ti금속의 추출성공을 발표하였고 독일, 러시아에서는 잇달아 고순도의 Ti 추출을 시도하였다. 1910 년에는 미국에서 Na 을 이용하여 추출하는 Hunter 법이 개발되었다. 이후 1938년에 Kroll 법의 공업화 연구가 착수되었고 공업용 Ti 의 대량생산을 위한 공업적 제조법

으로 Kroll Process 는 1940 년에 확립되었다. 그리고 1948 년 미 듀퐁사가 년간 10 만톤의 Sponge Ti 생산공장의 건설에 따라 본격적인 제련연구를 착수하였다. 일본은 1949 년 Kobe Steel 사에서 제련연구를 시작하였고 1951 년 Osaka Ti 사에서 공업적 생산연구를 개시하였다. 티타늄은 내 화학성이 매우 강한 금속으로 해수나 습기에 침식되지 않을 뿐만 아니라 초산, 염산, 및 금까지 용해하는 왕수에도 견딘다. 이러한 내 화학성은 표면을 덮고 있는 산화물박막이 극히 큰 안정성과 강도를 갖고 있기 때문이다. Ti 의 비중은 4.5g/㎤으로 알루미늄보다 40% 크나, 강도가 약 6 배나 된다. 융점은 1680℃이며, Fe 보다 높은 비강도(강도/비중)를 갖고 있다.

1.2 종류 및 일반적 성질

Ti은 지각(地殼)의 약 0.4%를 점하며 구조용 금속가운데 Al, Fe, Mg에 이어 제 4 위

의 매장량을 갖는 자원이다. Ti을 포함하는 광석으로는 티탄철광(Ilmenite, FeTiO3), 금홍석(TiO3, Rutile) 등이 있다. 광석에서 금속티타늄을 얻기란 매우 어려워 그 생산기술이 상당히 복잡하다. Ti추출법으로는 Na을 환원재로 이용하는 Hunter Process가 있으나, 구조용 금속으로 정련되어 실제로 사용되기 시작한 것은 Kroll Process가 확립된 이후이

다. Kroll Process는 티타늄 산화물을 우선 사염화티타늄(TiCl4)으로 염화시킨 후에 그것

을 Mg으로 환원하여 Ti을 추출하는 방법으로 가장 널리 사용된다.

(1) Kroll Process (Mg환원법) : TiCl4 + 2Mg → Ti + 2MgCl2

(2) Hunter Process (Na환원법) : TiCl4 + 4Na → Ti + 4NaCl

실제로 Ti 은 산소를 비롯하여 질소, 수소와 강한 친화력을 가지므로 견고한 산화물이

나 질화물이 생성되어 용접이나, 접합에 큰 영향을 준다. 순수 Ti 은 실온에서 조밀육방

격자(HCP)의 α상으로 존재하나 882℃에서 동소변태점이 있어 그 이상의 온도에서는 체심입방격자(BCC)의 β상으로 변화한다. 이 동소변태점은 용접이나 열처리에 의한 가열 및 냉각속도로는 거의 변화되지 않지

만 합금원소의 첨가에 의해서는 크게 변화하여 실온에서도 α+β의 공존상 또는 β단

상으로 나타나게 된다. 순수 Ti 의 주요한 물리적 성질은 다음과 같다.

(1) 1680℃의 고융점을 갖는다. (2) 비중이 4.5 g/㎤로서 강의 약 1/2 이다. (3) 선팽창계수가 작고 오스테나이트 스테인레스강의 약 1/2 이다. (4) 열전도율은 강의 1/4 로서 오스테나이트 스테인레스강과 유사하다. (5) 영률은 오스테나이트 스테인레스강의 약 1/2 로서 작다.

순수 Ti 에 함유되는 불순물 원소중에 산소, 질소, 수소 및 철은 Ti 의 기계적 성질에 큰 영향을 미치고 있다. 즉 산소 및 질소의 함량이 증가할수록 인장강도는 커지나 연신률은 낮아진다. 또한 Ti 은 표면에 강한 산화티타늄의 부동태 피막을 형성하게 되어 각종의 환경하에 우수한 내식성을 나타낸다. Ti 용접부의 내식성도 모재에 비해 거의 저하되지 않으며, 발연초산이나 메탄올 염산용액을 제외하고는 응력부식균열을 발생하지 않는다. 더구나 공식이나 틈새부식도 발생되기 어렵다. 공업용으로 실제로 사용되는 Ti 합금은 α형, 준α형, α+β형, 및 β형으로 구분되며 그들의 조직은 순수 Ti 에 첨가되는 합금의 종류, 양과 함께 가공 및 열처리에 의해 결정된다. Al, O2 , N2 등과 같이 변태점을 상승시키며 α영역을 확대시키는 원소는 α안정화 원소, 역으로 변태점을 하강시켜 β영역을 확대시키는 V, Mo, Fe, Cr, Mn 등을 β안정화 원소라 한다. 또한 Zr, Sn은 상변태에는 관계하지 않으나 α, β상 모두 강화하는 원소

이다. ELI (Eltra Low Interstitials)로 분류되는 극저온용 합금은 불순물 원소를 낮게 제한한 것으로, 0.12% 이하의 O2를 포함하며 인성이 양호하다.

1.2.1 α 티타늄합금

α상 안정화원소를 첨가하여 고용강화된 것으로 고온까지 안정한 성질을 나타낸

다. 고용 강화면에서 특히 Al의 효과가 현저하나 과다하게 첨가될 경우 Ti3Al이나 TiAl이 형성되어 인성열화의 경향을 나타낸다. 이것을 피하기 위해 Sn을 첨가한 것으로는 Ti-5Al-2.5Sn이 있으며 대표적인 α합금이다. 고온강도, 고온Creep특성이 우수함과 동시

에 저온에 있어서도 연성, 인성의 열화가 없어 저온용 구조재료로서 우수하다. 1.2.2 준α 티타늄합금

안정한 고온특성을 나타내는 α 티타늄합금의 Creep 특성을 더욱 개선하기 위해 Al, Zr 등의 첨가에 의해 α상 고용강화와 동시에 1~2%의 β상 안정화원소를 첨가한 것이다. 조직적으로는 α단상에 가까운 α+β티타늄 합금으로, 고강도의 α합금특성에 우수한 고온특성을 갖추고 있다. Ti-8Al-1Mo-1V , Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 등이 대표적인 합금으로 항공기용 실드엔진에 사

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용되고 있다. 1.2.3 α+β 티타늄합금

α상을 강화한 Ti-Al 계 합금에 β상 안정화원소를 첨가하고, β상에 대해서도 고용강화를 시킴과 동시에 열처리효과를 준 합금으로, 현재 공업용으로 이용되고 있는 티타늄합금의 대부분이 α+β형이다. 각 특성을 갖는 많은 합금이 개발되고 있으나 일반적으로 다음의 특징을 갖고 있다.

1) 열처리를 이용하고, 높은 강도를 얻을 수 있다. 2) 열적 안정성이 양호하고 내열성이 우수하다. 3) α상의 용적률이 많게 되어 소성가공성을 열화시킨다.

대표적인 α+β 합금은 Ti-6Al-4V 합금이며 열처리성, 가공성, 용접성의 면을 고려하

여 구조용 재료로서 항공, 우주산업용기기나 해양개발기기에 실용화 되고 있다. α+β 합금의 조직은 α상의 형상에 의해 침상 α조직과 등축 α조직으로 구별된다. 침상 α조직은 Creep 특성이나 인성에 우수하며, 등축 α조직은 인장특성이 우수하다. 침상 α조직은 β천이온도 (β↔α+β의 변태온도) 이상의 온도영역에서 단조하여 얻어

지며, β천이온도 이하의 α+β상 영역에서 열간 가공시 등축 α조직을 얻을 수 있다. 약 995℃의 β천이온도를 갖는 Ti-6Al-4V 는 주괴조직을 분쇄한 후 우선 천이온도를 초과하는 고온영역에서 단조하고 β천이온도 이하의 α+β 온도영역에서 열간 가공하

여 등축 α조직을 얻는다. 그 후에 어닐링 열처리한 상태로 사용되는 경우도 많으나 용체화 처리후에 시효하는 STA(Solution Treatment and Aging)재, 혹은 용체화 처리후에 과시효(Solution Treatment and Overaging)재 등 열처리에 의한 강도와 인성을 조정하는 방법으로 사용되고 있다. Ti-6Al-4V 의 열처리성과 강도를 개선한 합금으로 Ti-6Al-6V-2Sn, Ti-6Al-4V-6Mo 가 있다.

1.2.4 β 티타늄합금

공업용으로 사용되는 β합금은 평형상태로는 β단상이 아니며, 용체화후 급냉에 의해 β상이 실온까지 잔류하게 되어 준안정상에 있다. 준안정 β상은 비교적 저온으로 재가열에 의해 α상과 안정한 β상으로 분해하기 때문에 이러한 성질을 열처리에 이용

할 수 있다. β합금은 α+β 합금에 비해 다음의 특징이 있다.

1) 가공성이 우수하다. 2) 열처리에 의해 고강도를 얻을 수 있다. 3) 내식성이 우수하다.

그러나 α+β 합금에 비해 비중이 약 10% 크고 영률은 10% 정도 작다. 또한 체심입

방격자의 조직이므로 저온에서 연성 및 인성이 낮으며, 준안정β상이 분해시에 천이상

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으로 형성되는 ω상에 의한 취화, 등의 문제점도 있어 α+β 합금보다는 많이 사용되지 않는다. 그러나 고강도 및 가공성이 우수한 특징으로 항공기용 주조재로서 Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn 등이 사용된다.

2. 용접성 2.1 용접부의 조직

용접부의 Micro.조직은 용접금속의 조성에 의해 변화하며 그 조직에 의해 용접성의 일반적 경향은 다음과 같다.

표 1. 티타늄 종류별 용접성 구분 종 류 용 접 성

공업용 순티타늄 A

α 티타늄 Ti-0.2Pd Ti-5Al-2.5Sn

A B

준α 티타늄 Ti-8Al-1Mo-1V Ti-6Al-2Cb-1Ta-0.8Mo Ti-6Al-4Zr-2Mo-2Sn

A A B

α+β

Ti-6Al-4V Ti-6Al-4V ELI Ti-7Al-4Mo Ti-6Al-6V-2Sn Ti-8Mn

B A C C D

β 티타늄 Ti-13V-11Cr-3Al B

공업용 순티타늄 및 α합금의 용접부 조직은 냉각속도에 의해 톱니형 α상 또는 침상 α상으로 변화하며 어느 경우에도 모재에 비해 기계적 성질이 크게 변화함이 없고 용접성이 양호하다. 그러나 α+β 합금은 β상에서의 냉각과정에서 마르텐사이트상 (α′상)이 형성된다. α′상의 양과 성질은 합금조성과 냉각속도에 의해 변화하며 일반적으로 α′상의 증가에 따라서 연성, 인성이 저하하고 용접성도 나쁘게 된다. 대표적인 α+β합금인 Ti-6Al-4V 의 용접부 조직은 다음 그림과 같다.

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그림 2.1 용접부 조직 (x 400)

그림 2.2 열영향부 조직 (x 400)

그림 2.3 모재 조직 (x 400)

α+β 합금의 용접성은 어느 정도 양호하나 β안정화 원소가 합계 3%이상, 및 5%이

상의 바나듐을 단독 또는 복합하여 함유하는 경우 용접성이 나빠지게 된다. β상 안정화원소를 보다 많이 함유한 β합금은 마르텐사이트 형성온도가 실온이하가 되고 용접부는 준안정한 β상만으로 되어 용접성은 나쁘지 않다. 그러나 β합금은 합금

첨가량이 많고 연성이 부족하여 통상적으로 시효처리나 냉간 가공에 의한 강도를 향상

시킨 재료가 많고 용접에 의해 그 특성을 잃어버리기 때문에 용접은 거의 적용하지 않는다.

2.2 대기에 의한 오염

티타늄 및 티타늄 합금은 고온에서 산소, 질소, 수소 등 대기중의 원소와 용이하게 견고한 반응을 한다. 산소는 강도향상을 목적으로 0.1~0.2%의 미량이 사용되고 있으나

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보통은 그러한 침입형 원소에 의해 연성과 인성이 저하된다. 따라서 용접부는 무엇보다

도 용접에 의해 고온으로 가열되는 부분에 대기가 침입하는 것을 완벽히 방지하는 것이 매우 중요하다. 대기에 의한 오염의 현황은 용접부의 착색으로 확인이 가능하다. 티타늄산화물의 색상은 TiO2가 백색 또는 회색, Ti2O3가 짙은 청색, TiO가 황금색이며, 대기에 의한 오염부

도 이러한 관계로 변색된다. 가열온도 및 시간에 따라 은백색→황금색→자색→청색→회색, 흑백, 백, 황 의 순으로 변색되며 일반적으로 연청색까지는 건전한 용접부로 고려된다. 오염방지를 위해 용접부 및 주위의 고온 가열부는 불활성가스로 차폐함이 필요하다. 이 경우 차폐가스내의 불순가스나 대기의 와류에 의한 용접부 오염에도 주의하여야 한다. 차폐가스로는 Ar 이 많이 사용되며 Ar 내에 불순가스량에 따라 용접금속이 경화된

다. 즉, 공기상태로 불순가스량이 0%의 경우에는 Hv 170 이나 4.0%의 경우 약 Hv 260으로 경화도가 증가한다. 또한 경도의 상승에 따라 용접금속의 연성은 급격히 감소한다. 수소는 경도 및 인장강도에는 거의 영향이 없으나 연성에는 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

2.3 기공 발생

티타늄 용접시에는 기공이 발생하기 쉬우며, 한번 발생한 기공은 제거하기 위해 재용융하여도 잘 없어지지 않는다. 주된 발생원인은 불순가스의 혼입, 용가재, 혹은 개선

면의 오염 등이다. 따라서 기공방지를 위해서는 충분한 용접부 차폐, 용접재료와 용접

부 크리닝, 용접장치 특히 차폐가스의 배관내 오염 및 누수여부 등에 대한 확인이 필요

하다. 또한 대기중의 수분이 배관내에 응결되지 않도록 주의하여야 한다. 용접조건의 면에서는 용융풀내에 형성된 기공이 부상하여 이탈이 용이하도록 용융시

간을 길게 하고 비드 두께를 얇게 하는 것이 효과적이다. 이를 위해서 용접전류를 낮게 하고 용접속도를 천천히 하도록 하는 작업조건이 유리하다. 그러나 용접전류를 너무 낮추면 용융풀의 온도가 낮게 되어 역으로 기공발생이 용이하게 된다.

2.4 균열결함

양호하게 차폐한 티타늄 용접부는 미려하고 매끈한 용접비드를 얻을 수 있고 외관

의 결함은 적다. 또한 철강재료와 같은 수소에 의한 지연균열도 적고, 용접균열에 대해

서도 비교적 양호한 재료이다. 그러나 구속을 강하게 한 작고 얇은 판에 대해서는 용접

균열에 대해 유의해야 한다. 2.5 이종재료의 용접

기기나 구조물 중에는 전체를 티타늄 또는 티타늄합금으로 제작하는 경우는 적고, 탄소강이나 스테인레스강 등과 조합하여 사용하는 경우가 많다. 이 때문에 티타늄과 이종재료와의 용접이 필요하게 된다. 티타늄은 Zr, Nb, Ta, 및 Hf 와의 전율 고용형태로 용접하는 것이 가능하나 그 외의 금속 즉, Fe, Ni, Cu, Al 등과는 화합물이나 취약한 고

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용체를 형성하여 용융용접은 거의 불가하다. 그러나 용융층을 가지지 않거나 혹은 극히 작게 되는 확산접합이나 폭발압접 등에 의한 이종재질과의 접합은 가능하며, 더구나 이러한 접합재를 중간재(Transition Piece)로 사용하여 이종재질간 용접도 가능하다.

3. 용접시공 3.1 용접시공 일반 3.1.1 용접재료

용융용접에 사용되는 용접재료는 모재와 동등 재질로 보다 순도가 높은 재료를 사용하는 것이 원칙이다. 또한 이종의 티타늄합금을 용접하는 경우에는 합금원소량이 적은 측의 합금과 동일한 조성의 용접재료가 사용되며 연성을 중요시하는 경우에는 순티타늄용의 용접재료를 사용하는 것도 가능하다. 극저온용으로 ELI 급의 재료를 사용하

는 경우에는 용접재료도 불순물이 적은 재료를 사용하여야 한다. 순티타늄 용접재료는 ERTi-1 ~ 4 가 있으며 합금으로는 ERTi-5Al-2.5Sn, ERTi-6Al-4V 등이 있다. 한편, 용접재료의 표면상태가 용접부의 오염이나 기공발생의 원인이 되는 경우가 많다. 예를 들어 와이어 인발시에 표면에 미세한 흠이 있을 시에 가스나 이물질이 흡착되어 결함발생의 원인이 될 수 있다.

3.1.2 용접부 차폐

TIG, MIG, 프라즈마 용접 등 대기중의 용접시 용융부와 고온가열부는 Ar 가스로 차폐하고 약 500℃ 이하로 충분히 차폐하지 않으면 안된다. 그림 3.1 및 3.2 는 일반적으로 사용되는 트레일링 차폐기구의 구조를 나타낸 그림이다. 효과적으로 차폐하기 위해서는 차폐면 전면을 균일하게 적정량의 가스가 흐르도록 하는 것이 중요하며, 단순히 가스압력을 높여 유속과 유량을 증가 시키는 것은 대기와의 와류나 아크의 흐트러짐이 생겨 양호한 차폐효과를 기대할 수 없다. 차폐기구의 주위를 내열성의 테이프 등으로 감싸고 내부는 그라스울 또는 동선으로 채워 차폐가스의 흐름을 균일하게 하는 것이 효과적인 방법이 될 수 있다.

실딩가스

실딩가스

그라스울

또는 동선

실딩커버

부착기구

토치

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그림 3.1 Ti 자동용접용 TIG 토치치구

195mm

부착기구 1mm 홀 8mm 동관

40mm

실딩가스 토치

그림 3.2 Ti 수동용접용 TIG 토치치구

또한 용접뒷면부의 차폐(Back Shielding)도 유의할 필요가 있다. 트레일링 차폐기구를 적용하기가 곤란한 형상의 재료에 대해서는 Ar 분위기의 챔버내 용접이 필요하며, 챔버내에는 10-2 Pa정도 배기후에 Ar가스를 주입한다. 챔버내 용접시에는 본 용접전 시편

으로 용접하여 차폐상태를 확인한 뒤 용접하는 것이 필요하다. 3.1.3 용접작업 환경

건전한 용접부를 얻기 위해서는 용접작업 환경과 관리도 중요하다. 먼지나 습도는 용접부나 용접재료를 오염하고 기공발생의 원인이 된다. 철강재료를 다루는 공장, 건물

내에서 용접을 실시할 경우에는 작업장소를 엄격히 구분하여 철분이 비산되어 접촉되

지 않도록 해야 하며, 공구나 치구 등도 티타늄 제작만에 전용하여 철강재료용과 혼용

하지 않도록 해야 한다. 통풍에 대해서도 2m/s 이상의 풍속에 대해서는 적당한 차단막 설치가 요구되며 공장

내 팬이나 주행 운반차량에 의해 야기되는 일시적인 바람에 대해서도 관리가 되어야 한다.

3.2 용접전 준비 3.2.1 개선가공

맞대기형, 필렛형 용접부가 대표적인 개선형상이며, 개선은 가능한 패스수를 적게 하도록 협소하게 하여야 하나 과다하게 협소한 경우에는 차폐불량으로 기공발생이 용이하게 된다.

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개선가공은 가스 절단, 플라즈마 절단 등의 열간 가공도 가능하나 기계절삭에 의한 것이 원칙이다. 열가공의 경우 절단면이 거칠고 산화층이 생김에 따라 절단면에서 수mm 범위를 제거하여야 한다.

3.2.2 크리닝

용접부의 크리닝은 오염에 의한 용접부의 물성열화 및 기공발생을 방지하기 위해 실시한다. 일반적으로 티타늄 전용으로 스테인레스 재질의 와이어 브러쉬로 브러싱하며, 여기에 아세톤 또는 알코올로 탈지하든지, 2~4%의 불산이나 30~40%의 초산 수용액에 의한 화학적 세정이 사용된다. 크리닝후에 곧 용접을 시행하는 것이 원칙이다. 그러나 시공상의 이유로 일정기간 보관 또는 운반 등이 필요한 경우 개선면의 청정도 유지를 위해 기화 방청제를 사용할 수 있으며, 용접시공 직전에는 확인후 재크리닝을 한다.

3.2.3 가접방법

본 용접전에 수행되는 가접 용접부는 본 용접의 품질에 손상을 가져오는 원인이 되므로 본 용접과 동일하게 충분한 차폐가 필요하다. 가접 용접의 피치나 용접길이는 피용접물의 형상, 판두께에 따라 적절하게 선정되며 일반적으로는 40~80mm 의 피치로 5~10mm 의 용접길이로 시공한다.

3.3 용접방법 3.3.1 TIG 용접

용접품질 및 적용성의 관점에서 티타늄의 용접에는 TIG 용접이 가장 적합하다. 용접은 직류정극성을 사용하며 전극성분에 의한 용접부의 오염을 방지하기 위해 교류는 사용하지 않는다. 용접전류는 적정 범위내에서 가능한 저전류, 용접속도로 저속으로 시공한다. 즉 용융풀을 적게 하여 천천히 이행하여 용접한다. 또한 아크 스타트는 고주파 스타트로 하고, 터치 스타트는 사용하지 않는다. 터치 스타트로 할 경우에는 제품외에 시편에 아크 스타트하여 전극에 의한 오염을 방지할 필요가 있다. 용접재료는 용접진행 방향의 앞에서 아크내에 삽입하며, 이 때 용접재료의 선단은 이전의 차폐가스의 범위내에 있도록 조작한다. 용접부의 차폐가 불완전하여 일시적으로 대기오염이 되었을 시에는 오염에 의한 비드의 색이 청색까지의 경우 스테인레스 재질

의 와이어 브러쉬로 변색부위를 없앤다. 회색에 가깝게 오염되었을 경우에는 Cutter 로 변색부분을 제거하고 재크리닝후 용접을 실시한다.

3.3.2 MIG 용접

MIG 용접은 TIG 용접에 비해 고능률이므로 후판 용접에 적용시 효과적이다. 용접

은 직류역극성을 사용하며 스프레이 이행모드의 전류범위에서 사용된다. 용접토치의 위빙은 차폐가스의 흐트러짐에 의한 대기로부터의 오염발생과 열영향부의 확대 등으로

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사용되지 않고 직선비드에 의한 용접을 적용한다. MIG 용접시 유의사항은 TIG 용접과 기본적으로 동일하나 기공발생이 용이하므로 와이어의 청정과 용접작업 환경관리 등에 주의하여 작업해야 한다.

3.3.3 프라즈마 용접

프라즈마 용접은 정전류 전원에 의한 직류정극성의 이행형(Transfer Type) 프라즈

마가 사용된다. 프라즈마 동작가스와 차폐가스에는 Ar을 사용하며 H2를 혼입해서는 안된다. 용접은 고온의 프라즈마를 용접부 표면에서 이면까지 관통하여 1 패스로 용접하는 키홀법으로 10mm 정도까지는 1 패스로 용접이 가능하다.

3.3.4 전자빔 용접

진공중에 용접하므로 대기의 오염을 완전히 방지할 수 있어 티타늄용접에 가장 적합한 용접법이다. 또한 프라즈마 용접에 비교하여 극후판까지 1 패스 용접이 가능하

여 고능률 용접이라 할 수 있다. 전자빔 용접의 작업변수로는 가속전압, 빔전류, 용접속도, 대물거리, 초점거리, 용접자

세 등이 있다. 전자빔의 집속성에는 가속전압, 빔전류, 초점거리가 영향을 미치며 동일

출력에서 가속전압이 높고 빔전류가 적은 만큼 빔직경이 작고 집속될 수 있다. 한편 초점거리에 대해서는 전자총의 집속코일에서 짧은 거리로 빔을 집속하는 만큼 빔직경이 작게 집속되고 빔의 집속각도는 크게 된다. 박판의 용접에서는 빔직경 및 빔집속각도가 그다지 문제되지 않으나 후판용접에는 용접부 표면의 용입에 영향을 주기 때문에 적절한 빔형상의 선정이 주요하다. 예를 들어 두께 30~90mm 의 Ti-6Al-4V 재질에 대한 적절한 용접조건은 다음과 같다.

표 2. Ti-6Al-4V 재질의 전자빔 용접조건 빔전류 (mA)

가속전압 (KV)

용접속도 (cm/min)

용접 자세

대물거리 (mm)

초점거리 (mm)

진공압력 (Torr)

500 90 450 횡향 320 410 5x10-4

초점위치에 따라 두께 중앙부에 용입폭이 넓은 비드형상이 생기며 그러한 부분은 응고균열의 위험성이 높기 때문에 가능한 피해야 한다. 극히 좁은 폭의 용입은 용접선이 편향되어 어긋날 경우 용융되지 않을 우려가 있다. 후판의 용접에는 초점위치를 판두께 이면에서 약간 후방에 두고, 용접속도는 전자빔

이 판두께를 관통할 한계의 속도보다 약간 늦은 속도로 하면 좋은 결과를 얻을 수 있다.

3.3.5 저항용접

티타늄은 스테인레스강과 비슷한 전기전도도와 열전도도를 가지며, 비교적 저항용

접이 용이하다. 그러나 Spot 용접, Seam 용접 등의 저항용접은 밀착된 판간에 단시간에

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용접됨에 따라 타 용융용접에 필요한 차폐가스 없이 대기중에 작업이 가능하다. 다음 표 3 은 티타늄합금의 Spot 용접조건의 예를 명시한 것이다. Seam 용접은 Spot 용접과 동일하게 어려움없이 적용이 가능하며 가압력과 전류를 Spot 용접보다 약간 높게 할 필요가 있다.

표 3. 저항용접 변수조건

합금 두께 용접전류

(AC) 전극표면

반경 전극 가압력

용접시간 인장전단

하중 너겟직경

Ti-6Al-4V 2.4mm 12.5 kA 76mm 10672 N 16 cycle 37338 10.9mm

3.3.6 마찰용접

마찰용접에는 Inertia 방식과 Continuous Drive 방식이 있으며, 어느 방식도 티타늄 용접에 적용 가능하다. 접합부 계면은 약간 있으나 용융층이 존재하지 않으므로 이종재

료와의 용접은 용융용접이 가능한 재료를 대상으로 용접부의 요구사양에 따라 탄소강, 저합금강 등의 용접도 가능하다.

3.4 용접 후열처리

티타늄의 용접에는 일반적으로 용접 후열처리를 시행하지 않는다. 그러나 응력제거

가 필요한 경우에는 다음의 표 4 에 의한 조건으로 후열처리를 행할 수 있다.

표 4. 티타늄의 응력제거 열처리 조건 종 류 온 도 (℃) 시 간 (hr)

순티타늄, Ti-0.2Pd 416 ~ 440 471 ~ 496 524 ~ 538

7 ~ 8 2 ~ 4 0.5 ~ 1

Ti-5Al-2.5Sn 532 ~ 649 0.25 ~ 6 Ti-8Al-1Mo-1V 788 0.5 ~ 2

Ti-6Al-2Cb-1Ta-0.8Mo 538 ~ 649 0.25 ~ 1 Ti-6Al-4V (ELI 포함) 538 ~ 593 2 ~ 4 Ti-13V-11Cr-3Al 760 ~ 788 0.25

3.5 용접부 검사

용접부의 검사방법으로는 치수검사, 외관검사, PT, RT, UT 가 적용되며, 그 외에도 용접부의 경도측정이나 굽힘시험이 사용되고 있다. 티타늄은 용접부의 착색상황에 의해 외관검사로써 용접품질을 검사하는 것이 가능하

다.티타늄은 본래 은백색의 광택이 잇는 금속으로 대기중에 가열시 가열온도 및 시간에 따라 은백색→황금색→자색→청색→회색 및 흑백의 순으로 산화가 심화되며, 연청색까

지는 용접부의 제거없이 표면의 변색부분을 브러싱하여 사용할 수 있다.

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4. 참고문헌

1. “AWS Welding Handbook-Metals and Their Weldability” 6th Edition, American Welding Society, 1972, pp73.1-73.65

2. 대한용접학회: “용접.접합편람”, 1998, pp278-287 3. 日本熔接學會: “熔接綜合便覽”, 平成2, pp1041-1063

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