용접기술: 티탄 및 티탄합금의 용접기술
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티탄 및 티탄합금의 용접
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  • 구조물의 재료원료에 대한 제품의 비율을 향상시킴과 동시에, 가공공수를 줄임에 따른 코스트저하에는, 용접구조의 채용이 극히 유효하고, 또 복잡한 형상의 부품 조립제조, 가공중이나 사용중에 출현하는 약간의 결함이나 손상의 완전보수에도, 용접은 중요한 역할을 가지고 있다. 이들은 용접의 시공기술과 용접부의 이음성능에 의해 평가된다.

    티탄의 용접과 종래부터 널리 보급되고 있는 일반금속재료에 있어서의 용접과의 상위점은, 티탄 및 티탄 합금은 고온에서는 극히 활성이기 때문에, 공기중의 산소, 질소 및 습분을 비롯해 재료에 부착해있는 기름류 등이 용접온도에 있어서 반응하여 불순분으로서 흡수되어, 재질의 오염열화를 일으키는 것외에, 블로우홀드의 용접결함발생의 원인이 되는 것이다. 이 때문에 오염물질을 차단, 또는 완전제거의 환경에서 용접작업을 행하는 것이 요점이다.

    CP티탄의 용접성은 양호하지만, 티탄합금에 있어서는 급속응고조직의 재료특성이나, 열처리형합금에서의 열영향부 등 용접야금특성을 파악하여, 용접성이 우수한 티탄합금을 선택하는 것이 필요하다. α형 티탄합금은 본질적으로 순티탄과 같은 경향을 나타내고 일반적으로는 용접성이 양호하다. α+β티탄합금은, 그 금속조직에 있어서 α립과 β립과의 형상이나 분포상태에 의해 재료특성이 개량이 도모되고 있고, 이들의 조절은 주로 가공열처리에 의한다.

    일반적으로는 배합원소로서 다량의 β안정형원소를 포함하는 티탄합금은, 용접성이 저하하느 것이라고 생각하고 있다. 그러나 α+β형 티탄합금 중에서 가장 많이 양산되고 사용되고 있는 Ti-6Al-4V합금은, 용접성이 양호하다. 또 β형강력티탄합금은 β안정형원소를 다량으로 배합하여, 더욱 가공경화나 열처리강화가 도모된 경우는, 용접가공을 실시하지 KSG고 사용되는데, 티탄합금 제품의 코스트저하의 관점에서 양호한 용접성을 가진 β형티탄합금으로 필요성은 크고, 또 연구개발도 진행되고 있다.

    [1]용접방법
    티탄의 용접에는, 용융티탄(합금)의 불순분에 의한 오염열화를 방지하기 위한, 아르곤 등의 불활성가스분위기 또는 고진공이 필요하며, TIG, MIG, 전자빔용접, 프라즈마용접, 레이저용접 및 마찰압접 등의 적용이 가능한데, 현재는 TIG용접이 주로 사용되고 있다.

    (1)TIG용접법
    티탄 및 티탄합금의 용접 이음매성능의 향상에는, 용접금속 및 열영향부의 금속조직을 관리하는 일이 필요하다. TIG용접에서는 직류전원에 저펄스 및 고펄스를 집어넣음과 동시에, 전압의 자동제어기능을 가진 전자동용접기와 실드장치를 사용함에 따라 정교하고 치밀한 입열제어를 행하여, 박물의 비이드형상 및 금속조직, 재료특성의 조절이 시행되고 있다.

    일반 TIG용접은 보급도가 크므로, 숙련기술자를 얻기쉽고, 장치가격도 그렇게 고가가 아닌 것에 더해, 피용접물에 맞추어 수동, 반자동 및 전자동용접작용을 선택할 수 있는 이점이 있어, 현재 티탄제 구조물의 생산규모를 근거로해서 가장 많이 사용되고 있다.

    (2)전자빔 용접법
    전자빔 그 자체가 고진공을 필요로 하는것이므로, 용접분위기는 10-4~10-5㎜Hg가 되기 때문에, 공기중의 산소나 질소에 의한 오염열화를 받지않고, 고온에서 활성되는 티탄의 용접환경으로서는 가장 적합한 것이라고 할 수 있다. 그러나, 고진공중의 작업이므로 생산성을 양호하다고 생각할 수 없고, 또 장치도 고가이므로 부가가치가 높은 용접구조물에 적용되고 있다.

    또 용접야금에 있어서, 전자빔용접의 빔폭의 좁고, 깊은 융합과 열영향부가 작다고 하는 특징은 용접금속이 급냉이 되므로, 금속조직은 침상마르텐사이트가 생성되기 쉽고, 강력 티탄합금에 있어서는 파괴인성특성에 미치는 마르텐사이트(α′)의 영향 및 후열처리의 효과를 고려하는 것이 필요하다. 이로인해, 티탄합금의 전자빔용접은 다른 재질에 있어서, 폭이 좁고 깊은 융합이라고 하는 비이드형상에 구애되지 않고, 오히려 그 재질에 있어서 금속조직의 조절에 중점을 두고 가속전압, 빔전류 빔지름, 및 용접속도의 조절이 행해지고 있다.

    [2]티탄의 용접시공기술
    티탄의 용접에 즈음해서는, 판재등의 가공때에 사용되는 압연윤활유나, 절삭유 등의 부착을 완전히 제거하는 크리닝, 및 용접에 의해 고온으로 폭로되는 부분을 아르곤가스로 국부적으로 덮어, 공기를 완전히 파단하는 실드가 절대조건이다.

    (1)크리닝
    용접을 위한 기계가공이나, 관소재의 슬릿팅가공에 즈음해서는, 절삭유 등을 가능한한 사용하지 않고, 또 사용해도 제거작업이 용이한 것을 사용하는 것이 필요하다. 절삭면부근의 부착물은 아세톤 등의 유기용제를 사용해서 세정하는데 더욱 폭넓게, 용접작용에 의해 가열을 받는 부분도 청정하게 하는 것이 필요하다. 산화물이나 표면에 얇게 생성되어있는 산화층이 있으면, 스텐레스제 와이어블러시를 사용해서 제거하는 것이 타당하며, 글라인더에 의한 연삭은 숫돌분말이 완성면에 파고들어 남아, 이 분말은 일반 산화물이므로, 산소오염이나 블로우홀발생 등의 결함의 원인이 되기 때문에 주의가 필요하다. 부득이하게 글라인더 가공한 경우에는, 더욱 야스리를대고(줄질), 스쿠레이퍼 등으로 절삭마무리를 실시한다.

    (2)아르곤. 실드
    피용접제가 소형이고 수가 적고, 고품질이 요구되는 항공기부품등의 경우에는, 물품전체를 글로브달린 박스 등의 용접전용의 밀폐용기에 넣어, 진공펌프에 의해 일단 배기한 후 Ar가스로 치환하는 방법도 행해지고 있다. 그러나 장척인 용접관의 연속용접이나 대형부품의 용접인 경우에는, 필요한 부분만을 국부적으로 Ar가스로 실드한다. 이 경우 용접에 의해 고열로 폭로되는 부분은, 산화의 염려가 없어지는 저온으로 냉각되기까지, 거의 완전히 공기를 차단하여 Ar실드를 계속하는 것이 필요하고, 이를 위해, 용접용전극의 실드치구는, 뒤에 긴 아프터실드가 부속되어있다. 실드의 좋고나쁨은 최종적으로 이음매성능으로 평가해야 하지만, 간편법으로서 용접면이나 열영향부의 변색에 의해 어느정도까지 직감적으로 판정하는것도 가능하며, 더욱이 굽음시험을 병용하는 것에 따른 실용적인 판점이 이루어지는 것도 있다.

    티탄의 산화물색조는 TiO₂가 흰색 내지 회색, Ti₂O₃가 짙은청색, TiO가 황금색으로 표면에 생성되는 얇은 산화오염층도 상술한 관계를 따라 변색하므로, 용접열영향부가 밝고 엷은 다갈색으로 변색되어 있을 경우는, 용접부의 표면부분의 연성에 약간의 저하가 있지만, 이음매성능에는 거의 영향이 없어, 허용한도로 되는 경우가 많다. 광택이 없는 흑회색 내지 흰색을 나타내는 경우는 용접부는 취약해진다.

    티탄을 대기중에서 약1000℃까지 가열한 경우의 변색은 그림 9에 나타난 바와 같다.

    [3]TIG의 용접작업
    텅스텐 전극은, 토륨 들어간(Tho₂2%)텅스텐이 추장되고 있는데, 이것은 에밋션효과가 뛰어나 아크가 안정되기 때문이다. 또 전원에 펄스파를 중첩시킴에 따라 아크가 안정되어, 저입열용접이 가능해진다.

    아크의 스타트는 터치스타트는 불가하며, 비접촉으로 고주파 발생장치에 의해 스타트한다. 이것은 융점이 낮은 공정(W와 Ti)생성물에 의한 오염을 방지하기 위해 필요하다.

    블로우홀의 발생을 방지하기 위해서는, 모재 및 용접 와이어의 청정, 이물혼입방지, 용접속도가 너무 빠르거나 용접전류가 너무 높지 않도록 적정한 조건을 주는 것이 필요하며, 표 2에 티탄의 자동 TIG용접조건의 1예를 나타낸다.

    박육용접티탄관은, 티탄조를 연속적으로 관상에 다단롤에 의해 성형하고, 자동용접(TIG)에 의해 제조되어, 복수기관을 비롯한 많은 열교환기용관으로서 사용되고 있다.



    [4]티탄의 납땜

    납땜은 용접할 수 없는 이종금속이나 재질이 달라지는 경우, 또한 구조가 미묘하고 복잡한 경우에도 적용할 수 있는 이점이 있다. 진공 또는 아르곤가스분위기 납접 및 torch납용접이 행해진다. 납재는 리튬입 은납이 추장되고 있는데, Ag-Al계, Ag-Zn-Cd계, Ni계, Ti계, Pb계 등이 있고, 플랙스는 Agcl, Cucl₂,Kcl, Nacl, NH₄cl, Zncl₂, LiF, HKF₂ 등의 염화물 및 불화물이 사용되고 있는데, 작업후 완전히 플랙스를 제거하는 것이 중요하다 납땜온도는 납재에 의해 달라져, 가령 Ag-3Li : 800℃ Ag-7.5Cu-0.2Li :920℃, Ag-28Cu-0.2Li:830℃ Ag-20Cu-2Ni-0.2 Li :920℃ 등이다.

    전단강도는 포갠재료를 3~4mm로 한 경우, 은납에서 16~20kgf/㎟, 2%Ni입의 은납에서는 20~30kgf/㎟가 얻어진다.
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