티타늄

티타늄의 용접

 

 

1   티타늄의 종류와 특징

 

티타늄이 양호한 내식성을 갖는 것은 스텐레스강이나 알루미늄과 같이 부동태 피막을 형성시키기 때문이다.  티타늄의 부동태 피막은 Stainless steel에 비해 보다 쉽게 형성된다.  특히 산화성 분위기에서는 피막이 파손되어도 즉시 재생되는 능력을 갖고 있으며 이러한 피막은 티타늄 표면의 국부 전지 형성을 막아주어 극히 우수한 내식성을 부여해 준다.  티타늄은 산성이나 염소, 염화물을 함유한 용액등에는 잘 견디지만 비산화성이나 이온상태의 수소와 접촉하게 될 경우에는 내식성이 현저하게 떨어진다.  그리고 순수 티타늄은 스텐레스강과는 달리 응력 부식, 점 부식 (pitting), 입제 부식등이 거의 나타나지 않는다.  그러나 티타늄은 Carbon steel과 같이 온도에 따라 결정구조가 변화하는 성질 즉, 변태가 있는데 순수 티타늄의 경우 882℃에서 HCP(α상)으로 부터 BCC(β상)으로 변화한다.

순수 티타늄의 경우에는 불순물 원소량에 따라 ASTM에서는 Table 5와 같이 4종류로 구분하고 있는데, 산소, 질소, 수소, Fe 등의 불순물 원소량이 증가함에 따라 강도는 증가하고 신율은 저하하는데, 실제 공업적인 제조관리는 주로 산소와 Fe량의 조절에 의해서만 행해지고 있다.  순수 티타늄은 어떤 것이라도 용접구조용으로 사용되고 있지만 가장 일반적인 것은 Gr.2이다.  반면에 Gr.1은 연전성이 풍부해서 엄한 가공이 요구되는 부재 혹은 Explosion clad steel로서 화학 Plant 등에 이용되고 있으며 Gr.3는 강도가 높고 용접이 쉬운 이점을 갖는 Condensor관 판용 재료로 이용되고 있다.

티타늄 합금은 실온에서의 조직에 따라 α형, α+β형, β형의 3종류로 크게 나누는데 첨가되는 합금 원소에 따라 좌우된다.

 

1) α형 합금은 가장 대표적인 α안정화 원소인 A1과 소량의 합금원소 (Pd, Ta 등)을 함유하는 합금으로 상온에서 α조직을 갖는다.  대표적인 합금으로는 Ti-5A1-2.5Sn이 있는데 고온 강도가 요구되는 항공기용 부품등에 이용되고 있다.  그외에 Ti-0.5Pd와 Ti-5Ta합금이 있는데 비산화성산에 대한 내식성이 좋으므로 염산 및 황산등을 사용하는 용기에 주로 이용되고 있다.  그리고 최근에는 고온의 불산을 사용하는 분위기에 대해서 Ti-5Ta합금이 주목을 끌고 있다.

 

2) β형 합금은 V, Mo등의 β안정화 원소가 다량으로 첨가되는 합금으로 용체화처리와 시효에 의해 130Kgf/mm²을 넘는 고강도를 얻을 수 있는 특징이 있다.  용접은 가능하지만 용접시에는 모재와 동등한 강도를 얻을 수는 없다.

 

3) α+β형 합금은 상온에서 α상과 β상이 혼존하는 조직을 갖는 합금으로 열처리에 의한 α상과 β상의 비율을 변화시킬 수 있어 강도 Level도 그에 따 Control 할 수 있다.  그중에서도 Ti-6A1-4V가 가장 널리 사용되고 있는데 90Kgf/mm² 이상의 강도를 갖고 있으며 용접성 및 성형 가공성도 양호하다.  따라서 항공기 부품용 재료와 탐해정등에 이용되고 있다.

 

2   용접

 

2.1    용접 방법

 

티타늄을 용접하는 Process에는 GTAW, GMAW, PAW, EBW 등 여러가지가 사용된다.

GTAW는 저전류 영역에서 arc가 안정되고 Welding carriage, Wire 송급, Gas 공급제어 등을 일체화시킨 전 자동용접 장치와 Tube와 Tubesheet 자동 용접등이 개발되어 화학 Plant등의 제작에 많이 적용되고 있다.  그리고 GMAW는 GTAW에 비해 용착속도가 빠르고, 용입이 깊은 이점이 있지만 Spatter 발생이 많아서 일반 구조물에 적용되는 예는 그리 많지 않다.

PAW는 GTAW보다 용입이 깊고, 특히 두께 10mm 정도까지는 1 pass 용접이 가능하고 고능률적이다.  그래서 화학 Plant 용접에 비해 용입이 깊고 용입폭이 대단히 좁아서 제품의 크기에 제한이 있지만 고품질로 변형을 줄일 수가 있는 장점이 있기 때문에 항공기 및 잠수성 등의 두께 70mm를 넘는 Ti-6A1-4V 합금이 적용되는 곳에 주로 이용된다.  그외 특수한 용접법으로서 고상 접합, 확산 접합, 마찰 접합, Brazing 등이 있다.  이상과 같이 티타늄 용접 Process에는 그 종류가 다양하지만 경제성 그리고 작업성 등을 고려하여 가장 많이 사용되는 것이 GTAW process 이다.

따라서 앞으로 다루게 될 티타늄 용접시의 문제점 및 대책 등에 대해서는 GTAW process를 중심으로 살펴보도록 하겠다.

 

2.2    대기 가스에 의한 오염

 

티타늄은 대기중에서 고온으로 가열하게 되면 표면이 대기로 부터 오염되어 표면이 여러가지 색으로 변화하게 된다.  Fig.3은 대기중 및 Argon 가스의 순도에 따라 가열시험을 통하여 변색정도를 시간에 따라 측정한 것인데 300℃ 정도까지는 대기의 영향을 거의 받지 않기 때문에 상온에서와 똑같이 은백색으로 나타났으나, 그 이상의 온도로 가열하게 되면 가열온도의 상승과 동시에 금색, 주홍색, 청색 등의 순서로 변함을 알 수 있다.  그리고 그 이상의 고온으로 가열되면 회색 또는 황백색 등으로 되는데 이 경우 금속 광택이 없어지게 된다.  순수 티타늄의 경우 850℃ 이하까지는 대기에 의한 산화속도가 그다지 크지 않으나 850 내지 900℃의 범위에서는 산화속도가 급격히 증가되고 그 이상의 온도가 되면 국부적으로 산화되어 입상의 산화피막이 형성되어 티타늄의 내식성이나 기계적 성질에 크게 영향을 주게 된다.  그 이유는 티타늄이 대기중의 산소, 질소, 수소 등의 대기 가스와 반응하기가 매우 쉽고 고온에서는 여러종류의 산화물과 기름 및 수분, 금속(Fe등) 등의 물질과 반응해서 취약한 화합물을 만들어서 용접부가 취화하는 동시에 내식성을 저하시키기 때문이다.

그러나 갈색이나 청색이 나타나는 범위까지는 티타늄의 내식성이나 기계적 성질에 크게 영향을 주지 않기 대문에 용접시 SUS wire brush를 사용하거나 pickling 처리를 통해 산화피막을 완전히 벗긴 다음 다시 용접을 해도 무방하다.

Fig.5 및 Fig.6은 용접부의 경도를 산소, 질소, 수소와 Fe양에 따른 변화를 나타낸 것인데 불순물의 양에 따라 현저하게 경도를 증가시키고 있음을 알 수 있다.  그러나 수소의 경우에는 경도치 변화는 별로 크지 않으나 충격치에서 아주 큰 영향을 미침을 알 수 있다.  그 이유는 티타늄내 대기가스(산소 및 질소)의 용해도는 14.5 내지 9% 정도이나 고용 강화 때문에 0.5% 정도만 있어도 연성이 95% 정도 감소되기 때문이며 수소는 250℃ 이상에서 티타늄내에서 8% 정도의 용해도를 갖지만 상온에서는 용해도가 아주 낮기 때문에 Hydride phase가 Grain과 Grain boundary 주위에 석출되어 notch Sensitivity를 증가시키기 때문이다.

용접부를 대기로부터 보호하기 위한 방법으로는 진공이나 불활성 분위기하의 용기속에서 용접하는 등 여러가지 Process가 있지만 가장 보편적으로 사용되고 있는 방법으로는 대기중에서 행하는 TIG 용접법이다.  TIG process를 이용할 경우에는 대기에 의한 오염을 방지하기 위하여 용착부 뿐만 아니라 열 영향부도 상온까지 냉각될 때까지 대기로 부터 차단시켜 주기 위해 jig를 용접부에 부착시켜서 용접부위를 Shielding 시켜 주어야 한다.  일반적으로 shielding은 Torch에 의한 Shielding은 용융후 냉각되는 용접부와 열영향부를 보호하기 위한 것인데 fig.4에 그 구체적인 개략도를 표시하였다.  Trail shielding jig의 크기는 용접속도가 빠를수록 Heat input 양이 증가할수록 고온 영역이 넓어지므로 크게 만드는 것이 좋으며 jig의 내부에 철사망을 넣거나 기타 보조 장치를 해서 Gas를 고르게 분산시키도록 하는 것이 바람직하다.  뿐만 아니라 용접부의 접합 형상에 따라 적절하게 jig의 모양을 변화시켜서 사용할 수도 있다.  그리고 Shielding Gas의 양이나 순도는 용접부의 변색 상태에 따라서 정확하게 조절해서 건전한 용접부위를 얻을 수 있도록 하여야 한다.  보통 Shielding gas로는 Argon gas가 사용된다.  그리고 용접부의 용접성 평가는 육안 관찰을 통하여 Table 6과 같은 규정에 따라 일반적으로 실시하지만, 용착금속의 오염 여부를 판정하는 방법으로는 경도치를 측정하는 방법이 일반적으로 유리하다.

왜냐하면 변색정도 평가는 고체 상태에서 형성되는 표면 산화 피막의 경우에만 가능한 것으로 실제로 용착금속의 오염 여부를 측정할 수 있는 척도로서 이용하기는 곤란한데 그 이유는 용착금속의 오염은 용융금속의 이동 상태에 따라서도 영향을 받기 때문이다.

 

2.3    기공발생

 

용접시 발생하는 기공은 일반적으로 냉각시 용융금속내의 Gas 성분의 용해도가 감소하기 때문에 생긴다.  그러나 티타늄의 경우 Gas 성분과의 반응성이 매우 좋고, 특히 가스에 대한 용해도가 매우 크기 때문에 용융지에 대한 기공 발생에 관해 설명하기란 매우 어렵다.

 

1) 용접변수의 영향

 

Fig.7은 용접 변수들의 영향을 조사하기 위하여 용가재 없이 두께 3mm의 판재를 맞대기 용접을 한 것이다.  이 그림에서 알 수 있듯이 Torch로 부터 나오는 Shielding gas량이 증가함에 따라 기공발생율은 증가하고, 용접속도와 아-크 길이 그리고 Back-up shielding gas량이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.  그 이유는 Torch로 부터 나오는 보호가스의 경우 가스가 많이 흐르면 흐를수록 용접부의 냉각속도를 증가 시키기 때문에 용착부가 액상으로 머무는 시간이 감소하게 되어 내부에서 발생된 가스가 밖으로 빠져 나오는 시간이 충분치 못한 때문인 것으로 사료된다.  그러나 용접속도와 Back-up Shielding gas 량이 증가함에 따라 감소하는 것은 앞서 설명한 토-치로 부터 흐르는 가스의 영향과는 정반대의 경향을 나타내고 있다.  왜냐하면, 용접속도나 Back-up shielding gas량이 증가할수록 냉각속도는 증가하기 때문에 기공 발생율은 증가해야 될 것 같으나 오히려 감소했기 때문이다.  그 원인에 대해서는 좀 더 연구가 필요하지만 적정용접 조건 설정을 위해서는 참고자료가 될 수 있을 것으로 생각된다.

 

 

2) 절단 및 가공방법의 영향

 

티타늄 용접시 발생하는 기공에 대한 용접변수의 영향은 아주 크다.  그러나 그에 못지 않게 용접전 처리의 영향도 무시할 수는 없다.  Fig.8은 각종 가공방법에 따른 용접부의 기공 발생율을 나타낸 것인데 가공 Process와 Pickling의 영향을 도식적으로 설명해 준다.  가공 Process의 영향을 살펴보면 Grinding 할 경우에 가장 큰 기공 발생율을 나타내었고, 다음으로 Shearing, Machining 순으로 나타남을 알 수 있다.  Grinding 할 경우 이렇게 기공 발생율이 큰 것은 Ca-carbide 입자가 용접부위에 남아서 기공 발생을 일으키는 핵생성 Site로 작용하기 때문이다.  그리고 shearing 한 경우가 Machining한 경우보다 기공 발생율이 높은 것은 가공면이 거칠기 때문에 그만큼 기공 발생 Site를 증가시키기 때문인 것으로 생각된다.

따라서 용착부의 기공 발생을 줄이기 위해서는 표면이 매끈한 Machining으로 용접 부위를 가공하는 것이 바람직함을 알 수 있다.  그리고 용접부위의 기름 및 산화물들을 제거하기 위한 Pickling 처리는 Fig.8에 나타낸 바와 같이 기공 발생율 저하에 상당한 효과가 있음을 알 수 있다.  그리고 기공발생율은 Pickling solution에 따라서도 좌우 되는데 5%Hf-30%HNO3 용액이 가장 효과가 있고 Pickling 시간도 2분 내외가 가장 적절하다고 하며 그리고 Pickling 처리후 용접직전까지의 시간도 24시간 이전에 용접하는 것이 가장 적절하다고 한다.

 

 

Table 4. Physical properties of titanium and other materials

 

	Titanium	Aluminum	Iron	Stainless steel	Hastelloy
Melting (℃)	1.668	660	1.530	1.400 ~1.427	1.305
Density (g/cm2)	4.51	2.70	7.86	8.03	8.92
Young’s modules (x102kgf/mm2)	10.85	7.05	19.60	20.32	20.86
Electric conductivity (Cu-1.00)	3.1	64.0	18.0	2.4	1.3
Thermal conductivity (cal/cm2/sec/℃/cm)	0.041	0.487	0.145	0.039	0.031
Specific heat (cal/g/℃)	0.13	0.21	0.11	0.12	0.009

 

 

Table 5. Various types of titanium

 

종     류	구 분	열처리	인장강도(kg/mm2)	항복강도(kg/mm2)	연신율(%)	특 징
순수 Ti      1종	α	A	28 ~ 42	≥17	≥27	내  식
2종	α	A	35 ~ 52	≥22	≥23	내  식
3종	α	A	49 ~ 64 3	≥35	≥18	내색,고강도
4종	α	A	≥56	49 ~ 66	≥15	내  식
Ti-0.15Pd	α	A	≥35	28 ~ 46	≥20	내  식
Ti-5Ta	α	A	35 ~ 52	≥22	≥23	내  식
Ti-0.8Ni-0.3Mo	α	A	≥49	≥35	≥18	고강도
Ti-5Al-2.5Sn	α	A	≥84	≥81	≥19	고강도
Ti-6Al-4V       ＂	α+β ＂	A STA	≥91 102 ~ 127	≥84 95 ~ 123	≥10 5 ~ 10	고강도 고강도
Ti-8Al-1Mo-1V       ＂	α+β ＂	A STA	102 ~ 113 116 ~ 130	99 ~ 102 10 ~ 120 6	10 ~ 20 8 ~ 12	고강도 고강도
Ti-6Al-4V-2Sn       ＂	α+β ＂	A STA	106 ~ 120 134 ~ 155	91 ~ 106 123 ~ 144	10 ~ 15 1 ~ 7	고강도 고강도
Ti-13 V-11Cr-3Al       ＂	β ＂	A STA	91 ~ 102 134 ~ 169	88 ~ 99 120 ~ 155	10 ~ 20 5 ~ 10	고강도 고강도
Ti-11.5Mo-6Zr-4.5Sn	β	A	≥70	≥63	≥10	고강도