티타늄(Ti) 란?
원자 번호 22, 비중 4.5, 융점 1800℃, 상자성체(常磁性體)이며 매우 경도(硬度)가 높고 여리다. 강도는 거의 탄소강과 같고, 비강도(比强度)는 비중이 철보다 작으므로 철의 약 2배가 되고 열전도도와 열팽창률도 작은 편이다.
(기계공학용어사전)
티타늄은 지각의 약 0.4%를 구성하는 원소로서 구조용 금속원소 중에서 알루미늄, 철,마그네슘에 이어 4번째로 매장량이 많다. 티타늄은 비싸지만 해수 및 암모니아 등 부식 환경에 대하여 백금에 필적할 만큼 완전한 내식성을 가지고 있다.
티타늄 합금은 강도가 무게에 비해 높아서 항공기부품, 형상기억 합금등 다양한 분야에 사용되며 구조용 재료로서 발전설비,해수담수화설비, 화학프랜트 등에 사용되고 있다.
[ENG] Titanium is a chemical element with the symbol Ti and atomic number 22. It is a lustrous transition metal with a silver color, low density, and high strength. Titanium is resistant to corrosion in sea water, aqua regia, and chlorine.
Titanium can be alloyed with iron, aluminium, vanadium, and molybdenum, among other elements, to produce strong, lightweight alloys for aerospace (jet engines, missiles, and spacecraft), military, industrial processes (chemicals and petrochemicals, desalination plants, pulp, and paper), automotive, agriculture (farming), medical prostheses, orthopedic implants, dental and endodontic instruments and files, dental implants, sporting goods, jewelry, mobile phones, and other applications.
용접성
티타늄의 용접시는 대기가스 성분에 대한 높은 고용도를 갖기 때문에 산화나 용접금속의 내부에 발생하는 기공이 문제점으로 지적되고 있다. 그러므로 용접시는 가스유량, 용접속도, 아크길이, 보호가스의 흐름, 가공방법, 표면처리 등을 충분히 고려 하여야 한다.
가. 오염
티타늄 및 티타늄 합금은 산소, 질소, 수소 등 대기중의 원소에 의해 연성과 인성이 저하된다. 따라서 용접부는 무엇보다도 용접에 의해 고온으로 가열되는 부분에 대기가 침입하는 것을 완벽히 방지하는 것이 매우 중요하다.
오염방지를 위해 용접부 및 주위의 고온 가열부는 불활성 가스로 차폐함이 필요하다. 이 경우 차폐가스내의 불순가스나 대기의 와류에 의한 용접부 오염에도 주의하여야 한다. 차폐가스로는 알곤(Ar)이 많이 사용되며 알곤(A)r내에 불순가스량에 따라 용접금속이 경화된다.
즉, 공기상태로 불순가스량이 0%의 경우에는 Hv 170이나 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.
나. 기공
티타늄 용접시에는 기공이 발생하기 쉬우며, 한번 발생한 기공은 제거하기 위해 재용융하여도 잘 없어지지 않는다. 주된 발생원인은 불순가스의 혼입, 용가재, 혹은 개선면의 오염 등이다. 따라서 기공방지를 위해서는 충분한 용접부 차폐, 용접재료와 용접부 크리닝, 용접장치 특히 차폐가스의 배관내 오염 및 누수여부 등에 대한 확인이 필요하다. 또한 대기중의 수분이 배관내에 응결되지 않도록 주의 하여야 한다.
용접조건의 면에서는 용융풀 내에 형성된 기공이 부상하여 이탈이 용이 하도록 용융시간을 길게 하고 비드 두께를 얇게 하는 것이 효과적 이다. 이를 위해서 용접전류를 낮게 하고 용접속도를 천천히 하도록 하는 작업조건이 유리 하다. 그러나 용접전류를 너무 낮추면 용융풀의 온도가 낮게 되어 역으로 기공 발생이 용이하게 된다.
다. 균열
양호하게 차폐한 티타늄 용접부는 미려하고 매끈한 용접비드를 얻을 수 있고 외관의 결함은 적다. 또한 철강재료와 같은 수소에 의한 지연균열도 적고, 용접균열에 대해서도 비교적 양호한 재료이다. 그러나 구속을 강하게 한 작고 얇은 판에 대해서는 용접균열에 대해 유의해야 한다.
라. 이종용접
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 Fe, Ni, Cu, Al 등과는 화합물이나 취약한 고용체를 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.
용접 PROCESS
GTAW, GMAW, PAW, EBW 등 다양한 Process 로 용접 가능하다.
GTAW의 경우 용접이송장치, 와이어송급, 가스공급제어등을 일체화 시킨 전자동 용접장치와 튜브와 튜브시트 자동용접등이 개발 사용되고 있다. PAW는 GTAW보다 용입이 깊어 두께 10mm까지 1층용접이 가능하고 고능률적이여서 화학프랜트 등의 제작에 적용된다.
EBW의 경우 열집중이 매우높아 용입이 깊고 용입폭이 대단히 좁아서 변형이적어 두께 70mm를 넘는 후판에 많이 적용된다.
용접
가. 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 ELI급의 재료를 사용하는 경우에는 용접재료도 불순물이 적은 재료를 사용하여야 한다. 순티타늄 용접재료는 ERTi-1 ~ 4가 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.
나. 용접부 차폐
TIG, MIG, 프라즈마 용접 등 대기중의 용접시 용융부와 고온가열부는 Ar가스로 차폐하고 약 500℃ 이하로 충분히 차폐하지 않으면 안된다.
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 시편으로 용접하여 차폐상태를 확인한 뒤 용접하는 것이 필요 하다.
다. 용접작업 환경
건전한 용접부를 얻기 위해서는 용접작업 환경과 관리도 중요하다. 먼지나 습도는 용접부나 용접재료를 오염하고 기공발생의 원인이 된다. 철강재료를 다루는 공장, 건물내에서 용접을 실시할 경우에는 작업장소를 엄격히 구분하여 철분이 비산되어 접촉되지 않도록 해야 하며, 공구나 치구 등도 티타늄 제작만에 전용하여 철강재료용과 혼용하지 않도록 해야 한다.
통풍에 대해서도 2m/s 이상의 풍속에 대해서는 적당한 차단막 설치가 요구되며 공장내 팬이나 주행 운반차량에 의해 야기되는 일시적인 바람에 대해서도 관리가 되어야 한다.
To be continued...
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