티타늄 합금 (Titanium & Titanium Based-Alloy) 용접

[이루스나]

티타늄 합금 (Titanium & Titanium Based-Alloy) 용접

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자료제공 : LG 건설/기술사 이진희

1. Titanium의 특성

Titanium 은 다음과 같은 특성으로 인해 그 활용도가 점차 증대되어 가고 있는 소재이다. 

• 비중이 작아 가볍다.
• 우수한 내식성을 나타낸다.
• 고온에서 기계적 특성이 좋다.

Titanium은 우수한 내식성과 함께, 철의 절반 정도의 무게만으로도 철과 유사한 수준의 강도를 나타내는 특성이 있다.

Titanium은 매우 활성이 커서 고온 산화가 문제시되고 있지만, 상온 부근의 물 또는 공기 중에서는 부동태 피막이 형성되어 금이나 백금 다음 가는 우수한 내식성을 가진다. 이러한 이유로 과거에는 우주 항공 분야와 화학 공장 등 특정한 용도로만 사용되었으나, 최근에는 산업 전반에 걸쳐서 그 활용도가 증대되고 있다.

Titanium의 융점이 약 1670℃ 정도로 매우 높아서 완전한 Ingot의 제작이 곤란하고 특히 고온에서는 급격히 산화되어 본래 요구되는 성질이 없어지기 때문에 열간 가공과 용접이 곤란하며 높은 항복 응력 때문에 냉간 가공 또한 어렵다는 단점이 있다. 이와 같은 특성 때문에 Titanium을 생산하는 Mill Maker측에서는 어려움을 겪지만 실제로 구조물을 제작하는 Fabricator측의 어려움도 그에 못지않다. 그 중에서도 용접이 가장 큰 문제점으로 지적 되는데 이는 Titanium이 상온에서 안정한 산화피막이 생겨서 부식을 방지하지만 600℃ 이상의 고온에서는 반응성이 아주 좋아서 O₂, N₂, H₂ 등의 원소로 오염되어 내식성을 저하시키거나 용착 금속내부에 Porosity 등의 결함을 발생시키게 되어 내식성 뿐만 아니라 기계적 성질 까지 모두 저하시키기 때문이다.

Table 7-34 티타늄의 물리적 성질

밀도 (20℃)	4.54g/㎤ (α형)
α ⇒β변태에 의한 용적 변화	5.5%
융점	약 1668℃
α ⇒ β변태점	약 882℃
열팽창 계수 (20℃)	8.5 X 10-6/℃
열전도도	0.035 cal/㎝/㎠/℃/sec
비열 (25℃)	0.126 cal/g
도전율 (Cu에 대하여)	2.2%
고유 저항 (0℃)	80μΩ-cm
결정구조 α형 (상온)	조밀6방형
결정구조 β형 (882℃ 이상)	체심입방형

Titanium은 다른 금속과 비교하여 보면 융점이 높고 Carbon Steel, Stainless Steel 에 비해 밀도, 열팽창 계수 및 탄성계수 등이 작은 특징이 있다.

순수 Titanium 의 인장강도는 주로 산소의 함량에 따라 결정되는데 여러 불순물에 따른 순수 Titanium의 Grade와 화학 성분 및 인장 강도를 Table 7-35, 7-36에 나타내었다. 특히 순수 Titanium은 산소, 질소, 수소등 불순물의 함량이 증가함에 따라 강도는 증가하나 연신률이 감소하는 특징을 가지고 있으며, 온도에 따른 강도 및 Creep 특성이 300℃까지는 안정되어 있으나 온도 증가에 따라 급격한 강도의 저하가 나타난다.

Table 7-35 Titanium Grade별 화학 성분

Grade	Ti	N	C	H	Fe	O	Pd
1	Rem	0.03	0.10	0.015	0.20	0.18
2	Rem	0.03	0.10	0.015	0.30	0.25
3	Rem	0.05	0.10	0.015	0.30	0.35
7	Rem	0.03	0.10	0.015	0.30	0.25	0.12 ~ 0.25

Table 7-36 순수 Titanium의 인장 강도

Grade	인장 강도 (Kg/㎟)	항복 강도 (Kg/㎟)	연신율 Min. (%)
1	25	18 ~ 32	24
2	35	28 ~ 46	20
3	46	39 ~ 56	18
7	35	28 ~ 46	20

2. Titanium의 종류

순수 Titanium은 불순물 원소량에 따라 ASTM에서 4종류로 구분하고 있다.

산소, 질소, 수소, Fe등의 불순물 원소량이 증가함에 따라 강도는 증가하고 연신율은 저하하는데, 실제 공업적인 제조 관리는 주로 산소와 Fe량의 조절에 의해서만 행해지고 있다. 그리고 Titanium 합금은 실온에서의 조직에 따라 α , α + β , β 의 세가지 Group으로 구분된다.

Titanium 합금은 순수 Titanium에 비해 내식성은 일반적으로 악화되며, 이것을 개선하는 합금 원소로는 Mo, Ta, Zr, V이 있다.

특히 Mo는 15 ~ 20% 첨가로 내산성이 현저하게 개선되지만, 가공은 곤란해 진다. Pt, Pd등을 첨가하면 내산성이 향상된다.

2.1 (순수) Titanium

98 ~ 99%의 순도를 가진 거의 순수한 Titanium을 말한다.

강도 향상을 위해 약간의 산소, 질소, 탄소, 철(Fe)을 포함 하기도 한다. 이 합금은 우수한 내식성과 함께 쉽게 용접할 수 있는 특징이 있다.

2.2 합금

이 합금은 다름 합금보다 상온 강도가 낮으나 저온 안정상이므로 수백도의 고온이 되어도 취약한 상을 석출할 염려가 없어서 내열 티탄합금의 기본이 되며 용접성도 좋다. Al, Sn, Zr등을 첨가하여 α상을 고용 강화한 단일상이며 β합금에 비해 가공성은 떨어진다.

대표적인 합금으로는 Ti-5Al-2.5Sn이 있으며 고온 강도가 요구되는 항공기용 부품 등에 이용되고 있다. 저온 재료로서도 α형 합금이 적합하다.

2.3 α-β 합금

α형과 β형의 특징을 겸비하도록 열처리 조건에 의해서 재료 특성을 조절할 수 있다. Ti-6Al-4V 합금이 대표적인 합금이다.

강도는 122 ~ 97kgf/㎟ 정도이고 높은 인성을 가지며, 소성 가공성, 용접성, 주조성도 좋아서 사용하기 쉽고 신뢰성이 큰 합금이다.

가장 널리 사용되는 합금이다.

2.4 β 합금

β형 합금은 V, Mo등의 β안정화 원소가 다량으로 첨가되는 합금으로 용체화 처리와 시효에 의해 130 kgf/㎟을 넘는 고강도를 얻을 수 있는 특징이 있다. 용접은 가능하지만 용접시에는 모재와 동등한 강도를 얻을 수는 없다.

Table 7-37 Titanium의 종류와 기계적 특성

종 류	조직구분	인장 강도(kgf/㎟)	항복 강도(kgf/㎟)	연신율 (%)	Remark
순수 Ti 1종	α	28 ~ 42	≥ 17	≥ 27
순수 Ti 2종	α	35 ~ 52	≥ 22	≥ 23
순수 Ti 3종	α	49 ~ 61.3	≥ 35	≥ 18
순수 Ti 4종	α	≥ 56	49 ~ 66	≥ 15
Ti - 0.15 Pd	α	≥ 35	28 ~ 46	≥ 20
Ti-5 Ta	α	35 ~ 52	≥ 22	≥ 23
Ti-0.8 Ni - 0.3 Mo	α	≥ 49	≥ 35	≥ 18
Ti-5 Al-2.5 Sn	α	≥ 84	≥ 81	≥ 10
Ti - 6 Al - 4	α-β	≥ 91	≥ 84	≥ 10	소둔재
〃	α-β	102 ~ 127	95 ~ 123	5 ~ 10	시효재
Ti-8 Al-1 Mo-1V	α-β	102 ~ 113	99 ~ 102	10 ~ 20	소둔재
〃	α-β	116 ~ 130	102 ~ 206	8 ~ 12	시효재
Ti-6 Al-4V-2 Sn	α-β	106 ~ 120	91 ~ 106	10 ~ 15	소둔재
〃	α-β	134 ~ 155	123 ~ 144	1 ~ 6	시효재
Ti-13 V-11Cr-3 Al	β	91 ~ 102	88 ~ 99	10 ~ 20	소둔재
〃	β	134 ~ 169	120 ~ 155	5 ~ 10	시효재
Ti-11.5 Mo-6 Zr-4.5 Sn	β	≥ 70	≥ 63	≥ 10

3. Titanium 용접

Titanium의 용접시에는 용탕의 대기 가스에 대한 고용도가 매우 크기 때문에 산화나 용접 금속 내부에 발생하는 기공(Porosity)이 큰 문제점으로 지적된다. 이러한 용접부의 기공은 용접 중심부에 발생하는 Centerline Porosity와 Weld Bead Edge에서 생기는 기공이 있고, 이러한 기공의 발생 원인은 전자의 경우 용입이 불충분해서 생기는 것으로써 입열량을 증가 시키면 해결할 수 있으나 후자의 경우는 정확히 밝혀져 있지는 않으나 응고 수축에 의한 기공 (Shrinkage Cavities), 확산성 수소, 알곤, 질소에 의한 용접 금속의 오염 및 산화 등으로 인해 발생된다. 따라서 Titanium용접은 Torch로 부터의 가스 유량, 용접 속도, Arc의 길이, Backing Gas, 절단 및 개선 가공 방법 등을 잘 고려해야 한다.

3.1 용접 방법

Titanium을 용접하는 방법에는 GTAW, GMAW, PAW, EBW 등 여러 종류가 사용된다.

• GTAW는 낮은 전류 영역에서 Arc가 안정되고 Welding Carriage, Wire 송급 장치, Gas제어 장치등이 일체화된 전 자동 용접장치와 Tube to Tubesheet 자동 용접 등이 개발되어 화학 Plant와 발전 설비등에 널리 사용되고 있다.
• GMAW는 GTAW에 비해 용착속도가 빠르고 용입이 깊은 장점이 있지만 Spatter 발생이 많아서 일반 구조물의 제작에 적용되는 예는 그리 많지 않다.
• PAW는 GTAW보다 용입이 깊고 특히, 두께 10mm 정도까지는 1 Pass 용접이 가능하고 고능률이어서 화학 Plant등의 제작에 적용되기도 한다.
• EBW의 경우는 열 집중이 매우 높기 때문에 GTAW, PBW에 비해 용입이 깊고, 용입폭이 대단히 좁아서 제품의 크기에 제한은 있지만 변형을 줄일 수 있기 때문에 항공기 및 잠수정 등의 두께 70mm를 넘는 Ti-6Al-4V 합금이 적용되는 곳에 주로 이용된다.
• 그외 특수 용접법으로 고상 확산 접합, 마찰 접합, Brazing 등이 있다.

 이상과 같이 Titanium에 적용되는 용접 Process는 그 종류가 다양하지만 경제성 그리고 작업성 등을 고려하여 가장 많이 사용되는 것은 GTAW Process이다. 이하의 내용에서는 주로 GTAW에 근간을 둔 Titanium의 용접에 대해 논하고자 한다.

3.2 용접 Bead 표면

Titanium은 대기중에서 고온으로 가열되게 되면 표면이 대기로부터 오염되어 여러가지 색으로 변하게 된다. 300℃ 정도까지는 대기의 영향을 거의 받지 않으며 상온에서와 똑같이 은백색으로 나타나고 그 이상의 온도로 가열하게 되면 가열 온도의 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 없어 지게 된다.

순수한 Titanium의 경우 850℃ 이하 까지는 대기에 의한 산화가 그다지 크지 않으나 850 ~ 900℃의 범위에서는 산화속도가 급격히 증가되고 그 이상의 온도가 되면 국부적으로 산화되어 입상의 산화피막을 형성하게 되어 Titanium의 내식성이나 기계적 성질에 크게 손상을 주게 된다.

그 이유는 Titanium이 대기중의 산소, 질소, 수소 등의 대기가스와 반응하기가 매우 쉽고 고온에서는 여러 종류의 산화물과 기름 및 수분, 금속 (Fe등) 등의 물질과 반응해서 취약한 화합물을 만들어서 용접부가 취화하는 동시에 내식성을 저하시키기 때문이다.

그러나, 갈색이나 청색이 나타나는 범위까지는 Titanium의 내식성이나 기계적 성질에 크게 영향을 주지 않기 때문에 용접시 Stainless Wire Brush를 사용하거나 Pickling처리를 통해 산화피막을 완전히 벗긴 다음에 다시 용접을 해야 한다.

위에 설명한 바와 같은 특성을 이용하면 용접 Bead의 색깔을 통해 용접 금속의 품질을 추정할 수 있다.

Table 7-38 용접 금속의 색깔별 품질 평가

용접 금속의 색깔	용접부 품질 평가	수정 방법
은색	매우 양호
밝은 청색	양호	표면의 변색 부분을 Stainless Steel Brush등으로 완전히 제거한 후에 다음 용접을 시행한다.
청색 혹은 보라색	불량	변색된 용접 금속과 인접한 모재를 모두 완전히 제거하고, Gas Shielding을 보다 철저하게 하면서 재 용접을 실시한다.
회색 혹은 노란색 (황백색)	매우 불량	변색된 용접 금속과 열 영향부를 모두 완전히 제거하고 재 용접을 실시한다.

3.3 용접부 특성

Titanium은 산소, 질소, 탄소와 Fe등의 불순물의 양에 따라 현저하게 경도가 증가한다. 수소의 경우에는 강도 및 경도의 변화는 별로 없으나, 충격치에서 아주 큰 영향을 미친다. 그 이유는 Titanium내 대기가스의 용해도는 14.5 내지 9% 정도 이지만 고용 강화 때문에 0.5% 정도만 있어도 연성이 95% 정도 감소되기 때문이며 수소는 250℃ 이상에서 Titanium내에 8% 정도의 용해도를 갖지만 상온에서는 용해도가 아주 낮기 때문에 Hydride Phase가 Grain과 Grain Boundary주위에 석출되어 Notch Sensitivity를 증가 시키기 때문이다.

1) 용접부 Shielding

Titanium을 대기로부터 보호하기 위한 방법으로는 진공이나 불활성 분위기하의 용기속에서 용접하는 등 여러가지 Process가 있으나 가장 보편적으로 사용하는 것은 Shielding Gas분위기 하에서 용접하는 것이다.

Shielding Gas는 대기에 의한 용접 금속의 오염을 방지할 뿐만 아니라 용착부와 열영향부가 상온 까지 냉각되는 동안에 대기로부터 차단시키는 역할을 한다. 일반적으로 Shielding Gas는 Argon이 주로 사용되며, 역할에 따라 다음의 3가지로 구별한다.

2) Primary Shielding

용융 금속의 Weld Puddle과 그 근처 모재 주위를 Shielding하는 것으로 Torch나 Gun Nozzle을 사용한다. 사용 Nozzle의 크기는 0.5 ~ 0.75 inch사이로 해당 Joint에 사용하기 쉬운 최대의 것을 사용한다. 이때 Gas의 압력은 5 kg/㎠ 이상으로 하는 것이 좋다.

3) Secondary Shielding

용융후 냉각되는 용접부와 열영향부에 산화 문제가 생기지 않을 정도의 온도 (약 200℃)로 냉각될 때 까지 대기로부터 Shielding 하는 것이다. Titanium의 경우 열전도도가 낮기 때문에 열영향부가 넓게 되고 용접하고 있는 바로 앞은 shielding할 필요가 없는 반면 용접부 바로 뒤에 냉각되는 용착 금속은 일정 온도로 냉각될 때까지 Shielding을 해야 하는 단점이 있다.

4) Back up Shielding

Torch반대쪽의 Hot Weld Metal Root부를 보호하기 위해 행한다.

특히 Pipe 용접시에는 Pipe내부에 불활성 Gas를 불어 넣어서 Purging 해야 한다. 이때 Pipe내부의 압력이 너무 크면 Root Pass에서 Bead의 외관이 좋지 않게 된다. 용접중에 계속 Purging을 하고 Purge Dam 출구에서 나오는 유량을 감지해 조절하도록 해야 한다.

Table 7-39 상용 티타늄 합금과 용접봉

ASTM Grade	Composition	UTS (min) Mpa	Filler	Comments
1	Ti-0.15O2	240	ERTi-1	Commercially pure
2	Ti-0.20O2	340	ERTi-2	,,
4	Ti-0.35O2	550	ERTi-4	,,
7	Ti-0.20O2-0.2Pd	340	ERTi-7	,,
9	Ti-3Al-2.5V	615	ERTi-9	Tube components
5	Ti-6Al-4V	900	ERTi-5ELI	Aircraft alloy
23	Ti-6Al-4V ELI	900	ERTi-5ELI	Low interstitials
25	Ti-6Al-4V-0.06Pd	900	Matching	Corrosion grade Filler alloys

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자료제공 : LG 건설/기술사 이진희

출처 : Tong - 모두에게 사랑을님의 최고의용접통