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1 연구논문 순 박판 용접부의기계적성질및성형성에미치는공정변수의영향 김지훈 홍재근 염종택 박노광 강정윤 부산대학교재료공학과 한국기계연구원부설재료연구소특수합금연구그룹 The Effect of Process Variables on Mechanical Properties and Formability in GTA Welds of Commercial Pure Titanium Sheet Jee-hoon Kim*, Jae-keun Hong**, Jong-taek Yeom**, Nho-kwang Park** and Chung-yun Kang*, *Department of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Pusan , Korea **Special Alloys Research Group, Korea Institute of Materials Science, Changwon 641-1, Korea Corresponding author : kangcy@pusan.ac.kr (Received April 2, 21 ; Revised May 19, 21 ; Accepted May 24, 21) Abstract In this work, the effect of welding variables on weldability of gas tungsten arc(gta) welding was investigated with experimental analysis for a commercial pure(cp) titanium (Grade.1). The GTA welding tests on sheet samples with.5mm in thick were carried out at different process variables such as arc length, welding speed and electrode shape. In order to search an optimum arc length with full penetration, beadon-plate welding before butt-welding were performed with different arc length conditions. From the beadon-plate welding results, the optimum condition considering arc stability and electrode loss was obtained in the arc length of.8mm. Butt-welding tests based on the arc length of.8mm were carried out to achieve the optimum conditions of welding speed and electrode shape. Optimum conditions of welding speed and electrode shape were suggested as 1 mm/s and truncated electrode shape, respectively. It was successfully validated by the microstructural observation, tensile tests, micro-hardness tests and formability tests. Key Words : GTAW, Commercial pure titanium, Process variables, Arc length, Formability 1. 서론 타이타늄및타이타늄합금은우수한비강도 내식성 고온성질및피로성질을가진소재로서항공우주산업뿐만아니라구조재료 석유화학소재 생체이식재료등과같은첨단소재와경량화를위한수송기기에폭넓게이용되고우수한소재이다 최근에는국내조선산업의호황으로선박의판형열교환기제조에사용되는순수타이타늄의수입량도지속적으로증가하고있다 생활수준의향상으로친환경소재 경량화 인체친화형소재등의중요성이인식되면서타이타늄소재에대 한많은연구가진행되고있으며관련사업들이세계적으로빠르게성장하고있다 타이타늄은상온에서 구조를갖는 α상과약 에서변태하여 구조를가지는 β상의동소체로이루어져있다 순수타이타늄에합금원소를첨가하게되면 α상과 β상이공존하는영역이존재하게되며 합금원소의종류및양에따라서 α상과 β상의공존영역이상온까지확대된다 최근에는새로운타이타늄합금이개발되면서그용도가확대되고있다 타이타늄합금은크게순타이타늄 α형합금 α β형합금 β형합금으로나누어진다 타이타늄및타이타늄합금의용접방법에는크게 를비롯한 및 등의용융용

2 김지훈 홍재근 염종택 박노광 강정윤 접및 등의고상접합이있다 그러나 이상 의고온에서산소 수소 질소및탄소등의침입형원 소와의반응성이매우커접합공정후취약한금속간 화합물의생성 산화및기공등의용접결함이발생한 다 이는제품수명을단축시키는주요원인이된다 이러한문제점에대한대책으로열간가공및접합공 정은대부분진공분위기또는불활성분위기에서이루 어진다 이처럼타이타늄및타이타늄합금에적용되 는용접공정은다양하며용융용접의하나로 작업성 및경제성을고려한 용접공정을이용한연구가 국내외에서활발히진행되고있다 용접의 장점은고품위의용접부를얻을수있으며 자동화가 가능하며저렴한장비의가격때문에많은산업분야 에서널리쓰이는용접공정이다 등은 일반적인 용접공정과 용접공정 후의미세조직및기계적성질을비교하여평가하였다 등은 전류조건과 펄 스전류조건에서용접부미세조직변화가기계적특성 에미치는영향에대해연구하였다 이때펄스변수로 는 전류와 전류는고정하고펄스주기를변수로두어실험을수행하였다 등은펄스전류조건에서 전류 전류 펄스 주기 펄스유지시간의공정변수를주어공정변수에따 른인장성질을분석하였으며 전류와펄스유지시 간은기계적특성에큰영향을미치지않는것을확인 하였으며 용접부의결정립크기와충격치의상관관계 에대해서규명하였다 이들의연구결과는타이타늄 및타이타늄합금의기계적성질확보를위해많은참 고가될것이라생각된다 하지만 제 조를위한타이타늄박판 용접에대한연구는연 구단계에그치고있으며용접후성형성에관한연구 는극히미미한실정이다 따라서용접후미세튜브 제조를위해서는순타이타늄의 용접성 용접부 특성및용접후성형성에대한기초적인연구가필요 하다판단되었다 따라서 본연구에서는 상용순타 이타늄의박판 용접에대한기초연구로서용접 공정변수에따른미세조직및기계적특성을비교검토 하였고최적용접조건을도출하고자하였다 2. 사용재료및실험방법 본실험에사용된재료는어닐링처리된두께 의상용순수타이타늄 소재를 의시험편으로전단후사용하였으며 원소재의 화학조성및기계적성질을 및 에나 타내었다 박판용접이음부는밀링가공시오히려용접 이음부의개선정도가저하되므로전단후전단면끼리 접촉시켜이음부틈새를최소화하였다 본실험에서사 용된용접기는 용량의인버터형용접기로서직류 정극성 을사용하였으며토치를레일오토캐리 지에부착하여용접속도를조절하였다 전극봉은 을사용하였다 용접전아세톤용액과 알코올에세척후건조시켜용접부오염을방지하였다 맞대기용접전용입특성에미치는공정변수의영향을 파악하기위해 용접으로용접조건을선 정하였다 이때아크길이 용접속도 전극봉가공형상을 주요공정변수로하였다 용접에서완전 용입이가능하고용락등의결함이 생성되지않는아 크길이와용접속도범위를선정하였다 전극봉가공형상 은 및 로변화시켜맞대기용접 을실시하였다 용접은판재의압연방향으로실시하였으 며아르곤분위기챔버내에서용접하였다 에개 략적인실험방법을나타내었고 공정변수는 에요약하였다 용접부의미세조직은 의혼합용액에에칭후관찰하였다 경 도는미소경도시험기 를사용하여 의하중으로 초동 안유지하여 간격으로측정하였다 인장시험편은 게이지길이가 인 규격시험 편으로용접선에수직한방향과용접선에평행한방향 으로가공하였다 인장시험은만능재료시험기 를사용하여크로스헤드스피드는 의조건으로인장특성을평가하였다 또한 다축응력하에서의성형성을평가하기위해박판만능 시험기 를 사용하여에릭슨시험을실시하였다 이때 펀치의상승

3 순 박판 용접부의기계적성질및성형성에미치는공정변수의영향 Ambient At gas Rolling direction 2% Th-W(Ø1.6) electrode Rolling direction.5mm Arc length.5mm Back bead appearance Q=15J/mm Q=15J/mm Welding direction 2mm Arc length.8mm Q=15J/mm Q=17.5J/mm 55mm Arc length 1.mm Q=15J/mm Q=21J/mm (a) A A (b) B B l (c) C C (d) D D (e) E E (f) F F (g) G G (h) H H (i) I H (i) J J 속도는 로고정하여시험을수행하였다 Arc length(mm) 실험결과및고찰 3.1 Bead on plate 용접특성 아크길이에따른용입특성 는전극봉가공형상을 로고정하고아크길 이및용접속도에따른이면비드생성유무를나타내 었다 은용락및이면비드가생성되지못한용 접시편의비드형상을나타낸것이다 입열량 이 용접속도 이하 이상의경우 모든아크길이조건 에서입열과다로 I=3A, V=7V, Gas flow rate = 15l/min Back bead formation Lack of fusion Burn through Welding speed(mm/sec) 인한용략이발생하였다 아크길이 의경우입 열량 용접속도 조건에서는 이면 비드가생성되지않았으며 의경우는 용접속도 의 경우 용접 속도 이하의입열량조건에서이면비드가 생성되지않았음이확인되었다 는아크길이및 용접속도에따른비드표면을나타내었다 타이타늄용 접부는산화오염정도에따라여러가지색으로변화된 다 용접부가은색 금색 담황색 갈색을띠면합격으 로 청색 회색을띠면불합격으로평가한다 본실 험에서는용접전 가스를충분히퍼징하여이물질 및공기를배제하였으며그결과모든조건에서산화오 염이양호한접합부를얻을수있었고용접결함인피트 나블로우홀 은발견되지않았다 아 크길이가짧을수록낮은입열량조건에서도완전용입 이가능하였고텅스텐전극봉의손상및아크안정성을 고려해 아크길이를가장적합한공정으로판단

4 김지훈 홍재근 염종택 박노광 강정윤 하였다 비드폭에미치는전극봉형상의영향 전극봉형상이비드폭에미치는영향을알아보기위 해아크길이는 로고정시킨상태에서전극봉가 공형상및용접속도에따라용접을수행하였다 실제로 의연구에서도알수있듯이전극봉가공각이커 질수록비드폭이감소되는경향을나타내었는데이는 음극점으로되는전극의표면에서아크는거의수직방 향으로발생되므로양극점인모재와용융지와의사이에 아크가종 모양으로형성된다 따라서전극봉가 공각이작을수록아크도옆으로퍼지게되므로비드폭 도커지게됨을알수있다 Bead width (mm) Electrode shape( ) 는용접속도및 전극봉형상에따른비드폭변화를나타낸것이다 전 극봉가공각도가커질수록비드폭은좁아졌고 동일용 접조건에서 로가공된전극봉보다 가 공된전극봉을사용할경우가장좁은비드폭을얻을 수있었다 동일전류조건에서입열량이낮을수록 즉 용접속도가빠를수록비드폭은더좁아지는것이확인 되었다 비드폭이기계적성질및성형성에미치는영 향을알아보기위해전극봉형상및용접속도에따른 맞대기용접을수행하였다 3.2 GTA 용접부에미치는공정변수의영향 용접부경도분포및미세조직 은아크길이및용접속도에따른맞대기용접 의용입특성을나타내었다 용입특성관찰은 용접을통해얻은완전용입범위내에서아 크길이및전극봉가공형상에따라분석하였다 맞대 기용접의경우 용접과다른특성을 나타내었고 더낮은입열량조건에서용락이발생되었 다 이는이음부의미세한틈새차로인해발생된것으 로생각되며 박판 용접의경우이음부의개선정 Welding speed 12mm/sec 12 Truncated Arc length(mm) I=3A, V=7V, Gas flow rate = 15l/min Back bead formation Lack of fusion Burn through Welding speed(mm/sec) 도가중요한요인으로작용할수있다판단된다 용접 후경도분포는미세조직과깊은상관관계를나타낸다 따라서용접속도및전극봉가공형상에따른경도분포 를확인하였으며경도변화의원인을미세조직을통해 분석하고자하였다 완전용입이발생한용접속도조건 에서전극봉가공형상에따라각조건별로용접부중심 에서모재에이르기까지의경도분포를조사하였다 은본실험의용접속도범위중가장저속인 와가장고속인 의조건에서전극 봉형상에따른경도분포를나타내었다 그림에서알 수있듯이경도분포는용접금속및열영향부에서최고 경도값을나타내었고열영향부를거쳐모재쪽으로갈수 록경도값은감소하는경향을보인다 용접속도및전 극봉가공형상에따라비드폭과열영향부의크기는차 이를보였지만 용접속도범위에 서는경도값의큰변화는발생하지않았다 경도값은 모재에서평균 의값을나타내었고용접부와열 영향부의경우모재에비해 정도로약간 높아진것을확인하였다 용접속도에따른냉각속도 차이로인해용접부의경도차이가있을것으로예상하 였으나모든조건에서경도분포는비슷한양상을나타 내었다 이러한경도분포의원인을파악하기위해부위 별미세조직을분석하였다 은전극봉을 가공후용접속도 의조건으로 용접시 부위별미세조직을나타내었다 용접부와열영향부 평 균 는모재 평균 에비해조대한결정립을 나타내며입열량이증가할수록용접부의결정립크기 가증가함을확인하였다 모재는등축 α 결정립을나타 내었다 용융후용접부의결정립의크기는핵생성속 도 과성장속도 에의하여영향을받으며 가 작을수록결정립은크게성장한다 순타이타늄의경우 핵생성사이트로작용할불순물원소가거의없기때문 에용접부의조대해진결정립이관찰되는것으로판단

5 순 박판 용접부의기계적성질및성형성에미치는공정변수의영향 Hardness (Hv) Hardness (Hv) mm/sec 1mm/sec WM WM mm/sec Distance from weld center (mm) 1mm/sec WM WM Distance from weld center (mm) 된다 또한용융후빠른냉각속도와대기의침입형원소로인하여상변화가일어났으며이로인해용접부에조대한 α 와 α 결정립이관찰된다 결정립이조대해졌음에도모재에비해경도가증가된원인은용융후빠른냉각속도의원인으로판단된다 하지만용접속도에따른냉각속도차이에도불구하고공정변수에따라경도분포차이가크게차이나지않는이유는순타이타늄의경우결정립성장은있으나상변태는하지않는다는것이가장큰이유라판단된다 인장특성평가앞절에서전극봉가공형상및용접속도는경도분포에크게영향을미치지않았으나 공정변수에따른용접부및열영향부의미세조직과비드폭은인장성질에영향을미칠것으로판단된다 따라서용접속도및전극봉가공형상을공정변수로두어인장시험을실시하였다 인장시험은용접선과수직한방향과용접부특성을비교평가하기위해용접선과평행한방향의 가지시험편을사용하였다 는용접부와수직한방향으로인장시험편을가공후전극봉가공형상및용접속도 Tensile strength(mpa) truncated 6 Electrode shape ( ) Elongation(%) Electrode shape( ) 12 truncated

6 김지훈 홍재근 염종택 박노광 강정윤 에따른인장강도및연신률변화를나타내었다 공정변수와상관없이모든조건에서열영향부와용접금속이아닌모재에서파단이일어났다 용접부의인장강도는모든조건에서모재인장강도 값과유사한특성을나타내었다 그러나용접속도가빠르며전극봉가공각도가커질수록연신률은증가하는경향을나타내었다 특히 가장좁은비드폭을얻은조건인 용접봉 용접속도 의조건의경우모재대비 의연신율을나타내었고 의용접속도에서는모재대비 의연신율을나타내었다 은용접부에수직한인장시험편의인장후실측사진을나타내었다 가공각도가작고 용접속도가느릴수록비드폭이커경화된부위가넓다는것을확인할수있었다 또한경화된용접부에서는단면수축이거의일어나지않았기때문에연신율은모재보다낮으며경화된부위가좁을수록연신률은모재와거의유사한값을가지게된다는것이확인되었다 용접부의인장특성을비교평가하기위해용접선과평행한방향으로시험편을가공하여인장시험을실시한결과를 및 에나타내었다 용접속도가빠르고전극봉가공각도가커질수록용접부의인장성질은우수하였다 가공된전극봉을사용하여 의용접속도에서용접된시험편의인장강도는 (a) (b) (a) Tensile strength(mpa) Elongation(%) truncated Electrode shape ( ) truncated Electrode shape( ) 얻을수있었다 의모재와비교해 인장강도를 하지만연신률은모재와비교하여 이상 용접부와수직한인장시험편대비 이 상감소된것이확인되었다 경화된용접금속부가모 재보다낮은인장강도를가지는원인은 에서 나타난바와같이용접부의조대화된결정립에서높은 변형률로심하게가공되었을경우변형된결정립내부 에서전위재배열과결정립계로의전위소멸등에의해 일어나는연속재결정이나기하학적재결정으로인해오 렌지필현상을유발하여용접부의연신률및인장성질 이떨어지는것으로판단된다 (b) 성형성평가인장실험의단축응력상태는성형공정중에서재료가받는응력상태와다르고판재의표면마찰특성과금형조건등을고려하고있지않아실제공정과상관성이결여되어있다 따라서용접후성형공정조건들을고려한성형성평가를위해에릭슨시험을실시하였고균열발생하기전까지성형된높이인에릭슨값을측정하였다

7 순 박판 용접부의기계적성질및성형성에미치는공정변수의영향 (a) (b) 접속도변화에따른비드폭이좁을수록연신율과성형성은상호비례관계임을확인하였다 이상의결과로부터용접속도가빠르고 가공된전극봉을사용할경우성형성이우수하다는것을확인하였다 또한용접부의조대해진조직은성형성에불리한영향을미치며용접부가좁을수록용접후성형에유리할것으로판단되었다 4. 결론 (c) Forming height (mm) truncated Electrode shpae ( ) 은에릭슨시험후파단된양상을 보여주고있 다 에릭슨시험후의시험편은모든조건에서용접선에 수직한방향으로파단이일어났으며주균열은용접부 에서발생한후모재쪽으로전파하였다 즉본연구에 서설정한공정변수조건에서는크랙이용접선을따라 연속적으로형성되는것을방지할수있는것으로판 단된다 는공정변수에따른성형높이를모재 와비교하여나타내었다 용접속도가느릴수록낮은성 형높이를나타내고있으며용접속도가가장고속인 용접속도의경우모재대비약 에해당 하는다소높은성형성을나타내었다 용접속도가가장 저속인 의경우모재대비약 로낮은성 형높이를나타내었다 전극봉가공각도가커질수록성 형높이는미세하게증가하는것을확인하였다 또한용 본연구는상용순수타이타늄박판의 용접성을알아보기위한기초연구를수행하였고용접성에미치는공정변수의영향을검토하였으며다음과같은결론을얻었다 아크길이가짧을수록낮은입열량조건에서도완전용입이이루어져적합한공정으로판단되나텅스텐전극봉의손상이크므로전극봉손상정도를고려해 아크길이가적합한공정으로판단하였다 아크길이 입열량범위 조건에서완전용입을얻을수있었으며용접속도가빠르며전극봉가공각도가커질수록또는 된전극봉사용시좁은비드폭을얻을수있었다 용접부경도분포는용접속도및전극봉가공각도는경도분포에크게영향을미치지않음을확인하였으며용접부가모재보다조금더경화된것이관찰되었다 이는등축 α 결정립에서용융후재응고시핵생성사이트가적어조대한결정립을가지며빠른냉각속도와대기의침입형원소로인한상변화로인해용접부에조대한 α와 α 결정립이관찰된다 이러한 α 결정립들이모재보다높은경도의원인으로판단된다 용접부와수직한방향으로인장시험편을가공후인장시험을한결과공정변수와상관없이모든조건에서용접금속및열영향부가아닌모재에서파단이일어났고 인장강도값은모재와유사하거나그이상의값을보였다 연신율은용접속도가빠를수록 전극봉가공각도가클수록증가하는경향을보였는데이는경화된용접부폭이좁을수록연신률이증가한다고판단된다 용접부의특성을알아보기위해용접부와평행한방향으로인장시험편을가공후인장시험을실시하였으며그결과인장강도는모재와유사하거나그이상의값을나타내었으나 연신률은모재대비 이상감소하였다 성형성시험결과전극봉가공각도가클수록 용

8 김지훈 홍재근 염종택 박노광 강정윤 접속도가빠를수록우수한성형높이를가지며가장비 드폭이좁은 전극봉을사용하고 용접속도 조건에서모재대비 의성형높이를나 타내었다 후 기 본연구는지식경제부 부품소재기술지원사업 의일 환으로수행되었으며이에감사드립니다 참고문헌 이용태 타이타늄 한국철강신문 α β α β