55 연구논문 순티타늄판의 Nd:YAG 레이저용접성에관한연구 (I) - 실드조건에따른용접특성 - 김종도 *, 곽명섭 ** 김창수 *** * 한국해양대학교기관시스템공학부 ** 대우조선해양 ( 주 ) 산업기술연구소 *** ( 주 ) 동화엔텍열유체연구소 A Study of Weldability for Pure Titanium by Nd:YAG Laser(I) - Weld Properties with Shield Conditions - Jong-Do Kim*,, Myung-Sub Kwak** and Chang-Soo Kim*** *Division of Marine System Engineering, Korea Maritime University, Busan 66-791, Korea **Industrial application R&D institute, DSME. Co., LTD., Okpo 656-714, Korea ***R&D Center, DongHwa Entec, Busan 618-27, Korea Corresponding author : jdkim@hhu.ac.kr (Received Apil 29, 9 ; Revised July 2, 9 ; Accepted September 21, 9) Abstract Pure titanium and its alloys have good formability, excellent corrosion resistance and high strength to weight ratios. Therefore, it has been using to heat exchangers, offshore plants, sports equipments, and etc. As broad as its application fields, it also increases welding locations. Conventional GTAW and GMAW are very popular welding methods of titanium, but it has a high heat input and wide. It has a possibility of inducing Stress Corrosion Cracking. So, laser welding method has been using to get reliable welds by reducing heat input. Weld beads change its color to silver, gold, brown, blue, and gray by shied conditions. And the closer to gray, the more oxidize, nitride and embrittlement. The most effective atom to embrittlement was nitrogen. And shield gas flow was not so effective over the constant flow rates. In this study, weld properties of the pure titanium were investigated by pulsed & CW Nd:YAG lasers and evaluated by various shield conditions. And It is observed that nitrogen is more effective to oxidation and embrittlement of titanium compared with oxygen by oxygen and nitrogen quantitative analysis. Key Words : Pure titanium, Laser welding, Shield conditions, Oxidation, Embrittlement 1. 서론 티타늄 (Ti) 은표준전극전위가 -1.63V로대단히활성한금속이나상온의수중에서 H + 이온에의한산화로부동태화하기때문에티타늄및티타늄합금은내식성이뛰어나고특히해수에대해서도공식을발생시키지않는다 1). 또한, 비강도 ( 강도 / 밀도 ) 가크고고온크리프특성 (creep property) 이우수하기때문에각종열교환기, 화학플랜트, 제트기엔진케이스, 우주항공분야등에널리이용되고있다. 이와같이적용분야가증가함에따라고품질의용접에대한수요도늘어나고있다. 티타늄의용접에는종래의용접방법인 GTAW 2), GMAW, 저항용접등과어스펙트비가크고입열이작은고품위의용접법인전자빔용접및레이저용접에이르기까지다양한방법이사용되고있다 3-4). 한편, 티타늄은약 이상의고온에서산소, 질소, 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 525
56 김종도 곽명섭 김창수 수소및탄소등의침입형원소와반응하여쉽게취화되므로 5) 이들로부터용접부를보호하는것이용접에있어서가장중요하다. 이를위하여헬륨 (He), 아르곤 (Ar) 등의불활성가스를이용하여다양한방법으로용접부를실드하고있다. 지금까지보고된자료들은티타늄과이종금속 6-7), 티타늄합금 8) 의용접에대한것들이대부분이었고순티타늄 (ASTM grade 1) 에대한자료는찾아보기힘들었다. 또한용접부의색깔에따라경도, 산소및질소의함량을정량적으로분석하여비교 정리한예는없었다. 본연구는티타늄의레이저용접적용을위한기초실험으로서용접시비드색깔에따른특성에대하여먼저분석한후에펄스및연속레이저를사용하여다양한실드조건및용접방법에대하여용접특성을평가하였다. 2. 사용재료및실험방법 2.1 사용재료 실험에는순도 99.9% 이상의공업용순티타늄을사용하였으며그화학조성및사이즈를 Table 1과 Fig. 1에각각나타낸다. 재료와레이저열원간의물성평가를위한기초실험에서는두께.6mm 의판재를주로사용하였고, 겹치기및에지용접으로의적용을위한실험에는주로두께.8mm 판을사용하였다. 시험편은용접전에아세톤과메탄올을사용하여유분및수분을완전히제거하여유분의혼입에의한용접부의오염방지및수소와산소의해리로인한용접부의산화및취화를방지하고자하였다. 2.2 실험장치및방법본실험에사용한레이저는모두램프여기방식의 Nd:YAG 레이저로 W 펄스레이저, 1kW 및 4kW 연 Table 1 Chemical compositions of pure titanium Elements(wt%) O C N H Fe Ti Material Pure titanium.5.1.1.1.4 Bal. (ASTM Gr. 1) Camera Collimating Broadband lens filter Total reflection mirror Camera Shield gas Focusing Protective glass B lens A Cooling water in Shield gas in Shield nozzle (a) Pulsed laser head (b) CW laser head Fig. 2 Laser optics for welding 속레이저이다. Fig. 2에 W 펄스레이저및 1kW 연속레이저의광학계를나타낸다. 용접부의전면실드는 4kW 연속레이저의경우에는사이드실드가스노즐을사용하였고, 나머지두레이저는동축실드가스노즐을사용하여실시하였으며이면실드는지그의홈을이용하여실시하였다. 또한필요한경우에는실드노즐을따로설치하여후방실드도행하였다. 실드가스는아르곤 (Ar), 헬륨 (He) 등을사용하였고용접전에 3초간퍼지 (purge) 하여실드가스라인내의이물질및공기를배제하였다. 용접비드의색깔및실드가스의종류에따른용접특성평가시에는형상인자를배제하기위하여비드용접을실시하였고, 산업현장에적용을위하여겹치기및에지용접도실시하였다. 각레이저별용접조건을 Table 2 에나타낸다. 용접부의취화정도를평가하기위하여마이크로비커스경도계를사용하여하중을.3kgf/mm 2 으로 1초간가하였으며용접부중앙을중심으로오른쪽을 +, 왼쪽을 - 로표시하였다. 겹치기및에지용접에대한경도측정부위는 Fig. 3과같다. 산화및질화의진행정도를평가하기위하여용접비드및용접부에대하여 EDS Table 2 Welding parameters Laser type Continuous wave Pulsed wave Parameters 2kW laser 4kW laser Power 22V(4ms, Hz) 9W 2.kW f d(mm) -1 v(m/min) 1.5 2.5 2.~3.5.6 or.8 Fig. 1 Dimension of specimen(unit:mm) (a) Lap welds (b) Edge welds Fig. 3 Illustration of hardness measuring method 526 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 9
순티타늄판의 Nd:YAG 레이저용접성에관한연구 (I) - 실드조건에따른용접특성 - 57 분석및산소 질소정량분석기 (LECO-TC) 를사용하여정량분석을실시하였다. 3. 실험결과및고찰 3.1 용접부의비드색깔에따른특성 티타늄은산화정도에따라용접비드의색깔이변하므로이를통하여용접성을간접평가할수있다 9) 고보고되고있으나정량적인평가는이루어져있지않다. 따라서티타늄판에실드조건을여러가지로변화시켜서비드용접을하고비드의 EDS 면분석, 용접부의경도및산소 질소정량분석을통하여이를해명하고자하였다. 먼저, 펄스레이저를사용하여집광광학계의비초점거리 (defocused distance, f d) 변화에따른비드천이 (bead transition) 를알아보기위하여실험을실시하였다 1). f d=-.5mm에서가장깊은용입을나타내었고비초점거 리가증가할수록용입깊이가감소하는경향을나타내었다. 그러나 f d=-.5mm 에서는청색의비드를얻은데반하여, 초점 (f d=mm) 에서는황금색과갈색이섞여있고비드폭이가장좁은용접부를얻을수있었으므로초점을용접조건으로선정하였다 11). 비드용접에서는완전용입용접 (full penetration welding) 이이루어지는조건에서실드조건만을변화시켰다. 산화가완전히방지된은백색의이면비드를얻기위하여이면실드 (back shield, Q bs) 에는 Ar(1l/min) 을사용하여이면비드의산화에의한용접부물성의변화를배제하였다. 전면비드에는다양한색깔을얻기위하여동축실드 (coaxial shield, Q cs) 와후방실드 (after shield, Q as) 를 Ar과 He을사용하여행하였고산화된비드를얻기위하여공기중에노출도시켰다. 비드색깔에따른비드의모양과경도분포를 Fig. 4에나타낸다. 황금색, 갈색, 청색에서모두건전한비드를.6mm t ( 1), f d=mm, τ p=4ms, V L=22V, R p=hz, v=1,mm/min shape Qcs:Ar(1l/min), Q bs :Ar(1l/min), Q as :Ar(2 l/min) Q cs :Ar(1l/min), Q bs :Ar(1l/min) Hardness(.3kgf/mm 2 ) After shield - - - - (a) Gold (b) Brown shape 2mm 1mm Q cs :He(1l/min), Q bs :Ar(1l/min) Q cs :none, Q bs :Ar(1l/min) Hardness(.3kgf/mm 2 ) Front shield - - - - (c) Blue (d) Gray Fig. 4 shapes and hardness distributions with shield conditions 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 527
58 김종도 곽명섭 김창수.6mm t ( 1), f d=mm, τ p=4ms, V L=22V, R p=hz, v=1,mm/min shape 2mm 1mm Q cs :N 2 (5l/min), Q bs :Ar(1l/min) Q cs :N 2 (25l/min), Q bs :Ar(1l/min) Hardness(.3kgf/mm 2 ) - - - - (a) Q cs:n 2(5l/min) (b) Q cs:n 2(25l/min) Fig. 5 shapes and hardness distributions with N2 gas 얻었고황금색에서갈색, 청색으로갈수록미세하나마 부가넓어지는반면용융부가좁아지는경향을보였다. 이것은첫째, 산화가진행됨에따른발열둘째, 모재에서 Ti가증발하면서공기중의 O 2 와결합하여생성된 TiO x 의산화물인퓸 (fume) 의레이저차단셋째, O 2 의유입에의한융액표면장력의변화에의한영향이라고생각된다. 융액에 O 2 가유입되면고온부에서표면장력이증가하여융액의대류방향이가운데로몰리고깊은용입을얻을수있기때문이다. 모재의경도가 ~ 15Hv 이고황금색, 갈색, 청색으로갈수록조금씩높아지다가회색에서약 3Hv 정도로매우높아지는데이것은용접부의취화에의한것이다. 질소에의한용접부의질화정도를알아보기위하여 Fig. 5와같이 N 2 를실드가스로사용하여상기와동일한조건에서용접하였다. Q cs=5l/min에서부터전면비드가건전하지못하고용접부가좁았으며 의크기가대기에노출되어완전히산화된경우와비슷하다. 25l/min에서는용접부에용락이발생하였다. 용접중퓸 (fume) 의발생에의하여레이저가차단되어입열이다소감소하였음에도불구하고용접부가좁고 부의면적이넓으며, N 2 를 25l/min 사용한경우에용락이발생한것은질화에의한발열이원인이라고생각된다. N 2 를실드가스로사용하였을때대기중에서보다경도가 6 ~ Hv 정도더상승하였고 25l/min을사용한경우에는용접부의취화에의한균열도발생하였다. Fig. 6과같이비드색깔에따른비드표면의산화및질화정도를평가하기위하여 EDS 면분석을실시하였 color Analysis SEM image Area analysis(eds) Ti N 2 O 2 Gold Brown Blue Gray Fig. 6 SEM image and EDS analysis results of weld bead with shield conditions 다. 비드색깔이회색으로변함에따라 N 2 는큰차이가없으나 O 2 는눈에띄게증가하고있다. 대기중에는 O 2 가약 21%, N 2 가약 78% 로 N 2 가 O 2 보다더많이포함되어있음에도불구하고산소량이더많이검출된것은 O 2 가 N 2 보다티타늄과의반응성이더좋기때문이라고생각된다. 청색까지는모재와비교하여 O 2 는큰변화가없고 N 의양은점점증가하다가회색에서 O 2 는모재의약 3배, N는모재의 배가함유되어있는것을 Fig. 7에서확인할수있다. Fig. 4의경도계측결과와같이생각하였을때용접부의취화에는 N 2 가가장큰영향을미치는것이명확하다. 그이유는 N 2 의원자반경은.53A, μm 528 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 9
순티타늄판의 Nd:YAG 레이저용접성에관한연구 (I) - 실드조건에따른용접특성 - 59 Element content(wt%) Fig. 7.3.25.2.15.1.5..58 Oxygen Nitrogen.27.74.19.68.21.83.44.2 G old Brown B lue G ray.27 Oxygen and nitrogen quantitative analysis results with bead colors.8mm t ( 1), P L=9W, f d=-1mm, v=2.5m/min, Q bs:ar(purity 99.8%, 1l/min) Penetration depth, D p (mm) 9 Full penetration 7 5 1 15 2 25 Quantity of coaxial shield gas, Q cs (l/min) (a) Q cs:ar(purity 99.8%) D p W f W b 1 1 1 Front bead width, W f (mm) Back bead width, W b (mm) O 2 는.61A 으로 N 2 가 O 2 보다원자반경이 87% 정도로작아서침입형원자로작용하기가쉽기때문으로사료된다. 3.2 실드가스종류에따른용접성실드가스의종류및유량에따른용입특성을평가하기위하여 1kW 연속레이저의비드용접에서일반적으로많이사용하는순도 99.8% 와고순도 99.999% 의 Ar, He 가스를사용하여전면실드를하였고이면은지금까지와같이순도 99.8% 의 Ar을 1l/min흘려서실드하였다. 용접조건은완전용입이되도록선정하였고전면비드폭 (W f) 과이면비드폭 (W b) 으로용입특성을평가하여 Fig. 8에나타내었다. Ar을실드가스로사용한경우, 순도에관계없이거의비슷한경향을나타내었고유량이 5l/min이상에서는전면비드폭과이면비드폭이거의일정하게유지되었다. 비드색깔에서는순도 99.8% 의경우 2l/min이상에서갈색과황금색이섞여있는동일한색깔을나타내었고순도 99.999% 의경우에는 15l/min이상에서순도 99.8% 와같은비드색깔을보였다. 순도가높은 99.999% 가적은유량에서도실드효과가뛰어난것을확인할수있었다. 순도 99.999% 의 He을실드가스로사용한경우에는 Ar의경우와달리 1l/min에서부터완전용입되었고 15 l/min이상에서는황금색에가까운비드를나타내었기때문에실드에는 He이조금더유리하다고생각된다. 그이유는 He과 Ar의물리적성질의차이에의한것으로 Ar에비하여 He은비중이 1배작고열전도도가 8.5 배크기때문에주위의열에너지를쉽게뺏어달아나서냉각효율이좋기때문이다. 이온화에너지는 1.5배커서 Ar보다쉽게전리되지않는다. 대출력의레이저용접시에 Ar보다 He을많이사용하는이유는 Ar은쉽게플라 Penetration depth, D p (mm) Penetration depth, D p (mm) 9 1 Full penetration 1 7 1 D p W f W b 5 1 15 2 25 Quantity of coaxial shield gas, Q cs (l/min) 7 (b) Q cs:ar(purity 99.999%) 9 Full penetration 1 1 1 D p W f W b 5 1 15 2 25 Quantity of coaxial shield gas, Q cs (l/min) Front bead width, W f (mm) Front bead width, W f (mm) Back bead width, W b (mm) Back bead width, W b (mm) (c) Q cs:he(purity 99.999%) Fig. 8 Penetration properties with shield conditions 즈마화되어레이저를산란및반사시켜효율을떨어뜨리기때문이다 12). 3.3 겹치기및에지용접시의경도특성지금까지의기초실험을바탕으로현장에서많이사용되는겹치기및에지용접부에대한특성을알아보기위하여추가실험을행하였다. 현장에서의생산성및레이저가격을고려하여 4kW의연속레이저에서 2kW의출력으로용접하였다. Fig. 9와 Fig. 1에겹치기및에지용접시의실드가스유량변화에따른용접부의경도분포를 Fig. 3과같이측 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 529
6 김종도 곽명섭 김창수.8mm t ( 2), P L=2.kW, f d=mm, v=2.m/min, Q bs:ar(1l/min).8mm t ( 2), P L=2.kW, f d=mm, v=3.5m/min, Ar 2l/min Ar 2l/min -3, -2, -1, 1, 2, 3, 1, 1, 2, Distance (mm) (a) Top plate (a) Case 1 Ar 2l/min Ar 2l/min -3, -2, -1, 1, 2, 3, 1, 1, 2, Distance (mm) (b) Bottom plate (b) Case 2 Fig. 9 Hardness distribution of lap welds with gas flow rate by 4kW CW laser Fig. 1 Hardness distribution of edge welds with gas flow rate by 4kW CW laser 정하여나타낸다. 용접부,, 모재순으로경도가낮아지는경향을나타내고유량 15l/min 이상에서는큰차이를나타내지않았다. 따라서일정량이상의실드가스유량만확보되면용접부의실드에는문제가없을것으로생각된다. 4. 결론 두께.6 및.8mm의순티타늄판을펄스및연속 Nd:YAG레이저를사용하여용접하였으며다음과같은결론을얻었다. 1) 용접부의비드색깔에따른경도, 질소와산소의함유량을정성적으로정리하면아래의표와같으며용접부의취화에는산소보다질소가더큰영향을미친다는것을알았다. Gold Brown Blue Gray Hardness(Hv) 115 148 173 179 3 Nitrogen(wt%).27.19.21.44.27 Oxygen(wt%).59.74.69.83.2 2) 물리적성질에의해 He이 Ar보다실드효과가더 뛰어남을확인하였다. 3) 겹치기및에지용접에서는 이상으로 충분한전면실드효과를얻었다. 후기 본연구는산업자원부지역산업기술개발사업 ( 과제번호 :27454) 의지원으로수행되었으며이에감사드립니다. 53 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 5, October, 9
순티타늄판의 Nd:YAG 레이저용접성에관한연구 (I) - 실드조건에따른용접특성 - 61 참고문헌 1. 下平三郞 : 腐食 防食の材料科学, アグネ技術センタ, 1995 (in Japanese) 2. Woong-Seong Chang, Mok-Young Lee, Byoung-Hyun Yoon : High Current Keyhole GTAW for Stainless Steels and Ti Alloys, Journal of KWS, 22-6(4), 6-9 (in Korean) 3. 上瀧洋明 : チタンの溶接技術, ( 社 ) 日本チタン協會, 日刊工業新聞, (in Japanese) 4. Byoung-Hyun Yoon, Suk-Hwan Kim, Woong-Seong Chang : Recent Trends of Welding Technology for Ti and Ti Alloys, Journal of KWS, 25-5(7), 22-28 (in Korean) 5. Fujii Nobuyuki, Fukuhara Yoshimasa, Hinata Teruhiko and Yasuda Katsuhiko : Examination of Melting Characteristics of Pure Titanium and Welding Procedure conditions -Welding or Pure Titanium and Joint Performance (Report 1)-, Journal of Japan Welding Society, 2-1(2), 2-25 (in Japanese) 6. B. Majumdar, R. Galun, A. Weisheit, B. L. Mordike : Formation of a crack-free joint between Ti alloy and Al alloy by using a high-power CO 2 laser, Journal of materials science, 32(1997), 6191-6 (in Japanese) 7. S. CHATTERJEE, T. A. ABINANDANAN, K. CHATTOPADHYAY : Microstructure development during dissimilar welding - Case of laser welding of Ti with Ni involving intermetallic phase formation -, Journal of materials science, 41(6), 643-652 (in Japanese) 8. Takeshi Shinoda, Kenichi Matsunaga, Motoei Shinhara : Laser Welding of Titanium Alloy, The Japan Institute of Light Metals, 28-2(199), 49-56 (in Japanese) 9. チタンの加工技術, ( 社 ) 日本チタン協會, 日刊工業新聞, 1992 (in Japanese) 1. Jong-Do Kim, Myung-Sub Kwak : Lap Weldability of Pure Titanium by Nd:YAG Laser, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, 32-2(8), 315-322 (in Korean) 11. Jong-Do Kim, Myung-Sub Kwak, Chang-Je Lee, Chang-Soo Kim : Weldability of Pure Titanium Thin plate for LPG Re-Condenser by Nd:YAG Laser -Physical Constant and Welding Parameters-, Proceedings of the 7 Annual Autumn Meeting of Korean Welding Society, 48(7), 363-365 (in Korean) 12. A. Matsunawa, T. Ohnawa : Beam-Plume Interaction in Laser Materials Processing, Transactions of JWRI in Osaka University, 2-1(1991), 15-39 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 5 號, 9 年 1 月 531