22 특집 : 경량합금 Ti, Mg 의최신용접기술 Recent Trends of Welding Technology for Ti and Ti Alloys Byoung Hyun Yoon, Suk Hwan Kim and Woong-Seong Chang 1. 서론 타이타늄은 1930년대새로운타이타늄추출방법인 Kroll법 이고안되면서대용량의타이타늄의추출이가능해지고그사용도본격화되었다. 초기에는군용항공기용소재로사용되다가민간항공기에까지적용되는등초기타아티늄의수요는항공산업중심이었다. 타이타늄은우수한비강도, 내식성, 고온강도및피로특성이우수한소재로구조용으로는 α-β 상으로구성된 Ti-6Al-4V 합금이많이사용되고있으며최근에는새로운타이타늄의합금들이개발되면서그용도가확대되고있다. 타이타늄은 α상과 β 상의두가지상이존재하는데 HCP 구조를갖는 α상은 882 까지안정하며그이후 BCC 구조의 β 상으로변태한다. 첨가되는합금원소의종류에따라 α합금, near α 합금, α-β 합금, near β 합금및 β 합금으로대별되는데이러한다양한합금의출현으로항공산업으로국한되던용도가산업용및소비재분야까지확대되고있다. 그러나순수타이타늄을제외한타이타늄합금의용접및접합은여러가지문제를안고있는실정으로선진국을중심으로새로운용접공정및용접재료의개발이이루어지고있다. 따라서본특집기사에서는최근타이타늄및타이타늄합금이확대적용되고있는산업분야와이를위한용접 / 접합공정과관련된기술적특징을중심으로내용을정리하였다. 2. 본론 2.1 타이타늄의일반적특성 타이타늄및타이타늄합금은뛰어난내식성과고강도때문에화학산업및항공산업에적용되고있다. 일반적으로낮은강도를갖는합금화되지않은순수 (CP, commercially pure) 타이타늄은화학공장, 발전소등에서탱크, 열교환기, 반응용기등으로사용된다. 고강도 타이타늄합금은항공기와같은높은비강도가요구되는부품에적용되고있다. 타이타늄은융점이약 1,670, 밀도는 4.51g/cm 3 이며, 1등급의순수타이타늄인경우인장강도는 245 MPa, 연신율은 24% 이다. 순수타이타늄은 883 에서 HCP(α 상 ) 로부터 BCC(β상 ) 으로동소변태하며, 변태온도는합금원소첨가에따라강하게영향을받아상승하거나하강한다. 산소, 질소및탄소와같은침입형원소는 α상안정화원소이고, 수소는 β상안정화원소이다. 순수타이타늄은불순물함량의증가에따라강도는증가하지만연신율은감소하는특징을지니고있으며, 온도에따른강도및크리프강도는 300 까지는안정하지만온도의증가에따라감소한다 1). 타이타늄합금은합금원소및구성조직에따라 (a) 순수타이타늄, (b) α형합금 (c) 준안정 α형합금 (d) α +β형합금 (e) 준안정 β형합금 (f) β형합금으로나눌수있다. Ti-5Al-2.5Sn 은 α형합금의대표적인합금으로고온강도가요구되는항공기용부품에이용되고있으며, Ti-6Al-4V 합금은 α+β형합금의대표로약 870MPa 이상의강도가높고용접성및성형성이양호하여널리사용되고있다. 2.2 타이타늄의용접 2.2.1 타이타늄의용접성타이타늄및타이타늄합금은 GTAW, GMAW 를비롯한플라즈마아크요접, 레이저및전자빔용접등의용융용접공정으로용접할수있다. 그러나 500 를넘으면타이타늄은산소, 질소, 탄소및수소에의해쉽게경화될수있어서, 용융, 응고되는동안대기, 수소, 탄소화합물등의오염을방지하기위한차폐를실시해야한다는것이다. 만일일정량이상오염되는경우용접하는동안응력에의한균열이발생할수있다. 비록국부 478 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007
23 Table 1 Typical mechanical properties and physical properties of Ti and Ti alloys 2) Designation Commerically Pure Titanium Medium Strength Alloys High Strength Alloys Highest Strength Alloy Type Alpha Alpha-Beta Alpha-Beta Beta 0.2% Proof Stress MPa 345-480 480-550 725-1000 1100-1400 Tensile Strength MPa 480-620 600-650 830-1100 1200-1500 Elongation % 20-25 15-20 8-15 6-12 Tensile Modulus GPa 103 104 110-120 69-110 Torosion Modulus GPa 45 43 40-48 38-45 Hardness HV 160-220 200-280 300-400 360-450 Density kg/1 4.51 4.48-4.51 4.43-4.60 4.81-4.93 Thermal Expansion 10-6/ 8.9 8.3 8.9 7.2-9.5 Conductivity W/mK 22 8.0 6.7 6.3-7.6 Specific Heat J/kg/ 525 544 565 490-524 적인보호가스차폐로용접부를보호할수있으나중요부품의경우고진공또는불활성분위기의보호챔버내에서용접할필요가있으며, 엄격한용접부개선, 가스품질, 차폐전략이필요하다. 타이타늄은대기중에서고온으로가열하게되면표면이대기로부터오염되어여러가지색상으로변화하게되는데, 가열온도의상승과더불어금색, 주홍색, 청색등의순서로변한다. 회색, 황백색으로변한경우용접부에문제가많은것으로판단하여용접비드와인접부를완전히제거하여야한다 3). 타이타늄의용접성은일반적으로용접금속의인성과연성에달려있다. 순수타이타늄을이용한제작은비교적쉬우며, 보통용접상태그대로사용한다. 타이타늄합금은용접금속의인성과연성이감소되므로합금의종류에따라주의가요구된다. ASTM Grades Weldability Comments 1,2,3,4,7,11,12,13 14,15,16,17,26,27 Table 2 Weldability of the common ASTM grades 2) Excellent 타이타늄의용접에서가장일반적인용접공정은 GTAW 이다. 보통불활성가스로아르곤을사용하지만용입및용접속도증가를위해서헬륨을혼합하여적용하기도한다. 용접부의오염을제한할경우불활성가스분위기 Fig. 1 Color variation of GTAW weldment with shieldin g gas 2) Commercially pure and low alloy grades with minor additions of Pd, Ru, Mo etc 9,18,28 Excellent Ti-3A1-2.5V grades 5,23,24,29 Fair-good Ti-6A1-4V grades 21 Excellent Beta alloy 6,6ELI Good-excellent Ti-5A1-2.5Sn Table 3 Weldability of selected non-astm Ti alloys 2) Alloy Weldability Comments Ti-6A1-2Sn-4Zr-2Mo Fair-good Common aerospace alpha& beta grade Ti-6A1-2Sn-4Zr-6Mo Limited Aerospace alpha & beta grade Beta III Excellent Beta alloy Ti-15V-3A1-3Sn-3Cr Excellent Beta alloy 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 479
24 의챔버내에서용접을실시한다. GTAW는수동및자동용접이가능하다는것과고품질의용접부를얻을수있다는것, 스패터가적다는장점이있으나생산성이낮고전극이용융지에닿을경우텅스텐개재물이생성될수있다는단점이있다. 한편, 타이타늄의판두께가두꺼워지면 (5mm 이상 ) GMAW를적용한다. 안정한용착을위해서는높은전류가필요하며, 펄스공정이적용될수있다. 타이타늄와이어사용시오염될경우에는접촉팁의빠른소모가발생되며, 불량한표면이형성될수있다. 플럭스를이용한용접공정으로는 submerged arc, electro-slag 및 flux cored arc welding이있으며, 적절한플럭스를선정하는데어려움이있다. 산화물계열은용접부를오염시키며, 습기에대한방지가필요하다. 일반적으로플럭스를이용한용접은타이타늄에적절하지않는것으로알려져있으나후물재의제조비용을절감하기위해서는용접법에대한연구가필요하다. 고에너지용접인플라즈마아크용접은키홀모드에의한완전용입이가능하고, GTA 및 GMA 용접공정보다생산적이면서기공형성억제에효과적이다. 용가재의사용은플라즈마가스의불안정성을야기하므로제살용접으로적용한다. 최근에는타이타늄에대한레이저용접공정적용이증가하고있는추세로, 자동화생산에있어낮은변형및생산성은 GTAW나전자빔보다우세하며, CO 2 레이저는 25kW 장비를이용시 20mm의판재를한번에용접할수있다. Nd-YAG 레이저는파이버전송으로인한유연성이있으나출력에제한이있으며, 레이저용접부는루트표면에용접스패터발생의우려가있다. 전자빔용접은타이타늄합금의용접에있어서가장이상적인용접공정이다. 하지만큰구조물의경우장비의비용이막대하고진공배기시장시간이소요된다. 최근에는생산성을높이기위한방안으로 RPEB(Reduced Pressure Electron Beam) 이개발되었는데 RPEB는용접부주위를 10-1mbar 의저진공으로적용한다. 한편, 타이타늄의높은저항과낮은열전도도특성은저항용접을적용하기적절하다. 이경우최적용접을위해서는맞대는면의청정도가중요하다. 점용접의경우구형의구리전극을이용하여 5~10kA, 수 kn의압력으로실시하며, 전기펄스에의한열사이클이매우빨라보호가스는불필요하다. 심용접의경우에는반복되는열사이클로인한열의축적으로산화가발생하므로보호가스에의한용접부의차폐또는수냉장치의적용이바람직하다. 마찰용접은보호가스차폐가필요업고빠른공정과 높은기계적특성이장점이다. 스터드용접은이동성장비를이용하여타이타늄건축용판넬의스터드부착에적용하고있다. 회전마찰용접은부품의회전이필요하다는단점이있으며, RFW(Radial Friction Welding) 는파이 프용접시적용할수있는공정으로 V형링을회전, 압축시켜마찰용접을수행한다. 이장치는고가이며, 아직까지검증되지않았다는단점이있다. 선형마찰용접공정은회전마찰용접의대칭성에대한제한을탈피한공정으로항공엔진분야에서디스크에블레이드를연결하기위한방안으로적용하고있다. 계면접합공정으로는확산접합을들수있다. 타이타늄은접합온도에서의산화물용해특성으로확산접합을적용하기가장용이하다. 하지만매우느리고상당한정밀도가필요하다는단점이있다. 전자빔을이용한확산접합은계면에서만가열되므로에너지를절약할수있으며, 매우우수한특성을가진다는보고가있으나상업적적용은아직미흡한단계이다. 플래시버트용접은복잡하거나큰섹션의맞대기용접에적합하며, 항공엔진의 stator rings 을생산하는데사용된다. 폭발용접은화약이발화하는동안생기는고압의에너지를금속간의접합에이용하며, 타이타늄의이종접합및라이닝공정, seal 용접등에적용될수있다. 인서트를이용한접합공정으로브레이징이있다. 브레이징시 Ag-Al-Ti계인서트를이용하여접합하며, 산화문제로진공브레이징로에서작업한다. 주로타이타늄 (a) (b) (c) (d) Fig. 2 Weldment of various welding method (a) Electron beam welding (b) Brazing (c) Explosive weldin g (d) Spot welding 480 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007
25 의이종접합에적용한다. 솔더링은표면산화물의안정성으로인하여적용하기매우힘든공정이다. 최근매우반응성이큰플럭스를이용한접합또는 PVD, 코팅을이용하여 Cu, Zn층을형성한후접합하는방식등이시도되고있다. 접착제를이용한접합법은판재의접합및비금속과의접합에이용된다. 이경우접합하고자하는면의전처리가매우중요하다. 한편, 부식에대한위험성이큰부위의연결부에는기계적체결방식이적용되기도한다. 2.3 타이타늄에대한최신용접공정적용대부분의타이타늄용접은 GTA 용접공정으로진행되지만저비용고생산성또는고품질을위해좀더효율적인공정이고려될수있다. 타이타늄에대한최신공정으로는키홀티그용접공정과마찰교반용접공정을들수있다. 2.3.1 Keyhole TIG 용접 Keyhole TIG 용접기술은호주의 CSIRO에서개발된공정으로고품질의깊은용입을장점으로가지는아크용접공정이다. 일반적으로 GTA 용접은광범위의소재를고품질로용접하기위해오랫동안사용되어왔고, 용접전류는보통 30에서 250A사이에서조절되어후판의경우 V- 또는 X-형으로가공하여다층용접하는것이일반적이다. 250A이상의고전류를적용하는경우에는전자기적으로유도되는아크력으로인한용융지의이동과높은입열량의효과로비교적깊은용융지를형성한다. 하지만근본적으로용융지의불안정성으로인하여용접공정의조절이어려워 350A이상에서용접부에공동등의결함을유발할수있다. Keyhole TIG 용접은이러한용융지의불안정성을해결한새로운공정으로키홀모드의아크및아크가스는안정된용융지를형성함으로서고전류아크적용을가능케하였다. Fig. 3(a) 는 Keyhole TIG 용접공정에적용되는토치이고, Fig. 3(b) 는 Keyhole TIG 용접시강한아크력에의해형성된전극주변용융지의형상이다. GTA 키홀은다른키홀공정용접과는달리높은에너지밀도에의존하지않으므로비교적낮은열전도도를가지는스테인레스강과타이타늄의용접에적절하며, 다른키홀공정용접과마찬가지로루트에서는표면장력에의해용락이방지된다. 특히, 다층용접동안오염되기쉽고, 밀도가낮은타이타늄의경우이공정의적용은이상적이라할수있다. 이공정은소재의화학조성및그에따른다른 Marangoni 유동에의존하는일반아크공정과달리용입이용융지의대류에덜의존적이 (a) (b) Fig. 3 Keyhole TIG welding (a) Torch (b) Keyhole 며, 3에서 12mm 두께의낮은열전도도를가지는소재의단층공정으로넓은평판과압력용기및파이프용접에적용될수있다 4). Fig. 4는키홀티그로용접된 14mm 두께의 ASTM B862 Grade 12 티타늄파이프의섹션으로, 개선없이단순한맞대기로용접재료없이용접되었다. Fig. 4 Keyhole TIG welding of titanium pipe (a) (b) (c) Fig. 5 Comparison of welding of CP Ti with welding method 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 481
26 Fig. 5(a) 및 (b) 는각각 13mm 두께 ASTM B265 Grade 2-95a(CP titanium) 에대한 Keyhole TIG 와일반 GTA 용접을비교한것으로, 일반 GTA 용접은 V형개선에용접재료를이용하여 6패스로용접한것이다. Fig. 5(c) 는 Keyhole TIG 용융루트부의미세조직으로루트에서는기공등아무런결함도관찰되지않는다.(Etchant: ammonium bifluoride + water) 5) Fig. 6은 13mm 두께 ASTM B265 Grade 5-95a (Ti-6Al-V) 에대한 Keyhole TIG 용접결과로 Fig. 6(a) 는 1패스 Keyhole TIG 용접이고, 6(b) 는비드를완만하게하기위해기존용접부를다시용접한결과이다. (c) 는용융루트부, (d) 는열영향부의마이크로조직이다. 내부에는기공을비롯한 LOF(lack of fusion) 등결함이관찰되지않는다. (Etchant: Kroll s Reagent) 로인한변색이되었으나결함이존재하지않았다. Fig. 9 에접합부에수직한방향으로절단한단면사진 Advancing side of weld Trailing edge of the rotating tool Sufficient downward force to maintain registered contact Probe Joint Leading edge of the rotating tool Shoulder Retreating side of weld 2.3.2 마찰교반접합 (FSW) 1991년영국 TWI(The Welding Institute) 에서 Al합금에대한신개념의용접법인 Friction Stir Welding ( 이하 FSW) 이개발되었다. 이신용접기술은알루미늄을접합하는데매우획기적인접합법으로, 툴과시편의마찰열원을이용하여기존의용융접합에비해낮은입열로접합이행해지기때문에작은잔류응력, 적은변형등의장점을더욱부각시킨신접합법이다. 또한알루미늄, 마그네슘합금등의경금속등에많은연구및적용사례가자동차, 선박, 전동차, 비행기산업등의수송기계산업분야에서경량화의목적으로상용화되고있다. Fig. 8은마찰교반접합법을이용하여 5.5mm 두께의 CP Ti를맞대기접합한표면사진으로서접합시고열 Fig. 7 Principle of friction stir welding Fig. 8 Friction stir welding of CP Ti (a) (b) (c) (d) Fig. 6 Ti-6Al-V 타이타늄합금에대한용접공정비교 (a) Keyhole TIG 용접 (b) 재용융용접후 (c) 용융루트부 (d) 열영향부 (HAZ) Fig. 9 Optical macrostructure and microstructures of CP Ti 482 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007
27 과각영역별미세조직사진을나타내었다. Fig. 9(a) 모재는평균결정립크기약 25μm의 α-상조직, Fig. 9(b) 는열영향부로서모재에비해결정립들이미세하게성장한것을알수있다. (c) 는 TMAZ 로서일반적인 Al 합금의 FSW접합시접합부에나타나는기계적영향을받은연신조직이발생하지않았다. (f) 는중심에서모재쪽으로약간떨어진부분으로서 α상과 β상의혼합조직이관찰되었다. 이는마찰교반용접의특징인접합부의동적재결정의영향으로사료된다. Fig. 10은 CP Ti의 FSW 접합부의경도분포를나타낸것으로서접합부의경도는 180 190Hv로모재에비해서약간의상승을보이는데이는 SZ의경도값이모재의경도값보다상대적으로높아진것을알수있다. 2.4 타이타늄의적용타이타늄은합금강과같은정도의강도를가지면서강보다 30 40% 가볍고, 400 480 의고온까지견딜수있다. 또한많은화학약품에대해서우수한내식성을나타내므로, 우주항공, 화학산업, 해양분야및상업분야전반에걸쳐기술적인우수성과경제성이널리입증되고있다. 화학공업의급속한발전및신기술의개발에따라화학공업용장치재료는고도의내식성을요구함에따라티타늄수요가증가하고있는실정이다. 타이타늄합금의우수한고온강도, 내식성등을활용하여가스터빈엔진분야에서는 Fan blades, compressor blades, discs, hubs 및 non-rotor parts 등의부품에적용이되고있으며, 발전설비및중화학분야에서는티타늄콘덴샤, 관형열교환기, 판형열교환기등에적용이되고있다. 자동차분야에서는아직기초적인적용단계로서각종 Hardness (HV) 240 SZ 220 200 180 160 140 120 100-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 Distance from weld center (mm) Fig. 10 Hardness distribution of Ti joints 밸브및스프링, 커넥팅로드등에적용이되고있으나, 자동차에대한연비및효율등에대한사회적요구가증대되고있기때문에적용분야는더확대될것으로기대된다. 스포츠 / 레저분야는생활수준향상및고령화사회시대가도래됨에따라타이타늄의활용이활발하게적용되고있는분야중의하나로티타늄골프클럽헤드, 테니스라켓프레임, 당구큐프레임, 야구배트및자전거프레임등의제품에적용되고있다. 우주항공분야에서는항공기가스터빈엔진, blade, disc 또는 hub, inlet guide vane 및케이스, 날개구조물들, 랜딩기어부품들, 주요소형볼트류, 스프링류등에활용되고있다. 타이타늄합금의인체에친화적인소재로의료분야에도적용이되고있어서, 인공이식, 외과장비, 맥박조정기케이스또는원심분리기등에활용이되고있다. 최근에는일본및유럽을중심으로건축용외장재로도사용이되고있는데건축물의지붕, 외벽등에박판의타이타늄을활용한시공이이루어지고있다. 3. 결론 선진국의경우타이타늄수요의약 70% 가우주항공관련분야에적용되고있으며, 최근일본을중심으로항공분야이외의자동차, 건축, 스포츠 / 레저등소비재분야로확대적용되고있다. 이러한추세는현응용분야의확산및새로운응용개발로인해일반산업, 해양분야및상업분야에서괄목할만한성장이이루어질것이다. 에너지문제와관련하여자동차를비롯한, 선박, 항공우주기기와같은수송기기의경량화는에너지를절감하고효율성을높이는방법이다. 용접기술은수송기기의경량화를이루는데핵심적인생산기술로써현재의활용범위를넓히기위해서는소재자체의물성향상도중요하지만우수한용접성을확보하기위한관련기술의개발이반드시필요하다. 참고문헌 1. 용접 접합편람, 대한용접학회, (1998), 278 2. Titanium information group, Welding Titanium, TWI, (1999), 3 3. W.A.Blaeslack and C.M.Banas: Welding Journal, 60-7,(1981), 121s-130s 4. Jarvis, B. L. and Ahmed, N. U. : Science and Technology of Welding and Joining 5, no. 1. (2000): 1-7 5. Lathabai, S., Jarvis, B. L. and Barton, K. J. : Materials Science and Engineering A299 (2001) 81-93 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 483
28 6. 김환태, 에너지절약형경량소재의용접기술동향, KISTI, (2004) 7. KOBELCO: Ti product Catalogue(2007) 윤병현 ( 尹秉鉉 ) 1964년생 포항산업과학연구원, 용접센터 용접야금, 오버레이용접, 부식 e-mail : paekam@rist.re.kr 장웅성 ( 張雄成 ) 1959년생 RIST 용접센터 철강및비철용접성, 신용접응용기술 e-mail : wschang@rist.re.kr 김숙환 ( 金肅煥 ) 1959 년생 포항산업과학연구원 고밀도에너지빔용접공정, 정밀접합, 용접야금 e-mail : weldksh@rist.re.kr 484 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007