티타늄 용접 가이드: 차폐, 결함 및 생산 관리

티타늄 용접이 실패하는 이유?

티타늄의 높은 중량 대비 강도 비율과 내식성에는 특정 열처리 한계가 있습니다. 작업 현장에서 이러한 한계를 어떻게 관리하느냐에 따라 용접 어셈블리가 기계적 테스트를 통과할지, 아니면 스크랩 빈으로 보내질지가 결정됩니다.

산소 오염

산화될 때 표면 스케일을 형성하는 탄소강과 달리 티타늄은 용융된 구조에 산소를 직접 흡수합니다. 간질 경화라고 하는 이 과정은 금속의 결정 격자를 물리적으로 변경합니다.

용접부는 시각적으로 멀쩡해 보일 수 있지만, 흡수된 산소는 재료의 경도를 높이는 동시에 연성을 현저히 감소시킵니다. 산소 함량이 높은 용접은 기계적 응력이나 굽힘 하중이 가해지면 균열이 발생하기 쉬우며, 최종 검증 테스트 중에 완전한 조립 불량을 초래하는 경우가 많습니다.

열 영향 지역(HAZ)

동안 TIG 용접용접 풀은 토치의 차폐 가스에 의해 보호됩니다. 그러나 주변 열 영향 구역(HAZ)도 427°C 반응성 임계값보다 훨씬 높은 온도에 도달하고 용접 중심보다 느리게 냉각됩니다.

HAZ가 여전히 고온에 있는 상태에서 차폐 가스를 제거하면 주변 금속이 대기 가스를 흡수합니다. HAZ가 손상된 부품은 육안 치수 검사는 통과하지만 인장 또는 정수압 테스트에서 정기적으로 불합격하는 경우가 많습니다. 생산 후반에 이러한 결함을 발견하면 용접된 구조물 전체를 폐기해야 하므로 프로젝트 리드 타임에 심각한 영향을 미칩니다.

용접 취성

습기나 오염된 차폐 가스가 용접 부위에 수소 또는 질소를 유입하면 티타늄 하이드라이드와 질화물이 형성됩니다. 이는 단단하고 부서지기 쉬운 화합물로, 재료 내부의 응력 지점으로 작용합니다.

이러한 화합물의 존재는 용접부의 피로 저항을 감소시킵니다. 주기적인 하중 또는 진동 하에서 이러한 내부 응력 지점은 시간이 지남에 따라 미세 균열을 발생시켜 부품의 장기적인 신뢰성을 저하시키고 조기 현장 고장 위험을 증가시킬 수 있습니다.

1등급 대 5등급

고장 위험은 처리되는 특정 티타늄 합금에 따라 달라집니다. 1등급 또는 2등급과 같은 상업적으로 순수한(CP) 티타늄은 더 관대하고 열 순환을 비교적 잘 처리합니다. 일반적으로 화학 탱크 및 표준 판금 부품에 사용됩니다.

반대로 항공우주 분야에서 널리 사용되는 알파-베타 합금인 5등급(Ti-6Al-4V)은 더 엄격한 열 관리가 필요합니다. 냉각 속도를 제어하지 않고 5등급을 용접하면 높은 잔류 응력이 발생하여 용접 공정이 완료된 후 부품이 뒤틀리거나 내부 균열이 발생할 수 있습니다. 5등급 부품의 경우 엔지니어링 팀은 이러한 응력을 완화하고 치수 안정성을 보장하기 위해 진공 용광로에서 용접 후 열처리(PWHT)를 고려해야 합니다.

용접 전 오염 제어

티타늄은 불순물에 매우 민감하기 때문에 아크를 치기 전에 공정 제어를 시작해야 합니다. 부적절한 재료 준비는 일반적인 결함의 원인이며, 이를 조기에 해결하면 불량률을 줄이고 제조 비용을 관리할 수 있습니다.

전용 작업 영역

다른 금속으로부터의 교차 오염은 종종 티타늄 용접부에 국소적인 약점을 유발합니다. 인근 연삭 스테이션의 공기 중 철 먼지가 티타늄 부품에 침전되면 용접 풀에 녹아 철 내포물을 유발하여 나중에 갈바닉 부식을 일으킬 수 있습니다.

티타늄을 가공하는 시설에서는 품질을 유지하기 위해 일반적으로 물리적으로 분리된 워크스테이션을 사용합니다. 전용 환기 장치와 격리된 작업대는 강철, 알루미늄, 티타늄 작업을 완전히 분리하는 표준 관행으로, AWS D1.9(구조 용접 코드-티타늄)와 같은 산업 가이드라인에 부합합니다.

산화물 제거

티타늄은 자연적으로 얇은 이산화티타늄 층을 형성하여 내식성을 제공합니다. 그러나 이 산화물 층은 기본 모재보다 녹는점이 높기 때문에 용접 접합부에서 기계적으로 제거해야 합니다.

제자리에 그대로 두면 작업자가 과도한 열을 가하여 녹여야 하므로 더 얇은 판금에 번스루 위험이 증가합니다. 또한 녹지 않은 산화물 입자가 용접 풀에 가라앉아 고체 내포물과 불완전한 융착을 유발하여 초음파 검사 중에 플래그가 표시될 수 있습니다.

아세톤 청소

기계적 준비 후에는 접합 부위를 기계 오일, 절삭유, 취급 흔적 등으로 깨끗이 닦아야 합니다. 맨손에서 나오는 탄화수소가 용접부를 오염시킬 수 있으므로 작업자는 일반적으로 이 단계에서 분말이 없는 니트릴 장갑을 착용합니다.

순수 아세톤 또는 메틸 에틸 케톤(MEK)으로 세척하는 것이 효과적입니다. 염화물이 포함된 산업용 탈지제는 용접 열에 노출된 염화물 잔류물이 시간이 지남에 따라 응력 부식 균열을 일으킬 수 있으므로 피해야 합니다. 세척 후에는 표준 관행에 따라 부품을 2~4시간 이내에 용접해야 합니다. 이 시기를 놓치면 재산화를 방지하기 위해 부품을 다시 세척해야 합니다.

도구 격리

관절 준비에 사용되는 연마 도구는 엄격한 관리가 필요합니다. 티타늄에 사용되는 스테인리스 스틸 와이어 브러시와 카바이드 버는 새 제품이어야 하며 티타늄 사용으로만 명시적으로 제한되어 있어야 합니다.

공유 와이어 브러시를 사용하면 미세한 철 또는 크롬 입자가 부드러운 티타늄 표면에 묻힐 수 있습니다. 용접 중에 이러한 이물질 입자는 용융 금속에 섞여 딱딱한 반점을 만듭니다. 최종 검사 중에 이러한 내포물은 종종 X-레이(RT) 또는 염료 침투제(PT) 테스트에 실패하여 전체 하위 어셈블리를 폐기하고 리드 타임이 몇 주 지연되는 결과를 초래합니다.