티타늄 용접

왜 배우는가: 티타늄 용접은 항공우주 구조물과 화학 플랜트처럼 신뢰성이 필요한 분야에서 재료 성능을 좌우하므로 실무에서 중요하다. 시험에서는 용접 전 준비, 차폐 방법, 가스 흡수 원리가 여러 교시에 걸쳐 함께 묻는다.

출제 이력: 제123회 3교시 1번, 제119회 3교시 2번, 제108회 2교시 3번, 제96회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

티타늄 용접은 고온에서 산소·질소·수소와 쉽게 반응하는 티타늄을 불활성 가스로 차폐하여 가스 오염과 취성을 막는 용접이다.

핵심 키워드는 티타늄(Ti), 순티타늄, Ti 합금, 산화막, 가스 흡수, 수소취성, 차폐 가스, 가스텅스텐아크용접(GTAW) 이다. 티타늄 용접에서 먼저 기억할 점은 금속 자체의 화학적 활성이 용접 품질을 결정한다는 것이다.

티타늄은 비강도가 높고 내식성이 우수하여 우주항공 구조물과 화학 플랜트 설비에 널리 쓰인다. 그러나 용접 중 용융 풀이 대기에 노출되면 산소, 질소, 수소가 금속 안으로 들어가 연성과 인성이 떨어진다. 따라서 티타늄 용접의 핵심은 아크 조건보다 용융부와 고온부를 대기로부터 격리하는 차폐 조건을 확보하는 데 있다.

가스텅스텐아크용접(GTAW)은 비소모식 텅스텐 전극으로 아크를 만들고, 용접부를 불활성 가스로 감싸 대기 오염을 막는 아크 용접이다. 티타늄 용접에 널리 쓰이는 공정이지만, 같은 공정이라도 차폐 가스의 흐름과 배치에 따라 결과가 달라진다. 그래서 답안에서는 공정명과 차폐 조건을 함께 적어야 한다.

2. 개념 풀이

정식 정의는 다음과 같다. 티타늄 용접은 용융 금속과, 용접 직후에도 고온인 열영향부가 대기 중 산소·질소·수소를 흡수하지 않도록 차폐 가스로 보호하면서 접합하는 용접법이다. 보호 대상은 용융 풀에 한정되지 않고 응고 직후의 고온 구간까지 포함한다는 점이 일반 강재 용접과 구분되는 특징이다.

티타늄 용접 품질은 용융부와 고온부의 가스 흡수를 막는 차폐 상태로 결정된다.

원리의 출발점은 금속의 화학적 활성이다. 티타늄은 활성이 크고 산소·질소와 친화력이 높다. 저온에서도 표면에 치밀한 산화막이 생기며, 온도가 오를수록 산화막은 두꺼워진다. 온도가 더 높아지면 활성이 급격히 커져 산소가 금속 내부로 들어가 고용되고, 산화물이 격렬하게 생성된다. 티타늄은 온도가 높아지면 수소, 산소, 질소를 차례로 흡수하기 시작한다. 이렇게 흡수된 가스는 용접부를 직접 취성화하므로 용접 품질을 가르는 가장 중요한 요소가 된다.

산소와 질소가 고용되면 경도와 인장강도가 높아지고 연성은 떨어진다. 산소는 질소보다 영향이 커서, 용접부의 산소 함량은 차폐에 쓰는 아르곤 가스의 산소 함량에 따라 거의 선형으로 증가한다. 따라서 산소 차폐가 불량하면 연성 저하가 뚜렷해진다.

수소는 가스 불순물 중 충격 성능에 가장 뚜렷한 영향을 준다. 수소가 많아지면 판상 또는 바늘 모양의 TiH2 침전물이 생기고, 이것이 수소취성의 원인이 되어 충격 인성이 크게 떨어진다. 수소 질량 분율이 일정 범위를 넘으면 용접 금속의 충격 인성이 급격히 감소한다. 수소는 기공의 원인이기도 하다. 상업순티타늄은 낮은 수소 농도에서도 고용에 의한 연성 저하가 나타날 수 있다. 수소화물 형성은 합금 표면의 철(Fe) 존재와 관련이 있다고 알려져 있다.

표면 색은 오염 정도를 판정하는 실무 기준이다. 은색에 가까울수록 차폐가 완전하고, 짚색과 갈색을 거쳐 보라색, 파란색, 녹색, 회색 또는 흰색으로 변할수록 오염이 심해진다. 짚색 용접은 가장 엄격한 산업에서 불합격으로 보며, 산화물 비늘이 동반된 회색이나 흰색은 차폐 가스가 전혀 효과가 없었음을 뜻한다. 용접 후에도 고온이 남아 있는 구간은 산화 위험이 있으므로, 냉각될 때까지 후행 가스로 보호해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

티타늄은 강도 대 무게 비가 높고 내식성이 뛰어나 항공우주 구조재와 화학 플랜트 설비에 적용이 늘었다. 이 재료를 접합해야 하는 요구가 커지면서 티타늄 용접의 품질 관리가 필요해졌다. 강재와 달리 티타늄은 용접 온도에서 대기 가스와 쉽게 반응하므로, 용접법을 고르기 전에 가스 오염을 막는 조건이 설계의 전제가 된다.

필요성은 세 가지로 정리한다.

• 연성과 인성 확보: 산소와 질소, 수소 흡수를 막아야 용접부의 연성과 충격 성능이 유지된다.
• 균열과 기공 방지: 수소는 기공을 만들고 TiH2 침전과 함께 취성 균열의 원인이 되므로 차폐 상태가 곧 결함 방지 조건이다.
• 모재 성능 보존: 용접부 밖의 고온 열영향부까지 산화되면 모재의 내식성 복원이 어려워지므로 보호 범위를 넓혀야 한다.

최근 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금 2mm 얇은 판재를 대상으로 차폐 배열을 달리하여 GTAW를 수행했다. 사전과 사후 가스 흐름을 포함한 차폐 배열을 적용하자 균열 없는 접합을 얻었고, 용접부에는 모재보다 조대한 결정립이 형성되었다. 가스텅스텐아크용접은 정밀도가 높은 반면 용접 속도가 느리고 숙련도를 요구하므로, 차폐 조건을 작업자 숙련에만 맡기지 않고 가스 흐름과 배치를 절차로 고정하는 것이 필요하다.